實現(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

社區(qū)及其電網(wǎng)系統(tǒng)越來越需要實時通信、可持續(xù)性措施和分散化工作，以滿足各種能源需求，而工程師和設計人員定義了各種連接標準和方法。

內容概覽

本白皮書總結了電網(wǎng)現(xiàn)代化四個關鍵要素的發(fā)展：

1 分布式能源成為電網(wǎng)不可或缺的一部分

越來越多的地區(qū)將可再生能源分散化視為增強基礎設施的一種手段。

2 電動汽車雙向充電有助于平衡電網(wǎng)

從預測充電需求到節(jié)能或將多余的電能返回電網(wǎng)，電動汽車 (EV) 在智能電網(wǎng)中發(fā)揮著重要作用。

3 電網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)、監(jiān)測和控制

有線和無線技術支持傳輸電網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)自動化、配電和控制。

4 互聯(lián)的電池供電型燃氣表和水表

互聯(lián)電網(wǎng)不僅限于電力；供氣和供水公用事業(yè)公司可以采用各種簡單、低成本的連接、傳感和控制解決方案。

配電網(wǎng)絡連接著發(fā)電廠與家庭、樓宇、工廠、車輛、城市和其他領域，為了提高可靠性和彈性，配電網(wǎng)絡需要升級。通過在發(fā)電、輸電和配電中采用先進的互聯(lián)傳感器，電網(wǎng)運營商可以監(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電力。

電網(wǎng)資產(chǎn)數(shù)據(jù)使運營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)境條件或安全風險。智能電網(wǎng)傳感器支持遠程監(jiān)測變壓器等設備和輸電線，并促進需求側資源管理。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 (Wi-SUN)，來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，例如當家庭或汽車將電能返回電網(wǎng)時。過去，電網(wǎng)由機電系統(tǒng)組成，反饋極少，負載被動。而如今，電網(wǎng)變得高度自動化，由智能設備和現(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者。隨著太陽能和風能在電網(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，因為越來越多的消費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。太陽能和風能不僅碳排放量為零，而且與化石燃料不同，不受價格波動的影響。在越來越多的地區(qū)（尤其是那些陽光或風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甚至更低，達到了電網(wǎng)平價點。

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計和構建的，并通過基礎設施被動對外供電，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、遠程或自動進行管理。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(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。從技術上講，電池不必在次日早上 7 點充滿電，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)。公共充電基礎設施中也存在類似的方法，同時還可實現(xiàn)充電站之間的負載平衡。

此外，為了提高電網(wǎng)電力質量并降低消耗的諧波電流，需要使用功率因數(shù)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)校正存在許多拓撲。10kW 雙向三相三級（T 型）逆變器和 PFC 參考設計能夠進行雙向功率校實現(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 3 April 2023正，并使用具有更高開關頻率的碳化硅 (SiC) 金屬氧化物半導體場效應晶體管 (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。此拓撲可擴展到更高功率的智能電網(wǎng)應用，例如電動汽車充電和光伏逆變器。

具有更低開關損耗的 SiC MOSFET 可確保更高的直流母線電壓（高達 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)設計都至關重要。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)的實時數(shù)據(jù)、監(jiān)測和控制

由于電網(wǎng)持續(xù)快速轉型，電力公司在其業(yè)務的關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行配電。這種系統(tǒng)將被地下埋設的電力輸電管道所取代，因為大城市中已沒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，導致停電的原因都比較明顯。但是，電網(wǎng)現(xiàn)代化實現(xiàn)了實時通信、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和修復故障。

在連接公用電網(wǎng)系統(tǒng)方面，實時數(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。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為智能電網(wǎng)中的實時資產(chǎn)監(jiān)控而設計。該參考設計的主要優(yōu)勢包括：

• 實時監(jiān)控資產(chǎn)運行狀況（通過 Wi-Fi? 通信監(jiān)測電流、電壓和溫度水平）。
• 為關鍵應用添加冗余、可變數(shù)據(jù)速率傳輸功能。
• 作為變電站內有線通信的備用方案。
• 縮短故障檢測響應時間。
• 減少停電時間。

該參考設計展示了集成 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(shù)據(jù)來實現(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，特別是在多個節(jié)點（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)絡時，該技術非常有用。這兩種技術都可通過基于基礎 SimpleLink 軟件開發(fā)套件的 SimpleLink? 系列無線 MCU 獲得，從而促進 100% 代碼重用和多種無線連接技術之間的無縫轉換。

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(shù)據(jù)收集器和微型 RTU 在多個傳感器節(jié)點（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)絡中采用 Sub-1GHz 無線通信。此設計使用高架 FPI 和配電自動化中的數(shù)據(jù)收集器作為應用場景，針對近距離（小于 50m）低功耗進行了優(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)會和中國頻段的信標模式通信。通過優(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(shù)據(jù)可用實現(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 4 April 2023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。

隨著風力渦輪機和太陽能電池板產(chǎn)生的可再生能源通過多個饋入點接入電網(wǎng)點，配電變得更為復雜。為了應對這一挑戰(zhàn)，電網(wǎng)需要提高自動化程度，實現(xiàn)遠程測量、服務和維修，并提供實時監(jiān)控和高可靠性。在這種復雜的智能電網(wǎng)中，網(wǎng)絡冗余至關重要。通過重復部署關鍵組件或功能，系統(tǒng)可以在出現(xiàn)故障時繼續(xù)運行，從而減少網(wǎng)絡停機時間，防止財產(chǎn)損失和人員傷亡。此外，網(wǎng)絡冗余還可以使工作人員在維護電網(wǎng)的某些部分時不會中斷電力輸送。

以太網(wǎng)技術在電網(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)標準，因此易于獲取。冗余協(xié)議是提高可靠性并實現(xiàn)以太網(wǎng)作為智能電網(wǎng)管理網(wǎng)絡的關鍵。IEC 62439-3 定義了兩種架構，即并行冗余協(xié)議(PRP) 和高可用性無縫冗余 (HSR)，可在有線以太網(wǎng)上實現(xiàn)零丟失冗余?；?ARM 的處理器和 MCU 集成了對這些協(xié)議及相關直通交換的支持。在 PRP 架構中，每個節(jié)點連接到兩個獨立的并行局域網(wǎng) (LAN)。

源節(jié)點會針對每個數(shù)據(jù)包發(fā)送兩個副本，每個接口分別發(fā)送一個副本。目標節(jié)點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)絡中的任何一個正常工作，目標節(jié)點始終會接收到至少一個數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)零停機時間。HSR 環(huán)形架構提供與 PRP 架構相同級別的冗余，不過使用的是環(huán)形拓撲而不是兩個 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（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。
• 有線隔離式和非隔離式通信，用于實時監(jiān)控以及數(shù)據(jù)和故障通信。
• 無線通信，確保能夠遠距離連接或連接到現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎設施。
• 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。

為電表供電很簡單；由于測量是在電力線上進行的，因此電表所在的位置就有電源。但在燃氣和水計量領域，采用電池供電技術已成為主流趨勢，而且由于功率預算要低得多，因此它更具挑戰(zhàn)性。另外還存在一個商業(yè)挑戰(zhàn)：在許多地區(qū)，負責供氣和供水的實體要比電力供應商規(guī)模小。同一地區(qū)可能只有一個組織負責電表網(wǎng)絡，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，以準確測量流速并以無線方式傳輸結果。此類附

實現(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 5 April 2023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 無線 MCU 實現(xiàn)。

在燃氣表或水表網(wǎng)絡中，智能儀表是負責收集使用數(shù)據(jù)并將其報告給上游控制節(jié)點的傳感器。精確的超聲波測量有助于減少機械故障并提高系統(tǒng)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(tǒng) (SoC) 的引入極大地降低了過渡到此技術的成本。

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

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) 開發(fā)超聲波水計量子系統(tǒng)，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(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，因而有助于實現(xiàn)超低功耗計量并降低系統(tǒng)成本。

同樣地，電池供電型智能流量計的電池和系統(tǒng)運行狀況監(jiān)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(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。

結論

在美國各地，各州和公用事業(yè)部門都在忙于建設未來電網(wǎng)，將被動式機電系統(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)代化的技術因素包括：

• 將電子技術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。
• 適應電動交通運輸系統(tǒng)及其充電基礎設施。
• 改進電網(wǎng)監(jiān)測、保護和控制。

實現(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，減少風暴的影響，并在發(fā)生斷電時更快地恢復服務。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)濟發(fā)展是有益的。