Bild 1: Der Aufbau eines Smart Grids im Überblick.

Bild 1: Der Aufbau eines Smart Grids im Überblick.Altera

Eine moderne Stromversorgungsarchitektur besteht aus einem Stromgenerator, der Übertragung und Verteilung (T&D Transmission and Distribution) und den Endanwendern (Bild 1). Das Smart Grid unterscheidet sich in vielerlei Hinsicht von herkömmlichen Systemen, denn es beínhaltet auch erneuerbare Energiequellen, Energiespeicherung sowie Messsysteme für den Konsumenten und für die Analyse der Netzleistung. Die optimale Steuerung des Netzes hängt von einer extensiven Kommunikation, von einer engen Überwachung und von der Regelung der Netzparameter und den Bestimmungen bezüglich Zuverlässigkeit und Sicherheit ab.

Auf einen Blick

Lösungen für Produkte mit langer Produktlebensdauer zur Verfügung zu stellen, geht über die Zuverlässigkeit hinaus und erfordert ein Commitment des Herstellers, die Komponente für die gesamte Lebensdauer des Endprodukts zu liefern. Die Möglichkeit Produkte zu rekonfigurieren und Upgrades durchzuführen – sowohl in der Produktion als auch im Feld – sind von entscheidender Bedeutung. Das gilt besonders, wenn die Standards sich mit der Zeit auch noch verändern. FPGAs helfen dabei, dieses Problem zu lösen, denn sie stellen skalierbare und rekonfigurierbare Komponenten dar, mit denen sich Produkt-Updates implementieren lassen, die weit über einen einfachen Software-Wechsel hinausgehen.

Vor Mitte der 1990er Jahre gab es keine globalen Stromnetzstandards, mit denen die Energieversorger austauschbares Equipment hätten installieren können. Um eine verbesserte Steuerung und Flexibilität zu ermöglichen beziehungsweise zu erleichtern, muss das Netz sich wandeln, von einem einzigen Netz mit Übertragungsleitungen hin zu einem Netzpaar, in dem Kommunikation und Strom übertragen wird. Die internationale elektrotechnische Kommission IEC hat einen Satz von Kernstandards für Umspannwerke, die Kommunikation, Sicherheit, das Timing und die Synchronisation entwickelt.

1995 wurde mit der Arbeit am IEC-61850-Standard „Communication Networks and Systems in Substations“ begonnen. Damals arbeiteten das IEC und das nationale, amerikanische Standardisierungsinstitut ANSI zusammen an einer neuen Denkweise über Umspannwerke, über robuste Kommunikationsnetze sowie ein Framework für eine einfachere Automatisierung.

Die Herausforderungen der IEC-61850

Bild 2: Überblick über ein PRP-Netz (Parallel Redundancy Protocol).

Bild 2: Überblick über ein PRP-Netz (Parallel Redundancy Protocol).Altera

Seit den Anfängen der IEC-61850 wurden schrittweise neue Bereiche, wie Wasserkraft, Photovoltaikanlagen und verteilte Energiequellen, hinzugefügt, um den Standardfunktionsumfang zu erweitern. Aus dem Blickwinkel einer internen Umspannwerkinfrastruktur erleichtert der Standard die Interoperabilität und Flexibilität sowie die Steuerung über ein Kommunikationsnetz via Glasfaserkabel. Dieses Netz löst viele Probleme bezüglich der Flexibilität und Interoperabilität, aber es bringt auch einige Herausforderungen mit sich. So ersetzt das Glasfasernetz (und seine dazugehörigen Schichten von Kommunikations-Hardware und -Stacks) beispielsweise Kupferdrahtverbindungen mit geringer Latenzzeit. Um dieses zu vereinfachen, unterstützt der IEC-61850 spezielle Nachrichten, die Schichten des Kommunikations-Stacks umgehen, um die Latenzzeiten zu reduzieren.

Bild 3: Überblick über ein HSR-Netz (High-Availability Seamless Redundancy).

Bild 3: Überblick über ein HSR-Netz (High-Availability Seamless Redundancy).Altera

Automatisierungsstandards für Umspannwerke wie die IEC-61850 spezifizieren, dass keine einzige Schwachstelle eine Fehlfunktion des Systems verursachen darf und dass alle Architekturen von Umspannwerken mit Redundanzen in allen übertragungsrelevanten Komponenten ausgestattet sind. Die IEC-61850 verordnet die Anwendung des IEC-62439-3 und die darin festgehaltenen Redundanz-Lösungen Parallel-Redundanz-Protocol (PRP) (siehe Bild 2) und High-Availability Seamless Redundancy (HSR) (siehe Bild 3).

Smart-Grid-Applikationen für FPGAs und SoCs

Um das Smart Grid „intelligent“ zu machen, setzen die Equipment-Hersteller für Stromnetze auf eine Kombination aus Signalverarbeitung, Kommunikations-Management und dedizierten Hardware-Blöcken. Um dies zu erreichen, sind in den Systemen typischerweise ein DSP, eine CPU und ein FPGA zu finden. Nachdem aber die Möglichkeiten und Integrationsdichten von FPGAs gestiegen ist, wurden in einigen Smart-Grid-Applikationen nur ein FPGA oder ein SoC genutzt, auf dem all diese Funktionsblöcke implementiert sind, wodurch eine höhere Flexibilität, Zuverlässigkeit, Wartbarkeit und niedrigere Kosten möglich wurden. Diese Designs nutzen darüber hinaus auch die Fähigkeit der Bausteine, 10/100 und Gigabit-Ethernet zu unterstützen.

Bild 4: Die FPGA-basierte Architektur eines PRP/HSR-Switches.

Bild 4: Die FPGA-basierte Architektur eines PRP/HSR-Switches.Altera

Ein Beispiel für ein FPGA in einer Smart-Grid-Anwendung ist ein Ethernet-Switch mit vier Ports, die HSR, PFP und IEEE-1588/2008 unterstützen, das von Altera und seinem Smart-Grid-Design-Partner Flexibilis entwickelt wurde (Bild 4). Der 4-Port-Switch ist auf acht Ports erweiterbar. Er unterstützt 10/100/1000 Ethernet, IEC-62439-3-konforme Implementierungen von PRP/HSR und bietet Support für IEEE-1588/2008 – und das Ganze ohne externen Speicher. Diese Implementierung kann auch in anderes Automatisierungsequipment für Umspannwerke (zum Beispiel ein Transmission-Relais und so weiter) mit anderen Funktionen auf einem Cyclone-V-SoC integriert werden.

Diese SoC-FPGAs sind mit dem Dual-Core-Prozessor Cortex-A9 von ARM ausgestattet, der mit 800 MHz getaktet ist. Darüber hinaus sind auf den Bausteinen embedded Flash, RAM, Caches, GPIOs und für Smart-Grids übliche Kommunikations-Ports zu finden. Die FPGA-Fabric bietet den Entwicklern von Smart-Grids eine Vielzahl von Vorteilen, sei es in Hinblick auf die Integrationsmöglichkeiten, oder die Beschleunigung der Anwendung oder die Fähigkeit, Upgrades durchzuführen.

Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Time-to-Market

Heutige FPGAs und SoCs verfügen über einige Qualitäten, die dabei helfen, die Zuverlässigkeit von Smart-Grid-Equipment zu erhöhen. So reduziert das hohe Integrationsniveau die Anzahl der benötigten Komponenten und verbessert damit die MBTF/FIT-Rate. Funktionen wie ECC-Speicher (Error Correction Code) und die Nutzung von mehreren Prozessoren wiederum helfen dabei, einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen. In einigen Konfigurationen ist ein kleiner RISC-Core in der FPGA-Fabric implementiert, während in anderen einfach der Level-1-Cache von einem der beiden Cortex-A9-Prozessorkerne gesperrt ist und der dedizierte Core zu Diagnosezwecken genutzt wird.

Ein stromsparendes, kostengünstiges SoC auf Basis von 28 nm kommt durch den Dual-Core-Cortex-A9 auf eine Rechenleistung von bis zu 4000 MIPS. Ein Coprozessor mit einer Gleitkommaeinheit mit doppelter Genauigkeit ergänzt jeden einzelnen Prozessorkern. Jeder Prozessor ist mit 32 KByte koheräntem L1-Cache ausgestattet. Darüber hinaus teilen sich die Cores noch einen 512 KByte großen L2-Cache. Für Applikationen, die eine Berechnung in Echtzeit benötigen, wird oft noch ein Hardware-Beschleuniger in der FPGA-Fabric implementiert.

Ein FPGA hilft Kunden dabei, ihr Time-to-Market zu reduzieren, in dem standardmäßige CPU-Cores, neueste Entwicklungs-Tools und fertige IPs zur Verfügung gestellt werden.

FPGA-basiertes Design für Smart-Grid

Bild 5: IEC-62439-3-kompatibles Referenzdesign einer FRS- (Flexibilis Redundant Switch) IP, implementiert in einem kostengünstigen Cyclone-V-FPGA oder Cyclone-V-SoC.

Bild 5: IEC-62439-3-kompatibles Referenzdesign einer FRS- (Flexibilis Redundant Switch) IP, implementiert in einem kostengünstigen Cyclone-V-FPGA oder Cyclone-V-SoC.Altera

Altera hat jetzt das Portfolio an FPGA-basierten Lösungen mit einem HSR/PRP (High-availability Seamless Redundancy/Parallel Redundancy Protocol)-Referenzdesign für Smart-Grid-Automatisierungsanwendungen erweitert. Entwickelt mit Flexibilis Oy, beinhaltet das IEC-62439-3-kompatible Referenzdesign eine FRS (Flexibilis Redundant Switch)-IP, implementiert in einem kostengünstigen Cyclone-V-FPGA oder Cyclone-V-SoC von Altera. Mit dem Referenzdesign wird die Entwicklung und Implementierung von hochzuverlässigen Kommunikationssystemen in Smart-Grid-Umspannwerken vereinfacht.

Die HSR/PRP-IP als Teil des Referenzdesigns beinhaltet einen 10/100/1000 Mbit/s Ethernet-Layer-2-Switch, der für drei bis acht Ports skalierbar und zum IEC-62439-3-Standard kompatibel ist. Die IP ist für den Einsatz in den Cyclone-IV- und Cyclone-V-FPGAs beziehungsweise Cyclone-V-SoCs optimiert. Letztere haben ein Dual-Core ARM Cortex-A9 Prozessor-Subsystem integriert. Cyclone-V-SoCs ermöglichen geringere Bauteile-Kosten, indem der HSR/PRP-Switch zusammen mit den entsprechenden Software-Stacks, die auf dem ARM-Prozessor laufen, integriert werden können. Für die Timing-Synchronisierung unterstützt die HSR/PRP-Lösung das IEEE-1588 Precision Time Protocol (PTP) Version 2. Die HSR/PRP-Lösung ermöglicht zukunftssichere Automatisierungssysteme für Umspannwerke mit der Gewährleistung der Kommunikation auch für zukünftige intelligente elektronische Komponenten. Bei dieser Lösung sind keine Lizenzen erforderlich beziehungsweise fallen entsprechende Kosten an.