通过电子测量、控制和通信实现智能电网

作者：Markus Staeblein，Kripa Venkat

多年的增量嵌入式处理、电源管理和连接技术改进现在使我们接近收支平衡点，太阳能和风能发电在成本上将与化石燃料发电竞争。这些可再生能源不仅会通过碳释放避免对大气变化造成影响，而且很快它们也将具有经济优势。这种被广泛称为电网平价的发展不会在一夜之间发生。相反，随着成本优势逐个地区和逐个公用事业的效用提高，在未来十年或更长时间内将发生逐步过渡。政府补贴将有助于转型，但降低成本的半导体技术和制造进步正在迅速超过补贴，成为主要的增长动力。

在某些地区，风力发电已经实现了平价——至少在有风的时候是这样。太阳能电池板将需要更长的时间才能达到目标，尽管它们承诺会在能量收集方面引入更彻底的变化。风电场通常需要对电网基础设施进行大量投资才能有效运行，而太阳能发电几乎可以在任何规模上得到有效利用，从屋顶上的几块面板到占地数英亩的太阳能农场。这两种形式的能量收集，尤其是太阳能，都将通过引入广泛分布的发电资源来显着改变电网。实现电网平价将加速这一趋势。然而，要使可再生能源发电真正起飞，除了有利的成本之外，还需要其他一些东西。公用事业网络也必须变得更加智能，使用智能传感器、控制、

分布式发电需要智能电网

挑战在于为更大的公用设施结构增加智能，使其运行更可靠、更有效。智能电网是在每个阶段测量、通信和控制能量的智能电力网络。每台发电机、变电站、继电器、变压器、电表、机器和输电线路——电网中的所有东西以及与之相连的所有东西都可以潜在地被测量和观察，以确保电力有效地输送到需要的地方并在没有浪费的情况下使用。

除了提供高效、可靠的能源输送外，智能电网还将作为可再生能源分布式发电不可或缺的基础设施。未来，技术必须使公用电网能够管理向发电和消费电力客户的双向电力流动。此外，由于在通常远离城市和工业区的地方，阳光最明亮，风一直在吹，公用事业公司将不得不依靠长距离输送电力的电力线。电网必须能够在大范围内实时管理需求与创造，依靠各种类型的分散式发电和新的储能能力。

图 1 显示了一个智能电网，其分布式发电来自大型太阳能和风电场，以及来自各种规模的生产者-客户的双向流动。只有智能电网才能将如此广泛的可再生能源发电与传统大型发电站的输出相结合，并实时向具有不同需求的客户提供电力。实现电网平价所需的规模经济只能通过在分散式能源发电中广泛部署太阳能电池板和风力涡轮机来实现。反过来，权力下放只能通过先进的电子测量、控制和通信实现的智能电网来实现。

图 1：具有分散式可再生能源发电的智能电网。

未来几年智能电网的重要性怎么强调都不为过。据估计，由于篡改、盗窃和低效率，世界浪费了多达 40% 的电力。智能、高效的电网可以避免大部分浪费，节省资金并深入减少温室气体排放。

IC使电网变得“智能”

当电网集成感应、监控、测量和提供通信和控制的电子电路时，电网变得智能化。先进的嵌入式和模拟技术是电网基础设施中使用的一系列设备的基础，包括保护继电器、电能质量监视器、断路器和变电站自动化系统。除了基础设施之外，还有用于太阳能和风能的逆变器、商业和消费场所的智能电表，以及将信息输入网络的数量可能无限的开关、传感器和监控单元。这些系统使用电子智能来发电，即时测量消耗，使用低功率射频或电力线通信 （PLC） 技术进行通信，

这些设备的具体要求因用途、标准和法规而异。然而，底层半导体技术，尤其是电网基础设施设备，可以概括为如图 2 所示。（在支持太阳能逆变器、智能电表和其他连接设备的 IC 解决方案中使用了架构略有不同的类似功能。）

图 2：智能电网控制系统中的功能。

在图左侧的测量块中，输入来自外部传感器，以模拟信号的形式出现，例如电压或电流电平。模拟组件调节输入并将其转换为输入分析和控制模块的数字信号。在这里，MCU、MPU 或数字信号处理器 （DSP） 分析数字信号数据以确定用电量、服务质量或潜在危险情况。该处理器然后通过例如断路器或继电器命令一个动作，如果这样的动作是必要的。此外，处理器通过双向通信块中的专用模块通知其他设备中的控制节点，可能还有中央控制计算机。

由于设备符合不同的标准，IC 解决方案必须包含允许设计人员选择所需功能的选项。高水平的模拟和数字系统级芯片（SoC） 集成有助于降低成本并支持多个控制通道。通道包括不同阶段的多个模拟和数字输入。一方面，随着系统连接到电网，它必须连接到本质上是模拟的高电压和电流。其他几个模拟通道包括温度和湿度。数字通道由来自电网上其他设备的事件指示组成，其中包括保护继电器、故障通道指示器和断路器的多个实例。虽然，在某些情况下，设计要求可能要求使用单独的 IC 来实现高压、大电流、或高速功能，例如运算放大器和模数转换器 （ADC）。例如，一个关键要求可能是使用测量系统来隔离交流电源。这种隔离是在模拟域中完成的，这对 IC 设计人员来说不是一个容易解决的问题。因此，将它们与 SoC 分离将是最实用和最具成本效益的方法。在其他情况下，将严格需要将测量和控制分开，因为经过认证的、故障安全的封闭式测量系统被要求防止中断和各种形式的篡改。将它们与 SoC 分离将是最实用和最具成本效益的方法。在其他情况下，将严格需要将测量和控制分开，因为经过认证的、故障安全的封闭式测量系统被要求防止中断和各种形式的篡改。将它们与 SoC 分离将是最实用和最具成本效益的方法。在其他情况下，将严格需要将测量和控制分开，因为经过认证的、故障安全的封闭式测量系统被要求防止中断和各种形式的篡改。

工业以太网和工业现场总线等片上通信解决方案也可以提供经济性和灵活性。工业以太网和现场总线在实时分布式控制系统中协同工作。在变电站中，各个关键位置将有多个传感器、继电器、断路器、故障指示器。实时控制和接收来自所有这些端节点的状态的能力需要稳健和优化的方案。现场总线连接形成这些设备的网络。现场总线所需的布线数量要少得多，这将直接有助于节省成本。以太网通信仍可用于需要更高速度进行通信的非实时任务，但与现场总线相比存在局限性。

解决方案核心的处理器组合应该是完全可编程和可扩展的，支持多种协议，例如以太网、MODBUS、PROFIBUS、HART、IEC 61850、DLMS （IEC 62056） 等，无需定制设计的逻辑。

软件框架、工具和参考设计也有助于加快和简化开发。拥有来自模块供应商的现成硬件和软件工具可以加快产品上市时间。在用户可以添加或删除硬件和软件功能的强大框架上，开发变得更加简单。当提供的硬件和软件已通过标准机构或测试机构的认证时，稳健性也会得到加强。

智能嵌入式电源

如今，具有这些功能的先进电子设备正在提高电网的智能化程度，这是长期实现太阳能电池板和风电场分散能源生产不可或缺的一步。虽然可再生能源部署的经济性正在接近电网平价，但 IC 技术的进步引入了智能测量、通信和控制。总之，这些趋势正在改变全球电网，以提供更清洁、更可靠的能源。