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

配電網(wǎng)絡(luò )連接著(zhù)發(fā)電廠(chǎng)與家庭、樓宇、工廠(chǎng)、車(chē)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(guò)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)運營(yíng)商可以監測健康和安全需求，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電力。

電網(wǎng)資產(chǎn)數據使運營(yíng)商能夠更好地了解基礎設施性能，包括不同的發(fā)電組合、環(huán)境條件或安全風(fēng)險。智能電網(wǎng)傳感器支持遠程監測變壓器等設備和輸電線(xiàn)，并促進(jìn)需求側資源管理。此外，智能電網(wǎng)傳感器還能夠監測天氣狀況和輸電線(xiàn)溫度，用于計算線(xiàn)路的承載能力。智能電網(wǎng)可以通過(guò)各種有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)協(xié)議，例如工業(yè)以太網(wǎng)、RS-485、控制器局域網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)智能公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò ) (Wi-SUN)，來(lái)傳輸傳感器收集的信息。

在負載端，智能儀表可幫助消費者輕松轉向更多可再生能源解決方案，無(wú)論是在家庭場(chǎng)景還是為電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)。此外，智能電表還可以幫助消費者根據能源需求和來(lái)源做出更明智的選擇。在某些情況下，這類(lèi)電表還能幫助監測雙向充電，例如當家庭或汽車(chē)將電能返回電網(wǎng)時(shí)。

過(guò)去，電網(wǎng)由機電系統組成，反饋極少，負載被動(dòng)。而如今，電網(wǎng)變得高度自動(dòng)化，由智能設備和現代化策略推動(dòng)。因此，從發(fā)電到輸電，再到配電和最終使用，整個(gè)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(guò)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(xiàn)路流向消費者。隨著(zhù)太陽(yáng)能和風(fēng)能在電網(wǎng)中占據的份額不斷增加，動(dòng)態(tài)管理將變得越來(lái)越普遍。公用事業(yè)公司逐漸將電網(wǎng)視為一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )，因為越來(lái)越多的消費者使用小型分布式系統來(lái)發(fā)電。換句話(huà)說(shuō)，家庭和車(chē)輛可以交替作為用電單元和發(fā)電單元。

太陽(yáng)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(dòng)的影響。在越來(lái)越多的地區（尤其是那些陽(yáng)光或風(fēng)能豐富且電力成本高昂的地區），可再生能源的成本已經(jīng)與化石燃料的成本相當甚至更低，達到了電網(wǎng)平價(jià)點(diǎn)。

太陽(yáng)能微型逆變器是太陽(yáng)能行業(yè)不可或缺的一部分。德州儀器 (TI) 擁有品類(lèi)繁多的隔離式和非隔離式柵極驅動(dòng)器、數字隔離器、以太網(wǎng)和 RS-485 收發(fā)器、電流檢測和電壓監測器件，以及微控制器 (MCU)，可以實(shí)現面向各種尺寸逆變器（包括并網(wǎng)和離網(wǎng)）的數字控制環(huán)路，從而更大限度地提高系統效率并延長(cháng)產(chǎn)品壽命。所有這些產(chǎn)品都必須能夠在最?lèi)毫拥沫h(huán)境中運行，尤其是在極端溫度下。

電動(dòng)汽車(chē)雙向充電有助于平衡電網(wǎng)

雖然配電系統最初是為滿(mǎn)足峰值需求而設計和構建的，并通過(guò)基礎設施被動(dòng)對外供電，但智能電網(wǎng)不僅為客戶(hù)提供了更多選擇，而且可以在本地、遠程或自動(dòng)進(jìn)行管理。智能電網(wǎng)使公用事業(yè)公司能夠跟上消費者行為的變化（例如，大多數電動(dòng)汽車(chē)電池可能會(huì )在夜間非高峰時(shí)段在家中充電）。

超高性能的電動(dòng)汽車(chē)配備 22kW 范圍的車(chē)載充電器。雙向充電器的理念帶來(lái)了將電動(dòng)汽車(chē)用作電池儲能元件的可能性。假設車(chē)庫中的電動(dòng)汽車(chē)一次充電可以行駛 400 英里。但是，通過(guò)通信、云計算和現代化電網(wǎng)，汽車(chē)“知道”車(chē)主明天駕車(chē)不會(huì )超過(guò) 50 英里。從技術(shù)上講，電池不必在 次日早上 7 點(diǎn)充滿(mǎn)電，因此可以在夜間將汽車(chē)中的電能用于本地消耗，或者在高峰時(shí)段將電能歸還給電網(wǎng)。公共充電基礎設施中也存在類(lèi)似的方法，同時(shí)還可實(shí)現充電站之間的負載平衡。

此外，為了提高電網(wǎng)電力質(zhì)量并降低消耗的諧波電流，需要使用功率因數校正，因為許多前向負載是直流電。例如，在以 350kW 功率運行的非車(chē)載快速電動(dòng)汽車(chē)充電器中，輸入是來(lái)自電網(wǎng)的三相交流電，輸出是流入電池的直流電。有源三相功率因數校正存在許多拓撲。10kW 雙向三相三級（T 型）逆變器和 PFC 參考設計能夠進(jìn)行雙向功率校正，并使用具有更高開(kāi)關(guān)頻率的碳化硅 (SiC) 金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管 (MOSFET) 來(lái)提高效率并減小磁性元件的尺寸，從而減小整體系統尺寸。此拓撲可擴展到更高功率的智能電網(wǎng)應用，例如電動(dòng)汽車(chē)充電和光伏逆變器。具有更低開(kāi)關(guān)損耗的 SiC MOSFET 可確保更高的直流母線(xiàn)電壓（高達 800V）和 97% 以上的峰值效率。

作為 TI 對未來(lái)電網(wǎng)持續投資的一部分，TI 正在推進(jìn)發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)充電所需的組件，包括連接到電網(wǎng)的充電器以及電動(dòng)汽車(chē)內的電池管理系統。由于電網(wǎng)和電動(dòng)汽車(chē)電池可能產(chǎn)生高電壓，隔離式器件對于任何電動(dòng)汽車(chē)充電或電池管理系統設計都至關(guān)重要。這些器件包括通信和保護電路，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(shí)數據、監測和控制

由于電網(wǎng)持續快速轉型，電力公司在其業(yè)務(wù)的關(guān)鍵方面面臨著(zhù)重大挑戰。

通常，城市電網(wǎng)采用架空輸電線(xiàn)路進(jìn)行配電。這種系統將被地下埋設的電力輸電管道所取代，因為大城市中已沒(méi)有足夠的空間用于架空線(xiàn)路，而且人們不喜歡在住宅上方或前方看到電線(xiàn)。

過(guò)去，電力公司使用相當簡(jiǎn)單的方法來(lái)檢查架空線(xiàn)路故障：派遣維修車(chē)沿輸電線(xiàn)行駛，以發(fā)現斷線(xiàn)、樹(shù)枝懸在電線(xiàn)上或電線(xiàn)上積雪過(guò)多等問(wèn)題。在所有這些情況下，導致停電的原因都比較明顯。但是，電網(wǎng)現代化實(shí)現了實(shí)時(shí)通信、測量和監控，讓我們能夠在無(wú)法看到地下故障的情況下快速響應和修復故障。

在連接公用電網(wǎng)系統方面，實(shí)時(shí)數據管理的使用變得比以往任何時(shí)候都更加重要。其目標是將數據交到能夠充分利用它的人手中?，F代移動(dòng)設備是一個(gè)現成的數據傳輸和控制平臺，既可用于智能電網(wǎng)，也可用于包含太陽(yáng)能光伏面板的多種能源的微電網(wǎng)。Wi-Fi^? 和 Bluetooth^? 是無(wú)線(xiàn)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)參考設計：使用 Wi-Fi 將斷路器和傳感器連接到其他設備專(zhuān)為智能電網(wǎng)中的實(shí)時(shí)資產(chǎn)監控而設計。該參考設計的主要優(yōu)勢包括：

? 實(shí)時(shí)監控資產(chǎn)運行狀況（通過(guò) Wi-Fi^? 通信監測電流、 電壓和溫度水平）。

? 為關(guān)鍵應用添加冗余、可變數據速率傳輸功能。

? 作為變電站內有線(xiàn)通信的備用方案。

? 縮短故障檢測響應時(shí)間。

? 減少停電時(shí)間。

該參考設計展示了集成 Wi-Fi 如何為需要高數據速率和高帶寬的變電站設備和住宅斷路器提供可行的解決方案。當需要以低功耗遠距離傳輸數據來(lái)實(shí)現變電站和配電自動(dòng)化時(shí)，Sub-1GHz 連接是另一種適用的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，特別是在多個(gè)節點(diǎn)（如故障指示燈）需要將數據傳輸到一個(gè)數據收集器以形成星形網(wǎng)絡(luò )時(shí)，該技術(shù)非常有用。這兩種技術(shù)都可通過(guò)基于基礎 SimpleLink 軟件開(kāi)發(fā)套件的 SimpleLink ? 系列無(wú)線(xiàn) MCU 獲得，從而促進(jìn) 100% 代碼重用和多種無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)之間的無(wú)縫轉換。

電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)參考設計：使用 Sub-1GHz 射頻連接故障指示燈、數據收集器和微型 RTU 在多個(gè)傳感器節點(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(wú)線(xiàn)通信。此設計使用高架 FPI 和配電自動(dòng)化中的數據收集器作為應用場(chǎng)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、歐洲電信標準協(xié)會(huì )和中國頻段的信標模式通信。通過(guò)優(yōu)化發(fā)射功率電平（0dBm 至 +10dBm）和信標間隔（0.3s 至 5s），電流消耗數據可用于 1 至 300 字節 50kbps 數據速率的單個(gè)數據包數據傳輸。

隨著(zhù)風(fēng)力渦輪機和太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的可再生能源通過(guò)多個(gè)饋入點(diǎn)接入電網(wǎng)點(diǎn)，配電變得更為復雜。為了應對這一挑戰，電網(wǎng)需要提高自動(dòng)化程度，實(shí)現遠程測量、服務(wù)和維修，并提供實(shí)時(shí)監控和高可靠性。在這種復雜的智能電網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò )冗余至關(guān)重要。通過(guò)重復部署關(guān)鍵組件或功能，系統可以在出現故障時(shí)繼續運行，從而減少網(wǎng)絡(luò )停機時(shí)間，防止財產(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電網(wǎng)的某些部分時(shí)不會(huì )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(huì ) (IEC) 61850 以太網(wǎng)標準，因此易于獲取。冗余協(xié)議是提高可靠性并實(shí)現以太網(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，即并行冗余協(xié)議 (PRP) 和高可用性無(wú)縫冗余 (HSR)，可在有線(xiàn)以太網(wǎng)上實(shí)現零丟失冗余?；?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 架構中，每個(gè)節點(diǎn)連接到兩個(gè)獨立的并行局域網(wǎng) (LAN)。

源節點(diǎn)會(huì )針對每個(gè)數據包發(fā)送兩個(gè)副本，每個(gè)接口分別發(fā)送一個(gè)副本。目標節點(diǎn)接收幀并僅接受第一個(gè)副本，而將第二個(gè)幀丟棄。只要兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的任何一個(gè)正常工作，目標節點(diǎn)始終會(huì )接收到至少一個(gè)數據包，實(shí)現零停機時(shí)間。HSR 環(huán)形架構提供與 PRP 架構相同級別的冗余，不過(guò)使用的是環(huán)形拓撲而不是兩個(gè) LAN。

互聯(lián)的電池供電型燃氣表和水表

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

為了減少機械故障、提高精確度并增加智能性，燃氣表和水表可受益于：

 ? 具有高精度和低能耗的超聲波流量測量。

 ? 有線(xiàn)隔離式和非隔離式通信，用于實(shí)時(shí)監控以及數據和故障通信。

 ? 無(wú)線(xiàn)通信，確保能夠遠距離連接或連接到現有網(wǎng)絡(luò )基礎設施。

 ? 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(jiǎn)單；由于測量是在電力線(xiàn)上進(jìn)行的，因此電表所在的位置就有電源。但在燃氣和水計量領(lǐng)域，采用電池供電技術(shù)已成為主流趨勢，而且由于功率預算要低得多，因此它更具挑戰性。另外還存在一個(gè)商業(yè)挑戰：在許多地區，負責供氣和供水的實(shí)體要比電力供應商規模小。同一地區可能只有一個(gè)組織負責電表網(wǎng)絡(luò )，但有多家公司負責向居民供水。

此外，希望添加 AMR 功能的水或燃氣公用事業(yè)提供商面臨兩個(gè)選擇，要么更換所有的現有儀表，要么安裝電子附加模塊，以準確測量流速并以無(wú)線(xiàn)方式傳輸結果。此類(lèi)附加模塊提供了一種為消費者提供 AMR 功能的低成本解決方案，如具有電感式感應功能的低功耗水流測量參考設計中所述，該參考設計由 CC1350 SimpleLink 無(wú)線(xiàn) MCU 實(shí)現。

在燃氣表或水表網(wǎng)絡(luò )中，智能儀表是負責收集使用數據并將其報告給上游控制節點(diǎn)的傳感器。精確的超聲波測量有助于減少機械故障并提高系統可靠性。超聲波測量使用不帶機械部件的固態(tài)傳感器架構，因此可以消除機械磨損。超聲波流量測量片上系統 (SoC) 的引入極大地降低了過(guò)渡到此技術(shù)的成本。

TI 業(yè)內先進(jìn)的智能燃氣表、水表和電表集成電路和參考設計包含品類(lèi)豐富的超低功耗有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)接口器件，有助于原始設備制造商 (OEM) 應對設計挑戰，從而提高測量精度并延長(cháng)電池壽命。

超聲波水表計量前端參考設計有助于工程師使用集成的超聲波計量模擬前端 (AFE) 開(kāi)發(fā)超聲波水計量子系統，從而提供高計量性能、低功耗和最大集成度。該設計基于 MSP430FR6047 超聲波水氣表計量 SoC。該 SoC 提供集成的超聲波水氣表計量子系統 AFE，通過(guò)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)現超低功耗計量并降低系統成本。

同樣地，電池供電型智能流量計的電池和系統運行狀況監控參考設計支持高精度功率測量和運行狀況預測，可預測電池壽命。此系統監控子系統還針對會(huì )大幅縮短電池壽命的過(guò)流狀態(tài)提供保護。

結論

在美國各地，各州和公用事業(yè)部門(mén)都在忙于建設未來(lái)電網(wǎng)，將被動(dòng)式機電系統電網(wǎng)過(guò)渡為具有動(dòng)態(tài)控制功能的主動(dòng)式電子化電網(wǎng)。推動(dòng)電網(wǎng)現代化的技術(shù)因素包括：

 ? 將電子技術(shù)和半導體器件應用于電網(wǎng)邊緣的儀表。

 ? 整合分布式可再生發(fā)電資源。

 ? 適應電動(dòng)交通運輸系統及其充電基礎設施。

 ? 改進(jìn)電網(wǎng)監測、保護和控制。

實(shí)現能相互通信和協(xié)同工作的電網(wǎng)和控制現代化，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時(shí)間，減少風(fēng)暴的影響，并在發(fā)生斷電時(shí)更快地恢復服務(wù)。更新老化的系統并不容易，也不會(huì )很快完成，但最終會(huì )證明它對未來(lái)幾十年的社會(huì )和經(jīng)濟發(fā)展是有益的。

附加資源

 ? 詳細了解電網(wǎng)基礎設施的互聯(lián)技術(shù)。

 ? 查看技術(shù)文章“Wi-SUN FAN 如何改善互聯(lián)基礎設施”和“電動(dòng)汽車(chē)充電的三大設計注意事項”。

 ? 下載 RS-485 設計指南。