西電東輸大動脈暢通的背后，TI芯科技賦能中國新基建之特高壓

2021年秋冬的“限電”讓人們猝不及防，重拾久遠的停電點蠟燭記憶的同時，開始重新審視電這項資源。事實上，“缺電”一直存在，我國國土遼闊，而傳統(tǒng)及新能源的資源端和用電需求端在地理上又分處西東，就像南水北調一樣，需要西電東輸。因此滿足大規(guī)模、遠距離、高效率的電力輸送方式——特高壓曾是中國舊基建的代表之一。

顧名思義，特高壓就是特別高的電壓，指±800千伏及以上的直流電和1000千伏及以上的交流電。對于特高壓，人們除了能看到穿梭于天際的架空線之外，對其了解少之又少。然而2019年，在發(fā)展清潔能源的雙碳背景之下，特高壓又被賦予了新基建的屬性，重新?lián)撈鹆恕皣翼斄褐钡膽?zhàn)略使命，成為關注的熱點。

根據(jù)賽迪數(shù)據(jù)，2020年我國特高壓產業(yè)及其產業(yè)鏈上下游相關配套環(huán)節(jié)所帶動的總投資規(guī)模超3000億元，其中特高壓產業(yè)投資規(guī)模近1000億元，帶動社會投資超2000億元。到2022年，中國特高壓產業(yè)及其產業(yè)鏈上下游相關配套環(huán)節(jié)所帶動的總投資規(guī)模將達到4140億元；到2025年，特高壓產業(yè)與其帶動產業(yè)整體投資規(guī)模將達5870億元。這些數(shù)字表明，特高壓已日益成為從民生到生產中不可或缺的基礎設施。

來源：國家電網(wǎng)

特高壓的“特”

電力系統(tǒng)包括了“發(fā)輸變配用”五大部分，而特高壓則主要是“輸變”兩部分，其中換流站與變電站是核心，電氣設備約占到總投資的一半以上，從轉換、保護、控制、檢測等各方面實現(xiàn)特高壓的優(yōu)勢。無論是直流的換流閥、直流控制保護設備，還是交流的GIS、變壓器，都離不開集成電路。

復雜的電力系統(tǒng)，從零組件、板級系統(tǒng)到設備，都有一些特殊要求，以確保轉換、測量、控制和保護等過程?？煽啃允请娏ο到y(tǒng)最基本也是最重要的要求，一旦發(fā)生故障就會影響人們的生產生活；其次則是實時性要求，電壓電流每時每刻都在變化，必須實時調節(jié)以保證穩(wěn)定性；再次是高效性，因為整個輸電環(huán)節(jié)涉及到大量的功率轉換，需要降低損耗；第四是抗干擾，電力系統(tǒng)的復雜環(huán)境會產生大量的電磁噪聲。因此，高效性、可靠性、實時性和抗干擾這四點是電力系統(tǒng)設計最難的地方，而特高壓由于系統(tǒng)的特殊性，對此的要求也更高。

此外，雖然中國目前在特高壓技術上遙遙領先，但每一項工程都會有新要求，需要不斷創(chuàng)新，去嘗試探索新技術。同時，伴隨著特高壓系統(tǒng)復雜度不斷升高，集成化、智能化的需求已經貫穿至每一個子系統(tǒng)中。而芯片則是實現(xiàn)這些創(chuàng)新的一個載體。什么樣的芯片可以解決特高壓系統(tǒng)中的諸多挑戰(zhàn)？

高可靠性、實時性

高可靠性其實就是要降低故障率，對輸電系統(tǒng)進行控制與保護，必須要有完善的監(jiān)控能力。這自然離不開連接模擬和數(shù)字域橋梁的信號鏈，其中將電壓、電流等參數(shù)感知、搜集、轉換并傳遞至系統(tǒng)的ADC至關重要。對于電力系統(tǒng)來說，通常有三相電壓、三相電流及中心線的電壓、電流，這些信號之間存在相位關系，因此除了要采集到幅度信息之外，還必須能夠實時且準確地采集到相位關系，系統(tǒng)才可以執(zhí)行保護和控制。此外，電力系統(tǒng)里的信號尤其是電流信號的動態(tài)范圍非常寬，而且對信號采集的精度要求非常高，這樣才能準確定位故障發(fā)生點。

ADS8588S和ADS8686等即是TI專門為電力系統(tǒng)設計的16位ADC，具有多通道、同步采樣、高精度及高準確度，寬動態(tài)范圍達90dB，可以快速發(fā)現(xiàn)短路或斷路故障。這兩款ADC集成了放大器，并且內部具有精密校準電路，無需額外的信號鏈整合或校準工作，在和CPU的接口處還集成了糾錯機制，通過監(jiān)測機制以確保傳輸至處理系統(tǒng)的通信過程可靠。也就是說，從模擬域到數(shù)字域再到接口，TI的ADC產品都具高可靠性。

靈活且強大的處理器是電網(wǎng)可靠性和實時性的基礎保障，就好像大腦對事物的實時反應能力一樣。TI提供各種處理器，包括Arm、DSP的強大內核組合，可靈活應對包括保護繼電器、變電站以太網(wǎng)交換機、變電站網(wǎng)關和變電站控制器（RTU）等諸多能源相關應用。同時，針對不同變電站架構，無論是通過以太網(wǎng)交換機還是網(wǎng)關來進行數(shù)據(jù)分類和過濾，TI的嵌入式處理器都可以輕松應對。

事實上整個系統(tǒng)的可靠性是通過實現(xiàn)系統(tǒng)的芯片和方案來體現(xiàn)的，值得一提的是，TI的所有電網(wǎng)類應用產品在生產和測試環(huán)節(jié)，都通過了專業(yè)和嚴苛的品質管理流程，從而確保產品高度可靠。并且在全溫度范圍內，溫漂都非常低，十分適合復雜的電網(wǎng)環(huán)境。

高效、抗干擾、高集成度

電力系統(tǒng)的高效性即指轉換效率，從換流閥到輸電站的各種設備，都離不開電源轉換，一個個功率管將電力源源不絕地轉換并傳遞。而電源轉換所需無論是IGBT還是SiC，都需要高效可靠的驅動來控制這些核心部件。

由于缺乏高集成度的芯片，傳統(tǒng)上IGBT驅動都是用模塊來實現(xiàn)，成本高昂。而TI最新推出的 UCC5870-Q1是一個隔離的、可配置單通道門級驅動器，內部集成的ADC可以支持多種模擬輸入監(jiān)控，同時還集成溫度控制和其他保護功能，支持SPI接口配置，從而實現(xiàn)比較高效的轉換和檢測的功能，適用于任何SiC或者IGBT。這樣客戶就可以用一個單片取代之前可能通過兩個模塊才能實現(xiàn)的功能，從而得以簡化驅動系統(tǒng)的設計，并大幅降低成本。

器件的電磁特性是電力系統(tǒng)非常關注的，既要減少器件向外產生的輻射，也要抵御來自外部的干擾。TI的很多器件比如運放內部集成了濾波器，在外部強電磁干擾下仍然能夠保持高精度的信號處理。隔離技術也是重要的抗干擾方式，TI是最早做電容隔離的廠商之一，在抗干擾能力方面比傳統(tǒng)的光耦、磁耦及其他競爭對手的電容隔離要優(yōu)越很多。如上述的UCC5870-Q1，采用二氧化硅隔離技術，實現(xiàn)了高達150kV/ns的dv/dt，遠超競爭對手。

以客戶為導向的產品開發(fā)思路

隨著特高壓技術的進一步發(fā)展，包括柔性直流輸電等在內的一系列先進技術正在快速發(fā)展，從控制、驅動、保護到整個系統(tǒng)的運算和要求更高。對芯片公司來說這意味著機會更多，但同時要求也更高。我們看到，為了應對日益復雜的特高壓電網(wǎng)系統(tǒng)，TI產品不斷加速迭代，給市場提供高可靠性、高集成度的產品，以簡化客戶的應用。

而且為了進一步加速客戶創(chuàng)意落地，TI在全球設置了系統(tǒng)開發(fā)團隊，很多成員都是特高壓技術方面的專家，結合TI的產品專家一起，為客戶深度開發(fā)出模塊式的參考設計和技術方案。客戶只需進行簡單的差異化修改即可。經過在特高壓領域的多年深耕，TI和中國主要電力客戶都建立了深入的合作伙伴關系。

早在2008年，德州儀器與四方繼保建立數(shù)模信號聯(lián)合實驗室；2010年，中國電科院與德州儀器合作建立聯(lián)合實驗室正式揭牌。今年是TI中國成立35周年，也恰逢新基建的項目開始加速落地。作為全球主要的芯片供應商，TI提供了包括IGBT的柵極驅動、用于控制/保護算法處理的DSP、基于ARM的標準通信協(xié)議處理器以及用于測量電壓和電流的高精度信號鏈等完整的一站式服務，從而滿足特高壓領域二次設備和一次設備相關的一系列要求。

盡管電力是一個看不見摸不著的產品，但通過一顆顆芯片，點亮了萬家燈火，也點亮了你我。

審核編輯 黃昊宇