結合利用有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)技術(shù)，實(shí)現電網(wǎng)互操作性

樹(shù)齡可以根據樹(shù)的年輪來(lái)推算。配電網(wǎng)的使用年限可以通過(guò)其最早安裝的組件來(lái)確定 - 可能有數十年之久。

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

我們的現狀和未來(lái)發(fā)展方向

如今，大多數配電網(wǎng)都由支持主要電網(wǎng)資產(chǎn)監控、保護和控制的技術(shù)拼湊而成。它們是累積實(shí)體，因為它們隨著(zhù)時(shí)間推移而擴展以滿(mǎn)足需求。即使您使用現代連接技術(shù)，它們仍然必須與穩健的傳統設備進(jìn)行交互。

今天的大型電網(wǎng)與區域驗證的最佳實(shí)踐緊密結合。作為一種國際標準，國際電工委員會(huì )（IEC）61850試圖標準化變電站級智能電子器件的通信協(xié)議。隨著(zhù)城鎮和城市的擴張，帶有輸電線(xiàn)路、配電線(xiàn)路和變電站的電網(wǎng)基礎設施不斷擴展，實(shí)現發(fā)電站與用電用戶(hù)之間的互聯(lián)。變電站中的設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和控制信息。 在20世紀90年代，帶寬更大的有線(xiàn)以太網(wǎng)日益受到重視之前，使用RS-232和RS-485運行硬線(xiàn)是數十年來(lái)的最佳實(shí)踐。雖然無(wú)線(xiàn)連通性?xún)H限于傳輸和分配空間中的故障監控設備，但用于配電中資產(chǎn)監控的低功率射頻（RF）的過(guò)渡才剛起步。

電網(wǎng)資產(chǎn)和監控設備都在過(guò)去20至30年間建立。當設備需要相互通信時(shí)，較舊的布線(xiàn)仍可提供可靠連接。雖然無(wú)線(xiàn)技術(shù)的集成成本可能更低，但當它仍能工作時(shí)，更換已用幾十年的整個(gè)網(wǎng)絡(luò )基礎設施并不具有經(jīng)濟意義。最重要的是，安全性始終是任何無(wú)線(xiàn)技術(shù)的關(guān)注點(diǎn)。最終，它可能會(huì )換成更新的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，但這些繼任者仍需要與已用數十年的設備進(jìn)行通信。

與美國高速公路一樣，底層有線(xiàn)電網(wǎng)可能會(huì )增加一個(gè)或兩個(gè)新的出口斜坡，但永遠不會(huì )被完全替換。即使您要新建新的太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)或采用最新無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)的微電網(wǎng)，也仍需與數十年前的基礎設施互操作。舊設備只有在停止執行其主要功能時(shí)才會(huì )被更換。

鑒于IEC 61850標準起源于歐洲，歐洲制造商在旗下設備銷(xiāo)售所涉足的歐洲國家和地區應以IEC 61850標準為準。盡管這種全球連通性標準影響了數據收集、管理和移動(dòng)等變電站設計，但仍存在不兼容性，因為電網(wǎng)的添加物均基于可用技術(shù)的成熟度而設計。 由于沒(méi)有強制標準，在城鎮老區建造的變電站可能很難收集資產(chǎn)的任何數據。隨著(zhù)這些配電網(wǎng)的融合，它成為互操作性的挑戰，因為連接每個(gè)變電站設備的底層基礎設施的設計不同。

在同一線(xiàn)路上，雖然最老的變電站可能只有幾個(gè)斷路器、變壓器、調節器和其他保護和監控設備，但引入新線(xiàn)路意味著(zhù)增加新的斷路器和現代保護繼電器，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，可根據需要上下調整數據。

先進(jìn)的配電網(wǎng)是一種可在故障期間自我修復的電網(wǎng)。它實(shí)現電網(wǎng)資產(chǎn)和終端設備之間的可擴展性和互操作性。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)旨在克服傳統電網(wǎng)的挑戰，實(shí)現監控、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(guò)集成更多超低功耗傳感器和無(wú)線(xiàn)通信節點(diǎn)，提供按需數據。

有線(xiàn)技術(shù)并無(wú)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(lái)主張退用這種傳統技術(shù)，不過(guò)有線(xiàn)技術(shù)仍構成現代智能電網(wǎng)的支柱。

有線(xiàn)技術(shù)的爭議和優(yōu)劣

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

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

與此同時(shí)，RS-485是最通用的一種通信標準，廣泛用于多個(gè)節點(diǎn)相互通信的數據采集和控制應用。與RS-232的單端信令不同，RS-485的差分信號對限制最大距離和通信速度的信號線(xiàn)噪聲不敏感。

用于現場(chǎng)總線(xiàn)通信的PROFIBUS標準可追溯到20世紀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，但這些標準和協(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。若您只交換有限數量的數據，它們也極具成本效益。但當您希望增加電網(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數據速率的以太網(wǎng)提供了機會(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(xiàn)技術(shù)的參考設計

德州儀器（TI）開(kāi)發(fā)的參考設計不僅概述了如何以充分利用其固有優(yōu)勢的方式將特定通信技術(shù)編入電網(wǎng)設備，還概述了如何與其他技術(shù)（包括傳統協(xié)議）進(jìn)行通信。 

TI有幾種參考設計可滿(mǎn)足RS-232和RS-485協(xié)議的要求。具有集成信號和電源的隔離式RS-232參考設計 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型數字隔離器和RS-232通信收發(fā)器組成。

對于RS-485，TI有兩種參考設計。面向功能隔離型RS-485、CAN和I2C數據傳輸的通信模塊參考設計 是一種低成本、高效率的通信模塊解決方案，專(zhuān)為工業(yè)系統而設計，包括需要隔離通信和隔離電源的儲能庫。這種設計適用于電網(wǎng)，部分原因是它經(jīng)過(guò)惡劣環(huán)境下強大數據傳輸的測試。具有集成信號和電源的隔離式RS-485參考設計 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型數字隔離器和RS-485通信收發(fā)器組成。

對于以太網(wǎng)，TI用于變電站自動(dòng)化高可用性無(wú)縫冗余（HRS）以太網(wǎng)參考設計 為智能電網(wǎng)傳輸和配電網(wǎng)中變電站自動(dòng)化設備的高可靠性、低延遲網(wǎng)絡(luò )通信提供了框架。它支持IEC 62439標準中的HSR規范和電氣和電子工程師協(xié)會(huì )（IEEE）1588標準中的精確時(shí)間協(xié)議規范，且可支持通用IEC 61850標準，無(wú)需額外組件。 

采用光纖或雙絞線(xiàn)接口、符合EMI/EMC標準的10/100 Mbps以太網(wǎng)磚型模塊參考設計 無(wú)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(lái)減小電路板尺寸，實(shí)現成本優(yōu)化和可擴展的解決方案，同時(shí)降低高溫環(huán)境下的功耗。當然，以太網(wǎng)仍然具有舊布線(xiàn)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(wú)線(xiàn)技術(shù)的現代智能電網(wǎng)包括Sub-1 GHz、Bluetooth?和Wi-Fi等無(wú)線(xiàn)技術(shù)作為有線(xiàn)技術(shù)擴展的原因。

圖3.用于保護和監控交換機中器件的無(wú)線(xiàn)連接

無(wú)線(xiàn)技術(shù)的原理

無(wú)線(xiàn)通信為網(wǎng)絡(luò )增加了冗余和彈性。根據應用，可使用藍牙低功耗、Sub-1 GHz和Wi-Fi等無(wú)線(xiàn)技術(shù)，在距離、帶寬、功耗和噪聲靈敏度之間進(jìn)行權衡。

電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)參考設計：使用Wi-Fi將斷路器和傳感器連接到其他設備 演示了如何設置Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )、數據傳輸方案和最小化功耗。它集成了Wi-Fi功能，可通過(guò)TI的SimpleLink?CC3220無(wú)線(xiàn)MCU以及集成的網(wǎng)絡(luò )處理器和應用處理器，增強電網(wǎng)設備的連接性，實(shí)現資產(chǎn)監控。

若設備距離更遠，數據傳輸距離超過(guò)幾英里或幾公里，或者沒(méi)有Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )，則可使用無(wú)線(xiàn)頻譜（Sub-1 GHz和2.4-GHz）。 電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)參考設計：使用低于1 GHz 射頻連接故障指示燈、數據收集器和微型RTU 在多個(gè)傳感器節點(diǎn)和收集器之間的星形網(wǎng)絡(luò )中提供Sub-1 GHz的無(wú)線(xiàn)通信。該設計采用架空故障通道指示器和數據采集器優(yōu)化低功耗和短距離。

這些無(wú)線(xiàn)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)中按需收集大量數據，以更好地監控資產(chǎn)的健康狀況。Wi-Fi、藍牙低功耗和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備，而無(wú)需花費使用以太網(wǎng)等現代有線(xiàn)技術(shù)所需的時(shí)間和費用。

繪制無(wú)線(xiàn)智能電網(wǎng)的路徑

數字電網(wǎng)和啟用物聯(lián)網(wǎng)的電網(wǎng)不可避免，但它們必須適應傳統協(xié)議和現代有線(xiàn)技術(shù)。

現代技術(shù)將有助于更好地管理舊資產(chǎn)。無(wú)線(xiàn)傳感器將能夠監控數十年前的變壓器并進(jìn)行主動(dòng)變更，以管理其健康狀況。數據分析正在推動(dòng)更快地共享有關(guān)電網(wǎng)狀態(tài)的更多信息的需求。

由于傳統設備的保質(zhì)期長(cháng)，因此這將是一個(gè)漫長(cháng)的過(guò)渡期，且電網(wǎng)的性質(zhì)意味著(zhù)各種功能組件的使用時(shí)間將跨越數十年。TI的參考設計和產(chǎn)品提供了一個(gè)管理過(guò)渡的框架。隨著(zhù)時(shí)間的推移，更多的無(wú)線(xiàn)技術(shù)將取代硬連線(xiàn)的傳統基礎設施。但今天的智能電網(wǎng)仍是需要統一和協(xié)調的新舊混合技術(shù)。