多年的增量嵌入式處理、電源管理和連接技術改進現在使我們接近收支平衡點，太陽能和風能發電在成本上將與化石燃料發電競爭。這些可再生能源不僅會通過碳釋放避免對大氣變化造成影響，而且很快它們也將具有經濟優勢。這種被廣泛稱為電網平價的發展不會在一夜之間發生。相反，隨著成本優勢逐個地區和逐個公用事業的效用提高，在未來十年或更長時間內將發生逐步過渡。政府補貼將有助于轉型，但降低成本的半導體技術和制造進步正在迅速超過補貼，成為主要的增長動力。

在某些地區，風力發電已經實現了平價——至少在有風的時候是這樣。太陽能電池板將需要更長的時間才能達到目標，盡管它們承諾會在能量收集方面引入更徹底的變化。風電場通常需要對電網基礎設施進行大量投資才能有效運行，而太陽能發電幾乎可以在任何規模上得到有效利用，從屋頂上的幾塊面板到占地數英畝的太陽能農場。這兩種形式的能量收集，尤其是太陽能，都將通過引入廣泛分布的發電資源來顯著改變電網。實現電網平價將加速這一趨勢。然而，要使可再生能源發電真正起飛，除了有利的成本之外，還需要其他一些東西。公用事業網絡也必須變得更加智能，使用智能傳感器、控制、

分布式發電需要智能電網

挑戰在于為更大的公用設施結構增加智能，使其運行更可靠、更有效。智能電網是在每個階段測量、通信和控制能量的智能電力網絡。每臺發電機、變電站、繼電器、變壓器、電表、機器和輸電線路——電網中的所有東西以及與之相連的所有東西都可以潛在地被測量和觀察，以確保電力有效地輸送到需要的地方并在沒有浪費的情況下使用。

除了提供高效、可靠的能源輸送外，智能電網還將作為可再生能源分布式發電不可或缺的基礎設施。未來，技術必須使公用電網能夠管理向發電和消費電力客戶的雙向電力流動。此外，由于在通常遠離城市和工業區的地方，陽光最明亮，風一直在吹，公用事業公司將不得不依靠長距離輸送電力的電力線。電網必須能夠在大范圍內實時管理需求與創造，依靠各種類型的分散式發電和新的儲能能力。

圖 1 顯示了一個智能電網，其分布式發電來自大型太陽能和風電場，以及來自各種規模的生產者-客戶的雙向流動。只有智能電網才能將如此廣泛的可再生能源發電與傳統大型發電站的輸出相結合，并實時向具有不同需求的客戶提供電力。實現電網平價所需的規模經濟只能通過在分散式能源發電中廣泛部署太陽能電池板和風力渦輪機來實現。反過來，權力下放只能通過先進的電子測量、控制和通信實現的智能電網來實現。

圖 1：具有分散式可再生能源發電的智能電網。

未來幾年智能電網的重要性怎么強調都不為過。據估計，由于篡改、盜竊和低效率，世界浪費了多達 40% 的電力。智能、高效的電網可以避免大部分浪費，節省資金并深入減少溫室氣體排放。

IC使電網變得“智能”

當電網集成感應、監控、測量和提供通信和控制的電子電路時，電網變得智能化。先進的嵌入式和模擬技術是電網基礎設施中使用的一系列設備的基礎，包括保護繼電器、電能質量監視器、斷路器和變電站自動化系統。除了基礎設施之外，還有用于太陽能和風能的逆變器、商業和消費場所的智能電表，以及將信息輸入網絡的數量可能無限的開關、傳感器和監控單元。這些系統使用電子智能來發電，即時測量消耗，使用低功率射頻或電力線通信 （PLC） 技術進行通信，

這些設備的具體要求因用途、標準和法規而異。然而，底層半導體技術，尤其是電網基礎設施設備，可以概括為如圖 2 所示。（在支持太陽能逆變器、智能電表和其他連接設備的 IC 解決方案中使用了架構略有不同的類似功能。）

圖 2：智能電網控制系統中的功能。

在圖左側的測量塊中，輸入來自外部傳感器，以模擬信號的形式出現，例如電壓或電流電平。模擬組件調節輸入并將其轉換為輸入分析和控制模塊的數字信號。在這里，MCU、MPU 或數字信號處理器 （DSP） 分析數字信號數據以確定用電量、服務質量或潛在危險情況。該處理器然后通過例如斷路器或繼電器命令一個動作，如果這樣的動作是必要的。此外，處理器通過雙向通信塊中的專用模塊通知其他設備中的控制節點，可能還有中央控制計算機。

由于設備符合不同的標準，IC 解決方案必須包含允許設計人員選擇所需功能的選項。高水平的模擬和數字系統級芯片 （SoC） 集成有助于降低成本并支持多個控制通道。通道包括不同階段的多個模擬和數字輸入。一方面，隨著系統連接到電網，它必須連接到本質上是模擬的高電壓和電流。其他幾個模擬通道包括溫度和濕度。數字通道由來自電網上其他設備的事件指示組成，其中包括保護繼電器、故障通道指示器和斷路器的多個實例。雖然，在某些情況下，設計要求可能要求使用單獨的 IC 來實現高壓、大電流、或高速功能，例如運算放大器和模數轉換器 （ADC）。例如，一個關鍵要求可能是使用測量系統來隔離交流電源。這種隔離是在模擬域中完成的，這對 IC 設計人員來說不是一個容易解決的問題。因此，將它們與 SoC 分離將是最實用和最具成本效益的方法。在其他情況下，將嚴格需要將測量和控制分開，因為經過認證的、故障安全的封閉式測量系統被要求防止中斷和各種形式的篡改。將它們與 SoC 分離將是最實用和最具成本效益的方法。在其他情況下，將嚴格需要將測量和控制分開，因為經過認證的、故障安全的封閉式測量系統被要求防止中斷和各種形式的篡改。將它們與 SoC 分離將是最實用和最具成本效益的方法。在其他情況下，將嚴格需要將測量和控制分開，因為經過認證的、故障安全的封閉式測量系統被要求防止中斷和各種形式的篡改。

工業以太網和工業現場總線等片上通信解決方案也可以提供經濟性和靈活性。工業以太網和現場總線在實時分布式控制系統中協同工作。在變電站中，各個關鍵位置將有多個傳感器、繼電器、斷路器、故障指示器。實時控制和接收來自所有這些端節點的狀態的能力需要穩健和優化的方案。現場總線連接形成這些設備的網絡。現場總線所需的布線數量要少得多，這將直接有助于節省成本。以太網通信仍可用于需要更高速度進行通信的非實時任務，但與現場總線相比存在局限性。

解決方案核心的處理器組合應該是完全可編程和可擴展的，支持多種協議，例如以太網、MODBUS、PROFIBUS、HART、IEC 61850、DLMS （IEC 62056） 等，無需定制設計的邏輯。

軟件框架、工具和參考設計也有助于加快和簡化開發。擁有來自模塊供應商的現成硬件和軟件工具可以加快產品上市時間。在用戶可以添加或刪除硬件和軟件功能的強大框架上，開發變得更加簡單。當提供的硬件和軟件已通過標準機構或測試機構的認證時，穩健性也會得到加強。

智能嵌入式電源

如今，具有這些功能的先進電子設備正在提高電網的智能化程度，這是長期實現太陽能電池板和風電場分散能源生產不可或缺的一步。雖然可再生能源部署的經濟性正在接近電網平價，但 IC 技術的進步引入了智能測量、通信和控制。總之，這些趨勢正在改變全球電網，以提供更清潔、更可靠的能源。

作者：Markus Staeblein，Kripa Venkat

審核編輯：郭婷