配電網絡連接著發電廠與家庭、樓宇、工廠、車輛、城市和其他領域，為了提高可靠性和彈性，配電網絡需要升級。通過在發電、輸電和配電中采用先進的互聯傳感器，電網運營商可以監測健康和安全需求，優化老舊且昂貴的資產，檢測故障和需求增加，并在停電期間更快地恢復電力。

電網資產數據使運營商能夠更好地了解基礎設施性能，包括不同的發電組合、環境條件或安全風險。智能電網傳感器支持遠程監測變壓器等設備和輸電線，并促進需求側資源管理。此外，智能電網傳感器還能夠監測天氣狀況和輸電線溫度，用于計算線路的承載能力。智能電網可以通過各種有線和無線協議，例如工業以太網、RS-485、控制器局域網和無線智能公用事業網絡 (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測雙向充電，例如當家庭或汽車將電能返回電網時。

過去，電網由機電系統組成，反饋極少，負載被動。而如今，電網變得高度自動化，由智能設備和現代化策略推動。因此，從發電到輸電，再到配電和最終使用，整個供電網絡變得更加互聯，集成了分布式能源資源，并確保了更大的電網可靠性和彈性。

分布式能源成為電網不可或缺的一部分

過去，電網一直是“單向的”，電力從公用事業公司所有的集中式發電、輸電和配電線路流向消費者。隨著太陽能和風能在電網中占據的份額不斷增加，動態管理將變得越來越普遍。公用事業公司逐漸將電網視為一個互聯網絡，因為越來越多的消費者使用小型分布式系統來發電。換句話說，家庭和車輛可以交替作為用電單元和發電單元。

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（尤其是那些陽光或風能豐富且電力成本高昂的地區），可再生能源的成本已經與化石燃料的成本相當甚至更低，達到了電網平價點。

太陽能微型逆變器是太陽能行業不可或缺的一部分。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、數字隔離器、以太網和 RS-485 收發器、電流檢測和電壓監測器件，以及微控制器 (MCU)，可以實現面向各種尺寸逆變器（包括并網和離網）的數字控制環路，從而更大限度地提高系統效率并延長產品壽命。所有這些產品都必須能夠在最惡劣的環境中運行，尤其是在極端溫度下。

電動汽車雙向充電有助于平衡電網

雖然配電系統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。智能電網使公用事業公司能夠跟上消費者行為的變化（例如，大多數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、云計算和現代化電網，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。公共充電基礎設施中也存在類似的方法，同時還可實現充電站之間的負載平衡。

此外，為了提高電網電力質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 功率運行的非車載快速電動汽車充電器中，輸入是來自電網的三相交流電，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 參考設計能夠進行雙向功率校正，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，從而減小整體系統尺寸。此拓撲可擴展到更高功率的智能電網應用，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 對未來電網持續投資的一部分，TI 正在推進發展電動汽車充電所需的組件，包括連接到電網的充電器以及電動汽車內的電池管理系統。由于電網和電動汽車電池可能產生高電壓，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。

電網的實時數據、監測和控制

由于電網持續快速轉型，電力公司在其業務的關鍵方面面臨著重大挑戰。

通常，城市電網采用架空輸電線路進行配電。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，以發現斷線、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，電網現代化實現了實時通信、測量和監控，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。

在連接公用電網系統方面，實時數據管理的使用變得比以往任何時候都更加重要。其目標是將數據交到能夠充分利用它的人手中。現代移動設備是一個現成的數據傳輸和控制平臺，既可用于智能電網，也可用于包含太陽能光伏面板的多種能源的微電網。Wi-Fi^? 和 Bluetooth^? 是無線電網連接的明顯方法；如有必要，還可再選擇中間網關。TI 電網物聯網參考設計：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中的實時資產監控而設計。該參考設計的主要優勢包括：

? 實時監控資產運行狀況（通過 Wi-Fi^? 通信監測電流、 電壓和溫度水平）。

? 為關鍵應用添加冗余、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實現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，特別是在多個節點（如故障指示燈）需要將數據傳輸到一個數據收集器以形成星形網絡時，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。

電網物聯網參考設計：使用 Sub-1GHz 射頻連接故障指示燈、數據收集器和微型 RTU 在多個傳感器節點（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據收集器作為應用場景，針對近距離（小于 50m）低功耗進行了優化。

它還采用了 TI SimpleLink 系列中的 CC1310，該系列整合了 Sub-1GHz 射頻 (RF) 收發器和 Arm^?Cortex^?-M3 MCU。TI 15.4 Stack 配置美國、歐洲電信標準協會和中國頻段的信標模式通信。通過優化發射功率電平（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 數據速率的單個數據包數據傳輸。

隨著風力渦輪機和太陽能電池板產生的可再生能源通過多個饋入點接入電網點，配電變得更為復雜。為了應對這一挑戰，電網需要提高自動化程度，實現遠程測量、服務和維修，并提供實時監控和高可靠性。在這種復雜的智能電網中，網絡冗余至關重要。通過重復部署關鍵組件或功能，系統可以在出現故障時繼續運行，從而減少網絡停機時間，防止財產損失和人員傷亡。此外，網絡冗余還可以使工作人員在維護電網的某些部分時不會中斷電力輸送。以太網技術在電網管理中廣受歡迎，并且因其基于國際電工委員會 (IEC) 61850 以太網標準，因此易于獲取。冗余協議是提高可靠性并實現以太網作為智能電網管理網絡的 關鍵。IEC 62439-3 定義了兩種架構，即并行冗余協議 (PRP) 和高可用性無縫冗余 (HSR)，可在有線以太網上實現零丟失冗余。基于 ARM 的處理器和 MCU 集成了對這些協議及相關直通交換的支持。在 PRP 架構中，每個節點連接到兩個獨立的并行局域網 (LAN)。

源節點會針對每個數據包發送兩個副本，每個接口分別發送一個副本。目標節點接收幀并僅接受第一個副本，而將第二個幀丟棄。只要兩個網絡中的任何一個正常工作，目標節點始終會接收到至少一個數據包，實現零停機時間。HSR 環形架構提供與 PRP 架構相同級別的冗余，不過使用的是環形拓撲而不是兩個 LAN。

互聯的電池供電型燃氣表和水表

雖然最初部署的是互聯電表，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，用于實時監控以及數據和故障通信。

 ? 無線通信，確保能夠遠距離連接或連接到現有網絡基礎設施。

 ? 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，因此它更具挑戰性。另外還存在一個商業挑戰：在許多地區，負責供氣和供水的實體要比電力供應商規模小。同一地區可能只有一個組織負責電表網絡，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提供商面臨兩個選擇，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線方式傳輸結果。此類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 無線 MCU 實現。

在燃氣表或水表網絡中，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渡到此技術的成本。

TI 業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，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大幅縮短電池壽命的過流狀態提供保護。

結論

在美國各地，各州和公用事業部門都在忙于建設未來電網，將被動式機電系統電網過渡為具有動態控制功能的主動式電子化電網。推動電網現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邊緣的儀表。

 ? 整合分布式可再生發電資源。

 ? 適應電動交通運輸系統及其充電基礎設施。

 ? 改進電網監測、保護和控制。

實現能相互通信和協同工作的電網和控制現代化，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間，減少風暴的影響，并在發生斷電時更快地恢復服務。更新老化的系統并不容易，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濟發展是有益的。

附加資源

 ? 詳細了解電網基礎設施的互聯技術。

 ? 查看技術文章“Wi-SUN FAN 如何改善互聯基礎設施”和“電動汽車充電的三大設計注意事項”。

 ? 下載 RS-485 設計指南。