2019年8月9日，英國發(fā)生自2003年“倫敦大停電”以來規(guī)模最大、影響人口最多的停電事故，包括倫敦在內的英國部分重要城市出現地鐵與城際火車停運、道路交通信號中斷、部分醫(yī)院由于備用電源不足無法進行醫(yī)療服務等現象，約有100萬人受到影響。作為世界繁華的大都市之一，倫敦的停電事故讓世人看到國際大都市背后不堪重負的電力系統(tǒng)，比如電網聯(lián)網后不能統(tǒng)一調度、部分電力設備嚴重老化、電網維護力量薄弱等等。電力系統(tǒng)需要迎來新一波的技術革命。
泛在電力物聯(lián)網作為新興的電網自動化系統(tǒng)，正逐步助力實現傳統(tǒng)電網向能源互聯(lián)網的升級。“在此過程中，業(yè)界需要不斷地尋找并應用新方法、新技術來支撐泛在電力物聯(lián)網配電系統(tǒng)的安全、可靠、優(yōu)質、高效運行，如何將物聯(lián)網技術通過ADI芯片與整個配電系統(tǒng)結合起來，是我們一直在致力解決的問題。”在近日舉辦的第十屆配電技術應用論壇上，高性能模擬技術提供商ADI亞德諾半導體產品經理張松剛這樣表示。
ADI產品經理張松剛主題演講《ADI智能傳感技術助力泛在電力物聯(lián)網》
探索全面智能感知，推進泛在電力物聯(lián)網部署
作為一項集大數據與云計算、邊緣計算技術、數據傳輸、人工智能、移動互聯(lián)控制技術、現代化設備及管理技術等于一體的綜合信息管理系統(tǒng)，泛在電力物聯(lián)網通常也被稱為電網自動化系統(tǒng)，是通過實時連接能源生產、傳輸、消費各環(huán)節(jié)設備、客戶、數據，全面承載電網運營、企業(yè)運營、客戶服務、新型業(yè)態(tài)等全業(yè)務的新一代信息通信系統(tǒng)，具有終端泛在接入、平臺開放共享、計算云霧協(xié)同、數據驅動業(yè)務、應用隨需定制等特征，與智能電網深度融合，共同構成能源互聯(lián)網。配電物聯(lián)網是泛在電力物聯(lián)網在配電領域的落地實踐，智能感知則是配電物聯(lián)網的基礎支撐。
據我國國家電網有限公司統(tǒng)計，目前國網系統(tǒng)接入的終端設備超過5億只（其中4.7億只電表，各類保護、采集、控制設備幾千萬臺），預計在泛在電力物聯(lián)網初步建成后，接入設備數量將達到20億。“從物聯(lián)網的角度來看，整個泛在電力物聯(lián)網系統(tǒng)涉及到的現實世界數據采集，對各類傳感器的需求巨大，可以說是宇宙級的。”張松剛提到。
配電物聯(lián)網的建設將改善目前感知終端存在感知部件覆蓋不足、快速響應能力低、取能技術尚待突破等問題，高可靠性、小型化低功耗、集成化、無源化與高安全性則是智能感知技術的未來發(fā)展方向。怎么做好電氣狀態(tài)的監(jiān)測以及配電環(huán)境的監(jiān)測？致力于為客戶提供在感知、測量、通信、網絡安全和邊緣計算等各個環(huán)節(jié)產品和解決方案的ADI，正在與該公司客戶一起探索更快部署泛在電力物聯(lián)網的途徑。”
ADI理解泛在電力物聯(lián)網對智能感知的需求
加強狀態(tài)監(jiān)測與環(huán)境監(jiān)測，確保配電設備安全
“在大家比較熟悉的輸電環(huán)節(jié)，例如導線浮冰、地質災害等監(jiān)測非常重要，基于MEMS加速計、慣導單元以及溫度傳感等，把這些系統(tǒng)結合在一起，完全可以實現輸電線的安全監(jiān)測。” 張松剛指出。MEMS技術發(fā)展早在上個世紀70年代就開始了，而ADI是最早介入該領域的公司之一，目前ADI聚焦于MEMS的慣導技術在各個行業(yè)的應用，以超低噪聲、超低功耗以及高溫性能實現各種更加魯棒性的應用場景。
ADI高性能MEMS傳感器應對更加魯棒性的應用場景
以ADXL1001和ADXL1002兩款專門針對工業(yè)條件監(jiān)測應用而設計的MEMS加速度計舉例，它們能夠在具有兩個滿度范圍選項的拓展頻率范圍內提供超低的噪聲密度，以及承受高達 10,000g的外部沖擊，所以目前市面上旋轉機械中發(fā)生的主要故障（如套筒軸承損壞、對準誤差、不平衡、摩擦、松動、傳動裝置故障、軸承磨損和空化）都在ADXL100x系列狀態(tài)監(jiān)控加速度計的測量范圍以內。除此之外，ADXL1001和ADXL1002還擁有集成的全靜電自檢功能和超范圍指示器，可以提供先進的系統(tǒng)級功能并可用于嵌入式應用。在功耗方面，憑借3.3V至5.25V 的單電源供電，ADXL1001/ADXL1002 還允許進行無線傳感產品設計。“此外，ADI將MEMS、陀螺儀和加速度計結合的慣導單元，可以直接實現慣性的導航應用在很多電力領域中，例如與低噪聲多軸加速度計結合，可以進行電線舞動和浮垂的監(jiān)測，也可以由慣導單元實現巡監(jiān)機器人故障定位等等。”張松剛強調道。
除了狀態(tài)監(jiān)測，ADI還有一系列針對環(huán)境感知的傳感技術，包括溫度、氣體、光學與聲學等，可用在現場環(huán)境監(jiān)視以及配電柜監(jiān)測等。其中的代表產品是能夠實現±0.25°C高精度的數字溫度傳感器ADT7320，支持SPI接口或者I2C接口，分辨率可達16位，精度非常高。同時芯片內部有過溫、欠溫的中斷，并有省電模式可供選擇使用。而集成光學模塊ADPD188B則可完成煙霧的測量，分析氣體中的顆粒度從而避免誤報，為各類電氣設備的消防安全監(jiān)測提供保障。此外，近年來發(fā)展較快的磁阻技術、ToF及紅熱等環(huán)境傳感技術上，ADI同樣擁有成熟的產品，能更好滿足未來泛在電力物聯(lián)網關鍵應用中的傳感技術需求。
張松剛還特別提到ADI推出的mSure自檢測技術，可以對電表精度和故障狀況進行直接的實時非侵入監(jiān)控，支持mSure的電表結合云分析服務，為電力公司提供電表壽命期內的精度實時數據和可行性分析、電表故障和先進的竊電檢測。
泛在電力物聯(lián)網能量收集技術及無線組網架構的全新探討
隨著泛在電力物聯(lián)網的進一步部署，電力行業(yè)積累了海量數據，在數據量、多樣性、速度和價值方面具有大數據的特征。增強對海量數據資源的價值挖掘能力，首先要解決的是供電問題。采用電力線供電成本昂貴，且隨著無線傳感網絡器件節(jié)點的增多，鋪設太多的線路也變得不切實際。低功耗能量采集技術可以將微弱的環(huán)境能量采集起來，并能高效轉換成電能，以給電子設備供電。“ADI提供了多種能量收集應用的超低功率 IC，例如對光伏能源 (太陽能) 進行轉換的ADP5091，對振動能源 (壓電)進行轉換的LTC3588，對熱能源 (TEC、TEG、熱電堆、熱電偶) 進行轉換的LTC3107等電源管理產品，可提供高效率轉換至穩(wěn)定電壓，使微功耗的能源收集成為可能。”張松剛表示。
ADI廣泛的微功耗能量收集技術
此外，無線組網技術作為設備通信的大趨勢，據預測到2020年將有超過300億的設備具有和其他設備的無線通信能力，而這其中數目比例最大的就是低功耗無線局域網設備，特別是物聯(lián)網應用中的各類無線收發(fā)。據張松剛介紹，目前無線組網技術也用在了泛在電力物聯(lián)網領域，例如高壓電力線的線纜測溫、舞動監(jiān)測，變電站環(huán)境下的傳感器網或者短距離的自組網信號傳遞等。
對此，ADI推出了SmartMesh IP網絡，由高度可擴展的自成形多躍點無線節(jié)點網格和網絡管理器構成，最大的特點是在2.4GHz ISM頻段上實現了達到99.999%的高可靠性Mesh網絡，并且功耗極低（一節(jié)紐扣電池可以用10年）。每個無線節(jié)點都可以發(fā)送和接收消息（支持雙向數據），也可以有不同的數據報告速率。網絡管理器會自動協(xié)調各個成對通信以便高效地路由流量，并相應地對流量進行負載平衡以便將時間延長至網絡的第一次電池更換。因此，這種無線組網技術非常適合于對網路傳輸可靠性要求很高且希望免維護使用的工業(yè)應用場合，尤其適合泛在電力物聯(lián)網部署。同時，ADI在超級電容、后備電源管理等應用也有相應方案。
ADI無線組網解決方案針對工業(yè)應用的典型場景
此外，配電自動化系統(tǒng)不斷更新?lián)Q代，更具智能的電子設備被用以監(jiān)控電能質量并快速隔離任何會影響電網整體運行的故障。智能終端，如DTU/FTU/TTU等，正在迅速發(fā)展并改變著電網架構。據張松剛介紹，國家電網于2018年秋季提出智能配送終端的新標準，強調采用平臺化硬件設計和分布式邊緣計算架構，以軟件定義方式支撐業(yè)務功能實現及靈活擴展。“ADE9078作為一款高度精確的完全集成式電能計量器件，通過與電流變壓器(CT)和羅氏線圈傳感器接口，支持用戶開發(fā)三相計量平臺，可實現1類至0.2類電表的高性能，已經用在國網新的配電變壓器監(jiān)測終端產品中，并正被考慮用在智能分路監(jiān)測終端和智能故障傳感器中，在未來的智能斷路器及智能插座中也都同樣可以考慮使用。”張松剛透露。
配電物聯(lián)網感知新需求及ADI完整的信號鏈解決方案
本文總結
全球正發(fā)生一場前所未有的能源革命和數字革命，建設泛在電力物聯(lián)網絕不是一股熱潮，而是一場深刻意義的革新，將實現傳統(tǒng)電網向能源互聯(lián)網的智能化升級，需要更強大的科技創(chuàng)新力量支撐。“在監(jiān)控設備以及輸配電系統(tǒng)的安裝與升級上，ADI通過提供完整的產品與信號鏈解決方案，搭建了連接現實世界與數字世界的橋梁，將充分挖掘泛在電力物聯(lián)網的智能監(jiān)控能力、技術支撐能力和價值體現能力，全面助推我國泛在電力物聯(lián)網創(chuàng)新模式及生態(tài)產業(yè)建設，幫助整個中國電力行業(yè)做出更好、更先進的產品。”張松剛強調道。