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(hù)繼電器，斷路器和智能電表等設(shè)備的數(shù)字化，使用控制電纜共享設(shè)備狀態(tài)和故障以及控制數(shù)據(jù)有助于優(yōu)化設(shè)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(jié)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(guò)以太網(wǎng)電纜將數(shù)據(jù)發(fā)送到智能電子設(shè)備中。以太網(wǎng)連接提供了一個(gè)簡(jiǎn)單而靈活的解決方案，可以提供標(biāo)準(zhǔn)化和互操作性，從而在變電站之間形成一個(gè)統(tǒng)一的通信平臺(tái)。

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(zhǎng)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?yàn)樗欠菍?dǎo)電的，因此也降低了觸電的風(fēng)險(xiǎn)，據(jù)估計(jì)，與銅相比，它可以幫助降低多達(dá)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(shì)，但確實(shí)帶來(lái)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(chǎng)，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(shè)計(jì)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(huì)(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(shè)計(jì)符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN)55011 B級(jí)EMI要求，并且滿足國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)61000-4-2 4級(jí)靜電防護(hù)(ESD)的要求，可為工業(yè)環(huán)境提供合規(guī)性并為設(shè)備制造商提供更快的認(rèn)證過(guò)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(shí)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(shí)間戳

在故障后和實(shí)時(shí)分析中，時(shí)序在傳輸?shù)脱舆t控制信號(hào)或數(shù)據(jù)方面都起著至關(guān)重要的作用。時(shí)間戳可以提高故障診斷的準(zhǔn)確性，并有助于電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行決策，從而有助于減少停機(jī)時(shí)間。

具有IEEE 1588精確時(shí)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(shè)計(jì)為銅纜和光纖通信接口以及時(shí)間同步提供了一種小型，單芯片解決方案。該設(shè)計(jì)演示了基于IEEE 1588的DP83630的時(shí)鐘同步，還支持時(shí)鐘生成，用于時(shí)鐘同步的數(shù)據(jù)包時(shí)間戳，以及通過(guò)通用輸入/輸出的事件觸發(fā)的時(shí)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(shè)備互操作性是另一個(gè)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(jí)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(shè)計(jì)展示了支持10/100 Base-T的串行以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)，該轉(zhuǎn)換器符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)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(zhǎng)度限制。另一個(gè)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(dòng)化的以太網(wǎng)銅纜到光纖媒體轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)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(jià)值節(jié)點(diǎn)之間)的數(shù)據(jù)通信可靠性至關(guān)重要。數(shù)據(jù)需要以低延遲進(jìn)行通信，對(duì)于工業(yè)以太網(wǎng)通信，常用的IEC 62439標(biāo)準(zhǔn)提供了協(xié)議規(guī)范，例如高可用性無(wú)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(guān)鍵實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

為促進(jìn)關(guān)鍵路徑的低延遲高可靠性網(wǎng)絡(luò)通信，用于變電站自動(dòng)化的高可用性無(wú)縫冗余(HSR)以太網(wǎng)參考設(shè)計(jì)，和用于變電站自動(dòng)化的并行冗余協(xié)議(PRP)以太網(wǎng)參考設(shè)計(jì)均支持IEC 62439標(biāo)準(zhǔn)，包括TI提供的操作系統(tǒng)以及Linux操作系統(tǒng)等。