中國國家電網宣布將在2020年建成覆蓋全國的智能電網，并且已投入了4萬億人民幣用于基礎設計建設。這一宏大計劃的實施將涉及到新能源發(fā)電、新能源并網接入、大容量能量存儲、特高壓輸電以及數(shù)字化變電站、智能計量等廣泛的相關領域，為全球電力設備企業(yè)打開了一個前所未有的巨大市場，同時也對半導體廠商和設備廠商提出了更高的技術挑戰(zhàn)。
智能電網的建設中所面臨的關鍵挑戰(zhàn)有很多，“我們可以看到更多的需求包括高精度的模數(shù)轉換器及精密的運算放大器、支持網絡功能的處理器以及控制器，長壽命、寬溫度范圍、高可靠的隔離器件，等等。”在最近召開的“2012產業(yè)發(fā)展趨勢媒體研討會”上，ADI公司技術業(yè)務經理張松剛（Singer）指出。
ADI公司參與能源相關的半導體解決方案已有超過十年的歷史，并在2009年專門成立了從事智能電網和其他能源應用的新機構，從能源計量芯片到全面能源及電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)方案中都有豐富的產品方案，在輸配電、繼電保護、測控系統(tǒng)、電能計量及能量控制等方面一直保持領先技術優(yōu)勢，并占據(jù)著很高的市場份額。面臨智能電網逐步全球普及帶來的巨大機遇，ADI又有怎樣的觀察？能提供哪些領先的技術支持呢？
圖1：在發(fā)、輸、配、用所有環(huán)節(jié)，ADI均能提供領先的技術解決方案。
發(fā)電環(huán)節(jié)，新能源前景依然看好
NPD Solarbuzz中國項目報告近期指出，許多光伏制造企業(yè)已經制訂了宏偉的計劃，準備2012年在國內自主或合作開發(fā)數(shù)百兆瓦的項目。而不少業(yè)界人士近期也紛紛指出，經過去年下半年的洗牌和下滑，當前光伏市場的成本大幅下降，現(xiàn)在建電站的成本大幅減小，市場又開始呈現(xiàn)出火熱的態(tài)勢。在風電方面，根據(jù)《新興能源產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，僅海上風電規(guī)劃中，“十二五”時期中國裝機容量為500萬千瓦，2020年裝機容量將達3000萬千瓦。
盡管以風電、太陽能光伏為代表的新能源在迎來快速增長的勢頭之后，2011年曾經一度面臨過山車般的市場景氣逆轉，但不可否認，新能源依然具有美好的發(fā)展前景。“在發(fā)電這一塊，新能源將作為未來主要趨勢。我們也會花更多的時間關注新能源領域。”Singer表示，“而目前中國企業(yè)在新能源裝備制造領域占據(jù)全球市場領先地位，ADI期待幫助中國企業(yè)在技術上進一步提高競爭能力。”
新能源發(fā)電主要涉及的技術包括了大功率風力發(fā)電機組的設計與組裝技術、發(fā)電機控制技術、大功率變流技術、光伏系統(tǒng)的MPPT控制、光伏逆變技術和并網技術等。“在這些方面，ADI都有相關的技術提供支持，特別是ADI高精度轉換器和運算放大器保證了新能源的電壓電流的精密測量。”Singer指出，“例如，對逆變器的母線電流進行檢測以及電氣隔離，ADI的AD7400、AD7401因為集成了Sigma-Delta調制器和ADI的專利技術iCoupler隔離器，可以大大降低系統(tǒng)復雜性，提高了集成度和穩(wěn)定性。同時，對于某些利用霍爾器件做隔離的系統(tǒng)，ADI也提供精密ADC作為母線電流檢測的轉換器。另外，對于有些需要做馬達轉速/轉角檢測的應用，由于系統(tǒng)要求穩(wěn)定性極高，AD2S1210這類RDC可以為系統(tǒng)提供一個簡便、穩(wěn)定的正/余旋信號處理轉換通道。”
圖2：ADI在風能、太陽能以及能源存儲等新能源領域提供了廣泛的解決方案。
電力輸配，新技術和標準催生大市場
“由于新能源發(fā)電的原動力不可控，發(fā)電輸出的電能具有波動性和間歇性，當并網規(guī)模達到一定程度是將會改變電網的潮流分布，傳統(tǒng)電網的潮流控制將發(fā)生重大改變，會直接影響電網的穩(wěn)定性。”Singer指出。新能源發(fā)電的不確定性，所帶來的功率波動使得電網電能質量下降，太陽能發(fā)電也會有孤島效應，采用傳統(tǒng)的電網保護及測控設備都無法滿足要求，需要更新型的電網保護及控制設備。
圖3：Singer：ADI期待幫助中國企業(yè)在技術上提高全球競爭能力。
“新能源規(guī)模化后出現(xiàn)的這些問題對智能電網提出了現(xiàn)實的需求，需要將不同地區(qū)變電站從傳統(tǒng)意義上的制式進行數(shù)字化和智能化，從而保證整個電網的平衡。”Singer表示。這種轉變將要求很多基礎設施進行升級更新，無疑將帶出極大的電力基礎設備市場機遇。“以自動化變電站為例，國家電網規(guī)劃未來五年將實現(xiàn)6100座自動化變電站，僅此一項就是一個非常龐大的市場。”Singer指出。
然而，目前基于IEC 61850標準的自動化變電站的實現(xiàn)成本依然很高，對龐大的電網系統(tǒng)改造具有極大的壓力。“ADI希望能幫助降低其中的成本，促進中國電網智能化的推進。”Singer表示，“目前在核心處理器這塊，市場上支持IEC61850的解決方案非常有限，ADI近期將會推出一款支持該標準的非常‘給力’的核心處理器。”Singer笑著透露了ADI的關鍵產品計劃。
智能電網的轉換帶來的將不僅僅是變電站的技術升級，所有的電力二次設備都需要滿足具有更強的接口能力、控制能力、保護能力、測量能力、通信能力和數(shù)據(jù)處理能力。此外，部分二次側的設備功能如一些檢測功能將轉移到一次側，這同樣會對相關的產品設計帶來挑戰(zhàn)，特別是對芯片將提出挑戰(zhàn)，因為一次設備大部分在室外，對溫度范圍、抗干擾以及特殊環(huán)境要求增加。“對IC的溫漂、抗干擾、隔離等性能提出了比傳統(tǒng)解決方案明顯更高的要求。以隔離為例，光隔離將面臨高溫、高熱以及長壽命要求上的挑戰(zhàn)。”Singer指出，“而這些領域正是ADI所擅長的，例如專利的iCoupler數(shù)字隔離技術就可以很好地克服傳統(tǒng)光耦隔離對環(huán)境要求高的缺點。”
電力計量，智能電表方興未艾
“中國是最早開始實行用電計量電子化的國家，而且進行得非常徹底。而現(xiàn)在，中國同樣率先快速推進智能電表的普及。”顯然，Singer對中國在電力計量技術走在全球前列頗為欣慰。事實上，隨著全球智能電網市場的啟動，電表智能化正呈方興未艾之勢，中國及全球主要國家都將引來持續(xù)若干年的智能電表安裝高峰期。
電能計量不再是智能電表的唯一功能，電力使用狀況的信息收集、分析和交互管理——透過先進的智能分析工具產生有用信息，再以此實時地做出更好的用電決策和電力系統(tǒng)配置優(yōu)化，這將是未來智能電表的功能需求。智能電表技術的進步將使個人和企業(yè)可以選擇使用電能的方式和時間，降低能量的浪費和實現(xiàn)電能合理利用，電力企業(yè)可以對收集的用電信息進行分析，及時發(fā)現(xiàn)存在的問題甚至電力故障，為用戶提供用電咨詢。電表已經從簡單的基本計量向自動抄表、信息采集、自動控制等多功能的趨勢發(fā)展。
ADI無疑是電能計量領域的開拓者，很早就成功推出了電能計量器件并一直占據(jù)領先的市場優(yōu)勢。作為基本的要求，計量功能依然是智能電表的最重要的，而且對精度、動態(tài)范圍等關鍵特性上提出更高的要求。ADI推出的多款高精度電能計量芯片解決了這些計量需求，包括單芯片計量轉換芯片ADE7858、ADE7868、ADE7878以及ADE7953可以大大簡化系統(tǒng)軟硬件設計。如果需要更高計量精度， AD73360、AD7606 等同時采樣ADC可以實現(xiàn)0.1s—0.2s的高精度計量。
除了高精度計量IC，ADI公司的器件幾乎支持計量系統(tǒng)的所有功能，包括隔離、電源管理和多種類型的通信。“智能電表一個重要的功能就是實現(xiàn)電表的自主通信，ADI在這個領域同樣領先，我們一直在做很深入的研發(fā)。”Singer指出。據(jù)悉，ADI在美國的無線網狀網絡部署方面是射頻集成電路的主要供應商。在國內，ADI利用其基于新型OFDM技術電力線載波通訊解決方案打入市場，該技術與目前電力線通信中常用的FSK通訊協(xié)議相比，具有更優(yōu)越的通信可靠性。
圖4：西門子智能電表采用了ADI公司的Blackfin處理器。
“在中國，無線通訊技術和電力線載波技術已經開始應用在電表的抄表與通訊中，將很快過渡到智能電表。ADI在這兩項技術中都有非常強的實力，并都能提供相應的技術解決方案，可以很好的支持中國智能電網的發(fā)展。”Singer表示。