新颖的方向——电力定制化芯片

董旭柱，谌立坤，王波，尚磊，陈军健

（武汉大学；南方电网数字电网研究院）

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.211356.

芯片作为人们熟知的“日常用品”在电力行业也是应用颇多，传统电力行业中的继电保护、自动化、信息通信和资产管理等都依赖着芯片来解决实际工程问题、满足行业生产需求。但是随着新型电力系统的发展，可以预见到电力系统呈现高度的“电力+电子”化特点，这一特点不仅仅体现在基于电力电子器件的变流器高渗透率，还表现为电力装备与电力芯片的高度融合，即电力加电子的智能电气装备和系统。

所以芯片在电力系统的应用会面临新的问题，这些问题可以总结为1）可靠问题。芯片在电力系统的逐步推进下必然会面对地区差异性的恶劣工作环境，强电磁、高低温及湿度会造成应力破坏、放电破坏、电磁干扰等问题从而影响芯片的可靠运行。2）功能问题。新型电力系统场景需求的增加从而导致芯片功能需求增加，运行程序复杂化、多样化带来芯片上的功能自定义需求。3）功耗问题。芯片在高压输电等场景的工作环境下存在取电困难问题，芯片供能面临挑战，芯片需降低自身的功耗以延长有效工作时间。4）测试问题。现有通用芯片的测试手段及工具中仅能够完成逻辑性测试，没有面向电力系统功能需求的成套设备测试，不能完全满足电力定制化芯片的测试需求。

高度需求自动化、智能化的新型电力系统自然需要用芯片作为支撑运转的核心元器件，但是目前电力定制化芯片的定义、研究对象及其相关理论尚未被系统性提出。所以本文提出了电力定制化芯片的概念，并初步整理了电力定制化芯片相关研究的构成要素，如下图。我们认为其严格的定义应当是：满足电力系统测量、控制、保护、通信、识别及运算分析等需求的定制化工业级芯片。当然，这一概念的关键技术、应用场景和问题都需要不断加深明确。

Q1：电力定制化芯片需要5nm芯片吗？

A1：没有特别的需求。正好给大家科普一个小常识，人们常说的5nm是需要缩减体积、提高商业价值的电子产品更看重的，电力系统这种工业系统最看重的特性是安全与稳定，所以军工业用的芯片都不会盲目追求制程。

Q2：既然不需要高制程芯片，为什么说电力芯片还被卡脖子呢？

A2：先问是不是，再问为什么！工业级芯片40-55nm的完全够用，这方面我国没有被卡脖子！但是我国也有短板，例如暂时还没有像x86或者ARM那样成熟的芯片架构，这方面或许可以被称之为“卡脖子”。

Q3：电力芯片跟一般芯片有区别吗？

A3：问得好，这个问题我就要花整整第二章来给大家解释了。

电力定制化芯片与一般芯片的区别是电力系统这个特殊的应用场景带来的，我们从电力定制化芯片研究的需求出发，首先便是电力定制化芯片的多物理场分析技术。电力定制化芯片的多物理场仿真是为了研究PSIC在能源电力行业不同运行环境下所存在的电场、磁场、温度场、流体场和力场等各物理场综合作用下的运行机理，此过程中涉及跨时间/空间尺度和不同物质形态之间相互作用的问题。

然后是多核同异构混合架构的技术研究，电力系统中所需系统按照输出时间要求分为实时性与非实时性两种，电网包含电气量监测与继电保护等由于电网安全问题而对实时性要求极高的生产环节和人机交互、电能计量等对实时性并无特殊要求的生产环节。由于传统使用的通用芯片无法满足两种对于实时性不统一的需求，所以才需要架构上的改变。

其次是软硬件定制技术，芯片行业中有个很重要的概念叫做IP核定制，IP核其实类似于我们写代码的函数调用，不同的是IP核是硬件过程。以电力系统的仿真举例，不同于其他系统，电力系统的仿真是微分代数方程的求解过程，其中最耗时的部分是代数方程的求解，为了能够加快计算速度以保证实用性，网络矩阵的求逆过程需要大幅度加速，而加速方式就是定制网络矩阵求逆的IP核。

再者是PSIC的运行保障技术，这里面首当其冲的就是高可靠性技术。高可靠性技术指的是让芯片能够在规定的条件和规定的时间内符合性能要求的技术，这就涉及到PSIC的抗电磁干扰(EMI)技术、抗静电放电(ESD)技术和散热技术。抗EMI技术是为了保障PSIC能够正常工作于高压电塔、变电站等强电磁环境中。抗ESD技术是为了保障人体及空气放电击穿，散热技术是为了保证芯片运行过程中始终保持良好运行状态。PSIC也需要低功耗技术，这是因为电力系统当中如山区、沿海高压输电等特殊场景带来了PSIC的取电困难问题，无法通过引线方式给PSIC供电，为了运行维护的方便PSIC功耗必须下降到能够为工程所接受的程度。

最后是PSIC的测试技术。不同于传统芯片，PSIC功能增多、架构改变、算法复杂度高，其芯片的功能运行链条增长，需要经过严格的测试验证其功能的可靠性和稳定性，进一步保障整体电网的安全稳定运行。

前面所说的多物理场分析技术、多核同异构混合技术、软硬件定制技术、运行保障技术和测试技术都是为了能让芯片能够良好的适应电力系统的多种应用场景。“应用场景”这个词或许比较抽象，以下通过举例说明。我们可以将电力系统直观的分类为发、输、变、配、用五个环节，这五个环节的自动化与智能化是如何应用芯片的呢？请先看如下大体示意图

大量新能源的接入带来电力系统源荷不确定性，导致电网运行状态复杂化。同时电力电子接口增多导致系统惯性小且稳定机理变化，发电侧优化运行、规划、保护及稳定分析需求增加，此类需求均需要数字化技术以进行解决。更具体一点说，可以应用于发电出力预测及优化调度、动态监测与稳定控制和储能管理的方面，具体实现方式是控制环或者智能算法的搭载。

在输变电环节，近年来，人工智能技术的快速发展使得无人机、机器人等可以模拟人类思考完成复杂作业。以高压输电线路应用PSIC场景为例，高压线路输电走廊庞大且地形复杂，传统的巡检方式依靠人工，在复杂环境下巡检的时间及物力成本极高。使用搭载PSIC而具有边缘传感能力的智能巡检无人机进行输电走廊的巡检，通过对关键部位进行拍照、录制，经过深度学习等方式完成线路、金具等多关键设备节点的动态检测。

在配用电环节，未来配用电网络将由被动控制向主动控制转型，含多微网的主动配电系统是未来配用电环节的一种主要形态。PSIC的主要应用可以在于配电控制与管理、保护以及故障定位等。