藍海應用

電力系統 × CIM 智慧整合

FFI8805 內建 CIM Array 結合 FPGA Gateway 與電力電子核心,實現毫秒級智慧異常辨識與狀態估測

本整合方案將 CIM 的 AI 運算能力引入電力邊緣端,在不犧牲硬即時保護安全性的前提下,實現毫秒級的智慧化異常辨識與狀態估測。
分層架構

電力系統控制保護分層架構

核心設計原則:分層明確、技術互補、安全優先 — 點擊各層展開詳細技術資訊

準即時層

> 20 ms

站控/主站 SCADA/EMS + CPU 資產健康/趨勢分析

負責模型發佈、監控遙測與 MMS 報告,非硬即時通訊

快即時層

0.5–10 ms

CIM 加速器執行故障辨識/狀態估測 (Batch=1, 低延遲)

輸出建議、分數或估測值,不直接執行跳脫動作。權重常駐晶片 (Model-in-Chip)

硬即時層

μs–數十 μs

電力電子核心 PWM/閉迴路控制 + FPGA/IED 快速跳脫/安全閘

μs 級閉迴路控制、過流/過壓/短路硬體保護、門極驅動與快速關斷

元件角色

各元件功能與角色定位

CIM 模組

電力系統控制保護架構中的「快即時層」,負責在 0.5–10 ms 週期內執行高效推論與狀態估測

運算精度BF16/FP16
推論延遲WCET ≤ 100 μs
端到端延遲≤ 300 μs
記憶體架構Model-in-Chip (Cache-less)
互連介面CXL/PCIe Gen5
I/O: x[FEATURE_DIM] → CIM Core → y_score / ood_score / confidence

FFI8805 (FPGA Gateway)

整合 CIM Array 的邊緣推論模組,負責銜接電力電子高速 I/O 與上層控制系統

FFI8805 Mini288KB CIM Array (1152×256 bits)
FFI8805 Pro576KB CIM Array (1152×256 bits)
通訊協定IEC 61850 SV/GOOSE
對時機制PTP (IEEE 1588)
硬即時處理:μs 等級電力控制迴路
協定轉換中樞:IEC 61850 ↔ CXL/PCIe
安全閘裁決:融合 CIM 推論與傳統保護

電力電子核心

負責 μs 級電壓/電流取樣與 PWM 生成,發生嚴重故障時直接觸發硬體保護

量測鏈與控制

  • 高頻 ADC/傳感器/隔離器
  • PWM 調變、FOC/PR/PI 控制

快速硬體保護

  • 過流/過壓/短路 μs 級保護
  • 門極驅動與快速關斷
技術挑戰

技術挑戰與解決方案矩陣

延遲與抖動

KPI: WCET ≤ 100 μs
影響

端到端延遲超過控制週期,導致閉迴路控制失效

對策

Cache-less/TCM 架構消除 Cache Miss;LOW_JITTER_MODE 固定排程

通訊與同步

KPI: Unsync ≤ 1e-6
影響

SV 封包抖動或遺失,時間戳偏差影響相量測量

對策

IEEE 1588 PTP 硬體打點;PRP/HSR 網路冗餘與 Quality Flags

功耗與散熱

KPI: Op Temp ≤ 85°C
影響

密閉機箱內溫度過高導致降頻或熱當機

對策

10–30W TDP 最佳化設計;S1–S4 降級狀態機主動節流

記憶體一致性

KPI: Zero Data Corruption
影響

FPGA 與 CIM 間資料搬移延遲高或資料競爭

對策

CXL 共享記憶體 (Zero-Copy);Ring Buffer 明確 Memory Barrier

安全與單點失效

KPI: SIL-2 Compliant
影響

AI 模型誤判或硬體故障導致保護誤動作

對策

FPGA 安全閘最終裁決;WDT/ECC/模型簽章驗證

應用場景

應用實例與部署場景

變電站快速異常辨識

0.5–5 ms
  • 高阻故障與電弧故障早期偵測
  • CT 飽和與波形失真辨識
  • 安全閘與傳統保護邏輯一致動作
OUTPUT: fault_type, confidence, ood_score

配電快速狀態估測

1–10 ms
  • 配電饋線拓撲一致性檢查
  • 開關狀態錯誤與通訊異常偵測
  • 支援 FLISR 自動化故障隔離
OUTPUT: estimated_state[N], topology_error

功率品質監測

1–20 ms
  • 諧波與間諧波能量即時估測
  • 暫態事件偵測與來源推定
  • 邊緣端資料摘要,降低中控負載
OUTPUT: thd_score, transient_event_id

電力電子裝置應用

μs–5 ms
  • 逆變器/充電機/PCS 智慧診斷
  • CIM 進行快速事件分類與預警
  • FPGA 維持 μs 級硬即時控制環
OUTPUT: device_health, predictive_alert
整合效益

系統整合效益

決定性低延遲

Batch-1 架構與 Model-in-Chip 設計,滿足 1–10 ms 快即時層需求,消除快取抖動

高可靠安全性

降級狀態機、WDT/ECC/CRC 防護,搭配品質旗標與 OOD 偵測,避免誤動作風險

易於整合擴充

CXL/PCIe 標準介面 + Ring Buffer 協定,MMIO/IRQ 機制與既有站控/IED 系統完美相容

卓越能效表現

10–30W CIM 功耗設計,適合被動散熱的變電站所或路側機櫃部署環境

常見問答

常見問題與解答

關於 FFI8805 在電力系統中的應用,以下是客戶最常詢問的技術問題

未來展望

未來發展方向

UCIe/Chiplet 封裝整合

推動 FPGA 與 CIM 的異質封裝整合,進一步縮短互連延遲並降低功耗

模型生命週期自動化

建立完整 MLOps 流程,包含模型簽章驗證、灰度發布與自動回退機制

邊緣摘要與跨站聯防

擴展至 PMU/WAMS 邊線事件摘要,實現資產健康評估與廣域跨站協同防禦

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