電網現代化建設穩步推進。現代控制和自動化技術可以通過改善公民的健康和安全來顯著節約能源、保護環境并提高生活質量。能源分配自動化使用具有先進控制和通信技術的數字傳感器和開關來自動化功能，包括發電和開關，以及實時調整負載變化、監控和管理斷電、過壓和欠壓以及功率因數校正。

自動化可以提高這些關鍵分配功能的速度、成本和準確性，從而為客戶提供可靠性改進和成本節約。這需要控制現場設備以實現現場自動決策并將關鍵信息傳遞到公用事業控制中心。

能源自動化設計（圖 1）引入了與能源效率、解決方案尺寸、系統安全性和所用電子設備可靠性相關的問題。本白皮書回顧了能源分配自動化發展背后的大趨勢及其相關系統挑戰，從網絡協議一直到硬件。然后，它通過幾個案例研究研究了能源應用中使用的現場設備的電源管理的新解決方案。

圖 1：變電站電氣開關設備（圖片：Shutterstock）

配電自動化的大趨勢

越來越多的能源運營商正在使用云遠程管理能源分配。他們的軟件平臺提供性能監控、數據分析、可視化、故障檢測和診斷以及投資組合能源管理。這些自動化系統可以實時監控多個變量并分析歷史數據以調整設備以提供能源管理，同時遵守政府法規和關稅政策。

通過將設備數據聯網到云端，可以使用人工智能的進步實時運行分析以確定要采取的行動。高級配電自動化 (ADA) 擴展了對配電級及更高級別電網功能的智能控制。具有監控和數據采集 (SCADA) 系統的電力公司可以對傳輸級設備進行廣泛的控制，并通過配電自動化對配電級設備進行越來越多的控制。能源分配自動化可帶來更高的可用性、可維護性和預測性維護，以及故障檢測、隔離和緩解。

能源自動化系統

能源自動化系統架構（圖 2）包括用于管理、控制和領域的不同層。管理層從一個中心位置操作和控制能量分配，必要時記錄和優化數據。實時發現問題，以便立即采取行動。控制層專門處理硬件層面的設備控制。在現場層，智能傳感器和執行器收集數據并執行任務。嵌入在配電系統中的傳感器和控制系統有助于減少或消除停電時間、熱運行設備、斷路器跳閘以及閃爍和閃爍的燈。

圖 2：能源分配自動化系統（圖片：Maxim Integrated）

技術推動者

配電自動化 (DA) 系統使用各種有線和無線通信介質，具體取決于通信網絡的特定部分。硬件和軟件的顯著進步使智能、網絡和控制成為可能。

在現場級別，它通過控制器、傳感器、I/O 和執行器表現出來。控制器可以包括可編程邏輯控制器 (PLC)、電機/運動控制器或使用高級處理器和微控制器的分布式控制系統 (DCS)。傳感器可以是數字式或模擬式，用于測量溫度、濕度、振動、開路和短路。執行器可以控制能量流、溫度、濕度和其他參數。傳感器和執行器通過有線或無線網關與控制中心通信。它們由電池或有線直流電壓供電，通常在 5V 至 24V+ 范圍內。圖 3顯示了帶有開關、信號燈、傳感器和秤的變電站控制面板。

圖 3：帶有開關和傳感器的變電站（圖片：Shutterstock）

控制器接收來自現場傳感器的輸入，處理它們，并驅動適當的執行器。今天的傳感器和執行器配備了內部處理器，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時間。

挑戰

智能聯網設備的激增對系統硬件提出了新的要求：減小組件尺寸以在同一機箱或什至更小的機箱中安裝更多電子設備，提高能效以在相同或更低的熱預算內運行，以及增加電氣/機械安全性和可靠性，以減少停機時間。

綜上所述，電子元器件面臨的挑戰是：

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，我們將展示幾個示例，說明電源管理電子設備如何在每種情況下發揮作用。

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。由于電路板空間非常寶貴，因此排除了熱管理選項，例如散熱器。由于密封外殼可防止灰塵和污染物進入，因此無法使用強制氣流風扇。因此，電源解決方案必須極其高效，同時提供更高的功率并占用比以往任何時候都更小的面積。

有線能源分配現場應用的特點是 24 V 標稱直流電壓總線，它在舊的模擬繼電器中有著悠久的歷史，并且仍然是事實上的行業標準。但是，對于非關鍵設備，這些應用的最大工作電壓預計為 36 V 至 40 V，而控制器、執行器和安全模塊等關鍵設備必須支持 60 V（IEC 61131-2、60664- 1 和 61508 SIL 標準）。

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 到運動控制、計算機數控 (CNC) 和 PLC 應用中的數十安培不等。因此，控制應用的明顯選擇是降壓（降壓）穩壓器（圖 4）。

圖 4：完全集成的同步降壓轉換器（圖片：Maxim Integrated）

為高性能能源系統實現高效率的降壓轉換器顯示在表 1的能效類別下。

關于最大輸入電壓的注意事項

雖然 24 V 是許多應用的標稱電壓軌，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電壓，必須仔細考慮工作電壓范圍。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，無法為大多數應用提供可靠的裕量。許多標準要求 60V 容限，從而無需做出選擇。許多設計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 輸入是一種高風險的方法。即使瞬態電壓抑制器 (TVS) 二極管用于浪涌保護，它們也有很寬的容差，仍然可能使設備承受過高的電壓。

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，否則即使標準不要求，也請使用最大工作電壓為 42-V 或 60-V 的設備。

減小解決方案尺寸

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

您如何在高壓環境中安全地為微型傳感器提供低壓電源，同時最大限度地減小解決方案尺寸并最大限度地提高效率？在本節中，我們將回顧一個典型的傳感器架構，并為這一挑戰提供一個簡單的解決方案。

現場傳感器應用

電流、電壓、功率和溫度傳感器戰略性地放置在整個配電網絡中，可提供多種好處，包括識別故障位置和原因以支持更快的恢復工作和主動采取行動避免未來意外停電。智能傳感器提供故障檢測，捕獲用于日常電網管理的關鍵電能質量數據，并支持可再生能源集成，具有檢測和報告反向潮流的能力。

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

圖 5：2.5 MW 三相繼電器（圖片：Shutterstock）

傳感器系統

傳感器可以位于現場的任何地方。傳感器“盒子”包括一個前端收發器，用于處理數據并將電源路由到降壓穩壓器。這會為 ASIC/微控制器/FPGA、傳感元件和通信設備提供適當的電壓。智能電網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：智能電網架空線傳感器（圖片由CC BY-SA授權）

安全低壓運行

大多數傳感器由 24-VDC 電源供電。然而，該場可能是一個非常具有挑戰性的環境，電纜長且電磁干擾強，會導致高壓瞬變。因此，傳感器內部的降壓轉換器必須能夠承受 42 V 或 60 V 的電壓瞬變，這遠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 的設備。根據 SELV/PELV/FELV（安全/保護/功能超低電壓）規定，隔離設備處理最高 60 V 被認為可以安全觸摸。通過添加專用 TVS 設備可提供 60 V 以上的保護。

滿足樓宇自動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：自動化傳感器

典型傳感器系統的電源路徑如圖 7所示。

圖 7：傳感器電源系統（圖片：Maxim Integrated）

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

但是，如果存在強電磁干擾，則需要采取更嚴厲的措施。

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換器的輸入電壓 (V CC )。相關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，直到其兩端的電壓達到VBR。此時，它開始傳導電流，同時其電壓略微上升至其最大鉗位電壓 V C，這對應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，TVS V BR必須高于V CC(MAX)，而V C必須低于開關穩壓器輸入擊穿電壓。

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 的降壓轉換器，可以使用最小VBR為33V 的 SMAJ33A （以及53.3V的鉗位電壓VC，遠低于 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）

降壓轉換器必須承受 24 VDC 和至少 53.3V 瞬變這一事實使一大群降壓轉換器不在考慮之列。表 1在安全性和可靠性方面顯示了額定 60V 降壓轉換器的示例。

提高安全性和可靠性：隔離

隔離式 DC/DC 穩壓器用于最多樣化的應用。盡管隔離解決方案比非隔離解決方案更復雜，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換系統中隔離的原因。

根據 SELV/FELV 規定，低于 60 V 的輸入電壓被認為本質上是安全的，但出于功能安全和可靠性的原因，在此工作范圍內對隔離的需求仍然普遍存在。在此電壓范圍內，電源電子負載（通常是非常精密且昂貴的微控制器）需要保護。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路，當兩個或多個電路共享公共返回路徑時會發生接地環路。接地回路會產生寄生電流，這會破壞輸出電壓調節并引入導電跡線的電偶腐蝕。這是一種降低設備可靠性的現象。

例如，峰值電流模式、固定頻率開關控制器如圖10所示。它專為在非連續導通模式 (DCM) 下運行的隔離式反激拓撲而設計。該器件的先進功能消除了對輸出電壓反饋和調節的光耦合器的需要。無光意味著更少的電路板空間和高可靠性，因為光耦合器固有的低平均故障間隔時間 (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

保護電路是當今電子產品的無名英雄。從交流線路到數字負載的長電氣鏈，無論應用如何，都散布著各種尺寸和形狀的保險絲和瞬態電壓抑制器。雖然 ESD 保護和引腳對引腳短路等常見問題是在 IC 內處理的，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、過電壓和電感負載開關或閃電引起的欠電壓等電應力因素可能會損壞寶貴的電子負載。對于采用脆弱的亞微米、低電壓技術構建的微處理器和存儲器而言，情況確實如此。需要多層保護來處理這些潛在的災難性事件（圖 11）。

圖 11：未受保護的 CPU 著火（圖片：Shutterstock）

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

綜合解決方案

圖 12顯示了一個集成保護電路，可解決過壓、欠壓、反極性、限流、反向電流和短路保護以及電子保險絲和浪涌抑制器的所有優點。設計人員可以輕松地在其智能電網設備中實施強大的保護，并通過可配置引腳的合規性來設置 UVLO/OVLO、電流限制、實時電壓、電流監控、電流熱折返和熱關斷等功能。

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

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

表 1：配電自動化的電源管理

結論

隨著當前自動化和數據交換趨勢的持續發展，將需要新技術和方法來實現更高的能源可用性、可維護性和預測性維護，以及故障檢測、隔離和緩解。這些技術的采用帶來了能源效率、小型化和系統可靠性方面的挑戰。

對于提出的每個挑戰，我們展示了更高效的電源管理如何改進能源分配自動化系統的設計。這些電源管理解決方案克服了當今能源分配自動化系統面臨的關鍵挑戰。

審核編輯：湯梓紅