南网数研院：研发我国首款电力专用主控芯片“伏羲” 实现规模化应用

文/叶青

[导语]

南方电网数字电网研究院有限公司（以下简称“南网数研院”）以打造智能电网、建设数字南网为目标，以南方电网公司高质量发展的坚定践行者、创新引领的奋勇先行者、网络安全的坚强守护者、战略落地的有力支撑者为定位，致力于构建一流创新平台，成为具有核心竞争力的高科技企业，实现支撑保障和新兴产业两轮驱动、协调发展。2021年，南网数研院“电力芯片保护关键技术攻关及核心器件国产化”项目获得2020年度广东省科技进步奖一等奖。

“我们探索了在芯片级别实现传统电力装备完整功能的技术路线，采用完全国产化技术，包括芯片内核、芯片操作系统、芯片的专用高性能硬件电路以及芯片的安全防护设计，设计开发了我国自主可控的第一款电力专用主控芯片——‘伏羲’系列芯片。”南方电网数字电网研究院有限公司总经理李鹏说。为了实现这一技术成果，他和团队奋斗了8年。

该芯片保护装置已在多个行业中实现规模化应用，并出口至10余个国家，创造直接经济效益11.5亿元。此成果标志着我国电网核心装备迈向完全自主可控，推动了继电保护技术的跨越式发展。“电力芯片保护关键技术攻关及核心器件国产化”项目也因此获得2020年度广东省科技进步奖一等奖。

自主研发专用核心芯片

继电保护是保障电力系统安全稳定运行的第一道防线。传统继电保护技术架构、性能难以适应电网数字化发展，而我国工业实时控制的专用芯片长期依赖国外技术和产品，受制于人。以电力系统为例，众多测量、保护、控制装备的核心芯片缺乏国产自主能力。“这种局面，一方面与我国电力技术整体快速发展，对装备能力的要求和智能化水平提升的迫切需求不符；另一方面，对我国工业系统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。”李鹏说。

为此，2013年，南方电网组织专门团队，着手布局能够适用于工业控制系统的专用核心芯片的设计研发。

芯片的设计研发非常耗时费力，技术挑战非常大。“一个挑战来自于芯片架构的设计。”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，即在一块芯片上既要完成微秒级的实时信号处理，也要完成毫秒级的管理信号处理。“就好比一只兔子和一只乌龟，要在同一个跑道上同时跑步，还得保持互相之间的协同有序，能够互相照应。”李鹏说，最终团队通过实时调度等技术攻关，解决了芯片系统的稳定问题。

另一个挑战来自于工业控制的快速性本身。当电网发生故障等极端情况时，芯片将面临雪崩式的数据涌入，这时候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，并且固化成硬件IP，便于广泛推广。这项技术的创新性很强，我们花了比较大的气力。”李鹏说。同时，“伏羲”芯片完全具有自主知识产权，研究团队做到了在芯片电路级别的网络安全防护设计，集成了国家密码算法，这是体现我国自主可控的一个关键指针。

芯片性能达到国际先进水平

据介绍，“伏羲”芯片的功能性能达到国际先进水平，特别是在工业控制并行处理能力上，“伏羲”芯片的能力远超国际类似产品。

“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%，提升了继电保护装置的性能和智能化水平。”李鹏介绍。

“近年来，广东大力发展战略性支柱产业和战略性新兴产业，把发展高端半导体元器件列入新一代电子信息战略支柱产业，把半导体与集成电路、高端装备制造列入战略新兴产业，提出要基本解决‘缺芯少核’问题，这给我们持续推进芯片设计研发注入了强大的信心。”谈起来之不易的技术成果，李鹏深有感触。

李鹏看来，项目成果也将为广东高质量发展带来新动力。“首先，促进了地方产业链和创新链融合发展。作为电力工控领域的首款专用芯片，项目技术将有助于补齐短板做强产业链，带动形成芯片设计和制造产业集群。我们掌握的核心技术具有很好的推广应用空间，已经形成了多方协同创新的局面，也有利于激活和发展上下游更广泛的创新链条。其次，芯片化装置将带来巨大的节能、节地、节材效益，这是响应习近平总书记提出的‘双碳发展目标’，成为推动我国绿色发展的重要举措。”他说。

李鹏还透露，南网数研院的目标是以国产自主芯片为突破口，进一步延伸科技攻关的领域，在智能传感、高端装备等方面形成更加丰富的成果和产出，同时致力于产业推广，在一些“独门绝技”方向上孵化新的产业空间。