電網(wǎng)現(xiàn)代化建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)。現(xiàn)代控制和自動(dòng)化技術(shù)可以通過改善公民的健康和安全來顯著節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境并提高生活質(zhì)量。能源分配自動(dòng)化使用具有先進(jìn)控制和通信技術(shù)的數(shù)字傳感器和開關(guān)來自動(dòng)化功能，包括發(fā)電和開關(guān)，以及實(shí)時(shí)調(diào)整負(fù)載變化、監(jiān)控和管理斷電、過壓和欠壓以及功率因數(shù)校正。

自動(dòng)化可以提高這些關(guān)鍵分配功能的速度、成本和準(zhǔn)確性，從而為客戶提供可靠性改進(jìn)和成本節(jié)約。這需要控制現(xiàn)場設(shè)備以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場自動(dòng)決策并將關(guān)鍵信息傳遞到公用事業(yè)控制中心。

能源自動(dòng)化設(shè)計(jì)（圖 1）引入了與能源效率、解決方案尺寸、系統(tǒng)安全性和所用電子設(shè)備可靠性相關(guān)的問題。本白皮書回顧了能源分配自動(dòng)化發(fā)展背后的大趨勢及其相關(guān)系統(tǒng)挑戰(zhàn)，從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議一直到硬件。然后，它通過幾個(gè)案例研究研究了能源應(yīng)用中使用的現(xiàn)場設(shè)備的電源管理的新解決方案。

圖 1：變電站電氣開關(guān)設(shè)備（圖片：Shutterstock）

配電自動(dòng)化的大趨勢

越來越多的能源運(yùn)營商正在使用云遠(yuǎn)程管理能源分配。他們的軟件平臺(tái)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投資組合能源管理。這些自動(dòng)化系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控多個(gè)變量并分析歷史數(shù)據(jù)以調(diào)整設(shè)備以提供能源管理，同時(shí)遵守政府法規(guī)和關(guān)稅政策。

通過將設(shè)備數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)到云端，可以使用人工智能的進(jìn)步實(shí)時(shí)運(yùn)行分析以確定要采取的行動(dòng)。高級配電自動(dòng)化 (ADA) 擴(kuò)展了對配電級及更高級別電網(wǎng)功能的智能控制。具有監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集 (SCADA) 系統(tǒng)的電力公司可以對傳輸級設(shè)備進(jìn)行廣泛的控制，并通過配電自動(dòng)化對配電級設(shè)備進(jìn)行越來越多的控制。能源分配自動(dòng)化可帶來更高的可用性、可維護(hù)性和預(yù)測性維護(hù)，以及故障檢測、隔離和緩解。

能源自動(dòng)化系統(tǒng)

能源自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)（圖 2）包括用于管理、控制和領(lǐng)域的不同層。管理層從一個(gè)中心位置操作和控制能量分配，必要時(shí)記錄和優(yōu)化數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，以便立即采取行動(dòng)。控制層專門處理硬件層面的設(shè)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(wù)。嵌入在配電系統(tǒng)中的傳感器和控制系統(tǒng)有助于減少或消除停電時(shí)間、熱運(yùn)行設(shè)備、斷路器跳閘以及閃爍和閃爍的燈。

圖 2：能源分配自動(dòng)化系統(tǒng)（圖片：Maxim Integrated）

技術(shù)推動(dòng)者

配電自動(dòng)化 (DA) 系統(tǒng)使用各種有線和無線通信介質(zhì)，具體取決于通信網(wǎng)絡(luò)的特定部分。硬件和軟件的顯著進(jìn)步使智能、網(wǎng)絡(luò)和控制成為可能。

在現(xiàn)場級別，它通過控制器、傳感器、I/O 和執(zhí)行器表現(xiàn)出來。控制器可以包括可編程邏輯控制器 (PLC)、電機(jī)/運(yùn)動(dòng)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)字式或模擬式，用于測量溫度、濕度、振動(dòng)、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(guān)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(guān)、信號(hào)燈、傳感器和秤的變電站控制面板。

圖 3：帶有開關(guān)和傳感器的變電站（圖片：Shutterstock）

控制器接收來自現(xiàn)場傳感器的輸入，處理它們，并驅(qū)動(dòng)適當(dāng)?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，無需升級到控制器即可在本地做出簡單的決策，從而提高吞吐量和反應(yīng)時(shí)間。

挑戰(zhàn)

智能聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的激增對系統(tǒng)硬件提出了新的要求：減小組件尺寸以在同一機(jī)箱或什至更小的機(jī)箱中安裝更多電子設(shè)備，提高能效以在相同或更低的熱預(yù)算內(nèi)運(yùn)行，以及增加電氣/機(jī)械安全性和可靠性，以減少停機(jī)時(shí)間。

綜上所述，電子元器件面臨的挑戰(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，我們將展示幾個(gè)示例，說明電源管理電子設(shè)備如何在每種情況下發(fā)揮作用。

解決方案

高能效

小型化帶來的更小的 PCB 尺寸對散熱提出了挑戰(zhàn)。由于電路板空間非常寶貴，因此排除了熱管理選項(xiàng)，例如散熱器。由于密封外殼可防止灰塵和污染物進(jìn)入，因此無法使用強(qiáng)制氣流風(fēng)扇。因此，電源解決方案必須極其高效，同時(shí)提供更高的功率并占用比以往任何時(shí)候都更小的面積。

有線能源分配現(xiàn)場應(yīng)用的特點(diǎn)是 24 V 標(biāo)稱直流電壓總線，它在舊的模擬繼電器中有著悠久的歷史，并且仍然是事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但是，對于非關(guān)鍵設(shè)備，這些應(yīng)用的最大工作電壓預(yù)計(jì)為 36 V 至 40 V，而控制器、執(zhí)行器和安全模塊等關(guān)鍵設(shè)備必須支持 60 V（IEC 61131-2、60664- 1 和 61508 SIL 標(biāo)準(zhǔn)）。

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(yùn)動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)數(shù)控 (CNC) 和 PLC 應(yīng)用中的數(shù)十安培不等。因此，控制應(yīng)用的明顯選擇是降壓（降壓）穩(wěn)壓器（圖 4）。

圖 4：完全集成的同步降壓轉(zhuǎn)換器（圖片：Maxim Integrated）

為高性能能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效率的降壓轉(zhuǎn)換器顯示在表 1的能效類別下。

關(guān)于最大輸入電壓的注意事項(xiàng)

雖然 24 V 是許多應(yīng)用的標(biāo)稱電壓軌，但對于能量分配，由于累積到最大工作電壓的容差和異常瞬態(tài)電壓，必須仔細(xì)考慮工作電壓范圍。目前市場上有 28V、36V、42V 或 60V 輸入電源管理解決方案。由于只有 4 V 的裕量，28 V 太接近 24 V，無法為大多數(shù)應(yīng)用提供可靠的裕量。許多標(biāo)準(zhǔn)要求 60V 容限，從而無需做出選擇。許多設(shè)計(jì)人員傾向于選擇具有 36V 最大輸入的器件。但是，對于在 24V 電源軌上工作的傳感器和編碼器來說，使用 36V 輸入是一種高風(fēng)險(xiǎn)的方法。即使瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管用于浪涌保護(hù)，它們也有很寬的容差，仍然可能使設(shè)備承受過高的電壓。

除非您知道并模擬了由長電纜和 PCB 走線引起的所有可能的浪涌情況，否則即使標(biāo)準(zhǔn)不要求，也請使用最大工作電壓為 42-V 或 60-V 的設(shè)備。

減小解決方案尺寸

傳感器在控制環(huán)境中無處不在。隨著傳感器復(fù)雜程度的增加和尺寸的縮小，傳感器變得越來越復(fù)雜，需要板載穩(wěn)壓器以最少的熱量更有效地提供電力。

您如何在高壓環(huán)境中安全地為微型傳感器提供低壓電源，同時(shí)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(gè)典型的傳感器架構(gòu)，并為這一挑戰(zhàn)提供一個(gè)簡單的解決方案。

現(xiàn)場傳感器應(yīng)用

電流、電壓、功率和溫度傳感器戰(zhàn)略性地放置在整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)中，可提供多種好處，包括識(shí)別故障位置和原因以支持更快的恢復(fù)工作和主動(dòng)采取行動(dòng)避免未來意外停電。智能傳感器提供故障檢測，捕獲用于日常電網(wǎng)管理的關(guān)鍵電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，并支持可再生能源集成，具有檢測和報(bào)告反向潮流的能力。

例如，一旦檢測到故障，執(zhí)行器（如圖 5所示的三相繼電器）可以自動(dòng)斷開電源線。

圖 5：2.5 MW 三相繼電器（圖片：Shutterstock）

傳感器系統(tǒng)

傳感器可以位于現(xiàn)場的任何地方。傳感器“盒子”包括一個(gè)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(huì)為 ASIC/微控制器/FPGA、傳感元件和通信設(shè)備提供適當(dāng)?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。

圖 6：智能電網(wǎng)架空線傳感器（圖片由CC BY-SA授權(quán)）

安全低壓運(yùn)行

大多數(shù)傳感器由 24-VDC 電源供電。然而，該場可能是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，電纜長且電磁干擾強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致高壓瞬變。因此，傳感器內(nèi)部的降壓轉(zhuǎn)換器必須能夠承受 42 V 或 60 V 的電壓瞬變，這遠(yuǎn)高于傳感器工作電壓。

如前所述，對于 24V 電源軌，最好依靠最大工作電壓為 42V 的設(shè)備。根據(jù) SELV/PELV/FELV（安全/保護(hù)/功能超低電壓）規(guī)定，隔離設(shè)備處理最高 60 V 被認(rèn)為可以安全觸摸。通過添加專用 TVS 設(shè)備可提供 60 V 以上的保護(hù)。

滿足樓宇自動(dòng)化傳感器要求的電源解決方案示例如表 1所示，屬于小尺寸類別。

表 1：自動(dòng)化傳感器

典型傳感器系統(tǒng)的電源路徑如圖 7所示。

圖 7：傳感器電源系統(tǒng)（圖片：Maxim Integrated）

如果 24V 總線是干凈的或具有低于前端開關(guān)穩(wěn)壓器工作電壓的電噪聲水平，則不需要保護(hù)（圖 7 中沒有 TVS ）和典型最大輸入電壓為 36 的降壓轉(zhuǎn)換器V 或 42 V 足以用于此傳感器設(shè)計(jì)。

但是，如果存在強(qiáng)電磁干擾，則需要采取更嚴(yán)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(guān)的輸入電流峰值通過電阻器 R P降低，電阻器 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。

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(dá)到VBR。此時(shí)，它開始傳導(dǎo)電流，同時(shí)其電壓略微上升至其最大鉗位電壓 V C，這對應(yīng)于允許的最大峰值脈沖電流 I PP。V C × I PP的乘積是 TVS 可以處理的最大峰值功率（本 TVS 系列為 400 W）。為了有效保護(hù)，TVS V BR必須高于V CC(MAX)，而V C必須低于開關(guān)穩(wěn)壓器輸入擊穿電壓。

我們的 V BUS電源為 24 V +25%、–20%，最大值為 30 V (V BUS(MAX) )。理想情況下，對于額定電壓為 60V 的降壓轉(zhuǎn)換器，可以使用最小VBR為33V 的 SMAJ33A （以及53.3V的鉗位電壓VC，遠(yuǎn)低于 60V）。這提供了高于 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 瞬變這一事實(shí)使一大群降壓轉(zhuǎn)換器不在考慮之列。表 1在安全性和可靠性方面顯示了額定 60V 降壓轉(zhuǎn)換器的示例。

提高安全性和可靠性：隔離

隔離式 DC/DC 穩(wěn)壓器用于最多樣化的應(yīng)用。盡管隔離解決方案比非隔離解決方案更復(fù)雜，但仍然期望它適合小空間并具有高效率。在本案例研究中，我們將討論低壓電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中隔離的原因。

根據(jù) SELV/FELV 規(guī)定，低于 60 V 的輸入電壓被認(rèn)為本質(zhì)上是安全的，但出于功能安全和可靠性的原因，在此工作范圍內(nèi)對隔離的需求仍然普遍存在。在此電壓范圍內(nèi)，電源電子負(fù)載（通常是非常精密且昂貴的微控制器）需要保護(hù)。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(dāng)兩個(gè)或多個(gè)電路共享公共返回路徑時(shí)會(huì)發(fā)生接地環(huán)路。接地回路會(huì)產(chǎn)生寄生電流，這會(huì)破壞輸出電壓調(diào)節(jié)并引入導(dǎo)電跡線的電偶腐蝕。這是一種降低設(shè)備可靠性的現(xiàn)象。

例如，峰值電流模式、固定頻率開關(guān)控制器如圖10所示。它專為在非連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 下運(yùn)行的隔離式反激拓?fù)涠O(shè)計(jì)。該器件的先進(jìn)功能消除了對輸出電壓反饋和調(diào)節(jié)的光耦合器的需要。無光意味著更少的電路板空間和高可靠性，因?yàn)楣怦詈掀鞴逃械牡推骄收祥g隔時(shí)間 (MTBF) 是不可能的。

圖 10：無光反激控制器（圖片：Maxim Integrated

提高安全性和可靠性：保護(hù)

保護(hù)電路是當(dāng)今電子產(chǎn)品的無名英雄。從交流線路到數(shù)字負(fù)載的長電氣鏈，無論應(yīng)用如何，都散布著各種尺寸和形狀的保險(xiǎn)絲和瞬態(tài)電壓抑制器。雖然 ESD 保護(hù)和引腳對引腳短路等常見問題是在 IC 內(nèi)處理的，但為了安全性和可靠性，還有其他方面需要考慮。

沿著電氣路徑，諸如存儲(chǔ)電容器引起的浪涌電流、停電引起的反向電流、過電壓和電感負(fù)載開關(guān)或閃電引起的欠電壓等電應(yīng)力因素可能會(huì)損壞寶貴的電子負(fù)載。對于采用脆弱的亞微米、低電壓技術(shù)構(gòu)建的微處理器和存儲(chǔ)器而言，情況確實(shí)如此。需要多層保護(hù)來處理這些潛在的災(zāi)難性事件（圖 11）。

圖 11：未受保護(hù)的 CPU 著火（圖片：Shutterstock）

保護(hù)電子設(shè)備必須在其電壓和電流額定值范圍內(nèi)處理故障條件，例如過壓/欠壓、過流和反向電流。如果預(yù)期的電壓浪涌超過保護(hù)電子設(shè)備的額定值，則會(huì)以濾波器和 TVS 設(shè)備的形式添加額外的保護(hù)層。

綜合解決方案

圖 12顯示了一個(gè)集成保護(hù)電路，可解決過壓、欠壓、反極性、限流、反向電流和短路保護(hù)以及電子保險(xiǎn)絲和浪涌抑制器的所有優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)人員可以輕松地在其智能電網(wǎng)設(shè)備中實(shí)施強(qiáng)大的保護(hù)，并通過可配置引腳的合規(guī)性來設(shè)置 UVLO/OVLO、電流限制、實(shí)時(shí)電壓、電流監(jiān)控、電流熱折返和熱關(guān)斷等功能。

圖 12：單個(gè) IC 中的集成保護(hù)（圖片：Maxim Integrated）

表 1中安全和可靠性類別下顯示了一個(gè)高度集成的保護(hù) IC 示例。表 1總結(jié)了能源分配自動(dòng)化的電源管理方法。

表 1：配電自動(dòng)化的電源管理

結(jié)論

隨著當(dāng)前自動(dòng)化和數(shù)據(jù)交換趨勢的持續(xù)發(fā)展，將需要新技術(shù)和方法來實(shí)現(xiàn)更高的能源可用性、可維護(hù)性和預(yù)測性維護(hù)，以及故障檢測、隔離和緩解。這些技術(shù)的采用帶來了能源效率、小型化和系統(tǒng)可靠性方面的挑戰(zhàn)。

對于提出的每個(gè)挑戰(zhàn)，我們展示了更高效的電源管理如何改進(jìn)能源分配自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這些電源管理解決方案克服了當(dāng)今能源分配自動(dòng)化系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

審核編輯：湯梓紅