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John Johnson erwägt die Verwendung von FPGAs, um die Designherausforderungen von Smart-Grid-Systemen zu bewältigen

Die bisherige Energieinfrastruktur ist ineffizient, altert und ihr Betrieb ist häufig umweltschädlich.

Wir hören mehr Geschichten über den Ausfall und die Beschädigung älterer Stromnetzinfrastrukturen in den Gemeinden, denen die Infrastruktur dienen soll.

Normungsorganisationen und Ingenieure haben sich dieser Herausforderung gestellt und versprechen, viele der oben genannten Nachteile zu beheben. Das sogenannte „Smart Grid“ verkörpert viele dieser Lösungen.

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Die Implementierung eines Smart-Grid-Systems stellt den Ingenieur vor erhebliche konstruktive Herausforderungen, da diese Systeme nicht nur unter dem Gesichtspunkt der Zuverlässigkeit, sondern auch unter dem Gesichtspunkt der Leistung und Funktionalität eine lange Lebensdauer aufweisen müssen.

Eine moderne Stromversorgungsarchitektur umfasst die Stromerzeugung, -übertragung und -verteilung sowie die Verbraucher. Das Smart Grid unterscheidet sich in vielen Aspekten von herkömmlichen Systemen, einschließlich neuer Technologien wie erneuerbarer Energiequellen, Energiespeicherung und Instrumentierung (einschließlich Verbrauchsmessung und Netzleistungsanalyse).

Die optimale Steuerung des Netzes hängt vom Vorhandensein umfangreicher Kommunikations- und Stromnetze, der genauen Überwachung und Kontrolle der Netzparameter sowie von Vorkehrungen zur Gewährleistung von Zuverlässigkeit und Sicherheit ab.

Vor Mitte der neunziger Jahre gab es keine globalen Stromnetzstandards, die es den Energieversorgern ermöglichten, austauschbare Geräte einzusetzen. Um eine verbesserte Steuerung und Flexibilität zu ermöglichen, musste das Netz von einem einzelnen Übertragungsleitungsnetz in ein Netzwerkpaar umgewandelt werden, das Kommunikation und Energieverteilung umfasst.

Die International Eletrotechnical Commission (IEC) hat eine Reihe von Kernstandards entwickelt, die sich mit der Architektur, Kommunikation und Sicherheit von Umspannwerken sowie mit dem Timing und der Synchronisation befassen.

Die Arbeiten an der Norm IEC 61850, Kommunikationsnetze und -systeme in Unterstationen, begannen 1995, als Vertreter der IEC, des American National Standards Institute (ANSI) und anderer an einer neuen Denkweise zur Steuerung von Unterstationen durch Implementierung einer robusten Kommunikation zusammenarbeiteten Netzwerke sowie ein Framework zur Erleichterung der Automatisierung.

Seit der Einführung von IEC 61850 und im Zuge der Weiterentwicklung der Systemkenntnisse und -anforderungen wurden inkrementelle Funktionen hinzugefügt, um die Leistung und Funktionalität des Standards zu erweitern und zu verfeinern, darunter Bereiche wie Wasserkraft, PV-Kraftwerke und verteilte Energieressourcen.

Aus Sicht der internen Stationsinfrastruktur erleichtert IEC 61850 die Interoperabilität, Flexibilität und Steuerung, indem festverdrahtete Implementierungen durch ein Netzwerk von Stationsgeräten ersetzt werden, die über Glasfaserkabel kommunizieren. Dieses Netzwerk löst zwar eine Reihe von Problemen im Zusammenhang mit Flexibilität und Interoperabilität, bringt jedoch auch neue Herausforderungen mit sich.

Beispielsweise ersetzt das Glasfasernetz Kupferverbindungen mit geringer Latenz. Um dieses Netzwerk zu vereinfachen, bietet IEC 61850 Unterstützung für spezielles Messaging, bei dem Schichten des Kommunikationsstapels umgangen werden, um die Latenz zu verringern.

Standards für die Stationsautomatisierung wie IEC 61850 legen fest, dass kein einzelner Fehlerpunkt eine Systemstörung verursacht. Daher verwenden Unterstationsarchitekturen Redundanz für alle geschäftskritischen Komponenten.

Außerdem müssen die Techniker von Umspannwerken die Spezifikationen für die Wiederherstellungszeit einhalten (die Zeit, die erforderlich ist, um einen Umspannwerksdienst nach einem Ausfall zu identifizieren und wiederherzustellen). IEC61850 schreibt die Verwendung von IEC62439-3 (Parallel Redundancy Protocol) und High-Availability Seamless Redundancy vor.

Um das Smart Grid „intelligent“ zu machen, umfasst die Stromnetzausrüstung eine Kombination aus Signalverarbeitung, Kommunikationsmanagement, dedizierten Hardware-Blöcken und anderen Peripheriegeräten. Zu diesem Zweck enthalten Legacy-Systeme normalerweise einen digitalen Signalprozessor, eine zentrale Prozessoreinheit (CPU) und einen FPGA.

Mit zunehmenden Fähigkeiten und Integrationsgraden von FPGAs haben mehrere Smart-Grid-Anwendungen ein FPGA oder einen SoC integriert, um alle diese Blöcke zu implementieren. Dies bietet überlegene Zuverlässigkeit, Wartbarkeit und Kosten.

Heute implementieren Geräteentwickler ihre Netzkommunikationsprodukte auf FPGAs und SoCs.

Ein Beispiel für FPGAs, die in Smart-Grid-Anwendungen verwendet werden, ist der 4-Port-Ethernet-Switch mit Unterstützung für HSR, PRP und IEEE1588-2008, der von Altera und seinem Smart-Grid-Design-Partner Flexibilis angeboten wird.

Das Design ist ein 4-Port-Switch, der auf 8 Ports erweiterbar ist. Es unterstützt 10/100/1000 Ethernet, IEC 62439-3-konforme Implementierungen von PRP / HSR, unterstützt IEEE1588-2008 und erfordert keinen externen Speicher.

Heutige 28-nm-FPGAs und SoCs verfügen über mehrere Eigenschaften, die zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von Smart-Grid-Geräten beitragen. Ein hoher Integrationsgrad verringert die Anzahl der erforderlichen Komponenten und verbessert dadurch die Leistung der MBTF / FIT-Rate.

Funktionen wie die Abdeckung des Fehlerkorrekturcodes und die Verwendung mehrerer Prozessoren gewährleisten einen zuverlässigen Betrieb. Einige Konfigurationen implementieren einen kleinen RISC-Kern in der FPGA-Struktur. Während andere einfach den Level-1-Cache eines der beiden ARM Cortex-A9-Prozessorkerne sperren und den dedizierten Core für Diagnosezwecke (Watchdog) verwenden.

Beispielsweise liefern 28-nm-SoCs mit dem Dual-Core-ARM-Cortex-A9-Prozessor bis zu 4000 MIPS. Zu jedem Kern gehört ein NEON-Coprozessor mit doppeltem Gleitkomma. Jeder Prozessor enthält 32 KByte L1-kohärenten Cache, und beide Kerne teilen sich 512 dB L2-Cache.

Während die ARM-Kerne eine gute Leistung für alle Anwendungen mit Ausnahme der rechenintensivsten Anwendungen bieten, implementieren Anwendungen, die Echtzeit-Rechenfunktionen erfordern, häufig Hardwarebeschleunigung in der FPGA-Struktur.

Hersteller von Smart-Grid-Geräten benötigen ein Spektrum von Leistungsstufen für alle Produktangebote. Funktionen, die allen Produkten gemeinsam sind (z. B. PRP / HSR), können für alle FPGA- und SoC-Familien die gleiche Implementierung verwenden und so die Wiederverwendung sowie die Kosten- / Leistungsoptimierung ermöglichen.