“智能電網”是交流電網改造的下一個重要步驟。現有電網提供來自集中發電廠的電力，并且對個人用戶（工業，商業或住宅）負載和使用幾乎沒有或沒有洞察力;同時，用戶很少掌握自己的使用和基于負載的成本。此外，現有的電網架構不太適合非常本地的獨立電源（例如家用太陽能電池板），它們在不可預測的時間向電網提供電力，以及從電網中提取電力。

智能電網旨在更有效地提供電力和平衡負載。它還為最終用戶提供了更好的洞察力，使他們了解成本與負載均衡的使用時間。同樣重要的是，它將容納越來越多的間歇性本地電源，當條件允許時可以將電力饋送回電網，或者存儲電力供以后使用。

使智能電網成為現實的關鍵是在電網層次結構的各個層面引入傳感器（圖1）。根據市場研究公司IHS的報告，智能電網相關傳感器市場將從2014年增加近20倍至2021年，達到3.5億美元。智能電網使用這些傳感器，依靠安裝在每個用戶站點的智能電表，向用戶和電力公司通知電力可用性，負載和運營成本。這些儀表將與內部設備和照明，本地電源/存儲以及電力公司網格的智能控制相關聯。

圖1：智能電網是傳統電力系統和電網的重大升級;它不僅可以提高源，傳輸和使用效率，還可以實現小規模采購和本地化存儲。

智能電網概述

歷史上，交流電源網格將多個發電站（無論是由煤，石油，天然氣，水還是核燃料作為燃料）連接成一個網格，以便任何這些來源都可以支持系統中任何地方的用戶。運行發電廠和電網的公用事業公司可以測量通過電網各部分的功率和能量，調整可用性和節流閥（如果需要），并可以測量每個最終用戶消耗的能源成本（kW-Hr）通過各種遙測技術。

然而，這是他們所擁有的洞察力的極限。它們的反饋回路的時間常數相對較大，因為它主要響應大規模的變化，例如在夜間使用較少的功率和在早晨和晚上使用較慢的上升/下降時間，具有稍微穩定的高值白天。當然，在我們日益全天候的世界中，即使是這些傳統模式也在發生變化。

智能電網的目標是實現能源閘門，配送路徑和存儲的靈活組合，需要在相當快速的實時環境中平衡可用選項并根據需要動態調整組合。智能電網成功實施的目標是最大限度地減少對大型發電廠或其他大型輸電線路的需求。為了實現這一目標，正在采用強有力的財務激勵措施來鼓勵負載均衡，閑置期間的電力使用，本地電力供應，甚至本地存儲（例如，參見特斯拉汽車公司最近公布的用于家庭和辦公室的Powerwall系統）

低級構建模塊支持的高級架構

關于智能電網潛在靈活性的預測及其可能帶來的好處是誘人的，但現實是實現這一目標需要很多最終用戶級別的低級構建塊。住宅設施尤其如此，每個家庭都有一點不同，并且沒有“建筑管理”專業人員。智能電網功能金字塔開始于監控并且可能基于效用的控制能量被傳遞到家庭或由家庭提供。實現這一目標有幾個階段。

首先，每個家庭都需要一個稱為高級計量基礎設施（AMI）的智能電表來測量電力使用情況，并向公用事業公司提供數據以進行計費和跟蹤。它還為消費者提供了監控使用和定價的見解，以及更多實際控制能源使用的可能性。反過來，AMI與稱為住宅能源管理（REM）的家庭監控/控制功能一起工作，該功能使用公用設施安裝的家庭區域網絡（HAN）與儀表，恒溫器，燈和其他要監控的設備通信也許是控制的; HAN連接是通過無線鏈路或電力線通信（PLC）實現的。

一般來說，消費者對能源使用量和時間的效用控制的想法持懷疑態度，并且它將進行的研究尚不清楚。另一種選擇，公用事業提供的REM由消費者提供的稱為獨立REM（iREM）的REM替代，其通過AMI計量子系統連接并主動監控能量使用，但允許用戶保持個人控制。

集成電路，傳感器，軟件是關鍵要素

將這些廣泛的高級目標轉化為現實，例如智能電表和智能家電/燈具控制，是大批量的機會供應商，但成本壓力很大。

市場研究公司IHS認為，智能電表的全球出貨量將在2011年至2016年間增加兩倍，達到約6200萬臺，這將導致同期半導體市場翻番。在報告摘要中，IHS的工業電子研究分析師Jacobo Carrasco Heres指出，“用智能電表取代傳統電表的最初動機是節能。但是，更有說服力的激勵是電網的儀表。使用智能電表，公用事業公司最終將擁有一個良好映射的電網，使他們能夠更有效地規劃發電和管理資源。“一些例子說明了供應商采取的步驟，使智能電網的這些關鍵構建模塊變為實用開發。

領先的智能電表IC是Maxim Teridian?78M6631，這是一款高度集成的三相功率測量和監控片上系統（SoC）（圖2）。一個22位delta-sigma A/D轉換器，一個8051兼容的MPU內核和一個32位計算引擎（CE），用于處理AC線數據.78M6631設計用于需要bot的應用中的功率和質量測量h delta和wye三相配置。

圖2：Maxim Teridian 78M6631功率測量和監控SoC不僅實現了大部分智能電表功能，還適用于各種線路傳感器類型和3相連接配置。

該器件為A/D轉換器提供六個模擬輸入（三個差分電流和三個電壓），用于連接用于AC線路拾取的電流和電壓傳感器。該器件在2000：1的寬動態范圍內提供高于0.5％的精度。對于與主機處理器的接口，56引腳TQFN封裝的IC包括SPI，I 2 C和UART I/O.它還包括用于控制LED的基本數字I/O端口，用于告知用戶智能儀表狀態，驅動外部繼電器，甚至允許在輸入傳感器之間進行選擇。

智能電表IC本身，無論功能或集成程度如何，都只是故事的一部分。 Maxim提供的應用軟件可作為固件加載到128 kB閃存中，以提供分析和系統調整，包括：

真有效值電流和電壓計算

有效，無功，表觀，基波和諧波功率計算

基波和諧波電流和電壓計算

線路頻率和功率因數計算

相位補償（向上）

內置校準程序

可編程報警閾值

這種合適的線電流/電壓傳感器組合，Teridian IC，嵌入式固件和分析將滿足各種全球性能和監管標準的準確性，及時性和數據報告。

住宅和商業（辦公）照明是智能電網可以集成以節省大量電力。與HVAC不同，HVAC必須運行以保持所需的溫度（盡管這樣做是有目的的），但照明具有更大的靈活性。用戶可根據可用的室外光線，房間占用率和其他因素選擇調整照明水平以滿足其需求。照明也是廢熱的來源，取決于外部溫度，這可能是好事或壞事。

隨著許多裝置切換到基于LED的燈具，以提高效率，延長壽命和調節（使用適當的控制電路和算法），供應商提供LED優化的智能照明IC。其中一個例子是賽普拉斯半導體公司的CY8CLED0xD/G0y系列PowerPSoC?智能LED驅動器，包括十幾個相關的IC，它們的存儲量，I/O數量和一些內部功能不同（圖3）。每個器件由五個主要模塊組成：PSoC內核，數字系統，模擬系統，系統資源和電源外設（包括功率FET，遲滯控制器，電流放大器和PrISM/PWM調制器）。這些PowerPSoC系列器件旨在取代傳統的MCU，系統IC以及圍繞它們的眾多分立元件。

圖3：賽普拉斯半導體公司的多種CY8CLED0xD/G0y系列PowerPSoC IC專為LED照明的智能驅動而設計，作為古老的白熾燈泡和CFL燈泡的替代品，但它具有獨特且經過仔細監控的驅動特性。

每個PowerPSoC都具有一系列集成電源外設和數字控制功能。電源外設包括：

最多四個獨立操作的MOSFET（32 V/1 A），可驅動大功率LED

多達四個可編程遲滯控制器，為LED提供受控電流輸出

最多四個可編程低側柵極驅動器，支持32 V以上的電壓，用于外部MOSFET

浮動負載降壓，浮動負載降壓 - 升壓和升壓轉換器拓撲結構滿足不同應用的不同電壓要求的靈活性

開關頻率高達2 MHz，允許使用更小，更便宜的電感器

輔助電源穩壓器可為單個設備供電電源

用于需要高分辨率調光的照明應用的16位調光

在數字控制方面，用戶可以訪問：

八個可編程數字模塊，用于定時器，計數器，PWM和UART等功能

六個可編程模擬模塊，用于放大器等功能ADC，DAC，濾波器和比較器

至少16 kb的閃存

8位微控制器

在PSoC器件中，可配置的電源，模擬，數字和互連電路實現了高水平的集成，以支持工業，商業和消費者的LED照明要求。

簡單的傳感器也可以產生很大的不同。在智能電網和智能能量互動的最低功能水平，使用房間占用探測器可以消除浪費的照明能量，特別是因為一些區域僅在短時間內看到高度間歇性，零碎的使用（想想洗手間）。這就是Zilog Zmotion ZRE200BP PIR（被動紅外）探測器等基本組件為適度投資帶來的巨大好處。

結論

智能電網提供了從發電到使用甚至存儲的節能和效率的巨大潛力。將宏偉概念轉化為現實需要在電網系統的所有階段對設施和設備進行大幅升級，在當地和住宅區進行大量工作，其中成本必須保持低，易于安裝和使用至關重要，并且有形好處必須切合實際。電源計量IC，照明和能源控制IC甚至基本傳感器等組件的供應商在升級到更具自我意識，靈活性和彈性的網格方面發揮著重要作用。