西電東輸大動脈暢通的背后，TI芯科技賦能中國新基建之特高壓

2021年秋冬的“限電”讓人們猝不及防，重拾久遠(yuǎn)的停電點(diǎn)蠟燭記憶的同時，開始重新審視電這項(xiàng)資源。事實(shí)上，“缺電”一直存在，我國國土遼闊，而傳統(tǒng)及新能源的資源端和用電需求端在地理上又分處西東，就像南水北調(diào)一樣，需要西電東輸。因此滿足大規(guī)模、遠(yuǎn)距離、高效率的電力輸送方式——特高壓曾是中國舊基建的代表之一。

顧名思義，特高壓就是特別高的電壓，指±800千伏及以上的直流電和1000千伏及以上的交流電。對于特高壓，人們除了能看到穿梭于天際的架空線之外，對其了解少之又少。然而2019年，在發(fā)展清潔能源的雙碳背景之下，特高壓又被賦予了新基建的屬性，重新?lián)?fù)起了“國家頂梁柱”的戰(zhàn)略使命，成為關(guān)注的熱點(diǎn)。

根據(jù)賽迪數(shù)據(jù)，2020年我國特高壓產(chǎn)業(yè)及其產(chǎn)業(yè)鏈上下游相關(guān)配套環(huán)節(jié)所帶動的總投資規(guī)模超3000億元，其中特高壓產(chǎn)業(yè)投資規(guī)模近1000億元，帶動社會投資超2000億元。到2022年，中國特高壓產(chǎn)業(yè)及其產(chǎn)業(yè)鏈上下游相關(guān)配套環(huán)節(jié)所帶動的總投資規(guī)模將達(dá)到4140億元；到2025年，特高壓產(chǎn)業(yè)與其帶動產(chǎn)業(yè)整體投資規(guī)模將達(dá)5870億元。這些數(shù)字表明，特高壓已日益成為從民生到生產(chǎn)中不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施。

來源：國家電網(wǎng)

特高壓的“特”

電力系統(tǒng)包括了“發(fā)輸變配用”五大部分，而特高壓則主要是“輸變”兩部分，其中換流站與變電站是核心，電氣設(shè)備約占到總投資的一半以上，從轉(zhuǎn)換、保護(hù)、控制、檢測等各方面實(shí)現(xiàn)特高壓的優(yōu)勢。無論是直流的換流閥、直流控制保護(hù)設(shè)備，還是交流的GIS、變壓器，都離不開集成電路。

復(fù)雜的電力系統(tǒng)，從零組件、板級系統(tǒng)到設(shè)備，都有一些特殊要求，以確保轉(zhuǎn)換、測量、控制和保護(hù)等過程?？煽啃允请娏ο到y(tǒng)最基本也是最重要的要求，一旦發(fā)生故障就會影響人們的生產(chǎn)生活；其次則是實(shí)時性要求，電壓電流每時每刻都在變化，必須實(shí)時調(diào)節(jié)以保證穩(wěn)定性；再次是高效性，因?yàn)檎麄€輸電環(huán)節(jié)涉及到大量的功率轉(zhuǎn)換，需要降低損耗；第四是抗干擾，電力系統(tǒng)的復(fù)雜環(huán)境會產(chǎn)生大量的電磁噪聲。因此，高效性、可靠性、實(shí)時性和抗干擾這四點(diǎn)是電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)最難的地方，而特高壓由于系統(tǒng)的特殊性，對此的要求也更高。

此外，雖然中國目前在特高壓技術(shù)上遙遙領(lǐng)先，但每一項(xiàng)工程都會有新要求，需要不斷創(chuàng)新，去嘗試探索新技術(shù)。同時，伴隨著特高壓系統(tǒng)復(fù)雜度不斷升高，集成化、智能化的需求已經(jīng)貫穿至每一個子系統(tǒng)中。而芯片則是實(shí)現(xiàn)這些創(chuàng)新的一個載體。什么樣的芯片可以解決特高壓系統(tǒng)中的諸多挑戰(zhàn)？

高可靠性、實(shí)時性

高可靠性其實(shí)就是要降低故障率，對輸電系統(tǒng)進(jìn)行控制與保護(hù)，必須要有完善的監(jiān)控能力。這自然離不開連接模擬和數(shù)字域橋梁的信號鏈，其中將電壓、電流等參數(shù)感知、搜集、轉(zhuǎn)換并傳遞至系統(tǒng)的ADC至關(guān)重要。對于電力系統(tǒng)來說，通常有三相電壓、三相電流及中心線的電壓、電流，這些信號之間存在相位關(guān)系，因此除了要采集到幅度信息之外，還必須能夠?qū)崟r且準(zhǔn)確地采集到相位關(guān)系，系統(tǒng)才可以執(zhí)行保護(hù)和控制。此外，電力系統(tǒng)里的信號尤其是電流信號的動態(tài)范圍非常寬，而且對信號采集的精度要求非常高，這樣才能準(zhǔn)確定位故障發(fā)生點(diǎn)。

ADS8588S和ADS8686等即是TI專門為電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的16位ADC，具有多通道、同步采樣、高精度及高準(zhǔn)確度，寬動態(tài)范圍達(dá)90dB，可以快速發(fā)現(xiàn)短路或斷路故障。這兩款A(yù)DC集成了放大器，并且內(nèi)部具有精密校準(zhǔn)電路，無需額外的信號鏈整合或校準(zhǔn)工作，在和CPU的接口處還集成了糾錯機(jī)制，通過監(jiān)測機(jī)制以確保傳輸至處理系統(tǒng)的通信過程可靠。也就是說，從模擬域到數(shù)字域再到接口，TI的ADC產(chǎn)品都具高可靠性。

靈活且強(qiáng)大的處理器是電網(wǎng)可靠性和實(shí)時性的基礎(chǔ)保障，就好像大腦對事物的實(shí)時反應(yīng)能力一樣。TI提供各種處理器，包括Arm、DSP的強(qiáng)大內(nèi)核組合，可靈活應(yīng)對包括保護(hù)繼電器、變電站以太網(wǎng)交換機(jī)、變電站網(wǎng)關(guān)和變電站控制器（RTU）等諸多能源相關(guān)應(yīng)用。同時，針對不同變電站架構(gòu)，無論是通過以太網(wǎng)交換機(jī)還是網(wǎng)關(guān)來進(jìn)行數(shù)據(jù)分類和過濾，TI的嵌入式處理器都可以輕松應(yīng)對。

事實(shí)上整個系統(tǒng)的可靠性是通過實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的芯片和方案來體現(xiàn)的，值得一提的是，TI的所有電網(wǎng)類應(yīng)用產(chǎn)品在生產(chǎn)和測試環(huán)節(jié)，都通過了專業(yè)和嚴(yán)苛的品質(zhì)管理流程，從而確保產(chǎn)品高度可靠。并且在全溫度范圍內(nèi)，溫漂都非常低，十分適合復(fù)雜的電網(wǎng)環(huán)境。

高效、抗干擾、高集成度

電力系統(tǒng)的高效性即指轉(zhuǎn)換效率，從換流閥到輸電站的各種設(shè)備，都離不開電源轉(zhuǎn)換，一個個功率管將電力源源不絕地轉(zhuǎn)換并傳遞。而電源轉(zhuǎn)換所需無論是IGBT還是SiC，都需要高效可靠的驅(qū)動來控制這些核心部件。

由于缺乏高集成度的芯片，傳統(tǒng)上IGBT驅(qū)動都是用模塊來實(shí)現(xiàn)，成本高昂。而TI最新推出的 UCC5870-Q1是一個隔離的、可配置單通道門級驅(qū)動器，內(nèi)部集成的ADC可以支持多種模擬輸入監(jiān)控，同時還集成溫度控制和其他保護(hù)功能，支持SPI接口配置，從而實(shí)現(xiàn)比較高效的轉(zhuǎn)換和檢測的功能，適用于任何SiC或者IGBT。這樣客戶就可以用一個單片取代之前可能通過兩個模塊才能實(shí)現(xiàn)的功能，從而得以簡化驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并大幅降低成本。

器件的電磁特性是電力系統(tǒng)非常關(guān)注的，既要減少器件向外產(chǎn)生的輻射，也要抵御來自外部的干擾。TI的很多器件比如運(yùn)放內(nèi)部集成了濾波器，在外部強(qiáng)電磁干擾下仍然能夠保持高精度的信號處理。隔離技術(shù)也是重要的抗干擾方式，TI是最早做電容隔離的廠商之一，在抗干擾能力方面比傳統(tǒng)的光耦、磁耦及其他競爭對手的電容隔離要優(yōu)越很多。如上述的UCC5870-Q1，采用二氧化硅隔離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)150kV/ns的dv/dt，遠(yuǎn)超競爭對手。

以客戶為導(dǎo)向的產(chǎn)品開發(fā)思路

隨著特高壓技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，包括柔性直流輸電等在內(nèi)的一系列先進(jìn)技術(shù)正在快速發(fā)展，從控制、驅(qū)動、保護(hù)到整個系統(tǒng)的運(yùn)算和要求更高。對芯片公司來說這意味著機(jī)會更多，但同時要求也更高。我們看到，為了應(yīng)對日益復(fù)雜的特高壓電網(wǎng)系統(tǒng)，TI產(chǎn)品不斷加速迭代，給市場提供高可靠性、高集成度的產(chǎn)品，以簡化客戶的應(yīng)用。

而且為了進(jìn)一步加速客戶創(chuàng)意落地，TI在全球設(shè)置了系統(tǒng)開發(fā)團(tuán)隊(duì)，很多成員都是特高壓技術(shù)方面的專家，結(jié)合TI的產(chǎn)品專家一起，為客戶深度開發(fā)出模塊式的參考設(shè)計(jì)和技術(shù)方案?？蛻糁恍柽M(jìn)行簡單的差異化修改即可。經(jīng)過在特高壓領(lǐng)域的多年深耕，TI和中國主要電力客戶都建立了深入的合作伙伴關(guān)系。

早在2008年，德州儀器與四方繼保建立數(shù)模信號聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室；2010年，中國電科院與德州儀器合作建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室正式揭牌。今年是TI中國成立35周年，也恰逢新基建的項(xiàng)目開始加速落地。作為全球主要的芯片供應(yīng)商，TI提供了包括IGBT的柵極驅(qū)動、用于控制/保護(hù)算法處理的DSP、基于ARM的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議處理器以及用于測量電壓和電流的高精度信號鏈等完整的一站式服務(wù)，從而滿足特高壓領(lǐng)域二次設(shè)備和一次設(shè)備相關(guān)的一系列要求。

盡管電力是一個看不見摸不著的產(chǎn)品，但通過一顆顆芯片，點(diǎn)亮了萬家燈火，也點(diǎn)亮了你我。

審核編輯 黃昊宇