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

社區(qū)及其電網(wǎng)系統(tǒng)越來越需要實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)人員定義了各種連接標(biāo)準(zhǔn)和方法。

內(nèi)容概覽

本白皮書總結(jié)了電網(wǎng)現(xiàn)代化四個(gè)關(guān)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(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施的一種手段。

2 電動(dòng)汽車雙向充電有助于平衡電網(wǎng)

從預(yù)測充電需求到節(jié)能或?qū)⒍嘤嗟碾娔芊祷仉娋W(wǎng)，電動(dòng)汽車 (EV) 在智能電網(wǎng)中發(fā)揮著重要作用。

3 電網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、監(jiān)測和控制

有線和無線技術(shù)支持傳輸電網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、配電和控制。

4 互聯(lián)的電池供電型燃?xì)獗砗退?/p>

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(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(dòng)汽車充電時(shí)。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(shí)。過去，電網(wǎng)由機(jī)電系統(tǒng)組成，反饋極少，負(fù)載被動(dòng)。而如今，電網(wǎng)變得高度自動(dòng)化，由智能設(shè)備和現(xiàn)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(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(fèi)者行為的變化（例如，大多數(shù)電動(dòng)汽車電池可能會(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(dòng)汽車用作電池儲(chǔ)能元件的可能性。假設(shè)車庫中的電動(dòng)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(huì)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(shí)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(shí)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(dòng)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 3 April 2023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(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車內(nèi)的電池管理系統(tǒng)。由于電網(wǎng)和電動(dòng)汽車電池可能產(chǎn)生高電壓，隔離式器件對于任何電動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)數(shù)據(jù)管理的使用變得比以往任何時(shí)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。現(xiàn)代移動(dòng)設(shè)備是一個(gè)現(xiàn)成的數(shù)據(jù)傳輸和控制平臺(tái)，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(shí)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(shí)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(shí)間。
• 減少停電時(shí)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(dòng)化時(shí)，Sub-1GHz 連接是另一種適用的無線技術(shù)，特別是在多個(gè)節(jié)點(diǎn)（如故障指示燈）需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)數(shù)據(jù)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(gè)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(dòng)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(huì)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 4 April 2023于 1 至 300 字節(jié) 50kbps 數(shù)據(jù)速率的單個(gè)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(gè)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(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測量、服務(wù)和維修，并提供實(shí)時(shí)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(shí)繼續(xù)運(yùn)行，從而減少網(wǎng)絡(luò)停機(jī)時(shí)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(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(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?；?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(gè)節(jié)點(diǎn)連接到兩個(gè)獨(dú)立的并行局域網(wǎng) (LAN)。

源節(jié)點(diǎn)會(huì)針對每個(gè)數(shù)據(jù)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(biāo)節(jié)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(biāo)節(jié)點(diǎn)始終會(huì)接收到至少一個(gè)數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)零停機(jī)時(shí)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)?/a>而不是兩個(gè) LAN。