GreenFire系統:智能電網(wǎng)的核心

為了提高能源使用效率，一種名為虛擬能源賬戶(hù)的新形態(tài)能源記賬系統應運而生，用于處理個(gè)人、家庭或公司所有的發(fā)電量和消費。虛擬能源賬戶(hù)使用網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，集成全部所需要的各種信息。

智能系統

GreenFire系統包含有關(guān)能源使用及計賬的新方法。GreenFire系統由兩個(gè)要件構成：傳感器和服務(wù)器。傳感器負責測量其所附著(zhù)裝置的功率流。GreenFire傳感器硬件設計有多種可選擇的技術(shù)。最合適的是基于Microsemi的SmartFusion系列的設計。

每個(gè)SmartFusion器件包含一個(gè)ARMCortex-M3微控制器子系統，一個(gè)內建緊密結合的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)和SRAM區塊，以及一個(gè)可編程模擬區塊。通過(guò)結合3個(gè)主要的電子硬件，SmartFusion能夠把傳感器放入插頭和電器內部高度集成。而安全性則是SmartFusion器件設計和制造時(shí)與生俱來(lái)的功能。

Cortex-M3是ARM專(zhuān)門(mén)用于控制應用的處理器內核。SmartFusionCortex-M3和SRAM的工作速度為100MHz，零等待時(shí)間。在每個(gè)SmartFusion器件中，有兩個(gè)獨立零等待狀態(tài)的嵌入式SRAM區塊和一個(gè)針對使用者的嵌入式非易失性閃存大區塊。標準硬件外設包括一個(gè)10/100MbpEthernetMAC，SPI、I2C和UART串行埠各兩個(gè)，兩個(gè)32位定時(shí)器和一個(gè)32位看門(mén)狗定時(shí)器。

在GreenFire傳感器中，FPGA架構被用于實(shí)現某些DSP算法，如快速傅立葉變換(FFT)。電力線(xiàn)的電壓和電流通過(guò)芯片上的模數轉換器進(jìn)行采樣與數字化。采樣序列透過(guò)FFT來(lái)決定某些指標，如功率因數和諧波含量。在某些情況下，監測中的系統是否正?？梢杂煞治龀鰜?lái)的參數來(lái)判斷，預先示警可以避免潛在的災難性故障發(fā)生。在FGPA架構中執行FFT算法，比在微控制器中執行，保留更多時(shí)間。此外，一個(gè)專(zhuān)屬的硬件FFT控制器，比在通用微處理器架構上執行相同工作的軟件更快、更省電。

可信任架構

GreenFire傳感器內的SmartFusion器件所具有的安全功能，提供了傳感器硬件的可信任架構(rootoftrust)。它會(huì )檢查儲存在用戶(hù)可存取的內存內的程序簽名，以確保程序代碼沒(méi)有被篡改。

Flash的運用，成為基于SmartFusion架構的GreenFire系統重要的安全基礎。它可以保存芯片上用來(lái)建立安全網(wǎng)絡(luò )通信的加密密鑰和證書(shū)。SmartFusion內建的篡改檢測電路，使入侵者的工作變得更加困難。要進(jìn)一步保護重要程序代碼的安全，SmartFusion器件包含一個(gè)專(zhuān)屬的硬件加速解密引擎，可以安全地加載。

設計流程

采用與SmartFusion器件和GreenFire所使用的軟硬件環(huán)境相符合的概念模型技術(shù)，可以進(jìn)一步加快開(kāi)發(fā)的速度。GreenFireWorkbench使用Mathworks發(fā)行的MATLAB和Simulink工具來(lái)設計。

首先，設計可以直接用文字描述的硬件描述語(yǔ)言(hardwaredescriptionlanguage，HDL)，如Verilog或VHDL。主要的鏈接庫區塊，如FFT或GPIO，可從MicrosemiSoC產(chǎn)品部網(wǎng)站獲得。Microsemi還提供MentorGraph的ModelSimVerilog和VHDL仿真器，可以進(jìn)行寄存器傳輸級(registertransferlevel，RTL)和門(mén)級(后期合成)的邏輯仿真。

另一種設計方法，特別適合于需要大量DSP的設計，是使用Simulink和SynphonyHLSAEDSP區塊鏈接庫和生成工具插件。MicrosemiFPGA的用戶(hù)可以免費使用Synopsys工具，可以在Simulink內抓取和模擬參數化的區塊圖，并用于自動(dòng)產(chǎn)生轉化過(guò)后的Verilog或VHDL，供下游合成工具使用。

當FPGA的設計以一種或多種上述提到的方法產(chǎn)生VHDL或Verilog后，就可以使用SynopsysSynplifyPro編譯程序來(lái)合成電路，將設計從RTL轉換到門(mén)級。然后，利用LiberoIDE的布局和布線(xiàn)工具來(lái)完成在某個(gè)特定器件上的實(shí)際電路制作，這包括時(shí)序收斂和功率分析。剩下的就是完成處理監測數據。

為了提升效率，電力網(wǎng)絡(luò )必須改善并變得更加智能。采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，再加上一個(gè)安全、高集成的硬件平臺，可以降低能源消耗，優(yōu)化消費，降低消費者的成本?；贛icrosemiSmartFusioncSoC的GreenFire系統可以作為這種新型智能電網(wǎng)的基礎。