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智能電力開啟住宅和建筑高效用電之門

2019-10-17 來源:EEWorld

試想你在離家 1000 英里遠的地方,而你卻能夠掌控和控制家里和辦公樓中的每一度電。你能利用這種能力做什么呢?

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有時你或許想遠程調節恒溫器,或開燈或開啟咖啡機。你還可以基于對電網能力和成本的實時了解對用電進行實時決策。試想可以通過優化能源使用、節省能源,節省你的資金或公司成本。只要一部智能手機,你就可以在指尖擁有一個每時每刻創造財富的工具。


幾年前,這種場景還只是幻想。而今天,它們變得越來越真實,房主對能源使用的控制達到了前所未有的水平。電力的每一階段都變的更加智能,從集中或分布式發電到智能住宅和建筑中電氣設備的使用,包括在家、工作中和路上使用的各種設備。


先進半導體技術促進了電力監控、連接和控制(合稱為智能電力)的這些發展。TI 是致力于智能電力開發的技術創新者之一。系統開發人員可以依靠 TI 先進的技術和在電源、網絡通信與控制電路方面長期的產品開發經驗讓發電、輸電和用電更加智能化。


智能發電


發電和輸電正在經歷緩慢但穩定的進化,變得更加智能,實現根據時間和地點需要的精細化供電。從行業級別而言,服務提供商正在投資太陽能和風電場等替代能源,并努力實現更高效地使用中心發電站。電力設備也正變得更加智能化,并且為了降低輸電、連接和轉換損耗越來越數據網絡化。

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另外,服務提供商不再是唯一的供電者。住宅和商業建筑也可以采用小型風力和太陽能技術設備進行發電。對于小型發電設備,智能電力管理發電、存儲和使用,并且在發電過多時將其輸送至電網。


實現智能住宅和建筑


智能用電為住宅和辦公樓帶來的益處越來越多。傳感器控制電燈變暗或打開與關閉,根據房間中有人或無人來增加或減少通風。能源網絡中可以含有分析各區域、應用和設備用電情況的軟件,以及其他功能。這類程序有助于確定設備是否需要更換,無論原因是運行效率低增加了成本還是太關鍵而不允許出現故障。如果建筑通過太陽能或風能發電,能源網絡也是必不可少的。


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智能住宅正在變成對發電、存儲和用電進行管理的發電場所。


投資智能電力系統的商業業主發現其用電支出大幅降低,而且保持工作場所舒適性而提高的生產率所節省的支出往往足以涵蓋設備投資。此外,由于建筑中電力無處不在,因此將智能電力的概念延伸到智能建筑非常有意義。結構監控器、安全系統、煙霧探測器和移動與占用感應燈連接應用組成的網絡可以為整棟建筑創建管理神經系統。


智能電力技術


有許多不同的技術可用于增強建筑的能源管理,更不必提其他密切相關的建筑監控技術。傳感器可以探測環境溫度、身體熱量、光照級別、二氧化碳級別和振動、煙霧與危險化學品等其他諸多情況。區域控制單元用于監控不同傳感器的數據,發出調暗燈光、重新調節通風、更改恒溫設置等指令。主控制單元運行復雜的軟件,對整個網絡的活動進行分析以提供運行評估、設備警報、成本分解和其他任務結果。


這些系統都要依靠有線或無線介質進行通信,而且在不同的位置要使用信號轉換、微控制器(MCU)和其他邏輯、存儲器以及不同類型的接口電路。所有的單元中都使用電源管理電路,該電路對于替代能源發電的調節、轉換和控制及其電池存儲尤其重要。


了解半導體要求


智能電力系統千差萬別,因此對半導體技術也提出了各種不同的要求。傳感器通常是小型的獨立運行系統,可以安裝大量的傳感器,有時會安裝到難以接觸到的位置。除感應元件本身外,傳感器通常還需要將輸入的模擬信號轉換為數字數據的信號轉換電路、少量的存儲空間和邏輯、通信接口以及通過有線或無線連接發出數據的變送器。

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這些單元的主要要求一般是尺寸小、成本低以及由于它們通常在不進行維護的情況下利用電池長期運行——功耗超低。除了上述要求以外,可能與開關、恒溫器和其他電路安裝在同一房間中的區域控制單元還需要控制邏輯和存儲器,并且能夠收發用于控制和再編程的數據。在安裝先進智能電網的商業建筑或住宅中,幾個區域控制單元向一個主控制單元報告。主控制單元可能與互聯網、區域性電網或其他建筑級別的外部網絡連接。


克服網絡通信挑戰


這些系統間的通信和連接標準有許多種。處理大量數據進行分析和規劃的中央有線系統使用互聯網協議(IP)進行大部分的數據交換,有時小型單元可能會通過有線或無線連接接收或發送 IP 分組數據。但是,無線傳感器可能使用降低功耗的 ZigBee?等協議進行局域數據傳輸。無線連接系統具有一項很大的優勢,即只需要對有線基礎設施進行很小改動或不需要改動,節省安裝成本,允許部署更多設備采集粒度更細的數據,對空間較小的區域進行控制。出于這一原因,為了避免安裝獨立的網線,有線設備也可能依靠某些形式的無線連接或電力線通信(PLC)。PLC 還可能用于戶外延伸網絡感應,控制電燈、接入點、報警和其他功能。


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智能電力為智能建筑提供能源網絡,為一系列應用和設備供電。


所有與外部通信的網絡都要采取安全措施,防止意外或惡意進入。智能建筑用電網絡也一樣,硬件和軟件都要采取安全措施。


在城市網絡中,相似的技術問題適用于路燈、交通基礎設施等設備以及電網中的變壓器和其他單元。智能建筑使用的智能電力在私人和公共方面的各個級別都在進行創新。


尋找智能電力解決方案


智能電力技術持續發展,并以創新的方法進行使用。除了滿足尺寸緊湊、功耗極低和各種級別性能的要求,集成電路解決方案必須能夠支持靈活的配置,尤其是在使用多種協議的通信中。數據轉換器等模擬信號鏈功能也是關鍵元素,正如系統電源中的管理、調節和控制功能一樣。


系統開發人員需要盡可能多地從單一的集成電路供應商處采購這些組件以簡化設計和采購程序,同時保證組件各種復雜功能的兼容性。集成等其他能力能夠幫助支持未來產品的長期路線圖,具有多種封裝選項可以滿足不同的主板要求。


智能電力的另一項關鍵技術是隔離,保護電路不受高壓和高電流浪涌的影響。隔離還能夠保持運行的完整性,避免高頻信號進入低頻電路擾亂數據。從本質上講,智能電力系統結合了不同類型的電路,需要可靠的隔離技術才能正常運行。


TI 的智能電力解決方案


為其智能電力系統使用集成電路解決方案的開發者會發現 TI 豐富先進的產品能夠滿足上述要求。作為業內領先的電源相關集成電路供應商,TI 不僅具有完整系列的電源管理器件,而且還擁有為智能電力網絡創建創新解決方案的專業技術。這些專業技術包括功率因數校正(PFC)等功能,可保證電源輸入的質量,并將在未來復雜的電網中變得日益重要。TI 在其 MCU 和無線連接產品中使用的超低功耗技術、先進的模擬信號鏈解決方案以及豐富的網絡、連接接口與通信產品也受到了廣泛認可。


此外,TI 先進的模擬制造工藝,包括用于高速開關電源的氮化鎵(GaN),推動了隔離技術取得重大進步,而且對其全部產品線都十分有益。TI 的技術優勢和廣泛的產品讓 TI 能夠在所有級別提供靈活的智能電力解決方案。


采用智能電力技術實現更智能的未來


我們在未來數年面臨的挑戰是盡可能高效地使用我們生產的電力——無論是來自屋頂的太陽能電池板還是后院中的風車或者大型發電廠。智能住宅和辦公樓能夠更加高效、負責地使用能源,節約成本,最大程度地減小對環境的影響,同時讓消費者和企業經理更好地控制其建筑基礎設施。


智能電力依賴于智能技術,包括傳感器、無線連接與通信、控制單元和軟件——更不必說將所有這些組件和先進應用組建成一個網絡的創新。TI 在我們當今面臨的智能電力問題領域有著長期的開發專業技術和產品供應經驗。以創造更加綠色的世界為宗旨,TI 的創新技術通過讓未來住宅、辦公室、工廠和汽車變得更加智能來提高我們的生活質量。點擊這里,查看更多電網基礎設施參考設計。


作者:

德州儀器 樓宇自動化、照明與展示 總經理 Ajinder Singh

德州儀器 電網基礎設施總經理 Kripa Venkat)

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