應對智能電網(wǎng)的電力挑戰(zhàn)

電網(wǎng)現(xiàn)代化建設穩(wěn)步推進。現(xiàn)代控制和自動化技術可以通過改善公民的健康和安全來顯著節(jié)約能源、保護環(huán)境并提高生活質(zhì)量。配電自動化使用具有先進控制和通信技術的數(shù)字傳感器和開關來自動化功能，包括發(fā)電和開關，以及對負載變化的實時調(diào)整、監(jiān)控和管理停電、過壓和欠壓，以及功率因數(shù)校正。

自動化可以提高這些關鍵分配功能的速度、成本和準確性，從而提高可靠性并為客戶節(jié)省成本。這需要對現(xiàn)場設備進行控制，以實現(xiàn)現(xiàn)場的自動化決策，并將關鍵信息傳遞給公用事業(yè)控制中心。

能源自動化設計引入了能源效率、解決方案規(guī)模、系統(tǒng)安全性和所用電子設備的可靠性等問題。本白皮書回顧了能源分配自動化演進及其相關系統(tǒng)挑戰(zhàn)的大趨勢，從網(wǎng)絡協(xié)議一直到硬件。然后，它通過幾個案例研究檢查了用于能源應用的現(xiàn)場設備的電源管理的新解決方案。

能源分配自動化的大趨勢越來越多的能源運營商正在使用云遠程管理能源分配。他們的軟件平臺提供性能監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、可視化、故障檢測和診斷以及組合能源管理。這些自動化系統(tǒng)可以實時監(jiān)控多個變量并分析歷史數(shù)據(jù)以調(diào)整設備以提供能源管理，同時遵守政府法規(guī)和關稅政策。

通過將設備數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)到云端，可以利用人工智能的進步實時運行分析以確定要采取的行動。高級配電自動化（ADA）將智能控制擴展到配電級別及更高級別的電網(wǎng)功能。具有監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集（ SCADA ）系統(tǒng)的電力公司可以廣泛控制傳輸級設備，并通過配電自動化對配電級設備進行越來越多的控制。能源分配自動化導致更高的可用性、可維護性和預測性維護，以及故障檢測、隔離和緩解。

能源自動化系統(tǒng) 能源自動化系統(tǒng)架構包括管理、控制和現(xiàn)場的不同層。管理層從一個中央位置操作和控制能量分配，并根據(jù)需要記錄和優(yōu)化數(shù)據(jù)。實時發(fā)現(xiàn)問題，以便立即采取行動?？刂茖訉ｉT處理硬件級別的設備控制。在現(xiàn)場層，智能傳感器和執(zhí)行器收集數(shù)據(jù)并執(zhí)行任務。嵌入配電系統(tǒng)中的傳感器和控制系統(tǒng)有助于發(fā)出減少或消除停電時間、熱運行設備、斷路器跳閘以及閃爍和閃爍燈的信號。

技術推動因素配電自動化（DA）系統(tǒng)使用各種有線和無線通信媒體，具體取決于通信網(wǎng)絡的特定部分。所有這些智能、網(wǎng)絡和控制都是通過硬件和軟件的顯著進步實現(xiàn)的。

在現(xiàn)場層面，它通過控制器、傳感器、I/O 和執(zhí)行器表現(xiàn)出來?？刂破骺梢园?a target="_blank">編程邏輯控制器（PLC）、電機/運動控制器或使用高級處理器和微控制器的分布式控制系統(tǒng) （DCS）。傳感器可以是數(shù)字的或模擬的，用于測量溫度、濕度、振動、開路和短路。執(zhí)行器可以控制能量流、溫度、濕度和其他參數(shù)。傳感器和執(zhí)行器通過有線或無線網(wǎng)關與控制中心通信。它們由電池或有線直流電壓供電，通常在 5V 至 24V+ 范圍內(nèi)。圖 3 顯示了帶有開關、信號燈、傳感器和秤的變電站控制面板。

控制器接收來自現(xiàn)場傳感器的輸入，對其進行處理，并驅(qū)動適當?shù)膱?zhí)行器。今天的傳感器和執(zhí)行器配備了內(nèi)部處理器，可以在本地做出簡單的決策，而無需升級到控制器，從而提高吞吐量和反應時間。

挑戰(zhàn) 智能、互聯(lián)網(wǎng)連接設備的普及對系統(tǒng)硬件提出了新的要求：減小組件尺寸以在同一機箱甚至更小的機箱中安裝更多電子設備，提高能效以在相同或更低的熱預算內(nèi)執(zhí)行，以及增加電氣/機械安全性和可靠性，以減少停機時間。

總之，電子元件面臨的挑戰(zhàn)是：

更高的能源效率

減小解決方案尺寸

提高安全性和可靠性

在以下部分中，我們將展示一些示例，說明電源管理電子設備如何在每種情況下進行救援。

解決方案高能效由于小型化而導致的 PCB 尺寸更小，這對散熱提出了挑戰(zhàn)。由于電路板空間非常寶貴，因此排除了散熱片等熱管理選項。由于密封外殼可防止灰塵和污染物進入，因此無法使用強制氣流風扇。因此，電源解決方案必須非常高效，同時提供更高的功率并占用比以往更小的面積。

有線配電現(xiàn)場應用的特點是 24 V 標稱直流電壓總線，該總線在舊的模擬繼電器中有其歷史，并且仍然是事實上的行業(yè)標準。但是，對于這些應用，非關鍵設備的最大工作電壓預計為 36 V 至 40 V，而控制器、執(zhí)行器和安全模塊等關鍵設備必須支持 60 V（IEC 61131-2、60664- 1 和 61508 SIL 標準）。

流行的輸出電壓為 3.3 V 和 5 V，電流從小型傳感器中的 10 mA 到運動控制、計算機數(shù)控（CNC）和 PLC 應用中的數(shù)十安培不等。因此，控制應用的明顯選擇是降壓（降壓）穩(wěn)壓器（圖 4）。

完全集成的同步降壓轉(zhuǎn)換器

為高性能能源系統(tǒng)實現(xiàn)高效率的降壓轉(zhuǎn)換器顯示在表 1中的能源效率類別下。

關于最大輸入電壓的注意事項雖然 24 V 是許多應用的標稱電壓軌，但對于能量分配，由于容差和累積到最大工作電壓的異常瞬態(tài)電壓，必須仔細考慮工作電壓范圍。目前市場上有 28-V、36-V、42-V 或 60-V 輸入電源管理解決方案。由于僅 4 V 的裕量，28 V 與 24 V 太接近，無法為大多數(shù)應用提供可靠的裕量。許多標準都需要 60V 容差，因此無需做出選擇。許多設計人員很想選擇最大輸入為 36V 的器件。但是，對于在 24V 電源軌上工作的傳感器和編碼器，使用 36V 輸入是一種高風險方法。即使瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管用于浪涌保護，它們也具有廣泛的容差，并且仍可能使設備暴露于過高電壓。

除非您了解并模擬了由長電纜和 PCB 走線導致的所有可能的浪涌情況，否則即使標準沒有要求，也要使用最大工作電壓為 42V 或 60V 的設備。

減小解決方案尺寸傳感器已在控制環(huán)境中無處不在。隨著傳感器的復雜性增加和尺寸縮小，傳感器變得越來越復雜，需要板載電壓調(diào)節(jié)器以最小的熱量產(chǎn)生更有效的電力。

您如何在高壓環(huán)境中安全地向微型傳感器提供低壓電源，同時最大限度地減小解決方案尺寸并最大限度地提高效率？在本節(jié)中，我們將回顧一個典型的傳感器架構，并為這一挑戰(zhàn)提供一個簡單的解決方案。

現(xiàn)場傳感器應用電流、電壓、功率和溫度傳感器戰(zhàn)略性地放置在整個配電網(wǎng)絡中，可提供多種優(yōu)勢，包括識別故障位置和原因以支持更快的恢復工作和主動行動以避免未來的計劃外中斷。智能傳感器提供故障檢測，為日常電網(wǎng)管理捕獲關鍵電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，并支持可再生能源集成，能夠檢測和報告反向潮流。

例如，一旦檢測到故障三相繼電器等執(zhí)行器可以自動斷開電源線。

傳感器系統(tǒng) 傳感器可以位于現(xiàn)場的任何位置。傳感器“盒子”包括一個前端收發(fā)器，用于處理數(shù)據(jù)并將電源路由到降壓穩(wěn)壓器。這會為 ASIC/微控制器/FPGA、傳感元件和通信設備提供適當?shù)碾妷骸?a target="_blank">智能電網(wǎng)傳感器或架空電力線傳感器使用無線或電力線通信。圖 6顯示了三相電力線中的架空傳感器。

安全的低壓操作大多數(shù)傳感器由 24 VDC 電源供電。然而，該領域可能是一個非常具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，電纜較長且電磁干擾強，會導致高壓瞬變。因此，傳感器內(nèi)部的降壓轉(zhuǎn)換器必須承受 42 V 或 60 V 的瞬態(tài)電壓，這遠高于傳感器的工作電壓。

如前所述，對于 24V 電源軌，最好使用最大工作電壓為 42V 的器件。根據(jù) SELV/PELV/FELV（安全/保護/功能超低電壓）規(guī)定，隔離器件可處理最高 60 V 的電壓被認為是安全的。通過添加專用 TVS 設備可提供 60 V 以上的保護。

滿足樓宇自動化傳感器要求的電源解決方案示例如表 1 中的小尺寸類別所示。

提高安全性和可靠性：將降壓轉(zhuǎn)換器與 TVS 匹配典型傳感器系統(tǒng)的電源路徑如圖 7 所示。

傳感器電源系統(tǒng)

如果 24V 總線干凈或電噪聲水平低于前端開關穩(wěn)壓器的工作電壓，則不需要保護（圖 7中沒有 TVS ）和典型最大輸入電壓為 36 的降壓轉(zhuǎn)換器對于這種傳感器設計，V 或 42 V 就足夠了。

但是，如果存在強電磁干擾，則需要采取更嚴厲的措施。典型的傳感器電源管理解決方案利用 TVS 器件來限制前端降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓（V CC ）。相關的輸入電流峰值被電阻 R P 降低，電阻 R P是電壓瞬變源（V BUS ）和傳感器之間的電氣路徑中的寄生或物理元件。

讓我們以如何從 LitteIfuse 目錄中選擇 TVS 為例。TVS的一般特性如圖8所示。

圖 8：TVS VI 特性（圖片：Maxim Integrated）

TVS 器件處于開路狀態(tài)，直到其兩端的電壓達到VBR。此時，它開始傳導電流，同時其電壓略微上升至其最大鉗位電壓 V C，該電壓對應于最大允許峰值脈沖電流 I PP。V C × I PP的乘積是 TVS 可以處理的最大峰值功率（此 TVS 系列為 400 W）。為有效保護，TVS V BR必須高于 V CC（MAX），而 V C必須低于開關穩(wěn)壓器的輸入擊穿電壓。

我們的 V BUS電源為 24 V +25%、–20%，最大 30 V （V BUS（MAX））。理想情況下，對于額定電壓為 60 V 的降壓轉(zhuǎn)換器，可以使用最小 V BR為 33 V的 SMAJ33A （以及 53.3 V 的鉗位電壓 V C，遠低于 60 V）。這給出了高于 V BUS（MAX） 3 V和低于 60 V 6.7 V 的工作裕度（圖 9）。

圖 9：理想的 TVS 選擇（圖片：Maxim Integrated）

降壓轉(zhuǎn)換器必須承受 24 VDC 和至少 53.3V 的瞬態(tài)電壓這一事實使一大群降壓轉(zhuǎn)換器不再需要考慮。60V 額定降壓轉(zhuǎn)換器的示例如表 1 中的安全性和可靠性所示。

提高安全性和可靠性：隔離隔離式 DC/DC 穩(wěn)壓器可用于最多樣化的應用。盡管孤立的解決方案比非孤立的解決方案更復雜，但仍然期望它適合小空間并高效。在本案例研究中，我們討論了在低壓電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中進行隔離的原因。

根據(jù) SELV/FELV 規(guī)定，低于 60 V 的輸入電壓被認為本質(zhì)上是觸摸安全的，但出于功能安全和可靠性的原因，在此工作范圍內(nèi)隔離的需求仍然普遍存在。在此電壓范圍內(nèi)，電源電子負載（通常是非常精密且昂貴的微控制器）需要保護。如果意外暴露在高壓下，它很容易自毀。

隔離還可以防止接地環(huán)路，當兩個或多個電路共享一個公共返回路徑時會發(fā)生這種情況。接地回路會產(chǎn)生寄生電流，可能會破壞輸出電壓調(diào)節(jié)并導致導電跡線發(fā)生電偶腐蝕。這是降低設備可靠性的現(xiàn)象。

例如，峰值電流模式、固定頻率開關控制器如圖10 所示。它專為在非連續(xù)導通模式（DCM）下運行的隔離反激式拓撲而設計。該器件的先進功能消除了對輸出電壓反饋和調(diào)節(jié)的光耦合器的需求。無光耦合器意味著更少的電路板空間和更高的可靠性，因為固有的低平均故障間隔時間（MTBF）光耦合器是不可能的。

圖 10：無光驅(qū)反激式控制器（圖片：Maxim Integrated）

提高安全性和可靠性：保護保護電路是當今電子產(chǎn)品的無名英雄。無論是何種應用，從交流線路到數(shù)字負載的長電氣鏈都散布著各種尺寸和形狀的保險絲和瞬態(tài)電壓抑制器。雖然 ESD 保護和引腳對引腳短路等常見問題在 IC 內(nèi)得到處理，但安全性和可靠性還需要考慮其他方面。

沿著電氣路徑，諸如由存儲電容器引起的浪涌電流、由斷電引起的反向電流、過電壓以及由感應負載開關或閃電引起的欠電壓等電氣壓力因素可能會損壞寶貴的電子負載。對于采用脆弱的亞微米低電壓技術構建的微處理器和存儲器而言，情況確實如此。需要保護層來處理這些潛在的災難性事件（圖 11）。

保護電子設備必須在其電壓和電流額定值的范圍內(nèi)處理過壓/欠壓、過流和反向電流等故障條件。如果預期的電壓浪涌超過保護電子設備的額定值，則會以濾波器和 TVS 設備的形式添加額外的保護層。

集成解決方案圖 12顯示了一個集成保護電路，可解決過壓、欠壓、反極性、限流、反向電流和短路保護問題，并具有電子保險絲和浪涌抑制器的所有優(yōu)點。設計人員可以輕松地在其智能電網(wǎng)設備中實施強大的保護，并通過可配置引腳的合規(guī)性來設置 UVLO/OVLO、電流限制、實時電壓、電流監(jiān)控、電流熱折返和熱關斷等功能。