凯利讯半导体

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智能电网以智能电表、照明、传感器为基础

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  “智能电网”是交流电网改造的下一个重要环节。现有的电网从集中火力发电厂提供电力,对个人用户(工业、商业或住宅)的负荷和使用几乎没有或根本不了解;与此同时,用户对自己的使用和基于负载的成本知之甚少。此外,现有的网格架构不太适合本地的、独立的来源(例如,以家庭为基础的太阳能电池板),它可以在不可预测的时间向网格提供电力,也可以从网格中获取能量。

  智能电网的目的是更有效地提供电力和平衡负载。它也为终端用户提供了更好的洞察力,使他们能够在负载均衡时使用成本和使用时间。同样重要的是,它将容纳越来越多的间歇性本地源,当条件允许时,它可以将电力输送回电网,或储存电力供以后使用。

  智能电网变成现实的一个关键是传感器的引入各级网格的层次结构(图1)。据市场研究公司IHS的一份报告,智能电网相关传感器的市场将从2014年到2021年增长近10倍,达到3.5亿美元。智能电网与这些传感器一起工作,依靠安装在每个用户站点上的智能电表来通知用户和电力公司的电力供应、装载和运营成本。这些仪表将与智能控制内部电器和照明,以及当地的电源/存储,以及电力公司的电网相连。

  在智能电网的各个层次上的传感器图像。

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  图1:智能电网是传统电力系统和电网的重要升级;它的设计不仅是为了增加来源、传输和使用效率,而且还允许小型采购和本地化存储。


  智能电网概述

  从历史上看,电网连接多个发电站,无论是由煤、石油、天然气、水还是核燃料,这些发电站都可以接入电网,任何这些来源都可以在系统的任何地方支持用户。运行发电厂和电网的电力公司可以测量电网每一部分的能量和能量,如果需要,可以调整可用性和节流阀,并可以通过各种遥测技术测量每个终端用户(kwhr)消耗的能源成本。

  然而,这是他们洞察力的极限。他们的反馈回路的时间常数相对较大,因为它主要是针对大规模的变化,比如在夜间使用更少的电力,在早上和晚上的时候增加或减少的时间,在白天有一定的稳定的高值。当然,在我们日益增长的24/7世界里,即使是这些传统模式也在发生变化。

  智能电网的目标是允许灵活的能源闸、分配路径和存储的组合,所有这些都是由于需要平衡可用的选项,并根据需要动态调整组合,在一个相当快的实时环境中。一个成功的智能电网实现的目标是最大限度地减少对大型发电厂或额外大规模输电线路的需求。为了实现这一目标,强大的财务激励措施正在被用来鼓励负载均衡,在萧条时期使用电力,当地的电力供应,甚至是本地存储(例如,特斯拉汽车公司最近宣布他们的Powerwall系统用于家庭和办公室)。


  由低层构建块支持的高级体系结构

  关于智能电网的潜在灵活性以及它可能带来的好处的预测是很诱人的,但现实是,要实现这一目标,最终用户层将会有许多低层次的构建块。尤其是在住宅设施方面,每个家庭都有一点不同,而且没有“建筑管理”专业人员。智能电网功能金字塔的开始是监控,或许是基于对家庭能源的控制。要做到这一点,有几个阶段。

  首先,每个家庭都需要一个智能表,称为先进计量基础设施(AMI),以测量电力使用,并向公用事业公司提供数据,用于记账和跟踪。它还提供了消费者对监控使用和定价的洞察,以及更多的实际控制能源使用的可能性。此外,AMI还与一个名为“住宅能源管理(REM)”的家庭监控功能(REM)工作,该功能使用一个公用设施安装的家庭网络(HAN)来与仪表、恒温器、灯光和其他设备进行通话,这些设备将被监控,并可能被控制;汉人连通性是通过无线链路或电力线通信(PLC)。

  总的来说,消费者对能源使用量和时间的效用控制的想法持怀疑态度,而它所带来的影响还不清楚。另一种替代方法是,由消费者提供的一种叫做“独立快速眼动(iREM)”的快速眼动(REM),它通过AMI计量子系统连接,并积极监测能量使用,但允许用户保持个人控制。


  ICs、传感器、软件是关键要素

  将这些宽泛的、高层次的目标转化为现实,例如智能电表和智能设备/夹具控制,是供应商的大容量机会,但成本压力很大。

  市场研究公司IHS认为,2011年至2016年间,智能电表的全球出货量将增长两倍,达到约6200万台,这将导致同期半导体市场增长一倍。在报告总结中,IHS的工业电子研究分析师雅各布斯·卡拉斯科·赫尔斯指出,“用智能电表取代传统计量表的最初动机是节约能源。”然而,一个更引人注目的动机是对网格的测量。随着智能电表的使用,公用事业公司最终将拥有一个良好的网格,这将使他们能够更有效地规划发电和管理他们的资源。“一些例子说明了供应商采取的步骤,将智能电网的关键构建块转化为实际的开发。

  领先的智能电表集成电路是格言Teridian™78 m6631,高度集成,三相功率测量和监控芯片系统(SoC)(图2)。该设备包含一个22-bit delta-sigma A / D转换器,一个8051 -兼容的微处理器核心,和一个32位的计算引擎(CE)处理AC -行数据。78M6631是为在需要delta和wye三相配置的应用程序中进行功率和质量测量而设计的。

  Maxim Teridian 78M6631的图。

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  图2:Maxim Teridian 78M6631功率测量和监控SoC不仅实现了大部分的智能仪表功能,而且还能容纳各种线路传感器类型和三相连接配置。

  该装置为A/D转换器(3个差动电流和3个电压)提供6个模拟输入,用于连接用于AC-line传感器的电流和电压传感器。该设备提供了超过0.5%的精度,超过了2000:1的动态范围。对于接口与主机处理器,56针tqfn封装集成电路包括SPI、I2C和UART I/O。它还包括用于控制led的基本数字I/O端口,用于告诉用户智能仪表状态,驱动外部继电器,甚至允许在输入传感器之间进行选择。

  不管功能或集成程度如何,智能电表本身只是故事的一部分。Maxim提供的应用软件可以加载到128 kB的闪存中,作为固件提供分析和系统调整,包括:

  真实RMS电流和电压计算。

  主动的,反应的,明显的,基本的,和声功率计算。

  基本和谐波电流和电压计算。

  线频率和功率因素计算

  相位补偿(18°±60 Hz)

  内置校准程序

  可编程的报警阈值

  这种合适的线路电流/电压换能器、电子元件集成电路、嵌入式固件和分析,将满足各种全球性能和监管标准的准确性、及时性和数据报告。

  住宅和商业(办公室)照明是一个智能电网可以整合以节省大量电力的领域。与HVAC不同,HVAC必须运行以保持所需的温度(尽管这样做是一个目标),照明具有更大的灵活性。用户可以选择调整照明水平,以满足他们的需要,取决于可用的外部光线,房间占用,和其他因素。照明也是废热的一个来源,这可能是一个好或坏的事情取决于外界的温度。

  由于许多装置正在切换到led灯,以提高效率、寿命和可调光性(有适当的控制电路和算法),供应商提供了led优化的智能照明系统。CY8CLED0xD / G0y家庭的一个例子是PowerPSoC®智能司机从柏树半导体公司,由十几个相关ICs中不同数量的内存,I / O数,和一些内部函数(图3)。每个设备包括五个主要模块:PSoC核心,数字系统,模拟系统,系统资源和权力外围设备(包括功率场效应晶体管、滞后控制器、电流放大器和棱镜/ PWM调节器)。这些强大的家庭设备被设计用来取代传统的MCUs,系统集成电路,以及围绕它们的众多分立元件。

  Cypress半导体CY8CLED0xD/G0y家族的图。

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  图3:Cypress半导体的powerc ICs的CY8CLED0xD/G0y系列是专门为LED照明的智能驱动设计的,这是一种快速增长的替代传统的白炽灯泡和CFL灯泡,但它具有独特的和仔细监测的驱动特性。

  每一个powerc都有一个集成的电源外设阵列和数字控制功能。电力设备包括:

  多达4个独立操作的mosfet (32 V/1 A)可以驱动高功率发光二极管。

  多达四种可编程的迟滞控制器为led提供控制电流输出。

  多达四种可编程的低侧栅极驱动器,以支持超过32伏特的电压,用于外部mosfet。

  在满足不同应用程序的不同电压要求时,浮动负载buck,浮动负载的buck-boost和boost-converter拓扑结构都具有灵活性。

  开关频率高达2兆赫,允许使用更小,更便宜的电感器。

  一种辅助电源调节器,可从单一电源供电。

  需要高分辨率调光的照明应用的16位调光。

  在数字控制方面,用户可以访问:

  8个可编程数字块,用于计时器、计数器、PWMs和UARTs等功能。

  6个可编程模拟模块,用于放大器、adc、DACs、滤波器和比较器等功能。

  至少16kb的闪存。

  一个8位微控制器

  在可配置电源、模拟、数字和互连电路中,可以实现高水平的集成,以支持工业、商业和消费者照明需求。

  简单的传感器也能带来很大的不同。在智能电网和智能能源交互的最低功能水平上,使用房间占用探测器可以消除浪费的照明能量,特别是在某些区域只能看到极断断续续、碎片化的短时间使用(想想洗手间)。这是一个基本组件,如Zilog ZRE200BP PIR(被动红外)探测器为适度的投资提供了巨大的好处。


  结论

  智能电网提供了巨大的能源节约和效率的潜力,从发电到使用甚至储存。翻译大概念变为现实需要大幅升级设施和设备在网格系统的各个阶段,有很多工作做在当地和住宅地点必须保持成本低,易于安装和使用是至关重要的,实实在在的利益必须是现实的。电力计量、照明和能量控制等组件的供应商,甚至基本传感器都在这一升级中扮演了重要角色,这是一个更自我意识、更灵活、更有弹性的网格。