浅谈ADI智能电网的全程解决方案

中国国家电网宣布将在2020年建成覆盖全国的智能电网，并且已投入了4万亿人民币用于基础设计建设。这一宏大计划的实施将涉及到新能源发电、新能源并网接入、大容量能量存储、特高压输电以及数字化变电站、智能计量等广泛的相关领域，为全球电力设备企业打开了一个前所未有的巨大市场，同时也对半导体厂商和设备厂商提出了更高的技术挑战。

　　智能电网的建设中所面临的关键挑战有很多，“我们可以看到更多的需求包括高精度的模数转换器及精密的运算放大器、支持网络功能的处理器以及控制器，长寿命、宽温度范围、高可靠的隔离器件，等等。”在最近召开的“2012产业发展趋势媒体研讨会”上，ADI公司技术业务经理张松刚（Singer）指出。

　　ADI公司参与能源相关的半导体解决方案已有超过十年的历史，并在2009年专门成立了从事智能电网和其他能源应用的新机构，从能源计量芯片到全面能源及电力系统各个环节的控制系统方案中都有丰富的产品方案，在输配电、继电保护、测控系统、电能计量及能量控制等方面一直保持领先技术优势，并占据着很高的市场份额。面临智能电网逐步全球普及带来的巨大机遇，ADI又有怎样的观察？能提供哪些领先的技术支持呢？

　　图1：在发、输、配、用所有环节，ADI均能提供领先的技术解决方案。

　　发电环节，新能源前景依然看好

　　NPD Solarbuzz中国项目报告近期指出，许多光伏制造企业已经制订了宏伟的计划，准备2012年在国内自主或合作开发数百兆瓦的项目。而不少业界人士近期也纷纷指出，经过去年下半年的洗牌和下滑，当前光伏市场的成本大幅下降，现在建电站的成本大幅减小，市场又开始呈现出火热的态势。在风电方面，根据《新兴能源产业发展规划》，仅海上风电规划中，“十二五”时期中国装机容量为500万千瓦，2020年装机容量将达3000万千瓦。

　　尽管以风电、太阳能光伏为代表的新能源在迎来快速增长的势头之后，2011年曾经一度面临过山车般的市场景气逆转，但不可否认，新能源依然具有美好的发展前景。“在发电这一块，新能源将作为未来主要趋势。我们也会花更多的时间关注新能源领域。”Singer表示，“而目前中国企业在新能源装备制造领域占据全球市场领先地位，ADI期待帮助中国企业在技术上进一步提高竞争能力。”

　　新能源发电主要涉及的技术包括了大功率风力发电机组的设计与组装技术、发电机控制技术、大功率变流技术、光伏系统的MPPT控制、光伏逆变技术和并网技术等。“在这些方面，ADI都有相关的技术提供支持，特别是ADI高精度转换器和运算放大器保证了新能源的电压电流的精密测量。”Singer指出，“例如，对逆变器的母线电流进行检测以及电气隔离，ADI的AD7400、AD7401因为集成了Sigma-Delta调制器和ADI的专利技术iCoupler隔离器，可以大大降低系统复杂性，提高了集成度和稳定性。同时，对于某些利用霍尔器件做隔离的系统，ADI也提供精密ADC作为母线电流检测的转换器。另外，对于有些需要做马达转速/转角检测的应用，由于系统要求稳定性极高，AD2S1210这类RDC可以为系统提供一个简便、稳定的正/余旋信号处理转换通道。”

　　图2：ADI在风能、太阳能以及能源存储等新能源领域提供了广泛的解决方案。

电力输配，新技术和标准催生大市场

　　“由于新能源发电的原动力不可控，发电输出的电能具有波动性和间歇性，当并网规模达到一定程度是将会改变电网的潮流分布，传统电网的潮流控制将发生重大改变，会直接影响电网的稳定性。”Singer指出。新能源发电的不确定性，所带来的功率波动使得电网电能质量下降，太阳能发电也会有孤岛效应，采用传统的电网保护及测控设备都无法满足要求，需要更新型的电网保护及控制设备。

　　图3：Singer：ADI期待帮助中国企业在技术上提高全球竞争能力。

　　“新能源规模化后出现的这些问题对智能电网提出了现实的需求，需要将不同地区变电站从传统意义上的制式进行数字化和智能化，从而保证整个电网的平衡。”Singer表示。这种转变将要求很多基础设施进行升级更新，无疑将带出极大的电力基础设备市场机遇。“以自动化变电站为例，国家电网规划未来五年将实现6100座自动化变电站，仅此一项就是一个非常庞大的市场。”Singer指出。

　　然而，目前基于IEC 61850标准的自动化变电站的实现成本依然很高，对庞大的电网系统改造具有极大的压力。“ADI希望能帮助降低其中的成本，促进中国电网智能化的推进。”Singer表示，“目前在核心处理器这块，市场上支持IEC61850的解决方案非常有限，ADI近期将会推出一款支持该标准的非常‘给力’的核心处理器。”Singer笑着透露了ADI的关键产品计划。

　　智能电网的转换带来的将不仅仅是变电站的技术升级，所有的电力二次设备都需要满足具有更强的接口能力、控制能力、保护能力、测量能力、通信能力和数据处理能力。此外，部分二次侧的设备功能如一些检测功能将转移到一次侧，这同样会对相关的产品设计带来挑战，特别是对芯片将提出挑战，因为一次设备大部分在室外，对温度范围、抗干扰以及特殊环境要求增加。“对IC的温漂、抗干扰、隔离等性能提出了比传统解决方案明显更高的要求。以隔离为例，光隔离将面临高温、高热以及长寿命要求上的挑战。”Singer指出，“而这些领域正是ADI所擅长的，例如专利的iCoupler数字隔离技术就可以很好地克服传统光耦隔离对环境要求高的缺点。”

　　电力计量，智能电表方兴未艾

　　“中国是最早开始实行用电计量电子化的国家，而且进行得非常彻底。而现在，中国同样率先快速推进智能电表的普及。”显然，Singer对中国在电力计量技术走在全球前列颇为欣慰。事实上，随着全球智能电网市场的启动，电表智能化正呈方兴未艾之势，中国及全球主要国家都将引来持续若干年的智能电表安装高峰期。

　　电能计量不再是智能电表的唯一功能，电力使用状况的信息收集、分析和交互管理——透过先进的智能分析工具产生有用信息，再以此实时地做出更好的用电决策和电力系统配置优化，这将是未来智能电表的功能需求。智能电表技术的进步将使个人和企业可以选择使用电能的方式和时间，降低能量的浪费和实现电能合理利用，电力企业可以对收集的用电信息进行分析，及时发现存在的问题甚至电力故障，为用户提供用电咨询。电表已经从简单的基本计量向自动抄表、信息采集、自动控制等多功能的趋势发展。

　　ADI无疑是电能计量领域的开拓者，很早就成功推出了电能计量器件并一直占据领先的市场优势。作为基本的要求，计量功能依然是智能电表的最重要的，而且对精度、动态范围等关键特性上提出更高的要求。ADI推出的多款高精度电能计量芯片解决了这些计量需求，包括单芯片计量转换芯片ADE7858、 ADE7868、ADE7878以及ADE7953可以大大简化系统软硬件设计。如果需要更高计量精度， AD73360、AD7606 等同时采样ADC可以实现0.1s—0.2s的高精度计量。

　　除了高精度计量IC，ADI公司的器件几乎支持计量系统的所有功能，包括隔离、电源管理和多种类型的通信。“智能电表一个重要的功能就是实现电表的自主通信，ADI在这个领域同样领先，我们一直在做很深入的研发。”Singer指出。据悉，ADI在美国的无线网状网络部署方面是射频集成电路的主要供应商。在国内，ADI利用其基于新型OFDM技术电力线载波通讯解决方案打入市场，该技术与目前电力线通信中常用的FSK通讯协议相比，具有更优越的通信可靠性。

　　图4：西门子智能电表采用了 ADI公司的Blackfin处理器。

　　“在中国，无线通讯技术和电力线载波技术已经开始应用在电表的抄表与通讯中，将很快过渡到智能电表。ADI在这两项技术中都有非常强的实力，并都能提供相应的技术解决方案，可以很好的支持中国智能电网的发展。”Singer表示。