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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