2019年10月17日 | 智能电力开启住宅和建筑高效用电之门

试想你在离家 1000 英里远的地方，而你却能够掌控和控制家里和办公楼中的每一度电。你能利用这种能力做什么呢？

有时你或许想远程调节恒温器，或开灯或开启咖啡机。你还可以基于对电网能力和成本的实时了解对用电进行实时决策。试想可以通过优化能源使用、节省能源，节省你的资金或公司成本。只要一部智能手机，你就可以在指尖拥有一个每时每刻创造财富的工具。

几年前，这种场景还只是幻想。而今天，它们变得越来越真实，房主对能源使用的控制达到了前所未有的水平。电力的每一阶段都变的更加智能，从集中或分布式发电到智能住宅和建筑中电气设备的使用，包括在家、工作中和路上使用的各种设备。

先进半导体技术促进了电力监控、连接和控制（合称为智能电力）的这些发展。TI 是致力于智能电力开发的技术创新者之一。系统开发人员可以依靠 TI 先进的技术和在电源、网络通信与控制电路方面长期的产品开发经验让发电、输电和用电更加智能化。

智能发电

发电和输电正在经历缓慢但稳定的进化，变得更加智能，实现根据时间和地点需要的精细化供电。从行业级别而言，服务提供商正在投资太阳能和风电场等替代能源，并努力实现更高效地使用中心发电站。电力设备也正变得更加智能化，并且为了降低输电、连接和转换损耗越来越数据网络化。

另外，服务提供商不再是唯一的供电者。住宅和商业建筑也可以采用小型风力和太阳能技术设备进行发电。对于小型发电设备，智能电力管理发电、存储和使用，并且在发电过多时将其输送至电网。

实现智能住宅和建筑

智能用电为住宅和办公楼带来的益处越来越多。传感器控制电灯变暗或打开与关闭，根据房间中有人或无人来增加或减少通风。能源网络中可以含有分析各区域、应用和设备用电情况的软件，以及其他功能。这类程序有助于确定设备是否需要更换，无论原因是运行效率低增加了成本还是太关键而不允许出现故障。如果建筑通过太阳能或风能发电，能源网络也是必不可少的。

智能住宅正在变成对发电、存储和用电进行管理的发电场所。

投资智能电力系统的商业业主发现其用电支出大幅降低，而且保持工作场所舒适性而提高的生产率所节省的支出往往足以涵盖设备投资。此外，由于建筑中电力无处不在，因此将智能电力的概念延伸到智能建筑非常有意义。结构监控器、安全系统、烟雾探测器和移动与占用感应灯连接应用组成的网络可以为整栋建筑创建管理神经系统。

智能电力技术

有许多不同的技术可用于增强建筑的能源管理，更不必提其他密切相关的建筑监控技术。传感器可以探测环境温度、身体热量、光照级别、二氧化碳级别和振动、烟雾与危险化学品等其他诸多情况。区域控制单元用于监控不同传感器的数据，发出调暗灯光、重新调节通风、更改恒温设置等指令。主控制单元运行复杂的软件，对整个网络的活动进行分析以提供运行评估、设备警报、成本分解和其他任务结果。

这些系统都要依靠有线或无线介质进行通信，而且在不同的位置要使用信号转换、微控制器(MCU)和其他逻辑、存储器以及不同类型的接口电路。所有的单元中都使用电源管理电路，该电路对于替代能源发电的调节、转换和控制及其电池存储尤其重要。

了解半导体要求

智能电力系统千差万别，因此对半导体技术也提出了各种不同的要求。传感器通常是小型的独立运行系统，可以安装大量的传感器，有时会安装到难以接触到的位置。除感应元件本身外，传感器通常还需要将输入的模拟信号转换为数字数据的信号转换电路、少量的存储空间和逻辑、通信接口以及通过有线或无线连接发出数据的变送器。

这些单元的主要要求一般是尺寸小、成本低以及由于它们通常在不进行维护的情况下利用电池长期运行——功耗超低。除了上述要求以外，可能与开关、恒温器和其他电路安装在同一房间中的区域控制单元还需要控制逻辑和存储器，并且能够收发用于控制和再编程的数据。在安装先进智能电网的商业建筑或住宅中，几个区域控制单元向一个主控制单元报告。主控制单元可能与互联网、区域性电网或其他建筑级别的外部网络连接。

克服网络通信挑战

这些系统间的通信和连接标准有许多种。处理大量数据进行分析和规划的中央有线系统使用互联网协议（IP）进行大部分的数据交换，有时小型单元可能会通过有线或无线连接接收或发送 IP 分组数据。但是，无线传感器可能使用降低功耗的 ZigBee®等协议进行局域数据传输。无线连接系统具有一项很大的优势，即只需要对有线基础设施进行很小改动或不需要改动，节省安装成本，允许部署更多设备采集粒度更细的数据，对空间较小的区域进行控制。出于这一原因，为了避免安装独立的网线，有线设备也可能依靠某些形式的无线连接或电力线通信（PLC）。PLC 还可能用于户外延伸网络感应，控制电灯、接入点、报警和其他功能。

智能电力为智能建筑提供能源网络，为一系列应用和设备供电。

所有与外部通信的网络都要采取安全措施，防止意外或恶意进入。智能建筑用电网络也一样，硬件和软件都要采取安全措施。

在城市网络中，相似的技术问题适用于路灯、交通基础设施等设备以及电网中的变压器和其他单元。智能建筑使用的智能电力在私人和公共方面的各个级别都在进行创新。

寻找智能电力解决方案

智能电力技术持续发展，并以创新的方法进行使用。除了满足尺寸紧凑、功耗极低和各种级别性能的要求，集成电路解决方案必须能够支持灵活的配置，尤其是在使用多种协议的通信中。数据转换器等模拟信号链功能也是关键元素，正如系统电源中的管理、调节和控制功能一样。

系统开发人员需要尽可能多地从单一的集成电路供应商处采购这些组件以简化设计和采购程序，同时保证组件各种复杂功能的兼容性。集成等其他能力能够帮助支持未来产品的长期路线图，具有多种封装选项可以满足不同的主板要求。

智能电力的另一项关键技术是隔离，保护电路不受高压和高电流浪涌的影响。隔离还能够保持运行的完整性，避免高频信号进入低频电路扰乱数据。从本质上讲，智能电力系统结合了不同类型的电路，需要可靠的隔离技术才能正常运行。

TI 的智能电力解决方案

为其智能电力系统使用集成电路解决方案的开发者会发现 TI 丰富先进的产品能够满足上述要求。作为业内领先的电源相关集成电路供应商，TI 不仅具有完整系列的电源管理器件，而且还拥有为智能电力网络创建创新解决方案的专业技术。这些专业技术包括功率因数校正（PFC）等功能，可保证电源输入的质量，并将在未来复杂的电网中变得日益重要。TI 在其 MCU 和无线连接产品中使用的超低功耗技术、先进的模拟信号链解决方案以及丰富的网络、连接接口与通信产品也受到了广泛认可。

此外，TI 先进的模拟制造工艺，包括用于高速开关电源的氮化镓(GaN)，推动了隔离技术取得重大进步，而且对其全部产品线都十分有益。TI 的技术优势和广泛的产品让 TI 能够在所有级别提供灵活的智能电力解决方案。

采用智能电力技术实现更智能的未来

我们在未来数年面临的挑战是尽可能高效地使用我们生产的电力——无论是来自屋顶的太阳能电池板还是后院中的风车或者大型发电厂。智能住宅和办公楼能够更加高效、负责地使用能源，节约成本，最大程度地减小对环境的影响，同时让消费者和企业经理更好地控制其建筑基础设施。

智能电力依赖于智能技术，包括传感器、无线连接与通信、控制单元和软件——更不必说将所有这些组件和先进应用组建成一个网络的创新。TI 在我们当今面临的智能电力问题领域有着长期的开发专业技术和产品供应经验。以创造更加绿色的世界为宗旨，TI 的创新技术通过让未来住宅、办公室、工厂和汽车变得更加智能来提高我们的生活质量。点击这里，查看更多电网基础设施参考设计。

作者：

德州仪器 楼宇自动化、照明与展示 总经理 Ajinder Singh

德州仪器 电网基础设施总经理 Kripa Venkat）