降低智能电网设备设计的复杂性
国家仪器公司高管表示，一个新的开发平台应该能更快地将可再生能源接入电网。
去年8月，美国国家仪器公司(NI)推出了一款产品，预计将加快太阳能和风能等可再生能源进入智能电网的速度。NI单板里约热内卢通用逆变器控制器(GPIC)包括一个硬件机箱，利用现场可编程门阵列(FPGA)技术和著名的NI LabVIEW系统设计软件套件。控制工程特约编辑Sidney Hill最近与国家仪器公司清洁能源技术首席产品经理Brian MacCleery进行了交谈，讨论了这个新的开发平台如何减轻构建智能电网产品的任务。
希尔:让我们从我认为对大多数人来说最大的问题开始控制工程读者。NI单板里约热内卢GPIC究竟如何使智能电网产品的构建更容易?
MacCleery:我们开发GPIC的主要目标是提供一个嵌入式系统平台，该平台为构建并网电力控制系统进行了优化。
这是与国家可再生能源实验室(NREL)和加州能源委员会合作的成果。此外，全球20多家公司都是NI的客户，他们都参与了GPIC的设计，因为我们真的想确保它符合他们的要求。
当我们开始这项工作时，我们确实怀疑是否有可能开发一个现成的系统，实际上，可以被任何公司使用并网电力转换。GPIC的发布证明我们已经回答了这个问题。
希尔:你是如何最终设计出一个成功大规模推广的平台的?
MacCleery:这是个有趣的问题。当我们开始与不同行业的公司讨论这个问题时，我们很快注意到他们的需求实际上是一致的。我们发现确实存在一组跨越行业和应用程序的通用需求。
由于解决这个问题的广泛兴趣，实际上我们联系的每一家公司都同意让他们的工程团队至少花半天时间与我们讨论GPIC的每一个规格，以确保它能满足他们的特定要求。
我们认为这是个好兆头。如果公司愿意投入那么多的时间和资源来帮助我们设计，那么我们开发的这种解决方案肯定是有实际需求的。
希尔:一些常见的要求是什么?
MacCleery:我们创建了一个简报上面列出了GPIC的规格。它们是与NREL、加州能源委员会和大约20家积极参与设计功率逆变器的公司合作精心开发的。因此，我们知道该平台可用于开发广泛应用的逆变器，包括:
- 并网太阳能逆变器
- 风力发电机电源转换器
- 单位规模储能系统和柔性交流传输系统(事实)
- 中压电机驱动和泵与单向或再生逆变器
- 电动和混合动力汽车，汽车，火车，农业设备
有点令人惊讶的是，我们发现，通过GPIC上的I/O和我们能够提供的价格点，我们可以满足任何50千瓦或更大的并网电源转换器的应用需求，甚至可以达到数万个单位。
这是NREL的愿景当我们开始与他们合作这个项目时。一位名叫Bill Kramer的先生在NREL管理能源系统集成技术的研发，他有这样一个愿景——他称之为模块化电力电子。
其理念是，通过使用标准设计和系统级开发工具，使智能电网和电力电子领域的专家能够带头设计和实现嵌入式系统，行业中的每个人都可以节省大量资金。如果每个人都能基于相同的架构构建他们的电源转换器，这将降低成本，并使NI有可能不断投资提供改进的开发工具。
希尔:从技术的角度来看，GPIC的哪些具体特征简化了设计具有智能电网功能的设备的过程?
MacCleery:让我们从GPIC起源的一些背景开始。这是基于我们在2004年推出的一项技术倪CompactRIO这已经成为我们最大的产品线之一。CompactRIO背后的理念是将FPGA技术(即现场可编程门阵列)置于商用货架系统的核心，用于设计电路板。我们希望为嵌入式设计团队提供与开发完全自定义设计时相同的灵活性，但在预先验证的、低风险的平台上提供完全集成的软件开发体验。换句话说，它是一种嵌入式设计，没有开发成本、风险和传统的大型专业设计团队。
FPGA技术，在本质上，使每个用户都可以进行定制电路板设计。不同之处在于，他们现在使用的是一个现成的平台和高级图形编程工具，专为高级数字信号处理和嵌入式控制而设计。
FPGA就像每个系统中都有一个定制设计的小型应用程序专用芯片组。它使得用户可以在硅逻辑级别定制硬件。
传统上，如果您希望为特定的应用程序定制FPGA，则需要成为Verilog或VHDL等专门编程语言的专家。拥有这些技能的开发人员相对较少。此外，嵌入式系统芯片每天都在变得越来越复杂，这使得用基于文本的语言对其进行编程变得更加困难，即使是拥有这些技能的人。
例如，近年来，传统的DSP芯片和FPGA芯片实际上已经合并成一个混合芯片组，其中FPGA拥有大量并行的DSP阵列，分布在可重构逻辑和通信基础设施的网格中。这是一个真正的游戏规则改变者，因为它把两个世界的最好的结合在一起- DSP的信号处理效率和FPGA的硅级灵活性。更重要的是，通过将所有东西集成到一个芯片组中，每美元的处理性能将提高40倍。
在过去的15年里，随着我们继续在FPGA技术方面的研发工作，我们开发了几个平台，将基于FPGA的硬件机箱与NI LabVIEW图形系统设计软件相结合。如今，LabVIEW FPGA图形化编程工具已经达到了通常可以超过传统基于文本的FPGA编程语言的效率和性能的地步。
希尔:开发智能电网设备的平台是如何从这一努力中出现的?
MacCleery:它是从我们的另一款产品进化而来的单板里约热内卢．该产品具有一个FPGA和一个运行VxWorks实时操作系统的Power PC处理器。
GPIC除拥有134个I/O通道外，还具有与单板里约热内卢相同的组件。这些I/O通道是专门为满足广泛的功率转换器应用的要求而设计的。
整合创建GPIC所需的渠道大约花费了一年的开发时间。在LabVIEW fpga中集成这些输入和输出的经济影响是巨大的，你只需下拉一个I/O节点，就可以启动和运行。它将传统的FPGA板嵌入式设计过程的软件开发成本降低了70%到80%。
当您开发自己的完全自定义FPGA板时，在软件开发上花费的每一美元中，大约70%都用于严格地与I/O接口相关的工作。我们的目标是把费用降低到10%以下。这将允许开发人员将他们所有的软件工程资金集中在开发智能电网产品所需的复杂算法上。
希尔:GPIC上有134个I/O通道，开发人员可以灵活地使用某些I/O通道，而不是其他通道，这取决于他们的应用程序。对吗?
MacCleery:完全正确。的简报我前面提到的包括一个图表，它概述了平台如何映射到各种应用程序。它显示了用户需要从电源转换器系统输入的I/O。例如，风力涡轮机通常会在电机/发电机和辅助电机上安装位置传感器。如果他们使用数字传感器，它通常会通过LVTTL连接到GPIC, LVTTL直接连接到FPGA上的数字I/O缓冲区。
许多开发中压驱动器的公司使用光纤连接而不是铜。在这种情况下，它们通过光纤收发器连接到LVTTL，并使用FPGA通信数据、时钟和脉宽调制命令信号。这在大型兆瓦级逆变器中很常见。FPGA能够精确地控制电力电子器件的发射时间，从而抵消开关事件产生的谐波失真，并产生近乎完美的三相电源。
客户基本上为他们的GPIC构建一个定制的两层或四层接口板，它提供定制的接口连接器和信号调理来匹配特定的应用。这些接口板是相对简单的设计，可以在几天内扭转，但它们提供了与完全定制设计相关的机械和电缆灵活性。
通过与世界各地的研发团队进行半天的会议，我们发现这似乎是大大小小的公司真正想要的最佳点。
他们想把处理器/FPGA和I/O系统外包给NI这样的公司生产其中机械、传感器连接、电力电子和嵌入式软件算法的开发。后一部分是大多数专注于智能电网设备的公司所认为的核心竞争力。这是他们在市场中脱颖而出的方式。
很明显，工程经理或董事会更愿意把更高比例的工程资金花在与他们的核心能力和领域专业知识紧密相关的工作上，这些专业知识使他们在竞争中脱颖而出。
希尔:GPIC于去年8月推出。在这一点上，你能举出任何客户如何使用这个平台的例子吗?
MacCleery:是的。有一个GPIC常见问题页面在我们的网站。其中一个问题与客户反馈有关，有许多早期采用者的评论。例如，伊顿公司电力系统和架构的首席工程师Yakov Familiant评论了该公司如何在一系列项目上显著改进了开发过程。他解释说:“通过在可部署硬件上开发原型验证，我们现在可以在三个月内将商业硬件投入现场测试，这些硬件是预先验证过的，并且具有成本效益。”从本质上讲，这个平台加快了伊顿的步伐，伊顿是一家拥有100年电力经验、价值160亿美元的公司，能够在该领域大规模部署其智能电网电源转换器。
希尔:关于GPIC的文献提到了电力系统开发的“工具链”。这是什么意思?
MacCleery:该术语指的是优化并网电力系统设计所需的所有组件。最终，NI希望为开发智能电网电力电子系统提供全面的工具链。完善GPIC硬件是其中重要的一部分，但我们也希望为开发人员提供最好的软件工具。这就是LabVIEW图形化编程套件发挥作用的地方。
使用该平台的公司正在开发复杂的应用程序。当您谈论智能电网逆变器时，您正在管理复杂的控制系统以及使该系统适合智能电网所必需的网络-一个非常复杂的系统级设计。
我们希望创建一个工具链，使人们能够管理这种复杂性，并在系统级别上设计他们的嵌入式控制系统，我们称之为图形系统设计。随着当今嵌入式系统的复杂性，公司真的无法在门级使用硬件描述语言进行设计。内部的混合FPGA有58个DSP核心和基于文本的语言，当试图同时编程三个以上的并行任务时，真的会让人感到困惑。
公司还必须应对许多艰难的工程权衡。例如，如果您将一个5兆瓦的风力涡轮机逆变器的能源效率提高1%，这意味着在逆变器的生命周期内将增加数百万美元的收入。但是这对转换器的寿命和维护成本有什么影响呢?我们怎样才能找到最佳点呢?
管理层希望工程团队使用更高级别的工具，使设计人员能够分析这些类型的系统级权衡。
在太阳能领域，太阳能电池板可以使用20到30年，仍然可以产生最初部署时产生的80%的电力。另一方面，逆变器往往很快就会失效。因此，太阳能行业面临的主要挑战是开发出不仅更节能，而且寿命更长的逆变器。
系统级设计工具使开发人员更容易分析这些复杂的权衡。如果他们拉一根绳子，他们就能看到这对系统的其他部分有什么影响。例如，我可能愿意采取一个小的效率打击，以保持电力电子设备的温度更稳定，从而延长其寿命。每次你加热和冷却功率晶体管，这就会缩短它们的寿命。
希尔:这也是你所说的能够在这个平台上创建原型的意思吗?
MacCleery:是的。我们所讨论的应用程序的典型设计流程是从模拟开始的。没有人会第一次在一个功能齐全的逆变器上测试他们的软件。你有高电压、高电流和昂贵的设备，所以这太危险和复杂了。许多验证和验证工作必须首先在安全的模拟环境中进行。
从历史上看，从模拟环境迁移到实际嵌入式系统的过程是非常漫长和昂贵的，特别是对于fpga。在许多情况下，它包括打印模拟框图作为设计规范，然后用低级文本编程语言手工编写相应的代码。在这种方法中，模拟实际上只是帮助您开发设计需求和规范。移动到嵌入式软件的实际过程是手工完成的。
随着我们最近对工具链的改进，客户现在可以在高保真模拟环境中开发图形化FPGA代码，该环境可以捕捉开关电力电子设备和电网的所有复杂性。他们可以看到晶体管的温度和温度，以及电网对他们编写的软件的响应。此外，他们可以在模拟环境中编写实际的实时代码，并在几分钟内将其移动到GPIC上的FPGA上。开发人员告诉我，他们希望能够非常容易地将相同的控制软件代码在模拟世界和部署世界之间来回切换。
我们在LabVIEW项目环境中管理这种过渡，这使得在模拟世界和物理世界中使用相同的嵌入式软件代码成为可能。例如，我正在改变我的算法来控制我的网格存储系统。如果我在部署环境中更改它，用于FPGA的相同LabVIEW代码将链接到模拟世界。结果，它更新了我所有的模拟。这意味着每次进行更改时，我都可以在实际的嵌入式系统上运行之前通过模拟来验证它。我甚至可以自动化测试，以节省更多时间，并确保嵌入代码中的每个软件块都经过正式验证，以符合设计规范。
这也使得更加彻底和严格的开发过程成为可能，因为我可以让工程师和工程管理人员同时在模拟世界和现实世界中审查和测试我的系统。
希尔:我猜你认为这个平台有助于加速智能电网的全面推出?
MacCleery:是的，这就是我们的目标。智能电网有多个层次的复杂性。设计单个系统是很复杂的，比如逆变器。管理整个网格还存在系统级的复杂性——确定节点应该何时打开或关闭。提供一个能够模拟所有交互的工具链，将这些系统的设计带入信息技术时代。因此，这种类型的图形化系统设计工具链对于加速智能电网的全面推出是必要的。
本文刊登于2013年2月的《工业能源管理》特刊控制工程、《媒体。
有关NI单板里约热内卢通用逆变器控制器的更多信息，请访问以下资源:
常见问题:NI 9683单板里约热内卢通用逆变控制器(GPIC)
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