電網(wǎng)互操作性現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向

作者：德州儀器電網(wǎng)基礎設施系統(tǒng)經(jīng)理Amit Kumbasi

樹齡可以根據(jù)樹的年輪來推算。配電網(wǎng)的使用年限可以通過其最早安裝的組件來確定 ——可能有數(shù)十年之久。

事實上，許多電網(wǎng)組件的使用時長可以超過50年，其中一些起到關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)演化的一個關鍵挑戰(zhàn)是如何實現(xiàn)互操作性。如何在繼續(xù)向最新以太網(wǎng)技術過渡以及采用Sub-1 GHz、Bluetooth?和Wi-Fi?等無線技術的同時，結合采用RS-232和RS-485等成熟可靠的有線連接技術？隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）在電網(wǎng)領域的發(fā)展，建設智能電網(wǎng)所需的大多數(shù)有線和無線基礎技術已經(jīng)成熟。我們目前需要一個結合使用這些技術的框架體系。

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、保護和控制的技術拼湊而成。它們是累積實體，因為它們隨著時間推移而擴展以滿足需求。即使您使用現(xiàn)代連接技術，它們?nèi)匀槐仨毰c穩(wěn)健的傳統(tǒng)設備進行交互。

今天的大型電網(wǎng)與區(qū)域驗證的最佳實踐緊密結合。作為一種國際標準，國際電工委員會（IEC）61850試圖標準化變電站級智能電子器件的通信協(xié)議。隨著城鎮(zhèn)和城市的擴張，帶有輸電線路、配電線路和變電站的電網(wǎng)基礎設施不斷擴展，實現(xiàn)發(fā)電站與用電用戶之間的互聯(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，帶寬更大的有線以太網(wǎng)日益受到重視之前，使用RS-232和RS-485運行硬線是數(shù)十年來的最佳實踐。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)控設備都在過去20至30年間建立。當設備需要相互通信時，較舊的布線仍可提供可靠連接。雖然無線技術的集成成本可能更低，但當它仍能工作時，更換已用幾十年的整個網(wǎng)絡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線技術的關注點。最終，它可能會換成更新的無線技術，但這些繼任者仍需要與已用數(shù)十年的設備進行通信。

與美國高速公路一樣，底層有線電網(wǎng)可能會增加一個或兩個新的出口斜坡，但永遠不會被完全替換。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的微電網(wǎng)，也仍需與數(shù)十年前的基礎設施互操作。舊設備只有在停止執(zhí)行其主要功能時才會被更換。

鑒于IEC 61850標準起源于歐洲，歐洲制造商在旗下設備銷售所涉足的歐洲國家和地區(qū)應以IEC 61850標準為準。盡管這種全球連通性標準影響了數(shù)據(jù)收集、管理和移動等變電站設計，但仍存在不兼容性，因為電網(wǎng)的添加物均基于可用技術的成熟度而設計。

由于沒有強制標準，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)，因為連接每個變電站設備的底層基礎設施的設計不同。

在同一線路上，雖然最老的變電站可能只有幾個斷路器、變壓器、調(diào)節(jié)器和其他保護和監(jiān)控設備，但引入新線路意味著增加新的斷路器和現(xiàn)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。這為實現(xiàn)智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)連接電網(wǎng)創(chuàng)造了動力和挑戰(zhàn)，可根據(jù)需要上下調(diào)整數(shù)據(jù)。

先進的配電網(wǎng)是一種可在故障期間自我修復的電網(wǎng)。它實現(xiàn)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(tǒng)電網(wǎng)的挑戰(zhàn)，實現(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，提供按需數(shù)據(jù)。

有線技術并無多大進展，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，不過有線技術仍構成現(xiàn)代智能電網(wǎng)的支柱。

有線技術的爭議和優(yōu)劣

硬連線的電網(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高，因此該基礎設施仍在繼續(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)交換標準。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)計算機中找到。

與此同時，RS-485是最通用的一種通信標準，廣泛用于多個節(jié)點相互通信的數(shù)據(jù)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噪聲不敏感。

用于現(xiàn)場總線通信的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，部分原因在于它們的簡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。但當您希望增加電網(wǎng)的靈活性和功能時，這可能是一個重要的限制因素。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)提供了機會。

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有線技術的參考設計

德州儀器（TI）開發(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編入電網(wǎng)設備，還概述了如何與其他技術（包括傳統(tǒng)協(xié)議）進行通信。

TI有幾種參考設計可滿足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，同時支持隔離的RS-232通信。它由帶集成電源的增強型數(shù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ拍K參考設計 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)過惡劣環(huán)境下強大數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y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，同時支持隔離的RS-485通信。它由帶集成電源的增強型數(shù)字隔離器和RS-485通信收發(fā)器組成。

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

采用光纖或雙絞線接口、符合EMI/EMC標準的10/100 Mbps以太網(wǎng)磚型模塊參考設計 無需為銅纜或光纖接口提供多個板卡。

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，實現(xiàn)成本優(yōu)化和可擴展的解決方案，同時降低高溫環(huán)境下的功耗。當然，以太網(wǎng)仍然具有舊布線的一些相同缺點。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等無線技術的現(xiàn)代智能電網(wǎng)包括Sub-1 GHz、Bluetooth?和Wi-Fi等無線技術作為有線技術擴展的原因。

圖3.用于保護和監(jiān)控交換機中器件的無線連接

無線技術的原理

無線通信為網(wǎng)絡增加了冗余和彈性。根據(jù)應用，可使用藍牙低功耗、Sub-1 GHz和Wi-Fi等無線技術，在距離、帶寬、功耗和噪聲靈敏度之間進行權衡。

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、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)絡處理器和應用處理器，增強電網(wǎng)設備的連接性，實現(xiàn)資產(chǎn)監(jiān)控。

若設備距離更遠，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，則可使用無線頻譜（Sub-1 GHz和2.4-GHz）。

電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)參考設計：使用低于1 GHz 射頻連接故障指示燈、數(shù)據(jù)收集器和微型RTU 在多個傳感器節(jié)點和收集器之間的星形網(wǎng)絡中提供Sub-1 GHz的無線通信。該設計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，而無需花費使用以太網(wǎng)等現(xiàn)代有線技術所需的時間和費用。

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，但它們必須適應傳統(tǒng)協(xié)議和現(xiàn)代有線技術。

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

由于傳統(tǒng)設備的保質(zhì)期長，因此這將是一個漫長的過渡期，且電網(wǎng)的性質(zhì)意味著各種功能組件的使用時間將跨越數(shù)十年。TI的參考設計和產(chǎn)品提供了一個管理過渡的框架。隨著時間的推移，更多的無線技術將取代硬連線的傳統(tǒng)基礎設施。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。

審核編輯：何安