FPGA Altera工業(yè)部門(mén)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理John Johnson近日撰文，稱(chēng)希望可以使用FPGA來(lái)解決智能電網(wǎng)帶來(lái)的設計挑戰，以下是文章詳情：

　　

傳統的電力基礎設施在本質(zhì)上是低效的，伴隨著(zhù)設備老齡化的來(lái)臨，這些設備頻繁的損壞，不光是資產(chǎn)及設備造成損失，同時(shí)也會(huì )對整個(gè)電網(wǎng)其他設備造成嚴重的影響，畢竟我們聽(tīng)到了太多關(guān)于舊電網(wǎng)設施的損壞造成整個(gè)社區基礎設施破壞的事情了。

　　

 

“智能電網(wǎng)”則可以解決上述挑戰。

　　

實(shí)現智能電網(wǎng)系統最關(guān)鍵的要素是確保設備可以有很長(cháng)的生命周期，因此不光是可靠性要高，同時(shí)性能和功能也需要滿(mǎn)足未來(lái)的要求。

　　

一個(gè)現代化的電力輸送體系結構包括發(fā)電，輸電，配電和終端。智能電網(wǎng)與傳統系統相比，在于對新技術(shù)的支持，比如可再生能源與能源儲存，同時(shí)增加了創(chuàng )新的儀器儀表，包括新的表計與電網(wǎng)性能分析計等。

　　

智能電網(wǎng)依靠通信系統及電力網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行控制，以監測和控制電網(wǎng)參數，并確保產(chǎn)品的安全性和可靠性。

　　

20世紀90年代之前，全球并沒(méi)有電網(wǎng)的統一標準，供應商無(wú)法提供相互兼容的設備。為了便于更好地控制和廣泛的布局，電網(wǎng)需要從一個(gè)單一的網(wǎng)絡(luò )傳輸支持到對整個(gè)大電網(wǎng)的支持，因此通信和功率分配都應該有固定標準。

　　

國際電工委員會(huì )（IEC）提出了一種公共的通信標準，通過(guò)對設備的一系列規范化，使其形成一個(gè)規范的輸出，實(shí)現系統的無(wú)縫連接，用以解決變電站建筑、通信、安全性、以及定時(shí)和同步的問(wèn)題。

　　

IEC61850標準是基于通用網(wǎng)絡(luò )通信平臺的變電站自動(dòng)化系統唯一國際標準，是1995年IEC、ANSI以及其他一些合作的標準組織聯(lián)合定制。

　　

自成立以來(lái)，IEC 61850的標準伴隨著(zhù)電子電力系統的不斷發(fā)展而發(fā)展，比如水電、光伏電站、分布式能源等不斷涌現的新事物。從內部變電站基礎設施的角度來(lái)看，IEC 61850便于通過(guò)通信系統，使變電站設備通過(guò)光纖電纜來(lái)代替傳統的硬連線(xiàn)方式實(shí)現互聯(lián)性。

　　

 

光纖網(wǎng)絡(luò )的延遲比銅線(xiàn)低，因此為了促進(jìn)這一網(wǎng)絡(luò )標準，IEC 61850提供了特殊的消息層，可以繞過(guò)通信協(xié)議棧，進(jìn)一步減少系統延遲。

　　

IEC 61850規定，所有設備都必須保證無(wú)單點(diǎn)故障的系統事故，因此，變電站架構為所有關(guān)鍵部件都應采用冗余設置。

　　

此外，變電站系統工程師必須滿(mǎn)足恢復時(shí)間規格（識別和恢復發(fā)生故障后的變電站服務(wù)所需要的時(shí)間）。IEC61850規定的使用IEC62439-3（并行冗余協(xié)議）和高可用性的無(wú)縫冗余）。

　　

為了使智能電網(wǎng)的設備更“智能”，電網(wǎng)系統需要包括信號處理、通信管理、專(zhuān)用集成電路和其他外圍設備。要做到這一點(diǎn)，傳統的系統通常包括一個(gè)數字信號處理器，一個(gè)中央處理單元和一個(gè)FPGA。

　　

隨著(zhù)FPGA的集成能力和處理速度增加，很多的智能電網(wǎng)應用都開(kāi)始考慮導入FPGA以實(shí)現所有的功能模塊，并且保證系統的可靠性、高效性、可維修性以及低成本。比如，在智能電網(wǎng)應用中使用FPGA的一個(gè)例子是可擴展至八端口的四端口以太網(wǎng)交換機，支持10/100/1000G以太網(wǎng)，支持IEC 62439-3，支持IEEE 1588-2008，同時(shí)并不需要外部存儲器。

　　

28nm FPGA SoC之所以適應智能電網(wǎng)的要求，是因為其包含了32位糾錯碼功能以及多個(gè)ARM處理器內核，以確保系統的可靠性備份性。同時(shí)，雖然ARM核心提供良好的性能，但對于大多數計算密集型的實(shí)時(shí)處理需求，通常在FPGA架構中實(shí)現硬件加速器。

　　

智能電網(wǎng)設備制造商需要一個(gè)連續的產(chǎn)品供應鏈，而FPGA可以提供不斷地進(jìn)行產(chǎn)品升級，并且此前的所有設計都可以很順利的導入至新的產(chǎn)品中。因此無(wú)論是生產(chǎn)、制造和開(kāi)發(fā)的重新配置，以及對于標準的升級改造，都變得非常容易。

　　

FPGA將復雜的智能電網(wǎng)設計變得好像升級軟件一樣的簡(jiǎn)單。