芯片保护核心技术攻关及关键器件国产化

     智能电网技术的发展推动了电网数字化转型,促进了电网装备的智能化、网络化发展升级,实现了多业务领域数据深度融合和信息高度共享,提升了电网运行管理水平。
    受限于通用处理器软件串行执行的单一计算模式,传统微机保护一般采用外扩板卡、增加处理器以及安装加密模块应对装置智能化、网络化的发展要求,导致装置架构日趋复杂、元器件和板卡数量不断增多、交互环节增多且复杂,直接影响保护装置的速动性和可靠性;另一方面,作为继电保护核心中枢的主控芯片长期依赖进口,主要知识产权依赖欧美授权,存在“后门”、“技术禁运”等安全隐患,严重威胁到电网安全稳定运行。因此,系统设计研发新一代继电保护装置、实现关键器件的自主可控是当前亟待完成的历史使命。
    本项目依托国家重点研发计划课题“电力专用CPU芯片和内嵌入式操作系统研发及应用”、南方电网公司科技项目“芯片化保护测控装置关键技术研究与应用”等项目,组建产、学、研、用团队系统突破了新一代继电保护技术,研制了10kV~500kV系列化芯片保护装置和国产电力专用芯片,在创新架构、高效集成、全面国产和安全可控等方面建立了完整的芯片保护技术体系,取得了一些列重大技术突破:1)提出了多核芯片级软硬件协同的继电保护技术架构,首创融合硬件处理单元和可编程处理器的一体化集成技术,开创了多核电力专用芯片替代通用处理器的技术路线。开发了芯片保护多通道并行处理技术及专用算法,突破了传统保护串行处理的能效瓶颈,显著提升了继电保护装置的性能;2)研制出世界首套基于单一物理芯片架构的电力芯片保护装置,首创芯片保护多层安全监控和多核分区安全机制,开发了基于共享内存的片内高速传输总线,突破了保护装置的紧凑化、低功耗、高防护等关键技术,推动了继电保护技术的升级换代;3)研制出具有自主知识产权的全国产电力专用芯片,打造了以自主多核异构架构、国产指令集、国产处理器内核、国产自主硬件IP为核心的自主芯片研发和制造生态系统,实现芯片保护全功能国产化;4)提出芯片保护信息安全体系架构,研发了芯片保护装置运行过程、数据存储和通信传输等全环节的可信防篡改技术,研制了全面兼容国密算法的片上内嵌安全模块,推动了工业控制系统信息安全技术发展。项目获得授权专利45项(发明专利32项),发表论文17篇,获得软件著作权6项。项经过中国机械工业联合会组织的专家鉴定,项目整体成果达到国际领先水平。
    项目研制的芯片保护装置已在电网中规模化应用并出口至印度、印尼、亚美尼亚等10余个国家,同时亦为港珠澳大桥、滇西北至广东±800kV直流输电工程等国家重点工程保驾护航。除继保自动化领域外,国产电力专用芯片亦同时应用至北京四方、国电南自、长园深瑞、威胜集团等主流设备厂商的配网自动化、计量自动化、微网新能源装置,有效推动了电网装备关键器件国产化替代进程。截止2019年底,累计7万台的芯片保护装置投入运行,新增销售额11.5亿余元,新增利润3.9亿余元,实现了3600余万元的人力研发成本节支,经济效益显著。
    项目的成功应用标志着继电保护技术取得了重大突破,开创了以多核电力专用芯片替代通用处理器的技术路线,实现了电网控制装备核心元器件的国产替代和转型升级,推动了微机保护向芯片保护的跨越式发展,实现了电网装备的深度自主可控。