通過電子測量、控制和通信實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)

多年的增量嵌入式處理、電源管理和連接技術(shù)改進(jìn)現(xiàn)在使我們接近收支平衡點(diǎn)，太陽能和風(fēng)能發(fā)電在成本上將與化石燃料發(fā)電競爭。這些可再生能源不僅會通過碳釋放避免對大氣變化造成影響，而且很快它們也將具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。這種被廣泛稱為電網(wǎng)平價(jià)的發(fā)展不會在一夜之間發(fā)生。相反，隨著成本優(yōu)勢逐個(gè)地區(qū)和逐個(gè)公用事業(yè)的效用提高，在未來十年或更長時(shí)間內(nèi)將發(fā)生逐步過渡。政府補(bǔ)貼將有助于轉(zhuǎn)型，但降低成本的半導(dǎo)體技術(shù)和制造進(jìn)步正在迅速超過補(bǔ)貼，成為主要的增長動力。

在某些地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了平價(jià)——至少在有風(fēng)的時(shí)候是這樣。太陽能電池板將需要更長的時(shí)間才能達(dá)到目標(biāo)，盡管它們承諾會在能量收集方面引入更徹底的變化。風(fēng)電場通常需要對電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大量投資才能有效運(yùn)行，而太陽能發(fā)電幾乎可以在任何規(guī)模上得到有效利用，從屋頂上的幾塊面板到占地?cái)?shù)英畝的太陽能農(nóng)場。這兩種形式的能量收集，尤其是太陽能，都將通過引入廣泛分布的發(fā)電資源來顯著改變電網(wǎng)。實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)平價(jià)將加速這一趨勢。然而，要使可再生能源發(fā)電真正起飛，除了有利的成本之外，還需要其他一些東西。公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)也必須變得更加智能，使用智能傳感器、控制、

分布式發(fā)電需要智能電網(wǎng)

挑戰(zhàn)在于為更大的公用設(shè)施結(jié)構(gòu)增加智能，使其運(yùn)行更可靠、更有效。智能電網(wǎng)是在每個(gè)階段測量、通信和控制能量的智能電力網(wǎng)絡(luò)。每臺發(fā)電機(jī)、變電站、繼電器、變壓器、電表、機(jī)器和輸電線路——電網(wǎng)中的所有東西以及與之相連的所有東西都可以潛在地被測量和觀察，以確保電力有效地輸送到需要的地方并在沒有浪費(fèi)的情況下使用。

除了提供高效、可靠的能源輸送外，智能電網(wǎng)還將作為可再生能源分布式發(fā)電不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施。未來，技術(shù)必須使公用電網(wǎng)能夠管理向發(fā)電和消費(fèi)電力客戶的雙向電力流動。此外，由于在通常遠(yuǎn)離城市和工業(yè)區(qū)的地方，陽光最明亮，風(fēng)一直在吹，公用事業(yè)公司將不得不依靠長距離輸送電力的電力線。電網(wǎng)必須能夠在大范圍內(nèi)實(shí)時(shí)管理需求與創(chuàng)造，依靠各種類型的分散式發(fā)電和新的儲能能力。

圖 1 顯示了一個(gè)智能電網(wǎng)，其分布式發(fā)電來自大型太陽能和風(fēng)電場，以及來自各種規(guī)模的生產(chǎn)者-客戶的雙向流動。只有智能電網(wǎng)才能將如此廣泛的可再生能源發(fā)電與傳統(tǒng)大型發(fā)電站的輸出相結(jié)合，并實(shí)時(shí)向具有不同需求的客戶提供電力。實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)平價(jià)所需的規(guī)模經(jīng)濟(jì)只能通過在分散式能源發(fā)電中廣泛部署太陽能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)來實(shí)現(xiàn)。反過來，權(quán)力下放只能通過先進(jìn)的電子測量、控制和通信實(shí)現(xiàn)的智能電網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。

圖 1：具有分散式可再生能源發(fā)電的智能電網(wǎng)。

未來幾年智能電網(wǎng)的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過。據(jù)估計(jì)，由于篡改、盜竊和低效率，世界浪費(fèi)了多達(dá) 40% 的電力。智能、高效的電網(wǎng)可以避免大部分浪費(fèi)，節(jié)省資金并深入減少溫室氣體排放。

IC使電網(wǎng)變得“智能”

當(dāng)電網(wǎng)集成感應(yīng)、監(jiān)控、測量和提供通信和控制的電子電路時(shí)，電網(wǎng)變得智能化。先進(jìn)的嵌入式和模擬技術(shù)是電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中使用的一系列設(shè)備的基礎(chǔ)，包括保護(hù)繼電器、電能質(zhì)量監(jiān)視器、斷路器和變電站自動化系統(tǒng)。除了基礎(chǔ)設(shè)施之外，還有用于太陽能和風(fēng)能的逆變器、商業(yè)和消費(fèi)場所的智能電表，以及將信息輸入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量可能無限的開關(guān)、傳感器和監(jiān)控單元。這些系統(tǒng)使用電子智能來發(fā)電，即時(shí)測量消耗，使用低功率射頻或電力線通信 （PLC） 技術(shù)進(jìn)行通信，

這些設(shè)備的具體要求因用途、標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)而異。然而，底層半導(dǎo)體技術(shù)，尤其是電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，可以概括為如圖 2 所示。（在支持太陽能逆變器、智能電表和其他連接設(shè)備的 IC 解決方案中使用了架構(gòu)略有不同的類似功能。）

圖 2：智能電網(wǎng)控制系統(tǒng)中的功能。

在圖左側(cè)的測量塊中，輸入來自外部傳感器，以模擬信號的形式出現(xiàn)，例如電壓或電流電平。模擬組件調(diào)節(jié)輸入并將其轉(zhuǎn)換為輸入分析和控制模塊的數(shù)字信號。在這里，MCU、MPU 或數(shù)字信號處理器 （DSP） 分析數(shù)字信號數(shù)據(jù)以確定用電量、服務(wù)質(zhì)量或潛在危險(xiǎn)情況。該處理器然后通過例如斷路器或繼電器命令一個(gè)動作，如果這樣的動作是必要的。此外，處理器通過雙向通信塊中的專用模塊通知其他設(shè)備中的控制節(jié)點(diǎn)，可能還有中央控制計(jì)算機(jī)。

由于設(shè)備符合不同的標(biāo)準(zhǔn)，IC 解決方案必須包含允許設(shè)計(jì)人員選擇所需功能的選項(xiàng)。高水平的模擬和數(shù)字系統(tǒng)級芯片 （SoC） 集成有助于降低成本并支持多個(gè)控制通道。通道包括不同階段的多個(gè)模擬和數(shù)字輸入。一方面，隨著系統(tǒng)連接到電網(wǎng)，它必須連接到本質(zhì)上是模擬的高電壓和電流。其他幾個(gè)模擬通道包括溫度和濕度。數(shù)字通道由來自電網(wǎng)上其他設(shè)備的事件指示組成，其中包括保護(hù)繼電器、故障通道指示器和斷路器的多個(gè)實(shí)例。雖然，在某些情況下，設(shè)計(jì)要求可能要求使用單獨(dú)的 IC 來實(shí)現(xiàn)高壓、大電流、或高速功能，例如運(yùn)算放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）。例如，一個(gè)關(guān)鍵要求可能是使用測量系統(tǒng)來隔離交流電源。這種隔離是在模擬域中完成的，這對 IC 設(shè)計(jì)人員來說不是一個(gè)容易解決的問題。因此，將它們與 SoC 分離將是最實(shí)用和最具成本效益的方法。在其他情況下，將嚴(yán)格需要將測量和控制分開，因?yàn)榻?jīng)過認(rèn)證的、故障安全的封閉式測量系統(tǒng)被要求防止中斷和各種形式的篡改。將它們與 SoC 分離將是最實(shí)用和最具成本效益的方法。在其他情況下，將嚴(yán)格需要將測量和控制分開，因?yàn)榻?jīng)過認(rèn)證的、故障安全的封閉式測量系統(tǒng)被要求防止中斷和各種形式的篡改。將它們與 SoC 分離將是最實(shí)用和最具成本效益的方法。在其他情況下，將嚴(yán)格需要將測量和控制分開，因?yàn)榻?jīng)過認(rèn)證的、故障安全的封閉式測量系統(tǒng)被要求防止中斷和各種形式的篡改。

工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)現(xiàn)場總線等片上通信解決方案也可以提供經(jīng)濟(jì)性和靈活性。工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線在實(shí)時(shí)分布式控制系統(tǒng)中協(xié)同工作。在變電站中，各個(gè)關(guān)鍵位置將有多個(gè)傳感器、繼電器、斷路器、故障指示器。實(shí)時(shí)控制和接收來自所有這些端節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)的能力需要穩(wěn)健和優(yōu)化的方案。現(xiàn)場總線連接形成這些設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線所需的布線數(shù)量要少得多，這將直接有助于節(jié)省成本。以太網(wǎng)通信仍可用于需要更高速度進(jìn)行通信的非實(shí)時(shí)任務(wù)，但與現(xiàn)場總線相比存在局限性。

解決方案核心的處理器組合應(yīng)該是完全可編程和可擴(kuò)展的，支持多種協(xié)議，例如以太網(wǎng)、MODBUS、PROFIBUS、HART、IEC 61850、DLMS （IEC 62056） 等，無需定制設(shè)計(jì)的邏輯。

軟件框架、工具和參考設(shè)計(jì)也有助于加快和簡化開發(fā)。擁有來自模塊供應(yīng)商的現(xiàn)成硬件和軟件工具可以加快產(chǎn)品上市時(shí)間。在用戶可以添加或刪除硬件和軟件功能的強(qiáng)大框架上，開發(fā)變得更加簡單。當(dāng)提供的硬件和軟件已通過標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)或測試機(jī)構(gòu)的認(rèn)證時(shí)，穩(wěn)健性也會得到加強(qiáng)。

智能嵌入式電源

如今，具有這些功能的先進(jìn)電子設(shè)備正在提高電網(wǎng)的智能化程度，這是長期實(shí)現(xiàn)太陽能電池板和風(fēng)電場分散能源生產(chǎn)不可或缺的一步。雖然可再生能源部署的經(jīng)濟(jì)性正在接近電網(wǎng)平價(jià)，但 IC 技術(shù)的進(jìn)步引入了智能測量、通信和控制。總之，這些趨勢正在改變?nèi)螂娋W(wǎng)，以提供更清潔、更可靠的能源。

作者：Markus Staeblein，Kripa Venkat

審核編輯：郭婷