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。配電自動(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)，以及對(duì)負(fù)載變化的實(shí)時(shí)調(diào)整、監(jiān)控和管理停電、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，從而提高可靠性并為客戶節(jié)省成本。這需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化決策，并將關(guān)鍵信息傳遞給公用事業(yè)控制中心。

能源自動(dòng)化設(shè)計(jì)引入了能源效率、解決方案規(guī)模、系統(tǒng)安全性和所用電子設(shè)備的可靠性等問題。本白皮書回顧了能源分配自動(dòng)化演進(jìn)及其相關(guān)系統(tǒng)挑戰(zhàn)的大趨勢(shì)，從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議一直到硬件。然后，它通過幾個(gè)案例研究檢查了用于能源應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的電源管理的新解決方案。

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能源分配自動(dòng)化的大趨勢(shì) 越來越多的能源運(yùn)營(yíng)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(cè)和診斷以及組合能源管理。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，可以利用人工智能的進(jìn)步實(shí)時(shí)運(yùn)行分析以確定要采取的行動(dòng)。高級(jí)配電自動(dòng)化 （ADA） 將智能控制擴(kuò)展到配電級(jí)別及更高級(jí)別的電網(wǎng)功能。具有監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集 （ SCADA ）系統(tǒng)的電力公司可以廣泛控制傳輸級(jí)設(shè)備，并通過配電自動(dòng)化對(duì)配電級(jí)設(shè)備進(jìn)行越來越多的控制。能源分配自動(dòng)化導(dǎo)致更高的可用性、可維護(hù)性和預(yù)測(cè)性維護(hù)，以及故障檢測(cè)、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)包括管理、控制和現(xiàn)場(chǎng)的不同層。管理層從一個(gè)中央位置操作和控制能量分配，并根據(jù)需要記錄和優(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級(jí)別的設(shè)備控制。在現(xiàn)場(chǎng)層，智能傳感器和執(zhí)行器收集數(shù)據(jù)并執(zhí)行任務(wù)。嵌入配電系統(tǒng)中的傳感器和控制系統(tǒng)有助于發(fā)出減少或消除停電時(shí)間、熱運(yùn)行設(shè)備、斷路器跳閘以及閃爍和閃爍燈的信號(hào)。

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技術(shù)推動(dòng)因素 配電自動(dòng)化 （DA） 系統(tǒng)使用各種有線和無(wú)線通信媒體，具體取決于通信網(wǎng)絡(luò)的特定部分。所有這些智能、網(wǎng)絡(luò)和控制都是通過硬件和軟件的顯著進(jìn)步實(shí)現(xiàn)的。

在現(xiàn)場(chǎng)層面，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(jí)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)字的或模擬的，用于測(cè)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(wú)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。

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控制器接收來自現(xiàn)場(chǎng)傳感器的輸入，對(duì)其進(jìn)行處理，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，可以在本地做出簡(jiǎn)單的決策，而無(wú)需升級(jí)到控制器，從而提高吞吐量和反應(yīng)時(shí)間。

挑戰(zhàn) 智能、互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備的普及對(duì)系統(tǒng)硬件提出了新的要求：減小組件尺寸以在同一機(jī)箱甚至更小的機(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)執(zhí)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。

總之，電子元件面臨的挑戰(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，我們將展示一些示例，說明電源管理電子設(shè)備如何在每種情況下進(jìn)行救援。

解決方案 高能效 由于小型化而導(dǎo)致的 PCB 尺寸更小，這對(duì)散熱提出了挑戰(zhàn)。由于電路板空間非常寶貴，因此排除了散熱片等熱管理選項(xiàng)。由于密封外殼可防止灰塵和污染物進(jìn)入，因此無(wú)法使用強(qiáng)制氣流風(fēng)扇。因此，電源解決方案必須非常高效，同時(shí)提供更高的功率并占用比以往更小的面積。

有線配電現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的特點(diǎn)是 24 V 標(biāo)稱直流電壓總線，該總線在舊的模擬繼電器中有其歷史，并且仍然是事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但是，對(duì)于這些應(yīng)用，非關(guān)鍵設(shè)備的最大工作電壓預(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）。

完全集成的同步降壓轉(zhuǎn)換器

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中的能源效率類別下。

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(duì)于能量分配，由于容差和累積到最大工作電壓的異常瞬態(tài)電壓，必須仔細(xì)考慮工作電壓范圍。目前市場(chǎng)上有 28-V、36-V、42-V 或 60-V 輸入電源管理解決方案。由于僅 4 V 的裕量，28 V 與 24 V 太接近，無(wú)法為大多數(shù)應(yīng)用提供可靠的裕量。許多標(biāo)準(zhǔn)都需要 60V 容差，因此無(wú)需做出選擇。許多設(shè)計(jì)人員很想選擇最大輸入為 36V 的器件。但是，對(duì)于在 24V 電源軌上工作的傳感器和編碼器，使用 36V 輸入是一種高風(fēng)險(xiǎn)方法。即使瞬態(tài)電壓抑制器 （TVS） 二極管用于浪涌保護(hù)，它們也具有廣泛的容差，并且仍可能使設(shè)備暴露于過高電壓。

除非您了解并模擬了由長(zhǎng)電纜和 PCB 走線導(dǎo)致的所有可能的浪涌情況，否則即使標(biāo)準(zhǔn)沒有要求，也要使用最大工作電壓為 42V 或 60V 的設(shè)備。

減小解決方案尺寸 傳感器已在控制環(huán)境中無(wú)處不在。隨著傳感器的復(fù)雜性增加和尺寸縮小，傳感器變得越來越復(fù)雜，需要板載電壓調(diào)節(jié)器以最小的熱量產(chǎn)生更有效的電力。

您如何在高壓環(huán)境中安全地向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(jiǎn)單的解決方案。

現(xiàn)場(chǎng)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，可提供多種優(yōu)勢(shì)，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)行動(dòng)以避免未來的計(jì)劃外中斷。智能傳感器提供故障檢測(cè)，為日常電網(wǎng)管理捕獲關(guān)鍵電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，并支持可再生能源集成，能夠檢測(cè)和報(bào)告反向潮流。

例如，一旦檢測(cè)到故障三相繼電器等執(zhí)行器可以自動(dòng)斷開電源線。

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傳感器系統(tǒng) 傳感器可以位于現(xiàn)場(chǎng)的任何位置。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(wú)線或電力線通信。圖 6顯示了三相電力線中的架空傳感器。

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安全的低壓操作 大多數(shù)傳感器由 24 VDC 電源供電。然而，該領(lǐng)域可能是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，電纜較長(zhǎng)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)換器必須承受 42 V 或 60 V 的瞬態(tài)電壓，這遠(yuǎn)高于傳感器的工作電壓。

如前所述，對(duì)于 24V 電源軌，最好使用最大工作電壓為 42V 的器件。根據(jù) SELV/PELV/FELV（安全/保護(hù)/功能超低電壓）規(guī)定，隔離器件可處理最高 60 V 的電壓被認(rèn)為是安全的。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 中的小尺寸類別所示。

提高安全性和可靠性：將降壓轉(zhuǎn)換器與 TVS 匹配 典型傳感器系統(tǒng)的電源路徑如圖 7 所示。

傳感器電源系統(tǒng)

如果 24V 總線干凈或電噪聲水平低于前端開關(guān)穩(wěn)壓器的工作電壓，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)換器對(duì)于這種傳感器設(shè)計(jì)，V 或 42 V 就足夠了。

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)的輸入電流峰值被電阻 R P 降低，電阻 R P是電壓瞬變?cè)?（V BUS ） 和傳感器之間的電氣路徑中的寄生或物理元件。

讓我們以如何從 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，該電壓對(duì)應(yīng)于最大允許峰值脈沖電流 I PP。V C × I PP的乘積是 TVS 可以處理的最大峰值功率（此 TVS 系列為 400 W）。為有效保護(hù)，TVS V BR必須高于 V CC（MAX），而 V C必須低于開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入擊穿電壓。

我們的 V BUS電源為 24 V +25%、–20%，最大 30 V （V BUS（MAX） ）。理想情況下，對(duì)于額定電壓為 60 V 的降壓轉(zhuǎn)換器，可以使用最小 V BR為 33 V的 SMAJ33A （以及 53.3 V 的鉗位電壓 V C，遠(yuǎn)低于 60 V）。這給出了高于 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 的瞬態(tài)電壓這一事實(shí)使一大群降壓轉(zhuǎn)換器不再需要考慮。60V 額定降壓轉(zhuǎn)換器的示例如表 1 中的安全性和可靠性所示。

提高安全性和可靠性：隔離 隔離式 DC/DC 穩(wěn)壓器可用于最多樣化的應(yīng)用。盡管孤立的解決方案比非孤立的解決方案更復(fù)雜，但仍然期望它適合小空間并高效。在本案例研究中，我們討論了在低壓電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中進(jìn)行隔離的原因。

根據(jù) SELV/FELV 規(guī)定，低于 60 V 的輸入電壓被認(rèn)為本質(zhì)上是觸摸安全的，但出于功能安全和可靠性的原因，在此工作范圍內(nèi)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)電路共享一個(gè)公共返回路徑時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況。接地回路會(huì)產(chǎn)生寄生電流，可能會(huì)破壞輸出電壓調(diào)節(jié)并導(dǎo)致導(dǎo)電跡線發(fā)生電偶腐蝕。這是降低設(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)行的隔離反激式拓?fù)涠O(shè)計(jì)。該器件的先進(jìn)功能消除了對(duì)輸出電壓反饋和調(diào)節(jié)的光耦合器的需求。無(wú)光耦合器意味著更少的電路板空間和更高的可靠性，因?yàn)楣逃械牡推骄收祥g隔時(shí)間 （MTBF） 光耦合器是不可能的。

圖 10：無(wú)光驅(qū)反激式控制器（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(wú)名英雄。無(wú)論是何種應(yīng)用，從交流線路到數(shù)字負(fù)載的長(zhǎng)電氣鏈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(duì)引腳短路等常見問題在 IC 內(nèi)得到處理，但安全性和可靠性還需要考慮其他方面。

沿著電氣路徑，諸如由存儲(chǔ)電容器引起的浪涌電流、由斷電引起的反向電流、過電壓以及由感應(yīng)負(fù)載開關(guān)或閃電引起的欠電壓等電氣壓力因素可能會(huì)損壞寶貴的電子負(fù)載。對(duì)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。需要保護(hù)層來處理這些潛在的災(zāi)難性事件（圖 11）。

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保護(hù)電子設(shè)備必須在其電壓和電流額定值的范圍內(nèi)處理過壓/欠壓、過流和反向電流等故障條件。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。

集成解決方案 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)問題，并具有電子保險(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：?jiǎn)蝹€(gè) IC 中的集成保護(hù)（圖片：Maxim Integrated）

表 1 在安全性和可靠性類別下顯示了高度集成的保護(hù) IC 的示例。表 1 總結(jié)了配電自動(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(shì)的繼續(xù)，它將依靠新技術(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(cè)性維護(hù)，以及故障檢測(cè)、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(duì)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)配電自動(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)所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。