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自主可控芯片研发 提升电网设备国产化水平——记国网冀北电力“国网芯”研发和试点应用工作

    近年来,随着信息化建设不断深入,智能电网建设的各个环节都需要部署大量感知和自动化设备,每年的芯片需求总量达数亿颗。过去,智能电网设备大量采用进口芯片迫切需要实现芯片国产化和自主化。

   近日,在张家口220千伏三马坊变电站、黄金岛变电站、榆林变电站通信机房内,各种通信设备平稳运行。与以往不同的是,机房里的温湿度、水浸、烟雾等传感器都换上了“国网芯”,为机房安全运行提供感知和报警服务。当日,由国网冀北电力有限公司承担试点任务的自主可控低功耗MCU(微控制单元)芯片在张家口3座变电站内完成试运行工作。
    自主研发 完成九种芯片设计开发
    “芯片是电网智能化发展的核心,与国家电网有限公司各项业务安全稳定运行密切相关。我们要紧紧抓住发展机遇,推动电网核心芯片的自主化、国产化,为建设卓越的智能电网提供坚实的技术支撑。”2016年2月,冀北电力信通公司总工程师邢宁哲在该公司智能电网典型芯片自主研发提升和试点应用项目启动会上表示。
    为提高智能电网安全防护能力,自2016年起,国网冀北电力投资组织,北京智芯微电子科技有限公司主要承建,依据“广泛调研、自主设计、试点先行、推广应用”原则研发相关芯片。
    两家单位的骨干力量组成了项目管控组、设计研发组、测试组、实施组,开展了运检、营销、计量等全场景的芯片需求调研,协调公司业务专家、技术专家资源,研讨编制需求方案、技术方案和应用方案。
    2016年12月底,项目团队顺利完成多接口可信芯片、高性能MCU芯片、低功耗MCU芯片、微功率无线通信芯片、TD-LTE230MHz无线通信芯片、超高频RFID(射频识别)温度传感芯片、电流传感器芯片、高安全高频RFID芯片、高安全超高频RFID芯片等九种工业级芯片及操作系统、测试指令的设计开发;完成了基于自研芯片在输变电状态监测、配电自动化、用电信息采集、电动汽车运营、生产移动作业、电力资产管理等六个领域的典型应用方案设计。
    攻克难题 满足工业级专用要求
    “电网的芯片要求是工业级的。2010年,我国只有500多家芯片设计企业,都是面向智能卡和消费类电子领域的,缺少面向工控领域的芯片设计企业。工业芯片与消费类电子芯片的应用环境截然不同。芯片要在高低温、盐雾、冰雪等户外环境下使用,并且满足7×24小时带电稳定运行,工作寿命10年以上。而这些,是通用芯片无法满足的。”智芯公司项目经理臧志成介绍。
    由于芯片研发时间紧任务重,项目管控组带领研发团队依据研发任务,制订了详细的攻坚计划。
    以往电力设备需要采用多种通用芯片实现特殊功能,存在复杂环境干扰大、可靠性低、成本高、使用寿命短等问题。工业级电力专用芯片则更可靠,因此也需要通过“多片合一”降低整机成本,提高芯片高集成度、可靠性和寿命,满足复杂的电力工业应用环境。
    项目团队通过工艺设计解决了芯片在强磁场辐射、高温、低寒、盐雾、潮湿等环境中的使用问题。他们研发的芯片产品于2017年3月取得了国家泰尔实验室、中国电子技术标准化研究院赛西实验室等权威第三方检测报告,达到了国内同类产品先进水平。
    研制一批、试点一批、推广一批
    国网冀北电力不仅是芯片研发投资和组织单位,也是芯片成果的试点验证单位。自主可控低功耗MCU芯片在张家口3座变电站内完成试运行,验证了内嵌低功耗MCU芯片的温湿度、水浸、烟雾传感器,具有功耗低、长寿命、无线化、方便部署安装等优点。自主低功耗MCU芯片设计指标符合工业级标准,为传感器的可靠应用提供了有力保障。
    项目团队成功研发了安全、主控、通信、射频和传感五大类九种芯片,并在自主化芯片系列产品基础上设计开发了六个典型应用场景。目前,这五大类九种芯片已在国网河南、宁夏电力等10余个省级电力公司试点应用。
    项目现已阶段量产自主研发的五大类芯片206537颗,其中安全类芯片1270颗、主控类芯片321颗、通信类芯片280颗、传感类芯片166颗、射频类芯片204500颗,实现了智能电网相关业务所需的感知、测量、通信、保护、控制等功能,极大地保障了数据采集、传输、分析、决策和控制等各个环节稳定运作,提高了智能电网的基础软硬件组件自主化水平,降低了电力管理成本,推动了产业升级。
    下一步,国网冀北电力将继续联合智芯公司等产业单位,在前期基础上完善输变电状态监测领域配套应用与GIS、PMS的本侧集成,优化电力设备资产管理领域配套应用互感器标签芯片发行程序,实现标签自动化生产,并在新技术研究、新产品研发、典型场景配套应用方面进行自主研发和试点应用,不断提高电力设备的国产化和智能化水平。

来源:国家电网报

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