實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)現(xiàn)代化以提高電網(wǎng)的互聯(lián)度、可靠性和安全性

配電網(wǎng)絡(luò)連接著發(fā)電廠與家庭、樓宇、工廠、車輛、城市和其他領(lǐng)域，為了提高可靠性和彈性，配電網(wǎng)絡(luò)需要升級。通過在發(fā)電、輸電和配電中采用先進(jìn)的互聯(lián)傳感器，電網(wǎng)運(yùn)營商可以監(jiān)測健康和安全需求，優(yōu)化老舊且昂貴的資產(chǎn)，檢測故障和需求增加，并在停電期間更快地恢復(fù)電力。

電網(wǎng)資產(chǎn)數(shù)據(jù)使運(yùn)營商能夠更好地了解基礎(chǔ)設(shè)施性能，包括不同的發(fā)電組合、環(huán)境條件或安全風(fēng)險(xiǎn)。智能電網(wǎng)傳感器支持遠(yuǎn)程監(jiān)測變壓器等設(shè)備和輸電線，并促進(jìn)需求側(cè)資源管理。此外，智能電網(wǎng)傳感器還能夠監(jiān)測天氣狀況和輸電線溫度，用于計(jì)算線路的承載能力。智能電網(wǎng)可以通過各種有線和無線協(xié)議，例如工業(yè)以太網(wǎng)、RS-485、控制器局域網(wǎng)和無線智能公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò) (Wi-SUN)，來傳輸傳感器收集的信息。

在負(fù)載端，智能儀表可幫助消費(fèi)者輕松轉(zhuǎn)向更多可再生能源解決方案，無論是在家庭場景還是為電動汽車充電時。此外，智能電表還可以幫助消費(fèi)者根據(jù)能源需求和來源做出更明智的選擇。在某些情況下，這類電表還能幫助監(jiān)測雙向充電，例如當(dāng)家庭或汽車將電能返回電網(wǎng)時。

過去，電網(wǎng)由機(jī)電系統(tǒng)組成，反饋極少，負(fù)載被動。而如今，電網(wǎng)變得高度自動化，由智能設(shè)備和現(xiàn)代化策略推動。因此，從發(fā)電到輸電，再到配電和最終使用，整個供電網(wǎng)絡(luò)變得更加互聯(lián)，集成了分布式能源資源，并確保了更大的電網(wǎng)可靠性和彈性。

分布式能源成為電網(wǎng)不可或缺的一部分

過去，電網(wǎng)一直是“單向的”，電力從公用事業(yè)公司所有的集中式發(fā)電、輸電和配電線路流向消費(fèi)者。隨著太陽能和風(fēng)能在電網(wǎng)中占據(jù)的份額不斷增加，動態(tài)管理將變得越來越普遍。公用事業(yè)公司逐漸將電網(wǎng)視為一個互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樵絹碓蕉嗟南M(fèi)者使用小型分布式系統(tǒng)來發(fā)電。換句話說，家庭和車輛可以交替作為用電單元和發(fā)電單元。

太陽能和風(fēng)能不僅碳排放量為零，而且與化石燃料不同，不受價(jià)格波動的影響。在越來越多的地區(qū)（尤其是那些陽光或風(fēng)能豐富且電力成本高昂的地區(qū)），可再生能源的成本已經(jīng)與化石燃料的成本相當(dāng)甚至更低，達(dá)到了電網(wǎng)平價(jià)點(diǎn)。

太陽能微型逆變器是太陽能行業(yè)不可或缺的一部分。德州儀器 (TI) 擁有品類繁多的隔離式和非隔離式柵極驅(qū)動器、數(shù)字隔離器、以太網(wǎng)和 RS-485 收發(fā)器、電流檢測和電壓監(jiān)測器件，以及微控制器 (MCU)，可以實(shí)現(xiàn)面向各種尺寸逆變器（包括并網(wǎng)和離網(wǎng)）的數(shù)字控制環(huán)路，從而更大限度地提高系統(tǒng)效率并延長產(chǎn)品壽命。所有這些產(chǎn)品都必須能夠在最惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，尤其是在極端溫度下。

電動汽車雙向充電有助于平衡電網(wǎng)

雖然配電系統(tǒng)最初是為滿足峰值需求而設(shè)計(jì)和構(gòu)建的，并通過基礎(chǔ)設(shè)施被動對外供電，但智能電網(wǎng)不僅為客戶提供了更多選擇，而且可以在本地、遠(yuǎn)程或自動進(jìn)行管理。智能電網(wǎng)使公用事業(yè)公司能夠跟上消費(fèi)者行為的變化（例如，大多數(shù)電動汽車電池可能會在夜間非高峰時段在家中充電）。

超高性能的電動汽車配備 22kW 范圍的車載充電器。雙向充電器的理念帶來了將電動汽車用作電池儲能元件的可能性。假設(shè)車庫中的電動汽車一次充電可以行駛 400 英里。但是，通過通信、云計(jì)算和現(xiàn)代化電網(wǎng)，汽車“知道”車主明天駕車不會超過 50 英里。從技術(shù)上講，電池不必在 次日早上 7 點(diǎn)充滿電，因此可以在夜間將汽車中的電能用于本地消耗，或者在高峰時段將電能歸還給電網(wǎng)。公共充電基礎(chǔ)設(shè)施中也存在類似的方法，同時還可實(shí)現(xiàn)充電站之間的負(fù)載平衡。

此外，為了提高電網(wǎng)電力質(zhì)量并降低消耗的諧波電流，需要使用功率因數(shù)校正，因?yàn)樵S多前向負(fù)載是直流電。例如，在以 350kW 功率運(yùn)行的非車載快速電動汽車充電器中，輸入是來自電網(wǎng)的三相交流電，輸出是流入電池的直流電。有源三相功率因數(shù)校正存在許多拓?fù)洹?0kW 雙向三相三級（T 型）逆變器和 PFC 參考設(shè)計(jì)能夠進(jìn)行雙向功率校正，并使用具有更高開關(guān)頻率的碳化硅 (SiC) 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 來提高效率并減小磁性元件的尺寸，從而減小整體系統(tǒng)尺寸。此拓?fù)淇蓴U(kuò)展到更高功率的智能電網(wǎng)應(yīng)用，例如電動汽車充電和光伏逆變器。具有更低開關(guān)損耗的 SiC MOSFET 可確保更高的直流母線電壓（高達(dá) 800V）和 97% 以上的峰值效率。

作為 TI 對未來電網(wǎng)持續(xù)投資的一部分，TI 正在推進(jìn)發(fā)展電動汽車充電所需的組件，包括連接到電網(wǎng)的充電器以及電動汽車內(nèi)的電池管理系統(tǒng)。由于電網(wǎng)和電動汽車電池可能產(chǎn)生高電壓，隔離式器件對于任何電動汽車充電或電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)都至關(guān)重要。這些器件包括通信和保護(hù)電路，例如隔離式和非隔離式放大器、隔離式和非隔離式接口集成電路以及信號隔離器的電源。

電網(wǎng)的實(shí)時數(shù)據(jù)、監(jiān)測和控制

由于電網(wǎng)持續(xù)快速轉(zhuǎn)型，電力公司在其業(yè)務(wù)的關(guān)鍵方面面臨著重大挑戰(zhàn)。

通常，城市電網(wǎng)采用架空輸電線路進(jìn)行配電。這種系統(tǒng)將被地下埋設(shè)的電力輸電管道所取代，因?yàn)榇蟪鞘兄幸褯]有足夠的空間用于架空線路，而且人們不喜歡在住宅上方或前方看到電線。

過去，電力公司使用相當(dāng)簡單的方法來檢查架空線路故障：派遣維修車沿輸電線行駛，以發(fā)現(xiàn)斷線、樹枝懸在電線上或電線上積雪過多等問題。在所有這些情況下，導(dǎo)致停電的原因都比較明顯。但是，電網(wǎng)現(xiàn)代化實(shí)現(xiàn)了實(shí)時通信、測量和監(jiān)控，讓我們能夠在無法看到地下故障的情況下快速響應(yīng)和修復(fù)故障。

在連接公用電網(wǎng)系統(tǒng)方面，實(shí)時數(shù)據(jù)管理的使用變得比以往任何時候都更加重要。其目標(biāo)是將數(shù)據(jù)交到能夠充分利用它的人手中?，F(xiàn)代移動設(shè)備是一個現(xiàn)成的數(shù)據(jù)傳輸和控制平臺，既可用于智能電網(wǎng)，也可用于包含太陽能光伏面板的多種能源的微電網(wǎng)。Wi-Fi^? 和 Bluetooth^? 是無線電網(wǎng)連接的明顯方法；如有必要，還可再選擇中間網(wǎng)關(guān)。TI 電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)參考設(shè)計(jì)：使用 Wi-Fi 將斷路器和傳感器連接到其他設(shè)備專為智能電網(wǎng)中的實(shí)時資產(chǎn)監(jiān)控而設(shè)計(jì)。該參考設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢包括：

? 實(shí)時監(jiān)控資產(chǎn)運(yùn)行狀況（通過 Wi-Fi^? 通信監(jiān)測電流、 電壓和溫度水平）。

? 為關(guān)鍵應(yīng)用添加冗余、可變數(shù)據(jù)速率傳輸功能。

? 作為變電站內(nèi)有線通信的備用方案。

? 縮短故障檢測響應(yīng)時間。

? 減少停電時間。

該參考設(shè)計(jì)展示了集成 Wi-Fi 如何為需要高數(shù)據(jù)速率和高帶寬的變電站設(shè)備和住宅斷路器提供可行的解決方案。當(dāng)需要以低功耗遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)變電站和配電自動化時，Sub-1GHz 連接是另一種適用的無線技術(shù)，特別是在多個節(jié)點(diǎn)（如故障指示燈）需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€數(shù)據(jù)收集器以形成星形網(wǎng)絡(luò)時，該技術(shù)非常有用。這兩種技術(shù)都可通過基于基礎(chǔ) SimpleLink 軟件開發(fā)套件的 SimpleLink ? 系列無線 MCU 獲得，從而促進(jìn) 100% 代碼重用和多種無線連接技術(shù)之間的無縫轉(zhuǎn)換。

電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)參考設(shè)計(jì)：使用 Sub-1GHz 射頻連接故障指示燈、數(shù)據(jù)收集器和微型 RTU 在多個傳感器節(jié)點(diǎn)（本例中為故障信息指示燈 [FPI]）和使用 TI 15.4 Stack 的收集器之間的星型網(wǎng)絡(luò)中采用 Sub-1GHz 無線通信。此設(shè)計(jì)使用高架 FPI 和配電自動化中的數(shù)據(jù)收集器作為應(yīng)用場景，針對近距離（小于 50m）低功耗進(jìn)行了優(yōu)化。

它還采用了 TI SimpleLink 系列中的 CC1310，該系列整合了 Sub-1GHz 射頻 (RF) 收發(fā)器和 Arm^?Cortex^?-M3 MCU。TI 15.4 Stack 配置美國、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會和中國頻段的信標(biāo)模式通信。通過優(yōu)化發(fā)射功率電平（0dBm 至 +10dBm）和信標(biāo)間隔（0.3s 至 5s），電流消耗數(shù)據(jù)可用于 1 至 300 字節(jié) 50kbps 數(shù)據(jù)速率的單個數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)傳輸。

隨著風(fēng)力渦輪機(jī)和太陽能電池板產(chǎn)生的可再生能源通過多個饋入點(diǎn)接入電網(wǎng)點(diǎn)，配電變得更為復(fù)雜。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，電網(wǎng)需要提高自動化程度，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測量、服務(wù)和維修，并提供實(shí)時監(jiān)控和高可靠性。在這種復(fù)雜的智能電網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)冗余至關(guān)重要。通過重復(fù)部署關(guān)鍵組件或功能，系統(tǒng)可以在出現(xiàn)故障時繼續(xù)運(yùn)行，從而減少網(wǎng)絡(luò)停機(jī)時間，防止財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。此外，網(wǎng)絡(luò)冗余還可以使工作人員在維護(hù)電網(wǎng)的某些部分時不會中斷電力輸送。以太網(wǎng)技術(shù)在電網(wǎng)管理中廣受歡迎，并且因其基于國際電工委員會 (IEC) 61850 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，因此易于獲取。冗余協(xié)議是提高可靠性并實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)作為智能電網(wǎng)管理網(wǎng)絡(luò)的 關(guān)鍵。IEC 62439-3 定義了兩種架構(gòu)，即并行冗余協(xié)議 (PRP) 和高可用性無縫冗余 (HSR)，可在有線以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)零丟失冗余。基于 ARM 的處理器和 MCU 集成了對這些協(xié)議及相關(guān)直通交換的支持。在 PRP 架構(gòu)中，每個節(jié)點(diǎn)連接到兩個獨(dú)立的并行局域網(wǎng) (LAN)。

源節(jié)點(diǎn)會針對每個數(shù)據(jù)包發(fā)送兩個副本，每個接口分別發(fā)送一個副本。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收幀并僅接受第一個副本，而將第二個幀丟棄。只要兩個網(wǎng)絡(luò)中的任何一個正常工作，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)始終會接收到至少一個數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)零停機(jī)時間。HSR 環(huán)形架構(gòu)提供與 PRP 架構(gòu)相同級別的冗余，不過使用的是環(huán)形拓?fù)涠皇莾蓚€ LAN。

互聯(lián)的電池供電型燃?xì)獗砗退?/strong>

雖然最初部署的是互聯(lián)電表，但流量計(jì)市場（水氣表和熱量表）中采用自動抄表 (AMR) 和智能儀表的勢頭也日趨強(qiáng)勁。

為了減少機(jī)械故障、提高精確度并增加智能性，燃?xì)獗砗退砜墒芤嬗冢?/p>

 ? 具有高精度和低能耗的超聲波流量測量。

 ? 有線隔離式和非隔離式通信，用于實(shí)時監(jiān)控以及數(shù)據(jù)和故障通信。

 ? 無線通信，確保能夠遠(yuǎn)距離連接或連接到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

 ? 智能電源管理，從而更大限度地提高效率并提供至少 10 年的電池壽命。

為電表供電很簡單；由于測量是在電力線上進(jìn)行的，因此電表所在的位置就有電源。但在燃?xì)夂退?jì)量領(lǐng)域，采用電池供電技術(shù)已成為主流趨勢，而且由于功率預(yù)算要低得多，因此它更具挑戰(zhàn)性。另外還存在一個商業(yè)挑戰(zhàn)：在許多地區(qū)，負(fù)責(zé)供氣和供水的實(shí)體要比電力供應(yīng)商規(guī)模小。同一地區(qū)可能只有一個組織負(fù)責(zé)電表網(wǎng)絡(luò)，但有多家公司負(fù)責(zé)向居民供水。

此外，希望添加 AMR 功能的水或燃?xì)夤檬聵I(yè)提供商面臨兩個選擇，要么更換所有的現(xiàn)有儀表，要么安裝電子附加模塊，以準(zhǔn)確測量流速并以無線方式傳輸結(jié)果。此類附加模塊提供了一種為消費(fèi)者提供 AMR 功能的低成本解決方案，如具有電感式感應(yīng)功能的低功耗水流測量參考設(shè)計(jì)中所述，該參考設(shè)計(jì)由 CC1350 SimpleLink 無線 MCU 實(shí)現(xiàn)。

在燃?xì)獗砘蛩砭W(wǎng)絡(luò)中，智能儀表是負(fù)責(zé)收集使用數(shù)據(jù)并將其報(bào)告給上游控制節(jié)點(diǎn)的傳感器。精確的超聲波測量有助于減少機(jī)械故障并提高系統(tǒng)可靠性。超聲波測量使用不帶機(jī)械部件的固態(tài)傳感器架構(gòu)，因此可以消除機(jī)械磨損。超聲波流量測量片上系統(tǒng) (SoC) 的引入極大地降低了過渡到此技術(shù)的成本。

TI 業(yè)內(nèi)先進(jìn)的智能燃?xì)獗?、水表和電表集成電路和參考設(shè)計(jì)包含品類豐富的超低功耗有線和無線接口器件，有助于原始設(shè)備制造商 (OEM) 應(yīng)對設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，從而提高測量精度并延長電池壽命。

超聲波水表計(jì)量前端參考設(shè)計(jì)有助于工程師使用集成的超聲波計(jì)量模擬前端 (AFE) 開發(fā)超聲波水計(jì)量子系統(tǒng)，從而提供高計(jì)量性能、低功耗和最大集成度。該設(shè)計(jì)基于 MSP430FR6047 超聲波水氣表計(jì)量 SoC。該 SoC 提供集成的超聲波水氣表計(jì)量子系統(tǒng) AFE，通過波形采樣法對多種流速提供高精度測量。此外，該器件高度集成，需要的外部組件極少，因而有助于實(shí)現(xiàn)超低功耗計(jì)量并降低系統(tǒng)成本。

同樣地，電池供電型智能流量計(jì)的電池和系統(tǒng)運(yùn)行狀況監(jiān)控參考設(shè)計(jì)支持高精度功率測量和運(yùn)行狀況預(yù)測，可預(yù)測電池壽命。此系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)還針對會大幅縮短電池壽命的過流狀態(tài)提供保護(hù)。

結(jié)論

在美國各地，各州和公用事業(yè)部門都在忙于建設(shè)未來電網(wǎng)，將被動式機(jī)電系統(tǒng)電網(wǎng)過渡為具有動態(tài)控制功能的主動式電子化電網(wǎng)。推動電網(wǎng)現(xiàn)代化的技術(shù)因素包括：

 ? 將電子技術(shù)和半導(dǎo)體器件應(yīng)用于電網(wǎng)邊緣的儀表。

 ? 整合分布式可再生發(fā)電資源。

 ? 適應(yīng)電動交通運(yùn)輸系統(tǒng)及其充電基礎(chǔ)設(shè)施。

 ? 改進(jìn)電網(wǎng)監(jiān)測、保護(hù)和控制。

實(shí)現(xiàn)能相互通信和協(xié)同工作的電網(wǎng)和控制現(xiàn)代化，可以更可靠、更高效地輸送電力，從而大幅降低斷電的頻率和持續(xù)時間，減少風(fēng)暴的影響，并在發(fā)生斷電時更快地恢復(fù)服務(wù)。更新老化的系統(tǒng)并不容易，也不會很快完成，但最終會證明它對未來幾十年的社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展是有益的。

附加資源

 ? 詳細(xì)了解電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的互聯(lián)技術(shù)。

 ? 查看技術(shù)文章“Wi-SUN FAN 如何改善互聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施”和“電動汽車充電的三大設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)”。

 ? 下載 RS-485 設(shè)計(jì)指南。