用于智能电网的新一代智能电子设备

“智能电网”的概念已经成为众人关注的焦点——先进技术的发展实现了更智能、更高效的电网。这些技术旨在解决当今电网系统面临的复杂挑战，这些挑战主要来源于老化的基础设施和一个不断变化的用例模型。电力系统已经有上百年的历史，电网上的现场仪表正在迅速走向生命周期的尽头，继而会降低整个电网的可靠性和效率。过去的用例模型仅支持重型机械及灯泡的用电需求，因此传统设备并不能满足现代电网的需求和应对增加的分布式能源和不断变化的电网要求和标准。其结果是计算机、荧光灯或电动汽车等现代技术成果并不能得到有效的支持。这主要是因为电网是基于供应商定义的封闭式软硬件平台，要满足日新月异的电网要求和标准是极具挑战性的。

因此，有必要对当前的电网架构重新进行评估，将基本的自动化设备升级到更高层次的智能化，以实现分布式数据采集和分散决策。新一代的智能电子设备（IED）正在迅速部署到整个电力系统中。这些设备都采用了先进的技术来实现双向数字通信，网络上的每个设备均具有感应功能来收集重要数据以实现广泛的电网态势感知。利用基于计算机的远程控制和自动化，相关人员可以根据电网变化和扰动通过节点有效地控制和调整这些设备。此外，这些智能电子设备不仅能够与SCADA系统进行通信，还可彼此之间通信，使得分布式智能得以应用于电网中，实现更快速的自我修复和故障定位/识别。

这些先进的智能电网设备的核心在于强大的FPGA技术。此前只有深刻理解数字硬件设计的工程师才能使用这项技术，但是该技术在集成能力和功能上的巨大进步正在改变智能电网应用中IED的开发规则。

从最高层次上讲，FPGA是可编程的硅芯片，与运行于基于处理器的系统上的软件具有相同的灵活性。然而，由于其具有真正的并行特性，FPGA并不受可用处理器内核数量的限制。此外，FPGA并不使用操作系统，它是真正物理层的并行机制，对每一个任务确定性执行，如此最大程度降低可靠性问题。每个独立的处理任务被分配到芯片的专用部分，且可自动进行，不受其他逻辑块的影响。因此，增加额外处理任务时，应用程序的性能并不会受影响。

此外，FPGA技术也赋予用于新一代智能电网IED的嵌入式仪表和控制系统以更高的灵活性和可靠性，从而使得多个功能设备可以集成到单一设备中，降低智能电网系统的整体成本。将FPGA纳入虚拟仪器平台意味着以硬件为中心的传统仪表系统正在向以软件为中心的系统转移这一根本性转变，以软件为中心的系统具有无可比拟的计算能力、生产力、显示能力以及与台式电脑和工作站的连接能力。利用FPGA技术的虚拟仪器平台（如NICompactRIO硬件）可根据未来需求进行调整以满足不断变化的电网需求。因此，随着智能电网IED的日益成熟，功能的增强可以通过使用开放式软件和模块化硬件来实现，而无须修改电路板布局或更换整个设备。

虚拟仪器平台正用于开发最新工具和技术，以实现最先进的电能质量分析，确保输入的电能可使电力系统正常运作。电能质量对于电力系统的稳定性和连接到电力系统的其他系统/设备的正常运行至关重要；如果电能质量不合适，则这些系统/设备可能会发生故障。因此，电能质量是电力系统所涉及各方关注的一个主要问题，包括消费者（家庭和商业用户）、电力公共事业单位、工业设施、标准和研究机构以及仪器制造商。

虚拟仪器设备用于电力系统分析的一个例子是同步相量的测量，该测量对于实时评估电网健康日益重要。相量测量单元（PMU）通过测量电网上经高精度GPS时间基准同步的多个点之间的频率、幅度和相位角差来量化电流和相量分离。这些同步的测量数据可以提高对大面积电力系统的态势感知能力，使得电网运营商能够更好地评估电网稳定性，在发生断电之前发现和解决问题以及在故障发生时迅速“治愈”电网。

传统的PMU部署规模较小且受限于输电系统，因而往往由于系统的复杂性以及与电网通信、性能和数据管理问题相关的其他限制而受到阻碍。然而，随着近年来智能电网技术取得突破，技术人员正在开发先进的PMU，以将其部署到世界各地并与配电网络集成。

例如，博洛尼亚大学的研究人员正在努力开发能够以高采样率和测量精度/质量采集数据的PMU，以满足配电网络线路长度减少和功率流降低的需求。这些PMU设计都是基于CompactRIOFPGA技术，该技术结合了可并行处理多个任务而无须牺牲性能的实时处理器，提供了所需的高采样率和高保真测量。这样的平台实现了高度可定制性，使配电系统能够在硅栅阵列级别上根据不断变化的需求进行调整。通过结合先进的FPGA技术和NILabVIEW系统设计软件等工具，博洛尼亚大学的开发人员能够快速开发高时间要求算法，以将滤波和信号处理整合到他们的设计中，使PMU可用于嘈杂、低振幅的配电基础设施。博洛尼亚大学的研究人员利用基于FPGA技术和图形化系统设计平台的虚拟仪器，实现了更短的响应时间、更高的带宽利用率和更快速的功能现场升级，从而获得真正与电网相关的信息，做出有据可依的决策。

先进的PMU技术仅仅是电力工程师寻找更有效的方式来应对智能电网挑战的一个例子，该技术主要通过为智能电网系统添加更灵活和多功能的IED来实现这一目的。随着智能电网不断发展以及电网实时监测和控制需求与日俱增，世界各地的专家预测在未来3～5年分布式智能嵌入式输电和配电网络的需求将不断增长。从智能继电器和保险丝等保护装置到自动计量装置和变电站监测系统，这些先进的IED将普遍应用于电力系统。此外，该技术还可提供电网的实时健康状况信息，通过自愈功能控制功耗，提升性能以及通过分布式智能优化电网扰动响应。