FPGA

随着我国数字经济规模总量的不断攀升，实体经济、数字经济和信息服务的深度融合正加速产业数字化和数字产业化变革。算力作为承载信息数据的重要基础设施，已成为全社会数字化转型的重要基石。根据中国信息通信研究院最新发布的《中国算力发展指数白皮书（2023年）》显示，至2023年我国智能算力规模达到178.5EFlops，增速为72%，在我国算力占比达59%，成为算力快速增长的驱动力；据IDC等机构预测，至2025年，新增数据量180ZB，其中80%的增长来自于文本、图片、语音、视频等非结构化的数据。随着人工智能、元宇宙、高性能计算等领域的发展，激发了更多智能数据处理的需求和场景，对新型智能算力的需求激增。本研究围绕典型智能计算应用对异构算力的协同及调度需求，研究泛在异构算力参与训练或推理过程的协同需求、调度需求，研究泛在异构算力参与训练或推理过程的协同需求，包括异构算力类型、规模要求、性能要求、网络要求、数据传输要求等，分析异构算力协同的应用场景等特点，考虑同数据中心、跨数据中心、跨云边端多级、池化和非池化异构算力并存等各种场景下，算力协同的需求及可行性。研究分析异构算力资源分类整合、池化重构和智能分配等技术方案。研究分布式异构算力资源管理技术方案，包括管理跨数据中心、边缘及端侧的GPU、FPGA等异构算力设备，已虚拟化或池化的异构硬件，研究对异构算力资源进行标识和监控的方案，对算力进行细力度切分供给的技术方案，研究对计算任务进行异构算力匹配和调度的技术方案。包括如何匹配差异化的计算任务到相应的异构算力节点，如何支持异构算力资源高效和细粒度分配，基于应用场景的负载差异性，建立面向多样化异构算力资源和上层多场景需求的多元异构算力统一调度架构，统一资源实时感知，抽象资源响应和应用调度。研究分布式AI框架支持分布式异构算力的管理和调度技术方案。

电池储能具有响应速度快、功率密度高、安装地点无要求等特点，是目前十分有前景的储能技术之一。级联变流器用作大容量电池储能变流器时，能够省去工频变压器直接接入中高压电网，即高压直挂式电池储能系统，具备模块化、高电压直挂、单机大容量、多电平输出等优点。然而，目前国内外还缺乏计及电池外特性的高压直挂储能系统的实时仿真模型的研制以及基于实时仿真模型的控保策略研究。首先开发了国内外首个基于CPU和FPGA联合仿真的高压直挂大容量电池储能系统的实时仿真模型。其次以典型的35 kV高压直挂大容量电池储能系统为例，基于OPAL-RT的RT-LAB实时仿真平台，搭建了相应的实时仿真系统，能够支持控制保护系统的闭环接入。最后，多种工况下的测试结果能够验证实时仿真模型和控制保护策略的有效性，为高压直挂大容量电池储能系统的设计和控制优化提供技术支撑。

现代电力系统表现出含高比例可再生能源和高比例电力电子设备“双”特，电力系统中不同频率的谐、间谐波与工频量相互，将可能导致宽频振荡，威胁电力系统安全稳定运。针对无法在三相不平衡状态下实现宽频振荡准确检测的问，提出了基于（现场可编程门阵）和正序瞬时功率算法的宽频振荡检测技。利用三相正序瞬时功率能滤除三相不平衡分量的原理，确保宽频振荡的检测结果不受三相不平衡的影响。利并行计算的特，大幅提升了宽频振荡检测算法的性。测试结果表，该技术能够在发生宽频振荡时准确检测出振荡分，解决了现有技术存在误判和并行计算能力不足的问题。

自福岛核事故以来，核电站进一步加强了纵深防御与多样性的设计，对于仪控系统的纵深防御来说，一般是通过控制系统、停堆保护系统、专设安全驱动系统、后备显示与控制系统来完成不同层级、阶段的事故预防和异常工况的处理。目前新建大型商用核电站保护系统普遍采用了微处理器技术，而 FPGA 技术（现场可编程门阵列技术）是与微处理器技术截然不同的技术，可实现无软件运行，提供了应对软件共因的解决方案，因此 FPGA 技术可很好的应用于多样性驱动系统。广利核公司开发的基于 FPGA 技术的核电站多样性驱动系统注册商标为 FitRel®，简称为FitRel 平台。FitRel 平台是国内首个获得实际工程应用满足 IEC62138-B 要求的基于 FPGA 技术完全自主化的核电仪控平台，为核电站仪控多样性系统提供了解决方案，推动了 FPGA 技术核电仪控系统的自主化，填补了国内同类产品的空白，进一步加强了核电站纵深防御体系以核安全保障，为核电仪控行业科技进步做出了积极贡献。 本专利是 FitRel 平台的关键技术之一，将 FPGA 的技术优势、模拟量通道自诊断技术、隔离技术进行了创新性的结合，极大提高了通道诊断效率，提升了平台的可靠性，同时保障了平台的电气安全性。该专利在核电仪控领域属于首创，该领域无任何相似专利。该专利也可在高安全、高可靠要求的仪控领域推广，如飞控系统、高铁控制系统、军工（潜艇、航母反应堆安全系统控制）等。

根据输电线路各种缺陷的特点，针对绝缘子自爆、鸟巢、异物、均压环损坏等缺陷，采用非常适用于智能诊断的一种改进的基于特征金字塔 SSD 目标缺陷诊断方法，构建并训练神经网络模型，用于精确识别输电线路各种缺陷，同时基于FPGA的异构高性能硬件架构，以定制并行计算方式，构建高性能、低功耗、小尺寸的嵌入式智能分析诊断装置，实现粗粒度缺陷和细粒度缺陷的智能诊断与空间定位。

多功能测控装置是电力自动化系统的关键设备，其核心芯片均依赖进口，威胁电网运行安全。针对目前适合电力系统自动控制的国产芯片选型少且部分外设芯片没有合适选型的现状，结合多业务融合的需求，提出基于国产ARM主控芯片加国产FPGA的多功能测控装置的平台改进及关键技术。首先，基于FPGA编程替代部分无合适选型的芯片配合智能I/O技术设计硬件平台。然后，基于数据共享和FPGA协作设计软件平台。再针对国产芯片制造水平的现状，提出测量精度补偿、可靠性加固及功能拓展等改进技术。最后，集成以上平台设计及改进技术研制了基于国产芯片的多功能测控装置，并通过第三方专业检测验证其性能指标满足行业相关标准要求，同时在国内变电站正式投入运行，运行情况良好。