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(chǔ)，也是決定文明形態(tài)的天花板?！弊鳛閲窠?jīng)濟(jì)命脈，當(dāng)前能源產(chǎn)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(jìn)能源轉(zhuǎn)型和提質(zhì)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(chǎn)業(yè)化實(shí)踐層面，都處于重要的探索發(fā)展階段。在實(shí)際應(yīng)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(lǐng)域都已經(jīng)有落地應(yīng)用，未來的發(fā)展前景廣闊。

2023年貿(mào)澤電子技術(shù)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(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，智慧能源生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建、能源管理體系以及能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型等內(nèi)容，從多維度呈現(xiàn)能源產(chǎn)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(xué)的學(xué)者，圍繞太陽能能源利用與創(chuàng)新、電力轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用、能量存儲技術(shù)與解決方案、電力計(jì)量與監(jiān)控系統(tǒng)、能源監(jiān)測與管理、繼電保護(hù)技術(shù)與應(yīng)用等領(lǐng)域的新趨勢，為廣大工程師帶來干貨滿滿的技術(shù)盛宴。

以下是第一篇技術(shù)干貨筆記。

新型電力系統(tǒng)

需要怎樣的智慧互聯(lián)技術(shù)？

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(chǎn)來源多樣化；更環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展；提供能源獨(dú)立性和安全性；還能帶來經(jīng)濟(jì)增長，創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會。要實(shí)現(xiàn)這一切，需要智慧能源系統(tǒng)一系列先進(jìn)技術(shù)和智能控制，以優(yōu)化能源生產(chǎn)、儲存、分配和消費(fèi)。其中無線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)以及連接器在智慧能源應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。

01

SiliconLabs

無線解決方案在智能能源的應(yīng)用

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

作為一家優(yōu)秀的半導(dǎo)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(shè)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(chǎn)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(gòu)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(dá)到的大功率點(diǎn)（MPTT）來增加能量輸出

• 采用了單獨(dú)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(hù)成本

• EFR32FG2x系列（FG23/FG25/FG28）的無線硬件能夠?yàn)橹悄芴柲芄夥到y(tǒng)實(shí)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(shí)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(fù)網(wǎng)絡(luò)，降低維護(hù)成本

智能表計(jì)

• Wi-SUN技術(shù)支持三種廣泛使用的調(diào)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(fù)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(guān)重要。EFR32FG25是Silicon Labs首款支持正交分頻復(fù)用（OFDM）調(diào)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(diào)制方案，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 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(nèi)存占用和增加的 IO 數(shù)量可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)整合，當(dāng)與 Secure Vault（PSA 3 級認(rèn)證）結(jié)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(yuǎn)程sub-GHz頻段提供基于標(biāo)準(zhǔn)大規(guī)模網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)解決方案是現(xiàn)有的網(wǎng)狀網(wǎng)路物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（Zigbee、Thread、Z-Wave和Bluetooth網(wǎng)格）無法實(shí)現(xiàn)的。FG25 sub-GHz SoC可以在紐扣電池上運(yùn)作十年，非常適合Wi-SUN形成網(wǎng)狀和星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞哪芰?，進(jìn)而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)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(fēng)險

• 支持Wi-SUN FAN 1.1標(biāo)準(zhǔn)，有助于創(chuàng)建更具擴(kuò)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(jìn)工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展

隨著工業(yè)領(lǐng)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(shù)，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(jìn)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(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備之間的高效通信和數(shù)據(jù)傳輸，從而提高生產(chǎn)效率和降低能源消耗，同時企業(yè)可以實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)提供有力支持。

安森美本次直播中重點(diǎn)介紹了其全新推出的基于IEEE802.3cg標(biāo)準(zhǔn)的單對以太網(wǎng)10BASE-T1S PHY+MAC控制器NCN26010在推進(jìn)工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)展方面的相關(guān)方案應(yīng)用。

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• 802.3cg標(biāo)準(zhǔn)即10BASE-T1L，是一種工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。核心能力是雙工、直流平衡、點(diǎn)對點(diǎn)通信方案，實(shí)現(xiàn)了IT和OT的聚合以太網(wǎng)。實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一通信標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的器件，設(shè)計(jì)用于工業(yè)多點(diǎn)以太網(wǎng)的10BASE?T1S PHY，為工業(yè)環(huán)境提供多點(diǎn)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?？稍趩蝹€ 10BASE-T1S 以太網(wǎng)控制器上實(shí)現(xiàn)在單雙絞線上可實(shí)現(xiàn) 40多個節(jié)點(diǎn)，是 IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)所要求的節(jié)點(diǎn)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(luò)上實(shí)現(xiàn)更多節(jié)點(diǎn)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(jī)柜內(nèi)布線，NCN26010可減少 70%的布線，同時顯著提高帶寬。

• NCN26010實(shí)現(xiàn)了多分支網(wǎng)絡(luò)，減少了大型安裝的網(wǎng)絡(luò)總數(shù)，與以前的控制器相比，體積更小、更易集成。實(shí)現(xiàn)了多分支 10BASE-T1S以太網(wǎng)，可替代傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)以太網(wǎng)，NCN26010還具備專有的增強(qiáng)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(lǐng)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(jìn)的互聯(lián)電力系統(tǒng)，利用現(xiàn)代的通信技術(shù)來實(shí)時采集和分析數(shù)據(jù)，讓電網(wǎng)實(shí)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(luò)連接產(chǎn)品可以促進(jìn)各種智能能源系統(tǒng)和智能電網(wǎng)內(nèi)部和之間的連接，同時可以對能源生成、分布和消耗情況進(jìn)行有效監(jiān)控，并予以相應(yīng)優(yōu)化。

此外，大型能源生產(chǎn)設(shè)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(dǎo)致連接中斷，從而增加停機(jī)時間、降低工作效率和導(dǎo)致非計(jì)劃性維修工作，互連產(chǎn)品必須堅(jiān)固耐用，設(shè)計(jì)精良。而隨著眾多設(shè)備越來越趨向小型化設(shè)計(jì)，互連產(chǎn)品還需滿足此類設(shè)備的大量數(shù)據(jù)傳輸和功率需求。

安費(fèi)諾在本次直播中重點(diǎn)介紹了其針對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)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(yù)端接電纜組件。SPE IP6X 接口采用圓形設(shè)計(jì)，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(biāo)準(zhǔn) 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(jī)等多端口應(yīng)用中，端口數(shù)量增加一倍。

• 在設(shè)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(diǎn)，可將剪斷的導(dǎo)線端接至觸點(diǎn)，而無需剝線。連接器的設(shè)計(jì)便于為 IDC 連接正確修剪和定位導(dǎo)線，ix 插頭還提供一種特殊工具，可簡化一次性端接所有導(dǎo)線的工作。ix 和 SPE 還集成的電纜應(yīng)力消除機(jī)制，可確保端接不受電纜應(yīng)力的影響。

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

• 圓形MRD堅(jiān)固耐用適用于電纜對電纜或電纜對面板的應(yīng)用，功率可高達(dá)10A和500V_AC。金屬鎖定機(jī)構(gòu)提供聲音反饋，表明已完成安全連接。其中一個重要的特點(diǎn)是連接器的閂鎖機(jī)制?？煽康拈V鎖對于確正確連接、避免信號中斷至關(guān)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(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的連接方案）、“荷”（面向負(fù)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(gòu)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(shù)

逆變器、變流器、直流調(diào)壓裝置連接推薦

新能源接入系統(tǒng)架構(gòu)

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(shí)時負(fù)荷情況，通過儲能協(xié)調(diào)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(lǐng)域都會遇到的問題，這也是電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)面臨的痛點(diǎn)。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(zhì)量差以及設(shè)備智能化成本高。

SPE單對以太網(wǎng)連接技術(shù)的多項(xiàng)技術(shù)特色在建設(shè)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(shù)。具有出色的傳輸特性，可以實(shí)現(xiàn)無源化設(shè)計(jì)、簡化成本、小型化設(shè)計(jì)，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(luò)，通過更細(xì)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(chǎn)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(shí)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(shè)備接入時，可節(jié)省大量成本。

其次，設(shè)備現(xiàn)場化，對設(shè)備及連接器的防護(hù)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(shù)，可提供60W的電源輸入，小型智能化設(shè)備可以完全依靠SPE來供電，而無需另外設(shè)計(jì)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(shè)備接入時，可極大節(jié)省設(shè)備的空間。

SPE符合標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，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(dá)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(chǎn)品應(yīng)用介紹（重點(diǎn)產(chǎn)品）

Phoenix Contact聚焦儲能系統(tǒng)制造、組裝、運(yùn)維的過程特點(diǎn)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(diǎn)等產(chǎn)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(dá)1500V的應(yīng)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(shè)備的功能性、環(huán)境的安全性以及設(shè)備的使用壽命。其金屬導(dǎo)體選用了鍍銀銅合金，有效地保證了產(chǎn)品長期運(yùn)行的穩(wěn)定性，在安全快捷可靠的基本功能上，還實(shí)現(xiàn)了“三防一轉(zhuǎn)”的亮點(diǎn)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(hù)）、安裝防呆、360°自由旋轉(zhuǎn)，適用于可調(diào)出線口”，并且取得了TUV、UL4128（儲能系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)）的雙認(rèn)證。

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