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主控芯片作为电网二次装备核心器件,涉及千万量级的电网关键装置,被业界称为电力工业控制的“大脑”。长期以来,我国工业控制芯片高度依赖国外技术和产品,对我国能源行业供应链安全造成重大威胁。
南方电网公司针对我国能源工控领域的“卡脖子”问题,历时8年,成功研发我国自主可控的第一款电力专用主控芯片——“伏羲”系列芯片。
目前,作为我国首个基于国产指令架构、国产内核的电力专用主控芯片“伏羲”,已先后在电网控制保护、自动化、新能源等多个电网关键场景进行验证及应用。这标志着我国电力工控领域核心芯片已经从“进口通用”向“自主专用”转变,对于逐步提高我国电网多领域场景新增设备的自主芯片覆盖率,实现国产工业控制芯片规模化应用具有重要意义。
“数据雪崩”隐患亟待根除
“电网是实时控制的系统,其发电、输电、用电是在瞬间完成的,无法存储或临时转移。由于其数据量巨大,当电网发生故障或者扰动时,就可能面临‘数据雪崩’。”据南方电网数字电网研究院有限公司总经理李鹏介绍,控制保护装置主控芯片“伏羲”的职责,就是在这种突发状况下保障电网的安全。
长期以来,我国工业控制芯片依赖国外技术和产品,这不仅无法满足我国电力技术发展的迫切需求,而且对我国能源行业的供应链安全造成重大威胁,甚至存在重大的网络安全和电网稳定隐患。
关键核心技术攻坚如何自主突破?自2013年开始,南方电网组织专门团队,着手布局能够适用于电网控制保护装置核心芯片的设计研发。芯片的设计研发过程,非常耗时费力。8年多来,团队攻克和经历重重困难。
“其中一个挑战,来自于芯片架构的设计。”据李鹏介绍,为了同时满足工业控制系统快速性和灵活性的要求,“伏羲”芯片采用了异构系统架构。就是在一块芯片上既要完成微秒级的实时信号处理,又要完成毫秒级的管理信号处理。“这就好比一只兔子和一只乌龟,在同一个跑道上赛跑,既要保持协同有序,还要能够互相照应。”李鹏说,团队通过实时调度等技术攻关,有效解决了芯片系统的稳定问题。
另一个挑战,就是面临“雪崩式”的数据涌入时,必须保证芯片能快速反应和处理。“通常这个环节都采用外挂电路实现,这一次我们采用‘独门绝技’,把外挂电路通过纳米级的芯片内部电路加以实现,并且固化成IP核,便于广泛推广。这项技术的创新性很强,成效也十分显著。”李鹏说。
“自主可控”多级联动防护
“我们做自主芯片有两个层面的考虑:一是芯片的国产化,另一个是芯片的场景化支撑。大多数电力装备长期依赖进口芯片,比如电网关键设备继电保护核心芯片大多以进口芯片为主,部分关键芯片在国内市场占有率近90%,如若被禁运,那国内继电保护领域将会造成重大影响。”李鹏表示。
据李鹏介绍,“伏羲”芯片的主要优势首先就是可控,从核心知识产权到芯片设计、流片、封装、测试全链条境内自主可控,最大限度保障了电网关键核心元器件供应链安全、稳定;其次是专用,“伏羲”芯片立足电力工控领域实时、安全、智能等计算需求,从芯片架构、资源、算法等方面开展场景化定制设计,从元件级实现对电网数字化、网络化、电力电子化等发展需求的支撑。
网络安全是能源工控领域的永恒主题。李鹏认为,“伏羲”芯片将为电网安全奠定坚实的原生安全基础,未来的电网安全防护有赖从“芯片—装备—系统”的多级联动防护,不断堵上安全漏洞。
“实现国产化替代后,从电网安全的角度来看,有两方面的优点,第一是有效避免了进口器件、进口IP所可能隐藏的‘攻击后门’;第二就是‘伏羲’芯片采用了非开源的国产指令架构,对于攻击的黑客而言,它会是一个黑盒,所以在安全的防范上会更有效。”李鹏说。
产业规模化应用前景广阔
“伏羲”系列芯片目前已应用于继电保护、变电站自动化、配网自动化、计量自动化、边缘计算、新能源等领域,后续将形成全系列产品,实现对工控领域全场景支撑。
“在成果应用和转化方面,我们采用‘伏羲’芯片开发了一系列高性能的芯片化电力保护装置,成效非常显著,芯片化装置的体积比传统装置减少了40倍,功耗降低了6倍,动作速度提升了20%。”李鹏说。
据李鹏介绍,“伏羲”系列芯片目前已具备基本成熟的产业规模化应用的条件,团队未来将加强芯片在交通、能源、智慧社会等方面进行更多的研发和应用,同时致力于产业推广,在一些独特方向上孵化新的产业空间。
据了解,南方电网已将“电力系统自主专用芯片”纳入公司“十四五”规划10大重点研发方向和8大产业链方向之一。下一步,将按照“成功一个试点一个,试点一个推广一片”的工作思路,逐步提高电网多领域场景新增设备的自主芯片覆盖率,实现国产工业控制芯片规模化应用,防范化解电网安全运行重大风险。
核心技术是国之重器,最关键最核心的技术要立足自主创新、自立自强。南方电网作为数字电网的设计者、倡导者,有基础,也有能力主导芯片技术与电网应用的深度融合。当前,南方电网在电力专用芯片领域,走出了一条完全国产自主可控的技术领域,奠定了科技自主自强的关键基础。
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