【導(dǎo)讀】傳統(tǒng)的電力基礎(chǔ)設(shè)施在本質(zhì)上是低效的，伴隨著設(shè)備老齡化的來臨，這些設(shè)備頻繁的損壞，不光是資產(chǎn)及設(shè)備造成損失，同時(shí)也會(huì)對整個(gè)電網(wǎng)其他設(shè)備造成嚴(yán)重的影響。“智能電網(wǎng)”則可以解決上述挑戰(zhàn)。
FPGA Altera工業(yè)部門市場開發(fā)經(jīng)理John Johnson近日撰文，稱希望可以使用FPGA來解決智能電網(wǎng)帶來的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，以下是文章詳情：
傳統(tǒng)的電力基礎(chǔ)設(shè)施在本質(zhì)上是低效的，伴隨著設(shè)備老齡化的來臨，這些設(shè)備頻繁的損壞，不光是資產(chǎn)及設(shè)備造成損失，同時(shí)也會(huì)對整個(gè)電網(wǎng)其他設(shè)備造成嚴(yán)重的影響，畢竟我們聽到了太多關(guān)于舊電網(wǎng)設(shè)施的損壞造成整個(gè)社區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施破壞的事情了。
“智能電網(wǎng)”則可以解決上述挑戰(zhàn)。
實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)系統(tǒng)最關(guān)鍵的要素是確保設(shè)備可以有很長的生命周期，因此不光是可靠性要高，同時(shí)性能和功能也需要滿足未來的要求。
一個(gè)現(xiàn)代化的電力輸送體系結(jié)構(gòu)包括發(fā)電，輸電，配電和終端。智能電網(wǎng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，在于對新技術(shù)的支持，比如可再生能源與能源儲(chǔ)存，同時(shí)增加了創(chuàng)新的儀器儀表，包括新的表計(jì)與電網(wǎng)性能分析計(jì)等。
智能電網(wǎng)依靠通信系統(tǒng)及電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，以監(jiān)測和控制電網(wǎng)參數(shù)，并確保產(chǎn)品的安全性和可靠性。
20世紀(jì)90年代之前，全球并沒有電網(wǎng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，供應(yīng)商無法提供相互兼容的設(shè)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(yīng)該有固定標(biāo)準(zhǔn)。
國際電工委員會(huì)（IEC）提出了一種公共的通信標(biāo)準(zhǔn)，通過對設(shè)備的一系列規(guī)范化，使其形成一個(gè)規(guī)范的輸出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無縫連接，用以解決變電站建筑、通信、安全性、以及定時(shí)和同步的問題。
IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)唯一國際標(biāo)準(zhǔn)，是1995年IEC、ANSI以及其他一些合作的標(biāo)準(zhǔn)組織聯(lián)合定制。
自成立以來，IEC 61850的標(biāo)準(zhǔn)伴隨著電子電力系統(tǒng)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(xiàn)的新事物。從內(nèi)部變電站基礎(chǔ)設(shè)施的角度來看，IEC 61850便于通過通信系統(tǒng)，使變電站設(shè)備通過光纖電纜來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬連線方式實(shí)現(xiàn)互聯(lián)性。
光纖網(wǎng)絡(luò)的延遲比銅線低，因此為了促進(jìn)這一網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，IEC 61850提供了特殊的消息層，可以繞過通信協(xié)議棧，進(jìn)一步減少系統(tǒng)延遲。
IEC 61850規(guī)定，所有設(shè)備都必須保證無單點(diǎn)故障的系統(tǒng)事故，因此，變電站架構(gòu)為所有關(guān)鍵部件都應(yīng)采用冗余設(shè)置。
此外，變電站系統(tǒng)工程師必須滿足恢復(fù)時(shí)間規(guī)格（識(shí)別和恢復(fù)發(fā)生故障后的變電站服務(wù)所需要的時(shí)間）。IEC61850規(guī)定的使用IEC62439-3（并行冗余協(xié)議）和高可用性的無縫冗余）。
為了使智能電網(wǎng)的設(shè)備更“智能”，電網(wǎng)系統(tǒng)需要包括信號(hào)處理、通信管理、專用集成電路和其他外圍設(shè)備。要做到這一點(diǎn)，傳統(tǒng)的系統(tǒng)通常包括一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器，一個(gè)中央處理單元和一個(gè)FPGA。
隨著FPGA的集成能力和處理速度增加，很多的智能電網(wǎng)應(yīng)用都開始考慮導(dǎo)入FPGA以實(shí)現(xiàn)所有的功能模塊，并且保證系統(tǒng)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(yīng)用中使用FPGA的一個(gè)例子是可擴(kuò)展至八端口的四端口以太網(wǎng)交換機(jī)，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(chǔ)器。
28nm FPGA SoC之所以適應(yīng)智能電網(wǎng)的要求，是因?yàn)槠浒?2位糾錯(cuò)碼功能以及多個(gè)ARM處理器內(nèi)核，以確保系統(tǒng)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(shù)計(jì)算密集型的實(shí)時(shí)處理需求，通常在FPGA架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)硬件加速器。
智能電網(wǎng)設(shè)備制造商需要一個(gè)連續(xù)的產(chǎn)品供應(yīng)鏈，而FPGA可以提供不斷地進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)，并且此前的所有設(shè)計(jì)都可以很順利的導(dǎo)入至新的產(chǎn)品中。因此無論是生產(chǎn)、制造和開發(fā)的重新配置，以及對于標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)改造，都變得非常容易。
FPGA將復(fù)雜的智能電網(wǎng)設(shè)計(jì)變得好像升級(jí)軟件一樣的簡單。
