基于AM3352MCU的智能電網(wǎng)解決方案開發(fā)

　　物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 有望在智能建筑和智能校園環(huán)境中全面應(yīng)用時節(jié)省大量成本。管理能源將提供最大的節(jié)約之一，因為管理環(huán)境控制可以為居民提供最佳舒適度，同時最大限度地減少能源使用。工廠和工業(yè)綜合體也將受益于更強大和互聯(lián)的基于物聯(lián)網(wǎng)的能源管理系統(tǒng)。收集和控制所有電力傳輸和消耗點將需要更廣泛地推廣能源測量和管理設(shè)備。

　　MCU 制造商長期以來一直針對能源測量和管理應(yīng)用，現(xiàn)代 MCU 具有多項高級功能，使其在這些應(yīng)用中非常高效。此外，通?？梢允褂脜⒖荚O(shè)計，為常見的能量測量、控制和集中器應(yīng)用提供完整的系統(tǒng)解決方案。本文將探討其中一些參考設(shè)計，以說明它們?nèi)绾物@著簡化您的下一個能源測量和管理設(shè)計的實施并加快您的上市時間。

　　智能電網(wǎng)中的能源管理

　　智能電網(wǎng)是一種新的思考和構(gòu)建能源基礎(chǔ)設(shè)施的方式。它適用于能源的產(chǎn)生、分配和利用的各個方面。如果這三個要素都到位并可以運行，就可以構(gòu)建一個更智能、更高效的“智能電網(wǎng)”。智能電網(wǎng)將通過測量和預(yù)測所需能源，然后高效地生成和輸送能源來優(yōu)化能源的產(chǎn)生、輸送和消耗。智能電網(wǎng)的一個關(guān)鍵要素是消費者對能源使用的感知、監(jiān)控和通信。一旦通過使用大數(shù)據(jù)分析了解并理想地預(yù)測能源使用，就可以更好地管理發(fā)電和交付。如果可以根據(jù)產(chǎn)生的能源的可用性來管理消耗，則可以獲得額外的效率。

　　圖 1 說明了智能電網(wǎng)的演變。在左側(cè)，之前的能源系統(tǒng)集中在發(fā)電上。智能電網(wǎng)采用更加分布式的發(fā)電方法，使用多個來源以及通信和傳感網(wǎng)絡(luò)來更好地管理能源輸送和利用。整個智能電網(wǎng)都使用傳感器來測量功率。這不僅在每個使用點實施，而且在每個發(fā)電和分配點實施，因此可以做出實時決策，優(yōu)化整個系統(tǒng)的效率。

　　圖 1：智能電網(wǎng)演進（由STMicroelectronics提供）

　　電能計量評估套件

　　智能家居中的電能計量可以成為智能電網(wǎng)中的關(guān)鍵元素。電能計量解決方案通常包括與電能測量 IC 配合使用的 MCU。圖 2 顯示了典型智能電表的簡化框圖，該電表利用 STMicroelectronics STM32F 系列 MCU、STPM10 電能計量 IC和幾個支持組件來提供電力線調(diào)制解調(diào)器 （PLM） 通信、額外的內(nèi)存、安全性和電源。STPM10 在單相或多相計量系統(tǒng)中使用電流互感器和分流傳感器測量電力線系統(tǒng)中的有功、無功和視在電能。

　　圖 2：智能家居中的電能計量。（意法半導(dǎo)體提供）

　　STPM10 的模擬部分包括前置放大器和一階 sigma-delta A/D 轉(zhuǎn)換器、帶隙電壓基準和低壓降穩(wěn)壓器。數(shù)字部分包括系統(tǒng)控制、振蕩器、配置和校準非易失性存儲器、DSP 和 SPI 接口。從模擬部分產(chǎn)生的一對 sigma-delta 輸出信號中，DSP 單元計算消耗的有功、無功和視在電能的數(shù)量，以及 RMS 和瞬時電壓和電流值。計算結(jié)果可作為設(shè)備數(shù)字輸出的脈沖頻率和狀態(tài)，或作為數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)位提供，可通過 SPI 接口從設(shè)備中讀取。STEVAL-IPE15V1 評估套件可用于簡化原型開發(fā)。

　　電能計量和通信參考設(shè)計

　　上述評估套件通過快速將工作硬件放在您的指尖來幫助加快您的開發(fā)周期。當(dāng)提供包含圖形用戶界面 （GUI） 的軟件工具來觀察目標評估套件或參考設(shè)計的操作時，可以進一步加快開發(fā)過程。例如，Cirrus Logic CDB5480U-Z參考設(shè)計平臺包括一個目標板和一個與該板通信以配置和觀察操作的相關(guān) GUI。圖 3 顯示左側(cè)的目標板和來自 GUI 的示例輸出，其中顯示了收集數(shù)據(jù)的直方圖。平均值、標準偏差、方差、最大值和最小值顯示在窗口左側(cè)。功能齊全的目標板與高級配置和測量工具與易于使用的 GUI 相結(jié)合，可以特別有效地加快您的開發(fā)周期。

　　圖 3：參考設(shè)計板和用戶界面顯示（Cirrus Logic 提供）

　　MCU 制造商還為智能電網(wǎng)的通信部分提供參考設(shè)計。電力線通信是在智能電網(wǎng)中發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的一種流行方法，MCU 通常用作這些類型系統(tǒng)的中央控制元件。一些 MCU 已針對這些應(yīng)用進行了優(yōu)化，并為智能電網(wǎng)實施提供了廣泛的通信功能。圖 4 顯示了德州儀器 TMDSICE3359工業(yè)通信引擎參考設(shè)計的框圖以及使用通信優(yōu)化的 TI AM335x 處理器。請注意支持的廣泛通信接口集，包括雙以太網(wǎng)、USB、CAN/PROFIBUS、I 2 C、SPI 和 UART。

　　圖 4：德州儀器智能電網(wǎng)通信參考設(shè)計框圖（德州儀器提供）

　　TI 的AM3352MCU 功能強大，足以實現(xiàn)廣泛的智能算法，用于感應(yīng)和控制照明、HVAC、標牌、占用、材料運輸和過程控制的能源使用。TI TMDSICE3359 參考設(shè)計包含在 SYS/BIOS 工業(yè) SDK 中收集的大量代碼。該 SDK 包括開源 RTOS、引導(dǎo)加載程序、外設(shè)驅(qū)動程序、用于 EtherCAT 從站堆棧、PROFIBUS 從站堆棧、EtherNet/IP 適配器/從站堆棧、Profinet IO 設(shè)備堆棧的工業(yè)通信協(xié)議堆棧評估版，以及示例演示通過各種工業(yè)通信協(xié)議進行工業(yè)輸入/輸出數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用程序。通過消除從頭開始創(chuàng)建這些復(fù)雜功能的需要，包含這些關(guān)鍵功能大大加快了產(chǎn)品上市時間。

　　總之，要使智能電網(wǎng)“智能”，就需要對電網(wǎng)的每個關(guān)鍵要素（發(fā)電、配電和消費）進行控制和計量。通過使用基于 MCU 的電力測量系統(tǒng)，電網(wǎng)可以收集提高系統(tǒng)效率所需的大量數(shù)據(jù)，而基于 MCU 的通信系統(tǒng)可以在智能電網(wǎng)內(nèi)發(fā)送和接收這些數(shù)據(jù)。正如我們所展示的，評估套件和參考設(shè)計隨時可用，可幫助您加快這些智能電網(wǎng)設(shè)計解決方案的開發(fā)。