应对智能电网的电力挑战

电网现代化建设稳步推进。现代控制和自动化技术可以通过改善公民的健康和安全来显着节约能源、保护环境并提高生活质量。配电自动化使用具有先进控制和通信技术的数字传感器和开关来自动化功能，包括发电和开关，以及对负载变化的实时调整、监控和管理停电、过压和欠压，以及功率因数校正。

自动化可以提高这些关键分配功能的速度、成本和准确性，从而提高可靠性并为客户节省成本。这需要对现场设备进行控制，以实现现场的自动化决策，并将关键信息传递给公用事业控制中心。

能源自动化设计引入了能源效率、解决方案规模、系统安全性和所用电子设备的可靠性等问题。本白皮书回顾了能源分配自动化演进及其相关系统挑战的大趋势，从网络协议一直到硬件。然后，它通过几个案例研究检查了用于能源应用的现场设备的电源管理的新解决方案。

 

能源分配自动化的大趋势 越来越多的能源运营商正在使用云远程管理能源分配。他们的软件平台提供性能监控、数据分析、可视化、故障检测和诊断以及组合能源管理。这些自动化系统可以实时监控多个变量并分析历史数据以调整设备以提供能源管理，同时遵守政府法规和关税政策。

通过将设备数据联网到云端，可以利用人工智能的进步实时运行分析以确定要采取的行动。高级配电自动化 （ADA） 将智能控制扩展到配电级别及更高级别的电网功能。具有监督控制和数据采集 （ SCADA ）系统的电力公司可以广泛控制传输级设备，并通过配电自动化对配电级设备进行越来越多的控制。能源分配自动化导致更高的可用性、可维护性和预测性维护，以及故障检测、隔离和缓解。

能源自动化系统 能源自动化系统架构包括管理、控制和现场的不同层。管理层从一个中央位置 *** 作和控制能量分配，并根据需要记录和优化数据。实时发现问题，以便立即采取行动。控制层专门处理硬件级别的设备控制。在现场层，智能传感器和执行器收集数据并执行任务。嵌入配电系统中的传感器和控制系统有助于发出减少或消除停电时间、热运行设备、断路器跳闸以及闪烁和闪烁灯的信号。

 

技术推动因素 配电自动化 （DA） 系统使用各种有线和无线通信媒体，具体取决于通信网络的特定部分。所有这些智能、网络和控制都是通过硬件和软件的显着进步实现的。

在现场层面，它通过控制器、传感器、I/O 和执行器表现出来。控制器可以包括可编程逻辑控制器 （PLC）、电机/运动控制器或使用高级处理器和微控制器的分布式控制系统 （DCS）。传感器可以是数字的或模拟的，用于测量温度、湿度、振动、开路和短路。执行器可以控制能量流、温度、湿度和其他参数。传感器和执行器通过有线或无线网关与控制中心通信。它们由电池或有线直流电压供电，通常在 5V 至 24V+ 范围内。图 3 显示了带有开关、信号灯、传感器和秤的变电站控制面板。

 

控制器接收来自现场传感器的输入，对其进行处理，并驱动适当的执行器。今天的传感器和执行器配备了内部处理器，可以在本地做出简单的决策，而无需升级到控制器，从而提高吞吐量和反应时间。

挑战 智能、互联网连接设备的普及对系统硬件提出了新的要求：减小组件尺寸以在同一机箱甚至更小的机箱中安装更多电子设备，提高能效以在相同或更低的热预算内执行，以及增加电气/机械安全性和可靠性，以减少停机时间。

总之，电子元件面临的挑战是：

更高的能源效率

减小解决方案尺寸

提高安全性和可靠性

在以下部分中，我们将展示一些示例，说明电源管理电子设备如何在每种情况下进行救援。

解决方案 高能效 由于小型化而导致的 PCB 尺寸更小，这对散热提出了挑战。由于电路板空间非常宝贵，因此排除了散热片等热管理选项。由于密封外壳可防止灰尘和污染物进入，因此无法使用强制气流风扇。因此，电源解决方案必须非常高效，同时提供更高的功率并占用比以往更小的面积。

有线配电现场应用的特点是 24 V 标称直流电压总线，该总线在旧的模拟继电器中有其历史，并且仍然是事实上的行业标准。但是，对于这些应用，非关键设备的最大工作电压预计为 36 V 至 40 V，而控制器、执行器和安全模块等关键设备必须支持 60 V（IEC 61131-2、60664- 1 和 61508 SIL 标准）。

流行的输出电压为 3.3 V 和 5 V，电流从小型传感器中的 10 mA 到运动控制、计算机数控 （CNC） 和 PLC 应用中的数十安培不等。因此，控制应用的明显选择是降压（降压）稳压器（图 4）。

完全集成的同步降压转换器

为高性能能源系统实现高效率的降压转换器显示在表 1中的能源效率类别下。

关于最大输入电压的注意事项 虽然 24 V 是许多应用的标称电压轨，但对于能量分配，由于容差和累积到最大工作电压的异常瞬态电压，必须仔细考虑工作电压范围。目前市场上有 28-V、36-V、42-V 或 60-V 输入电源管理解决方案。由于仅 4 V 的裕量，28 V 与 24 V 太接近，无法为大多数应用提供可靠的裕量。许多标准都需要 60V 容差，因此无需做出选择。许多设计人员很想选择最大输入为 36V 的器件。但是，对于在 24V 电源轨上工作的传感器和编码器，使用 36V 输入是一种高风险方法。即使瞬态电压抑制器 （TVS） 二极管用于浪涌保护，它们也具有广泛的容差，并且仍可能使设备暴露于过高电压。

除非您了解并模拟了由长电缆和 PCB 走线导致的所有可能的浪涌情况，否则即使标准没有要求，也要使用最大工作电压为 42V 或 60V 的设备。

减小解决方案尺寸 传感器已在控制环境中无处不在。随着传感器的复杂性增加和尺寸缩小，传感器变得越来越复杂，需要板载电压调节器以最小的热量产生更有效的电力。

您如何在高压环境中安全地向微型传感器提供低压电源，同时最大限度地减小解决方案尺寸并最大限度地提高效率？在本节中，我们将回顾一个典型的传感器架构，并为这一挑战提供一个简单的解决方案。

现场传感器应用 电流、电压、功率和温度传感器战略性地放置在整个配电网络中，可提供多种优势，包括识别故障位置和原因以支持更快的恢复工作和主动行动以避免未来的计划外中断。智能传感器提供故障检测，为日常电网管理捕获关键电能质量数据，并支持可再生能源集成，能够检测和报告反向潮流。

例如，一旦检测到故障三相继电器等执行器可以自动断开电源线。

 

传感器系统 传感器可以位于现场的任何位置。传感器“盒子”包括一个前端收发器，用于处理数据并将电源路由到降压稳压器。这会为 ASIC/微控制器/FPGA、传感元件和通信设备提供适当的电压。智能电网传感器或架空电力线传感器使用无线或电力线通信。图 6显示了三相电力线中的架空传感器。

 

安全的低压 *** 作 大多数传感器由 24 VDC 电源供电。然而，该领域可能是一个非常具有挑战性的环境，电缆较长且电磁干扰强，会导致高压瞬变。因此，传感器内部的降压转换器必须承受 42 V 或 60 V 的瞬态电压，这远高于传感器的工作电压。

如前所述，对于 24V 电源轨，最好使用最大工作电压为 42V 的器件。根据 SELV/PELV/FELV（安全/保护/功能超低电压）规定，隔离器件可处理最高 60 V 的电压被认为是安全的。通过添加专用 TVS 设备可提供 60 V 以上的保护。

满足楼宇自动化传感器要求的电源解决方案示例如表 1 中的小尺寸类别所示。

提高安全性和可靠性：将降压转换器与 TVS 匹配 典型传感器系统的电源路径如图 7 所示。

传感器电源系统

如果 24V 总线干净或电噪声水平低于前端开关稳压器的工作电压，则不需要保护（图 7中没有 TVS ）和典型最大输入电压为 36 的降压转换器对于这种传感器设计，V 或 42 V 就足够了。

但是，如果存在强电磁干扰，则需要采取更严厉的措施。典型的传感器电源管理解决方案利用 TVS 器件来限制前端降压转换器的输入电压 （V CC ）。相关的输入电流峰值被电阻 R P 降低，电阻 R P是电压瞬变源 （V BUS ） 和传感器之间的电气路径中的寄生或物理元件。

让我们以如何从 LitteIfuse 目录中选择 TVS 为例。TVS的一般特性如图8所示。

图 8：TVS VI 特性（图片：Maxim Integrated）

TVS 器件处于开路状态，直到其两端的电压达到VBR。此时，它开始传导电流，同时其电压略微上升至其最大钳位电压 V C，该电压对应于最大允许峰值脉冲电流 I PP。V C × I PP的乘积是 TVS 可以处理的最大峰值功率（此 TVS 系列为 400 W）。为有效保护，TVS V BR必须高于 V CC（MAX），而 V C必须低于开关稳压器的输入击穿电压。

我们的 V BUS电源为 24 V +25%、–20%，最大 30 V （V BUS（MAX） ）。理想情况下，对于额定电压为 60 V 的降压转换器，可以使用最小 V BR为 33 V的 SMAJ33A （以及 53.3 V 的钳位电压 V C，远低于 60 V）。这给出了高于 V BUS（MAX） 3 V和低于 60 V 6.7 V 的工作裕度（图 9）。

图 9：理想的 TVS 选择（图片：Maxim Integrated）

降压转换器必须承受 24 VDC 和至少 53.3V 的瞬态电压这一事实使一大群降压转换器不再需要考虑。60V 额定降压转换器的示例如表 1 中的安全性和可靠性所示。

提高安全性和可靠性：隔离 隔离式 DC/DC 稳压器可用于最多样化的应用。尽管孤立的解决方案比非孤立的解决方案更复杂，但仍然期望它适合小空间并高效。在本案例研究中，我们讨论了在低压电源转换系统中进行隔离的原因。

根据 SELV/FELV 规定，低于 60 V 的输入电压被认为本质上是触摸安全的，但出于功能安全和可靠性的原因，在此工作范围内隔离的需求仍然普遍存在。在此电压范围内，电源电子负载（通常是非常精密且昂贵的微控制器）需要保护。如果意外暴露在高压下，它很容易自毁。

隔离还可以防止接地环路，当两个或多个电路共享一个公共返回路径时会发生这种情况。接地回路会产生寄生电流，可能会破坏输出电压调节并导致导电迹线发生电偶腐蚀。这是降低设备可靠性的现象。

例如，峰值电流模式、固定频率开关控制器如图10 所示。它专为在非连续导通模式 （DCM） 下运行的隔离反激式拓扑而设计。该器件的先进功能消除了对输出电压反馈和调节的光耦合器的需求。无光耦合器意味着更少的电路板空间和更高的可靠性，因为固有的低平均故障间隔时间 （MTBF） 光耦合器是不可能的。

图 10：无光驱反激式控制器（图片：Maxim Integrated）

提高安全性和可靠性：保护 保护电路是当今电子产品的无名英雄。无论是何种应用，从交流线路到数字负载的长电气链都散布着各种尺寸和形状的保险丝和瞬态电压抑制器。虽然 ESD 保护和引脚对引脚短路等常见问题在 IC 内得到处理，但安全性和可靠性还需要考虑其他方面。

沿着电气路径，诸如由存储电容器引起的浪涌电流、由断电引起的反向电流、过电压以及由感应负载开关或闪电引起的欠电压等电气压力因素可能会损坏宝贵的电子负载。对于采用脆弱的亚微米低电压技术构建的微处理器和存储器而言，情况确实如此。需要保护层来处理这些潜在的灾难性事件（图 11）。

 

保护电子设备必须在其电压和电流额定值的范围内处理过压/欠压、过流和反向电流等故障条件。如果预期的电压浪涌超过保护电子设备的额定值，则会以滤波器和 TVS 设备的形式添加额外的保护层。

集成解决方案 图 12显示了一个集成保护电路，可解决过压、欠压、反极性、限流、反向电流和短路保护问题，并具有电子保险丝和浪涌抑制器的所有优点。设计人员可以轻松地在其智能电网设备中实施强大的保护，并通过可配置引脚的合规性来设置 UVLO/OVLO、电流限制、实时电压、电流监控、电流热折返和热关断等功能。

图 12：单个 IC 中的集成保护（图片：Maxim Integrated）

表 1 在安全性和可靠性类别下显示了高度集成的保护 IC 的示例。表 1 总结了配电自动化的电源管理方法。

表 1：配电自动化的电源管理

结论 随着当前自动化和数据交换趋势的继续，它将依靠新技术和方法来实现更高的能源可用性、可维护性和预测性维护，以及故障检测、隔离和缓解。这些技术的采用带来了能源效率、小型化和系统可靠性方面的挑战。

对于提出的每个挑战，我们展示了更高效的电源管理如何改进配电自动化系统的设计。这些电源管理解决方案克服了当今能源分配自动化系统所面临的关键挑战。　　

      审核编辑：彭静