有助于智能电网开发的评估套件和参考设计介绍

物联网（IoT）承诺在智能建筑和智能校园环境中全面应用后可节省大量资金。管理能源将提供最大的节约之一，因为环境控制可以为居民提供最佳舒适度，同时最大限度地减少能源使用。工厂和工业园区也将受益于更强大和连接的基于物联网的能源管理系统。收集和控制所有电力输送和消耗点将需要更广泛地推出能量测量和管理设备。

MCU制造商长期以来一直致力于能量测量和管理应用，现代MCU具有多项先进功能这使它们在这些应用中非常有效。此外，通常还提供参考设计，为常见的能量测量，控制和集中器应用提供完整的系统解决方案。本文将探讨其中一些参考设计，以说明它们如何显着简化下一次能源测量和管理设计的实施，并加快产品上市时间。

智能电网中的能源管理

智能电网是一种思考和构建能源基础设施的新方式。它适用于能源的产生，分配和利用的所有方面。如果所有这三个元素都已到位且可操作，则可以构建更智能和高效的“智能电网”。智能电网将通过测量和预测所需能源，然后有效地生成和交付，来优化能源生产，交付和消耗。智能电网的一个关键要素是消费者对能源使用的感知，监控和通信。一旦知道能源使用并通过使用大数据分析实现理想的可预测性，就可以更好地管理生成和交付。如果可以根据产生的能量的可用性来管理消耗，则可以获得额外的效率。

图1说明了智能电网的发展。在左侧，以前的能源系统集中在发电上。智能电网利用更分散的发电方法，利用多个电源以及通信和传感网络来更好地管理能源的输送和利用。整个智能电网使用传感器来测量功率。这不仅在每个使用点实施，而且在每个生成和分发点实施，因此可以做出实时决策，以优化整个系统的效率。

图1：智能电网演进（由意法半导体提供）

电能计量评估套件

智能家居中的电能计量可以成为智能电网中的关键要素。通常，能量计量解决方案将包括与能量测量IC一起工作的MCU。图2显示了典型智能电表的简化框图，该智能电表利用STMicroelectronics STM32F系列MCU，STPM10电能计量IC和若干支持组件，提供电力线调制解调器（PLM）通信，附加存储器，安全性和电源。 STPM10使用单相或多相计量系统中的电流互感器和分流传感器测量电力线系统中的有功，无功和视在能量。

图2：智能家居中的能量计量。 （由STMicroelectronics提供）

STPM10的模拟部分包括前置放大器和一阶Σ-ΔA/D转换器，带隙电压基准和低压降稳压器。数字部分包括系统控制，振荡器，配置和校准非易失性存储器，DSP和SPI接口。从模拟部分产生的一对sigma-delta输出信号，DSP单元计算消耗的有功，无功和视在能量的量，以及RMS和瞬时电压和电流值。计算结果可作为设备数字输出上的脉冲频率和状态，或数据流中的数据位，可通过SPI接口从设备读取。 STEVAL-IPE15V1评估套件可用于简化原型开发。

能量计量和通信参考设计

如上所述的评估套件可以快速将工作硬件放在您的指尖，从而帮助加快您的开发周期。当提供包括图形用户界面（GUI）以观察目标评估套件或参考设计的操作的软件工具时，可以进一步加速开发过程。例如，Cirrus Logic CDB5480U-Z参考设计平台包括一个目标板和一个相关的GUI，它与电路板通信以配置和观察操作。图3显示了左侧的目标板和GUI的示例输出，显示了收集数据的直方图。平均值，标准偏差，方差，最大值和最小值显示在窗口的左侧。这种功能齐全的目标板和先进的配置和测量工具以及易于使用的GUI的组合在加快开发周期方面特别有效。

图3：参考设计板和用户界面显示（由Cirrus Logic提供）

MCU制造商还为智能电网的通信部分提供参考设计。电力线通信是在智能电网内发送和接收数据的常用方法，而MCU通常用作这些类型系统中的中央控制元件。一些MCU已针对这些应用进行了优化，并为智能电网实施提供了广泛的通信功能。图4显示了德州仪器TMDSICE3359工业通信引擎参考设计的框图以及通信优化TI AM335x处理器的使用。请注意支持的大量通信接口，包括双以太网，USB，CAN/PROFIBUS，I 2 C，SPI和UART。

图4：德州仪器智能电网通信参考设计框图（由德州仪器公司提供）

TI的AM3352 MCU功能强大，足以实现各种智能算法，用于感应和控制能源使用用于照明，HVAC，标牌，占用，材料运输和过程控制。 TI TMDSICE3359参考设计中包含了SYS/BIOS Industrial SDK中收集的大量代码。 SDK包括开源RTOS，引导加载程序，外设驱动程序，用于EtherCAT从站堆栈的工业通信协议栈的评估版本，PROFIBUS从站堆栈，EtherNet/IP适配器/从站堆栈，Profinet IO设备堆栈以及示例通过各种工业通信协议演示工业输入/输出数据交换的应用。通过消除从头开始创建这些复杂功能的需要，包含这些关键功能大大加快了上市时间。

总之，使智能电网“智能化”需要每个密钥的控制和计量功能能源网格的要素：发电，配电和消费。通过使用基于MCU的功率测量系统，网格可以收集提高系统效率所需的大量数据，而基于MCU的通信系统可以在智能电网内发送和接收这些数据。正如我们所示，评估套件和参考设计随时可用于帮助您加速这些智能电网设计解决方案的开发。