智慧能源時代的新型電力系統(tǒng)互聯(lián)趨勢

“能源是一切文明的基礎，也是決定文明形態(tài)的天花板。”作為國民經(jīng)濟命脈，當前能源產業(yè)正面臨著數(shù)字化、智能化和綠色低碳發(fā)展的挑戰(zhàn)，在推進能源轉型和提質增效方面，智慧能源系統(tǒng)正扮演重要的角色。目前，智慧能源無論是理論和科技創(chuàng)新還是產業(yè)化實踐層面，都處于重要的探索發(fā)展階段。在實際應用層面，能源互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、新型儲能、數(shù)字能源等多個領域都已經(jīng)有落地應用，未來的發(fā)展前景廣闊。

2023年貿澤電子技術創(chuàng)新周的智慧能源主題直播活動中，我們通過4天的直播和大家共同探討智慧能源建設的關鍵技術，智慧能源生態(tài)系統(tǒng)的構建、能源管理體系以及能源數(shù)字化轉型等內容，從多維度呈現(xiàn)能源產業(yè)未來的綜合發(fā)展趨勢。

本期專題，我們邀請到來自Phoenix Contact、Littelfuse、是德科技、 Wolfspeed、Silicon Labs、Analog Devices、Onsemi、Amphenol、OMRON等國際大廠的資深專家以及西安交通大學的學者，圍繞太陽能能源利用與創(chuàng)新、電力轉換器的設計與應用、能量存儲技術與解決方案、電力計量與監(jiān)控系統(tǒng)、能源監(jiān)測與管理、繼電保護技術與應用等領域的新趨勢，為廣大工程師帶來干貨滿滿的技術盛宴。

以下是第一篇技術干貨筆記。

新型電力系統(tǒng)

需要怎樣的智慧互聯(lián)技術？

智慧能源系統(tǒng)的好處顯而易見——減少對不可再生化石燃料的依賴；讓能源生產來源多樣化；更環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展；提供能源獨立性和安全性；還能帶來經(jīng)濟增長，創(chuàng)造就業(yè)機會。要實現(xiàn)這一切，需要智慧能源系統(tǒng)一系列先進技術和智能控制，以優(yōu)化能源生產、儲存、分配和消費。其中無線技術、工業(yè)以太網(wǎng)以及連接器在智慧能源應用中起著至關重要的作用。

01

SiliconLabs

無線解決方案在智能能源的應用

Silicon Labs在直播分享中重點針對智能太陽能光伏系統(tǒng)、智能表計、智慧路燈和電動汽車充電等應用方案的實際開發(fā)來詳細探討無線解決方案在智能能源的應用。

作為一家優(yōu)秀的半導體公司，Silicon Labs（芯科科技）通過其創(chuàng)新的無線解決方案，為智慧能源設備制造商提供安全、可靠、靈活的無線解決方案，幫助解決棘手的產品開發(fā)挑戰(zhàn)。

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智能太陽能光伏系統(tǒng)

• 通過無線鏈接，構建一個智能的太陽能光伏系統(tǒng)，配備了功率優(yōu)化器和直流逆變器，通過跟蹤每一模塊可達到的大功率點（MPTT）來增加能量輸出

• 采用了單獨的太陽能光伏面板優(yōu)化器，無線電源電子器件還可以降低安裝和維護成本

• EFR32FG2x系列（FG23/FG25/FG28）的無線硬件能夠為智能太陽能光伏系統(tǒng)實現(xiàn)專有協(xié)議、Connect或Wi-SUN等無線通訊功能

• EFR32FG2x具有20dBm的發(fā)射功率和出色的接收器靈敏度，實現(xiàn)可靠的無線鏈接

• 支持Wi-SUN的功率優(yōu)化器和微逆變器可自動形成高通量、彈性的自我修復網(wǎng)絡，降低維護成本

智能表計

• Wi-SUN技術支持三種廣泛使用的調制方案——FSK、MR-OQPSK（多速率多區(qū)域偏移正交相移鍵控）和OFDM（正交頻分復用）。其中MR-OQPSK可以帶來低功耗、抗噪能力，OFDM可利用間隔緊密的重疊副載波來盡可能提高頻譜效率，這兩者對下一代智能電表都至關重要。EFR32FG25是Silicon Labs首款支持正交分頻復用（OFDM）調制的SoC。

• EFR32FG25 無線 SoC 是用于智能電表、照明、城市和樓宇自動化的長距離 1 GHz 以下無線連接的解決方案。包含多速率 OFDM、FSK 和 OPSK 調制方案，可實現(xiàn)高達 3.6 Mbps 的數(shù)據(jù)速率，同時保持對 2.4 GHz 干擾的抗擾性。較大的內存占用和增加的 IO 數(shù)量可實現(xiàn)設計整合，當與 Secure Vault（PSA 3 級認證）結合使用時，可以提供更高級別的系統(tǒng)安全性。

智慧路燈

• Silicon Labs的EFR32FG2x系列支持的Wi-SUN協(xié)議在遠程sub-GHz頻段提供基于標準大規(guī)模網(wǎng)狀網(wǎng)絡解決方案是現(xiàn)有的網(wǎng)狀網(wǎng)路物聯(lián)網(wǎng)標準（Zigbee、Thread、Z-Wave和Bluetooth網(wǎng)格）無法實現(xiàn)的。FG25 sub-GHz SoC可以在紐扣電池上運作十年，非常適合Wi-SUN形成網(wǎng)狀和星形網(wǎng)絡拓撲的能力，進而優(yōu)化網(wǎng)絡的低功耗性能。

電動汽車充電

• Silicon Labs的EFR32FG2x系列的無線SoC和模塊具備出色的RF性能，具有優(yōu)越的接收器靈敏度和+20dpm的高傳輸功率。除此之外還添加了高級安全功能，可以降低公用電車充電系統(tǒng)面臨的完全漏洞風險

• 支持Wi-SUN FAN 1.1標準，有助于創(chuàng)建更具擴展性、彈性和安全性的廣域網(wǎng)系統(tǒng)。

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02

Onsemi

全新10BASE-T1S PHY+MAC控制器

NCN26010推進工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展

隨著工業(yè)領域的快速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)作為一種高效可靠的通信技術，正逐漸成為工業(yè)自動化的主流。而工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展對于能源可持續(xù)發(fā)展、智慧能源體系的推進同樣有著密切的聯(lián)系。工業(yè)以太網(wǎng)作為一種高速、高帶寬的通信技術，能夠實現(xiàn)設備之間的高效通信和數(shù)據(jù)傳輸，從而提高生產效率和降低能源消耗，同時企業(yè)可以實時監(jiān)測能源消耗情況，分析能源利用效率，并通過智能控制手段實現(xiàn)能源的優(yōu)化配置和管理，從而提高能源利用效率為智慧能源的實現(xiàn)提供有力支持。

安森美本次直播中重點介紹了其全新推出的基于IEEE802.3cg標準的單對以太網(wǎng)10BASE-T1S PHY+MAC控制器NCN26010在推進工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展方面的相關方案應用。

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• 802.3cg標準即10BASE-T1L，是一種工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡協(xié)議。核心能力是雙工、直流平衡、點對點通信方案，實現(xiàn)了IT和OT的聚合以太網(wǎng)。實現(xiàn)了統(tǒng)一通信標準和提高數(shù)據(jù)吞吐量。NCN26010是一款新型 10BASE-T1S 以太網(wǎng)控制器，這是一款10Mb/s、符合IEEE 802.3cg標準的器件，設計用于工業(yè)多點以太網(wǎng)的10BASE?T1S PHY，為工業(yè)環(huán)境提供多點通信。

• 支持10BASE-T1S的PHY + MAC控制器，可連接到控制器、傳感器和其他器件而無需外部MAC。可在單個 10BASE-T1S 以太網(wǎng)控制器上實現(xiàn)在單雙絞線上可實現(xiàn) 40多個節(jié)點，是 IEEE 802.11 標準所要求的節(jié)點數(shù)量的五倍。NCN26010在線路引腳上的電容比現(xiàn)有的T1S方案更低，從而在單個網(wǎng)絡上實現(xiàn)更多節(jié)點的支持。通過非單個屏蔽雙絞線提供傳輸和接收數(shù)據(jù)所需的所有物理層功能，對于機柜內布線，NCN26010可減少 70%的布線，同時顯著提高帶寬。

• NCN26010實現(xiàn)了多分支網(wǎng)絡，減少了大型安裝的網(wǎng)絡總數(shù)，與以前的控制器相比，體積更小、更易集成。實現(xiàn)了多分支 10BASE-T1S以太網(wǎng)，可替代傳統(tǒng)的點對點以太網(wǎng)，NCN26010還具備專有的增強抗噪模式，適合于電子噪聲的工業(yè)環(huán)境中使用，如工業(yè)自動化、傳感器接口、現(xiàn)場儀表等領域。

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03

Amphenol

連接器對于智能能源系統(tǒng)的重要作用

智能電網(wǎng)是一個先進的互聯(lián)電力系統(tǒng)，利用現(xiàn)代的通信技術來實時采集和分析數(shù)據(jù)，讓電網(wǎng)實現(xiàn)更智能化自動化的控制。對于智慧源系統(tǒng)，子系統(tǒng)間高效、穩(wěn)定的通信非常重要，網(wǎng)絡連接產品可以促進各種智能能源系統(tǒng)和智能電網(wǎng)內部和之間的連接，同時可以對能源生成、分布和消耗情況進行有效監(jiān)控，并予以相應優(yōu)化。

此外，大型能源生產設施類似于其他工業(yè)廠房，也可能會面臨一些同樣的環(huán)境類難題。由于大量灰塵、碎屑、液體滲入、熱循環(huán)和電磁干擾等問題可能會導致連接中斷，從而增加停機時間、降低工作效率和導致非計劃性維修工作，互連產品必須堅固耐用，設計精良。而隨著眾多設備越來越趨向小型化設計，互連產品還需滿足此類設備的大量數(shù)據(jù)傳輸和功率需求。

安費諾在本次直播中重點介紹了其針對工業(yè)網(wǎng)絡可靠通訊可以提供眾多連接方案包括：SPE、RJ45連接器、以及模塊化RJ45產品。

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• 單對以太網(wǎng)提供 IP20和 IP6X 兩種規(guī)格，適合辦公和工業(yè)環(huán)境。SPE IP20接口包括用于電纜端接的插頭、直角和垂直安裝的 PCB 插座以及預端接電纜組件。SPE IP6X 接口采用圓形設計，與 M12 尺寸相同并帶有推拉耦合環(huán)，可確保與面板安裝的配對插座可靠鎖定，還提供多種配置的 SPE IP6X 電纜。與標準 RJ45 連接器相比， ix 和 SPE 在空間、體積比典型RJ45 小 75%，端口密度更高。IP20 ix 連接器的間距為10mm，為 RJ45 的一半，因此，在以太網(wǎng)交換機等多端口應用中，端口數(shù)量增加一倍。

• 在設備安裝時，由于長度要求的不同，定制電纜非常重要，因此可現(xiàn)場安裝的插頭非常有價值。SPE 和 ix 插頭套件均配有集成 IDC 或絕緣位移觸點，可將剪斷的導線端接至觸點，而無需剝線。連接器的設計便于為 IDC 連接正確修剪和定位導線，ix 插頭還提供一種特殊工具，可簡化一次性端接所有導線的工作。ix 和 SPE 還集成的電纜應力消除機制，可確保端接不受電纜應力的影響。

• 模塊化連接器的可靠性和高性能，產品組合中有多種變化，涵蓋更多的配置、性能等級和選項。PoE 功能有助于減少對電源點的需求，從而在增加具有PoE功能的設備和裝置時更容易擴大設施規(guī)模。

• 圓形MRD堅固耐用適用于電纜對電纜或電纜對面板的應用，功率可高達10A和500V_AC。金屬鎖定機構提供聲音反饋，表明已完成安全連接。其中一個重要的特點是連接器的閂鎖機制。可靠的閂鎖對于確正確連接、避免信號中斷至關重要。

• ix Industrial連接器集成磁性模塊方案，為以太網(wǎng)及其他工業(yè)協(xié)議提供可靠的物聯(lián)網(wǎng)連接，支持企業(yè)/云端互聯(lián)以及工廠車間中的傳感器/執(zhí)行器。連接器可為以太網(wǎng)通信提供10Gb/s的CAT6A性能，支持90W的PoE++，出色的EMC屏蔽，兼容100BaseT、1000BaseT和10GBaseT。

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04

Phoenix Contact

賦能全電氣社會，連接新型電力系統(tǒng)

Phoenix Contact從“源”（面向新能源接入的連接方案）、“網(wǎng)”（面向堅強智能電網(wǎng)的連接方案）、“荷”（面向負荷電氣化的連接方案）、“儲”（面向靈活儲能系統(tǒng)的連接方案）四大方面，全面探討構建新型電力系統(tǒng)連接方案。

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新能源接入連接技術

逆變器、變流器、直流調壓裝置連接推薦

新能源接入系統(tǒng)架構

雙向儲能變流器（PCS）是連接電網(wǎng)與儲能電池的接口。能源管理系統(tǒng)（EMS）作為微電網(wǎng)的大腦，根據(jù)微電網(wǎng)的實時負荷情況，通過儲能協(xié)調裝置向PCS發(fā)送命令，控制儲能電池的充電及向電網(wǎng)輸電，同時保持各儲能電池電量均衡，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定及電池的健康。

以太網(wǎng)鴻溝是任何控制領域都會遇到的問題，這也是電力物聯(lián)網(wǎng)建設面臨的痛點。造成這一問題的主要原因在于通訊協(xié)議不統(tǒng)一、布線成本高、通訊質量差以及設備智能化成本高。

SPE單對以太網(wǎng)連接技術的多項技術特色在建設電力物聯(lián)網(wǎng)中具備優(yōu)勢。

單對以太網(wǎng)是一種只需要一對線纜來傳輸數(shù)據(jù)和電力的以太網(wǎng)技術。具有出色的傳輸特性，可以實現(xiàn)無源化設計、簡化成本、小型化設計，并使互訪問及互操作的一網(wǎng)到底成為可能。它可以為每個傳感器啟用基于IP的網(wǎng)絡，通過更細的線纜，較小的插頭和連接器以及較小的空間需求而體現(xiàn)了產品的價值。

首先，傳統(tǒng)的以太網(wǎng)線是4根或者8根的，SPE則采用1對2線全雙工的方式并且通過不同頻率來實現(xiàn)不同速度的通信。線芯的減少將極大降低線纜成本，在海量的電力物聯(lián)網(wǎng)感知層設備接入時，可節(jié)省大量成本。

其次，設備現(xiàn)場化，對設備及連接器的防護等級提出了新的要求，SPE提供IP20及IP67兩種版本，可滿足戶外惡劣環(huán)境。

SPE支持POE/PODL技術，可提供60W的電源輸入，小型智能化設備可以完全依靠SPE來供電，而無需另外設計電源接口。

SPE的底座的尺寸只有傳統(tǒng)的RJ45的50%不到，大量設備接入時，可極大節(jié)省設備的空間。

SPE符合標準的IEEE 802.3以太網(wǎng)標準，并且它下面有5個不同的工作組，其中可以支持從10M到100M到1G的不同傳輸速度和可達1公里的傳輸距離，并且還可以通過數(shù)據(jù)電纜提供電源。

儲能系統(tǒng)中的特色產品應用介紹（重點產品）

Phoenix Contact聚焦儲能系統(tǒng)制造、組裝、運維的過程特點為儲能系統(tǒng)提供各種解決方案，包括連接器、接線端子、觸點等產品為電池模組的串并聯(lián)提供安全、可靠、靈活多樣的連接方案。通過Phoenix Contact母排連接器或電池極連接器的可插拔電池連接，可以快速、安全地安裝儲能系統(tǒng)，適合用于高達1500V的應用。

其中高壓連接器和穿墻式信號連接器，能有效保證儲能設備的功能性、環(huán)境的安全性以及設備的使用壽命。其金屬導體選用了鍍銀銅合金，有效地保證了產品長期運行的穩(wěn)定性，在安全快捷可靠的基本功能上，還實現(xiàn)了“三防一轉”的亮點提升：“防錯插、防手指觸摸（未插入時也可確保電池模塊具有防觸電保護）、安裝防呆、360°自由旋轉，適用于可調出線口”，并且取得了TUV、UL4128（儲能系統(tǒng)標準）的雙認證。

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