未来可以用FPGA解决智能电网的困惑

FPGA Altera工业部门市场开发经理John Johnson近日撰文，称希望可以使用FPGA来解决智能电网带来的设计挑战，以下是文章详情：

传统的电力基础设施在本质上是低效的，伴随着设备老龄化的来临，这些设备频繁的损坏，不光是资产及设备造成损失，同时也会对整个电网其他设备造成严重的影响，毕竟我们听到了太多关于旧电网设施的损坏造成整个社区基础设施破坏的事情了。

“智能电网”则可以解决上述挑战。

实现智能电网系统最关键的要素是确保设备可以有很长的生命周期，因此不光是可靠性要高，同时性能和功能也需要满足未来的要求。

一个现代化的电力输送体系结构包括发电，输电，配电和终端。智能电网与传统系统相比，在于对新技术的支持，比如可再生能源与能源储存，同时增加了创新的仪器仪表，包括新的表计与电网性能分析计等。

智能电网依靠通信系统及电力网络进行控制，以监测和控制电网参数，并确保产品的安全性和可靠性。

20世纪90年代之前，全球并没有电网的统一标准，供应商无法提供相互兼容的设备。为了便于更好地控制和广泛的布局，电网需要从一个单一的网络传输支持到对整个大电网的支持，因此通信和功率分配都应该有固定标准。

国际电工委员会(IEC)提出了一种公共的通信标准，通过对设备的一系列规范化，使其形成一个规范的输出，实现系统的无缝连接，用以解决变电站建筑、通信、安全性、以及定时和同步的问题。

IEC61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统唯一国际标准，是1995年IEC、ANSI以及其他一些合作的标准组织联合定制。

自成立以来，IEC 61850的标准伴随着电子电力系统的不断发展而发展，比如水电、光伏电站、分布式能源等不断涌现的新事物。

从内部变电站基础设施的角度来看，IEC 61850便于通过通信系统，使变电站设备通过光纤电缆来代替传统的硬连线方式实现互联性。

光纤网络的延迟比铜线低，因此为了促进这一网络标准，IEC 61850提供了特殊的消息层，可以绕过通信协议栈，进一步减少系统延迟。

IEC 61850规定，所有设备都必须保证无单点故障的系统事故，因此，变电站架构为所有关键部件都应采用冗余设置。

此外，变电站系统工程师必须满足恢复时间规格(识别和恢复发生故障后的变电站服务所需要的时间)。IEC61850规定的使用IEC62439-3(并行冗余协议)和高可用性的无缝冗余)。

为了使智能电网的设备更“智能”，电网系统需要包括信号处理、通信管理、专用集成电路和其他外围设备。要做到这一点，传统的系统通常包括一个数字信号处理器，一个中央处理单元和一个FPGA。

随着FPGA的集成能力和处理速度增加，很多的智能电网应用都开始考虑导入FPGA以实现所有的功能模块，并且保证系统的可靠性、高效性、可维修性以及低成本。比如，在智能电网应用中使用FPGA的一个例子是可扩展至八端口的四端口以太网交换机，支持10/100/1000G以太网，支持IEC 62439-3，支持IEEE 1588-2008，同时并不需要外部存储器。

28nm FPGA SoC之所以适应智能电网的要求，是因为其包含了32位纠错码功能以及多个ARM处理器内核，以确保系统的可靠性备份性。同时，虽然ARM核心提供良好的性能，但对于大多数计算密集型的实时处理需求，通常在FPGA架构中实现硬件加速器。

智能电网设备制造商需要一个连续的产品供应链，而FPGA可以提供不断地进行产品升级，并且此前的所有设计都可以很顺利的导入至新的产品中。因此无论是生产、制造和开发的重新配置，以及对于标准的升级改造，都变得非常容易。

FPGA将复杂的智能电网设计变得好像升级软件一样的简单。