結(jié)合利用有線和無線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)互操作性

事實(shí)上，許多電網(wǎng)組件的使用時(shí)長(zhǎng)可以超過50年，其中一些起到關(guān)鍵作用的原裝部件甚至還能繼續(xù)工作?；凇安灰茐默F(xiàn)狀”的理念，電網(wǎng)演化的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何實(shí)現(xiàn)互操作性。如何在繼續(xù)向最新以太網(wǎng)技術(shù)過渡以及采用Sub-1 GHz、Bluetooth?和Wi-Fi?等無線技術(shù)的同時(shí)，結(jié)合采用RS-232和RS-485等成熟可靠的有線連接技術(shù)?隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)在電網(wǎng)領(lǐng)域的發(fā)展，建設(shè)智能電網(wǎng)所需的大多數(shù)有線和無線基礎(chǔ)技術(shù)已經(jīng)成熟。我們目前需要一個(gè)結(jié)合使用這些技術(shù)的框架體系。

我們的現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向

如今，大多數(shù)配電網(wǎng)都由支持主要電網(wǎng)資產(chǎn)監(jiān)控、保護(hù)和控制的技術(shù)拼湊而成。它們是累積實(shí)體，因?yàn)樗鼈冸S著時(shí)間推移而擴(kuò)展以滿足需求。即使您使用現(xiàn)代連接技術(shù)，它們?nèi)匀槐仨毰c穩(wěn)健的傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行交互。

今天的大型電網(wǎng)與區(qū)域驗(yàn)證的最佳實(shí)踐緊密結(jié)合。作為一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)61850試圖標(biāo)準(zhǔn)化變電站級(jí)智能電子器件的通信協(xié)議。隨著城鎮(zhèn)和城市的擴(kuò)張，帶有輸電線路、配電線路和變電站的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施不斷擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)發(fā)電站與用電用戶之間的互聯(lián)。變電站中的設(shè)備需要一種安全可靠的相互通信方法，以便在變電站之間交換保護(hù)和控制信息。在20世紀(jì)90年代，帶寬更大的有線以太網(wǎng)日益受到重視之前，使用RS-232和RS-485運(yùn)行硬線是數(shù)十年來的最佳實(shí)踐。雖然無線連通性僅限于傳輸和分配空間中的故障監(jiān)控設(shè)備，但用于配電中資產(chǎn)監(jiān)控的低功率射頻(RF)的過渡才剛起步。

電網(wǎng)資產(chǎn)和監(jiān)控設(shè)備都在過去20至30年間建立。當(dāng)設(shè)備需要相互通信時(shí)，較舊的布線仍可提供可靠連接。雖然無線技術(shù)的集成成本可能更低，但當(dāng)它仍能工作時(shí)，更換已用幾十年的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施并不具有經(jīng)濟(jì)意義。最重要的是，安全性始終是任何無線技術(shù)的關(guān)注點(diǎn)。最終，它可能會(huì)換成更新的無線技術(shù)，但這些繼任者仍需要與已用數(shù)十年的設(shè)備進(jìn)行通信。

與美國(guó)高速公路一樣，底層有線電網(wǎng)可能會(huì)增加一個(gè)或兩個(gè)新的出口斜坡，但永遠(yuǎn)不會(huì)被完全替換。即使您要新建新的太陽能發(fā)電廠或采用最新無線連接技術(shù)的微電網(wǎng)，也仍需與數(shù)十年前的基礎(chǔ)設(shè)施互操作。舊設(shè)備只有在停止執(zhí)行其主要功能時(shí)才會(huì)被更換。

鑒于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)起源于歐洲，歐洲制造商在旗下設(shè)備銷售所涉足的歐洲國(guó)家和地區(qū)應(yīng)以IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)。盡管這種全球連通性標(biāo)準(zhǔn)影響了數(shù)據(jù)收集、管理和移動(dòng)等變電站設(shè)計(jì)，但仍存在不兼容性，因?yàn)殡娋W(wǎng)的添加物均基于可用技術(shù)的成熟度而設(shè)計(jì)。由于沒有強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，在城鎮(zhèn)老區(qū)建造的變電站可能很難收集資產(chǎn)的任何數(shù)據(jù)。隨著這些配電網(wǎng)的融合，它成為互操作性的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫B接每個(gè)變電站設(shè)備的底層基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)不同。

在同一線路上，雖然最老的變電站可能只有幾個(gè)斷路器、變壓器、調(diào)節(jié)器和其他保護(hù)和監(jiān)控設(shè)備，但引入新線路意味著增加新的斷路器和現(xiàn)代保護(hù)繼電器，與20年前投放的那些并用。

所有部件均可物盡其用，卻又各盡其能。這為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)連接電網(wǎng)創(chuàng)造了動(dòng)力和挑戰(zhàn)，可根據(jù)需要上下調(diào)整數(shù)據(jù)。

先進(jìn)的配電網(wǎng)是一種可在故障期間自我修復(fù)的電網(wǎng)。它實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)資產(chǎn)和終端設(shè)備之間的可擴(kuò)展性和互操作性。該電網(wǎng)使用雙向電力供電，理想情況是從盡可能多的可再生能源中供電。智能電網(wǎng)旨在克服傳統(tǒng)電網(wǎng)的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、分析、控制和通信，以幫助提高效率，降低能耗和成本，并最大限度地提高透明度和可靠性。 啟用物聯(lián)網(wǎng)的配電網(wǎng)通過集成更多超低功耗傳感器和無線通信節(jié)點(diǎn)，提供按需數(shù)據(jù)。

有線技術(shù)并無多大進(jìn)展，盡管不失功能性和可靠性，還是有質(zhì)疑聲傳來主張退用這種傳統(tǒng)技術(shù)，不過有線技術(shù)仍構(gòu)成現(xiàn)代智能電網(wǎng)的支柱。

有線技術(shù)的爭(zhēng)議和優(yōu)劣

硬連線的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施可以追溯到很久以前–可追溯到50年前。由于該基礎(chǔ)設(shè)施仍能工作，而且更好的替代解決方案品的成本投入過高，因此該基礎(chǔ)設(shè)施仍在繼續(xù)使用。

許多舊的通信協(xié)議、電路和布線仍然是當(dāng)今電網(wǎng)的一部分。穩(wěn)健的通用異步接收器發(fā)送器(UART)僅使用兩條線路在器件之間傳輸數(shù)據(jù)。RS-232協(xié)議可追溯到60年前，且曾經(jīng)是唯一可用的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。RS-232定義的電壓電平使其免受噪聲干擾并減少數(shù)據(jù)交換中的故障。它可在今天的大多數(shù)計(jì)算機(jī)中找到。

與此同時(shí)，RS-485是最通用的一種通信標(biāo)準(zhǔn)，廣泛用于多個(gè)節(jié)點(diǎn)相互通信的數(shù)據(jù)采集和控制應(yīng)用。與RS-232的單端信令不同，RS-485的差分信號(hào)對(duì)限制最大距離和通信速度的信號(hào)線噪聲不敏感。

用于現(xiàn)場(chǎng)總線通信的PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)可追溯到20世紀(jì)80年代中期，且仍是最流行的儀表連接技術(shù)之一。盡管它們已老化，但這些標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議仍然提供了一些優(yōu)點(diǎn)，部分原因在于它們的簡(jiǎn)易性和可靠性以及安全性：與現(xiàn)代以太網(wǎng)或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)不同，它們不易被黑客攻擊。若您只交換有限數(shù)量的數(shù)據(jù)，它們也極具成本效益。但當(dāng)您希望增加電網(wǎng)的靈活性和功能時(shí)，這可能是一個(gè)重要的限制因素。較慢的速度和較低的帶寬限制為支持每秒兆字節(jié)數(shù)據(jù)速率的以太網(wǎng)提供了機(jī)會(huì)。今天的以太網(wǎng)MAC和PHY接口支持雙端口，允許冗余、更高帶寬和速度，以及添加更多功能的能力。

TI有線技術(shù)的參考設(shè)計(jì)

德州儀器(TI)開發(fā)的參考設(shè)計(jì)不僅概述了如何以充分利用其固有優(yōu)勢(shì)的方式將特定通信技術(shù)編入電網(wǎng)設(shè)備，還概述了如何與其他技術(shù)(包括傳統(tǒng)協(xié)議)進(jìn)行通信。

TI有幾種參考設(shè)計(jì)可滿足RS-232和RS-485協(xié)議的要求。具有集成信號(hào)和電源的隔離式RS-232參考設(shè)計(jì) 可提供能夠產(chǎn)生隔離的直流電源的緊湊解決方案，同時(shí)支持隔離的RS-232通信。它由帶集成電源的增強(qiáng)型數(shù)字隔離器和RS-232通信收發(fā)器組成。

對(duì)于RS-485，TI有兩種參考設(shè)計(jì)。面向功能隔離型RS-485、CAN和I2C數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ拍K參考設(shè)計(jì)是一種低成本、高效率的通信模塊解決方案，專為工業(yè)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，包括需要隔離通信和隔離電源的儲(chǔ)能庫。這種設(shè)計(jì)適用于電網(wǎng)，部分原因是它經(jīng)過惡劣環(huán)境下強(qiáng)大數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y(cè)試。具有集成信號(hào)和電源的隔離式RS-485參考設(shè)計(jì) 可提供能夠產(chǎn)生隔離的直流電源的緊湊解決方案，同時(shí)支持隔離的RS-485通信。它由帶集成電源的增強(qiáng)型數(shù)字隔離器和RS-485通信收發(fā)器組成。

對(duì)于以太網(wǎng)，TI用于變電站自動(dòng)化高可用性無縫冗余(HRS)以太網(wǎng)參考設(shè)計(jì) 為智能電網(wǎng)傳輸和配電網(wǎng)中變電站自動(dòng)化設(shè)備的高可靠性、低延遲網(wǎng)絡(luò)通信提供了框架。它支持IEC 62439標(biāo)準(zhǔn)中的HSR規(guī)范和電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)1588標(biāo)準(zhǔn)中的精確時(shí)間協(xié)議規(guī)范，且可支持通用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，無需額外組件。

采用光纖或雙絞線接口、符合EMI/EMC標(biāo)準(zhǔn)的10/100Mbps以太網(wǎng)磚型模塊參考設(shè)計(jì) 無需為銅纜或光纖接口提供多個(gè)板卡。它采用小型低功耗10-/100-Mbps以太網(wǎng)收發(fā)器來減小電路板尺寸，實(shí)現(xiàn)成本優(yōu)化和可擴(kuò)展的解決方案，同時(shí)降低高溫環(huán)境下的功耗。當(dāng)然，以太網(wǎng)仍然具有舊布線的一些相同缺點(diǎn)。您還需將光纖埋入地下，就像銅纜一樣。挖電纜槽和鋪設(shè)地下光纖成本很高，這就是為何將包括Sub-1 GHz、Bluetooth?和Wi-Fi等無線技術(shù)的現(xiàn)代智能電網(wǎng)包括Sub-1 GHz、Bluetooth?和Wi-Fi等無線技術(shù)作為有線技術(shù)擴(kuò)展的原因。

圖3.用于保護(hù)和監(jiān)控交換機(jī)中器件的無線連接

無線技術(shù)的原理

無線通信為網(wǎng)絡(luò)增加了冗余和彈性。根據(jù)應(yīng)用，可使用藍(lán)牙低功耗、Sub-1 GHz和Wi-Fi等無線技術(shù)，在距離、帶寬、功耗和噪聲靈敏度之間進(jìn)行權(quán)衡。

電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)參考設(shè)計(jì)：使用Wi-Fi將斷路器和傳感器連接到其他設(shè)備 演示了如何設(shè)置Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸方案和最小化功耗。它集成了Wi-Fi功能，可通過TI的SimpleLink?CC3220無線MCU以及集成的網(wǎng)絡(luò)處理器和應(yīng)用處理器，增強(qiáng)電網(wǎng)設(shè)備的連接性，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)監(jiān)控。

若設(shè)備距離更遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸距離超過幾英里或幾公里，或者沒有Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，則可使用無線頻譜(Sub-1 GHz和2.4-GHz)。電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)參考設(shè)計(jì)：使用低于1GHz射頻連接故障指示燈、數(shù)據(jù)收集器和微型RTU在多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和收集器之間的星形網(wǎng)絡(luò)中提供Sub-1 GHz的無線通信。該設(shè)計(jì)采用架空故障通道指示器和數(shù)據(jù)采集器優(yōu)化低功耗和短距離。

這些無線技術(shù)為電網(wǎng)互操作性增加了極大的靈活性。它們可幫助從電網(wǎng)中按需收集大量數(shù)據(jù)，以更好地監(jiān)控資產(chǎn)的健康狀況。Wi-Fi、藍(lán)牙低功耗和Sub-1 GHz的頻率允許在智能電網(wǎng)中更快部署主要和輔助設(shè)備，而無需花費(fèi)使用以太網(wǎng)等現(xiàn)代有線技術(shù)所需的時(shí)間和費(fèi)用。

繪制無線智能電網(wǎng)的路徑

數(shù)字電網(wǎng)和啟用物聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)不可避免，但它們必須適應(yīng)傳統(tǒng)協(xié)議和現(xiàn)代有線技術(shù)。

現(xiàn)代技術(shù)將有助于更好地管理舊資產(chǎn)。無線傳感器將能夠監(jiān)控?cái)?shù)十年前的變壓器并進(jìn)行主動(dòng)變更，以管理其健康狀況。數(shù)據(jù)分析正在推動(dòng)更快地共享有關(guān)電網(wǎng)狀態(tài)的更多信息的需求。

由于傳統(tǒng)設(shè)備的保質(zhì)期長(zhǎng)，因此這將是一個(gè)漫長(zhǎng)的過渡期，且電網(wǎng)的性質(zhì)意味著各種功能組件的使用時(shí)間將跨越數(shù)十年。TI的參考設(shè)計(jì)和產(chǎn)品提供了一個(gè)管理過渡的框架。隨著時(shí)間的推移，更多的無線技術(shù)將取代硬連線的傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施。但今天的智能電網(wǎng)仍是需要統(tǒng)一和協(xié)調(diào)的新舊混合技術(shù)。