怎樣克服數(shù)字電網(wǎng)中的以太網(wǎng)連接挑戰(zhàn)？

隨著保護繼電器，斷路器和智能電表等設備的數(shù)字化，使用控制電纜共享設備狀態(tài)和故障以及控制數(shù)據(jù)有助于優(yōu)化設備的效率。

盡管串行通信(例如RS-232，RS-485和控制器局域網(wǎng))仍然很流行，但在本文中，我將解釋向以太網(wǎng)遷移的挑戰(zhàn)，以及以太網(wǎng)與數(shù)字電網(wǎng)相結合的解決方案。

與傳統(tǒng)的電網(wǎng)不同，數(shù)字變電站可將所有的數(shù)據(jù)立即數(shù)字化，并通過以太網(wǎng)電纜將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能電子設備中。以太網(wǎng)連接提供了一個簡單而靈活的解決方案，可以提供標準化和互操作性，從而在變電站之間形成一個統(tǒng)一的通信平臺。

以太網(wǎng)連接有兩種形式，銅線電纜使用非屏蔽雙絞線電纜用于低速數(shù)據(jù)傳輸和較短的距離(<100 m)。光纖連接則用于在更長的距離上提供更高的數(shù)據(jù)速率(每秒千兆比特)，更好的抗干擾性，因為它是非導電的，因此也降低了觸電的風險，據(jù)估計，與銅相比，它可以幫助降低多達60%的成本布線。盡管數(shù)字電網(wǎng)的以太網(wǎng)連接具有其優(yōu)勢，但確實帶來了挑戰(zhàn)。

電磁干擾/電磁干擾

有線連接的主要挑戰(zhàn)是在工業(yè)嘈雜的環(huán)境中獲取可靠的數(shù)據(jù)，由于電磁干擾(EMI)，高溫，噪聲和雜散磁場，在這種環(huán)境中數(shù)據(jù)損壞的可能性更高。

如TI的符合EMI / EMC的具有光纖或雙絞線接口參考的10/100 Mbps以太網(wǎng)模塊參考設計所示，DP83822以太網(wǎng)物理層可在惡劣的工業(yè)環(huán)境中提供更高的抗干擾性，從而為電氣電子工程師協(xié)會(IEEE)提供了802.3u——兼容的100BASE-FX，100BASE-TX和10BASE-Te解決方案，適用于10/100Mbps銅纜或100Mbps光纖接口。該參考設計符合歐洲標準(EN)55011 B級EMI要求，并且滿足國際電工委員會(IEC)61000-4-2 4級靜電防護(ESD)的要求，可為工業(yè)環(huán)境提供合規(guī)性并為設備制造商提供更快的認證過程。TI的DP83822(10/100 Mbps)和DP83867IR(10/100/1000 Mbps)以太網(wǎng)收發(fā)器可在惡劣的工業(yè)環(huán)境中提供高抗擾性接口，同時功耗也較低。光纖接口的功能框圖如圖1所示。

圖1：具有光纖接口的以太網(wǎng)模塊框圖

IEEE 1588時間戳

在故障后和實時分析中，時序在傳輸?shù)脱舆t控制信號或數(shù)據(jù)方面都起著至關重要的作用。時間戳可以提高故障診斷的準確性，并有助于電網(wǎng)運營商進行決策，從而有助于減少停機時間。

具有IEEE 1588精確時間協(xié)議(PTP)收發(fā)器的10/100 Mbps工業(yè)以太網(wǎng)模塊參考設計為銅纜和光纖通信接口以及時間同步提供了一種小型，單芯片解決方案。該設計演示了基于IEEE 1588的DP83630的時鐘同步，還支持時鐘生成，用于時鐘同步的數(shù)據(jù)包時間戳，以及通過通用輸入/輸出的事件觸發(fā)的時間戳。

接口轉(zhuǎn)換器

確保不同通信接口(例如傳統(tǒng)串行)和基于銅纜或光纖的以太網(wǎng)之間的設備互操作性是另一個挑戰(zhàn)，接口轉(zhuǎn)換器使具有傳統(tǒng)通信接口的舊式變電站可以使用高級傳統(tǒng)產(chǎn)品。

基于32位Arm Cortex-M4F MCU的小尺寸串行以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器參考設計展示了支持10/100 Base-T的串行以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)，該轉(zhuǎn)換器符合IEEE 802.3標準。通過提供可靠的數(shù)據(jù)通信，有助于克服串行接口上的電纜長度限制。另一個互操作性是銅纜和光纖電纜連接之間的兼容性，可以使用用于變電站和配電自動化的以太網(wǎng)銅纜到光纖媒體轉(zhuǎn)換器參考設計來實現(xiàn)，如圖2所示。

圖2：基于DP83849的銅光纖轉(zhuǎn)換器框圖

HSR / PRP冗余

變電站(尤其是操作員的控制中心和高價值節(jié)點之間)的數(shù)據(jù)通信可靠性至關重要。數(shù)據(jù)需要以低延遲進行通信，對于工業(yè)以太網(wǎng)通信，常用的IEC 62439標準提供了協(xié)議規(guī)范，例如高可用性無縫冗余(HSR)和并行冗余協(xié)議(PRP)，這些協(xié)議支持變電站中的關鍵實時系統(tǒng)。

為促進關鍵路徑的低延遲高可靠性網(wǎng)絡通信，用于變電站自動化的高可用性無縫冗余(HSR)以太網(wǎng)參考設計，和用于變電站自動化的并行冗余協(xié)議(PRP)以太網(wǎng)參考設計均支持IEC 62439標準，包括TI提供的操作系統(tǒng)以及Linux操作系統(tǒng)等。