智能電網(wǎng)中照明和能源控制IC與傳感器的重要性

“智能電網(wǎng)”是交流電網(wǎng)改造的下一個重要步驟?，F(xiàn)有電網(wǎng)提供來自集中發(fā)電廠的電力，并且對個人用戶（工業(yè)，商業(yè)或住宅）負載和使用幾乎沒有或沒有洞察力;同時，用戶很少掌握自己的使用和基于負載的成本。此外，現(xiàn)有的電網(wǎng)架構(gòu)不太適合非常本地的獨立電源（例如家用太陽能電池板），它們在不可預測的時間向電網(wǎng)提供電力，以及從電網(wǎng)中提取電力。

智能電網(wǎng)旨在更有效地提供電力和平衡負載。它還為最終用戶提供了更好的洞察力，使他們了解成本與負載均衡的使用時間。同樣重要的是，它將容納越來越多的間歇性本地電源，當條件允許時可以將電力饋送回電網(wǎng)，或者存儲電力供以后使用。

使智能電網(wǎng)成為現(xiàn)實的關(guān)鍵是在電網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)的各個層面引入傳感器（圖1）。根據(jù)市場研究公司IHS的報告，智能電網(wǎng)相關(guān)傳感器市場將從2014年增加近20倍至2021年，達到3.5億美元。智能電網(wǎng)使用這些傳感器，依靠安裝在每個用戶站點的智能電表，向用戶和電力公司通知電力可用性，負載和運營成本。這些儀表將與內(nèi)部設(shè)備和照明，本地電源/存儲以及電力公司網(wǎng)格的智能控制相關(guān)聯(lián)。

圖1：智能電網(wǎng)是傳統(tǒng)電力系統(tǒng)和電網(wǎng)的重大升級;它不僅可以提高源，傳輸和使用效率，還可以實現(xiàn)小規(guī)模采購和本地化存儲。

智能電網(wǎng)概述

歷史上，交流電源網(wǎng)格將多個發(fā)電站（無論是由煤，石油，天然氣，水還是核燃料作為燃料）連接成一個網(wǎng)格，以便任何這些來源都可以支持系統(tǒng)中任何地方的用戶。運行發(fā)電廠和電網(wǎng)的公用事業(yè)公司可以測量通過電網(wǎng)各部分的功率和能量，調(diào)整可用性和節(jié)流閥（如果需要），并可以測量每個最終用戶消耗的能源成本（kW-Hr）通過各種遙測技術(shù)。

然而，這是他們所擁有的洞察力的極限。它們的反饋回路的時間常數(shù)相對較大，因為它主要響應大規(guī)模的變化，例如在夜間使用較少的功率和在早晨和晚上使用較慢的上升/下降時間，具有稍微穩(wěn)定的高值白天。當然，在我們?nèi)找嫒旌虻氖澜缰?，即使是這些傳統(tǒng)模式也在發(fā)生變化。

智能電網(wǎng)的目標是實現(xiàn)能源閘門，配送路徑和存儲的靈活組合，需要在相當快速的實時環(huán)境中平衡可用選項并根據(jù)需要動態(tài)調(diào)整組合。智能電網(wǎng)成功實施的目標是最大限度地減少對大型發(fā)電廠或其他大型輸電線路的需求。為了實現(xiàn)這一目標，正在采用強有力的財務激勵措施來鼓勵負載均衡，閑置期間的電力使用，本地電力供應，甚至本地存儲（例如，參見特斯拉汽車公司最近公布的用于家庭和辦公室的Powerwall系統(tǒng)）

低級構(gòu)建模塊支持的高級架構(gòu)

關(guān)于智能電網(wǎng)潛在靈活性的預測及其可能帶來的好處是誘人的，但現(xiàn)實是實現(xiàn)這一目標需要很多最終用戶級別的低級構(gòu)建塊。住宅設(shè)施尤其如此，每個家庭都有一點不同，并且沒有“建筑管理”專業(yè)人員。智能電網(wǎng)功能金字塔開始于監(jiān)控并且可能基于效用的控制能量被傳遞到家庭或由家庭提供。實現(xiàn)這一目標有幾個階段。

首先，每個家庭都需要一個稱為高級計量基礎(chǔ)設(shè)施（AMI）的智能電表來測量電力使用情況，并向公用事業(yè)公司提供數(shù)據(jù)以進行計費和跟蹤。它還為消費者提供了監(jiān)控使用和定價的見解，以及更多實際控制能源使用的可能性。反過來，AMI與稱為住宅能源管理（REM）的家庭監(jiān)控/控制功能一起工作，該功能使用公用設(shè)施安裝的家庭區(qū)域網(wǎng)絡（HAN）與儀表，恒溫器，燈和其他要監(jiān)控的設(shè)備通信也許是控制的; HAN連接是通過無線鏈路或電力線通信（PLC）實現(xiàn)的。

一般來說，消費者對能源使用量和時間的效用控制的想法持懷疑態(tài)度，并且它將進行的研究尚不清楚。另一種選擇，公用事業(yè)提供的REM由消費者提供的稱為獨立REM（iREM）的REM替代，其通過AMI計量子系統(tǒng)連接并主動監(jiān)控能量使用，但允許用戶保持個人控制。

集成電路，傳感器，軟件是關(guān)鍵要素

將這些廣泛的高級目標轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實，例如智能電表和智能家電/燈具控制，是大批量的機會供應商，但成本壓力很大。

市場研究公司IHS認為，智能電表的全球出貨量將在2011年至2016年間增加兩倍，達到約6200萬臺，這將導致同期半導體市場翻番。在報告摘要中，IHS的工業(yè)電子研究分析師Jacobo Carrasco Heres指出，“用智能電表取代傳統(tǒng)電表的最初動機是節(jié)能。但是，更有說服力的激勵是電網(wǎng)的儀表。使用智能電表，公用事業(yè)公司最終將擁有一個良好映射的電網(wǎng)，使他們能夠更有效地規(guī)劃發(fā)電和管理資源?！耙恍├诱f明了供應商采取的步驟，使智能電網(wǎng)的這些關(guān)鍵構(gòu)建模塊變?yōu)閷嵱瞄_發(fā)。

領(lǐng)先的智能電表IC是Maxim Teridian?78M6631，這是一款高度集成的三相功率測量和監(jiān)控片上系統(tǒng)（SoC）（圖2）。一個22位delta-sigma A/D轉(zhuǎn)換器，一個8051兼容的MPU內(nèi)核和一個32位計算引擎（CE），用于處理AC線數(shù)據(jù).78M6631設(shè)計用于需要bot的應用中的功率和質(zhì)量測量h delta和wye三相配置。

圖2：Maxim Teridian 78M6631功率測量和監(jiān)控SoC不僅實現(xiàn)了大部分智能電表功能，還適用于各種線路傳感器類型和3相連接配置。

該器件為A/D轉(zhuǎn)換器提供六個模擬輸入（三個差分電流和三個電壓），用于連接用于AC線路拾取的電流和電壓傳感器。該器件在2000：1的寬動態(tài)范圍內(nèi)提供高于0.5％的精度。對于與主機處理器的接口，56引腳TQFN封裝的IC包括SPI，I 2 C和UART I/O.它還包括用于控制LED的基本數(shù)字I/O端口，用于告知用戶智能儀表狀態(tài)，驅(qū)動外部繼電器，甚至允許在輸入傳感器之間進行選擇。

智能電表IC本身，無論功能或集成程度如何，都只是故事的一部分。 Maxim提供的應用軟件可作為固件加載到128 kB閃存中，以提供分析和系統(tǒng)調(diào)整，包括：

真有效值電流和電壓計算

有效，無功，表觀，基波和諧波功率計算

基波和諧波電流和電壓計算

線路頻率和功率因數(shù)計算

相位補償（向上）

內(nèi)置校準程序

可編程報警閾值

這種合適的線電流/電壓傳感器組合，Teridian IC，嵌入式固件和分析將滿足各種全球性能和監(jiān)管標準的準確性，及時性和數(shù)據(jù)報告。

住宅和商業(yè)（辦公）照明是智能電網(wǎng)可以集成以節(jié)省大量電力。與HVAC不同，HVAC必須運行以保持所需的溫度（盡管這樣做是有目的的），但照明具有更大的靈活性。用戶可根據(jù)可用的室外光線，房間占用率和其他因素選擇調(diào)整照明水平以滿足其需求。照明也是廢熱的來源，取決于外部溫度，這可能是好事或壞事。

隨著許多裝置切換到基于LED的燈具，以提高效率，延長壽命和調(diào)節(jié)（使用適當?shù)?a href="http://ttokpm.com/soft/data/4-10/" target="_blank">控制電路和算法），供應商提供LED優(yōu)化的智能照明IC。其中一個例子是賽普拉斯半導體公司的CY8CLED0xD/G0y系列PowerPSoC?智能LED驅(qū)動器，包括十幾個相關(guān)的IC，它們的存儲量，I/O數(shù)量和一些內(nèi)部功能不同（圖3）。每個器件由五個主要模塊組成：PSoC內(nèi)核，數(shù)字系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)，系統(tǒng)資源和電源外設(shè)（包括功率FET，遲滯控制器，電流放大器和PrISM/PWM調(diào)制器）。這些PowerPSoC系列器件旨在取代傳統(tǒng)的MCU，系統(tǒng)IC以及圍繞它們的眾多分立元件。

圖3：賽普拉斯半導體公司的多種CY8CLED0xD/G0y系列PowerPSoC IC專為LED照明的智能驅(qū)動而設(shè)計，作為古老的白熾燈泡和CFL燈泡的替代品，但它具有獨特且經(jīng)過仔細監(jiān)控的驅(qū)動特性。

每個PowerPSoC都具有一系列集成電源外設(shè)和數(shù)字控制功能。電源外設(shè)包括：

最多四個獨立操作的MOSFET（32 V/1 A），可驅(qū)動大功率LED

多達四個可編程遲滯控制器，為LED提供受控電流輸出

最多四個可編程低側(cè)柵極驅(qū)動器，支持32 V以上的電壓，用于外部MOSFET

浮動負載降壓，浮動負載降壓 - 升壓和升壓轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)滿足不同應用的不同電壓要求的靈活性

開關(guān)頻率高達2 MHz，允許使用更小，更便宜的電感器

輔助電源穩(wěn)壓器可為單個設(shè)備供電電源

用于需要高分辨率調(diào)光的照明應用的16位調(diào)光

在數(shù)字控制方面，用戶可以訪問：

八個可編程數(shù)字模塊，用于定時器，計數(shù)器，PWM和UART等功能

六個可編程模擬模塊，用于放大器等功能ADC，DAC，濾波器和比較器

至少16 kb的閃存

8位微控制器

在PSoC器件中，可配置的電源，模擬，數(shù)字和互連電路實現(xiàn)了高水平的集成，以支持工業(yè)，商業(yè)和消費者的LED照明要求。

簡單的傳感器也可以產(chǎn)生很大的不同。在智能電網(wǎng)和智能能量互動的最低功能水平，使用房間占用探測器可以消除浪費的照明能量，特別是因為一些區(qū)域僅在短時間內(nèi)看到高度間歇性，零碎的使用（想想洗手間）。這就是Zilog Zmotion ZRE200BP PIR（被動紅外）探測器等基本組件為適度投資帶來的巨大好處。

結(jié)論

智能電網(wǎng)提供了從發(fā)電到使用甚至存儲的節(jié)能和效率的巨大潛力。將宏偉概念轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實需要在電網(wǎng)系統(tǒng)的所有階段對設(shè)施和設(shè)備進行大幅升級，在當?shù)睾妥≌瑓^(qū)進行大量工作，其中成本必須保持低，易于安裝和使用至關(guān)重要，并且有形好處必須切合實際。電源計量IC，照明和能源控制IC甚至基本傳感器等組件的供應商在升級到更具自我意識，靈活性和彈性的網(wǎng)格方面發(fā)揮著重要作用。