电网互操作性现状和未来发展方向

作者：德州仪器电网基础设施系统经理Amit Kumbasi

树龄可以根据树的年轮来推算。配电网的使用年限可以通过其最早安装的组件来确定 ——可能有数十年之久。

事实上，许多电网组件的使用时长可以超过50年，其中一些起到关键作用的原装部件甚至还能继续工作。基于“不要破坏现状”的理念，电网演化的一个关键挑战是如何实现互操作性。如何在继续向最新以太网技术过渡以及采用Sub-1 GHz、Bluetooth®和Wi-Fi®等无线技术的同时，结合采用RS-232和RS-485等成熟可靠的有线连接技术？随着物联网（IoT）在电网领域的发展，建设智能电网所需的大多数有线和无线基础技术已经成熟。我们目前需要一个结合使用这些技术的框架体系。

我们的现状和未来发展方向

如今，大多数配电网都由支持主要电网资产监控、保护和控制的技术拼凑而成。它们是累积实体，因为它们随着时间推移而扩展以满足需求。即使您使用现代连接技术，它们仍然必须与稳健的传统设备进行交互。

今天的大型电网与区域验证的最佳实践紧密结合。作为一种国际标准，国际电工委员会（IEC）61850试图标准化变电站级智能电子器件的通信协议。随着城镇和城市的扩张，带有输电线路、配电线路和变电站的电网基础设施不断扩展，实现发电站与用电用户之间的互联。变电站中的设备需要一种安全可靠的相互通信方法，以便在变电站之间交换保护和控制信息。

在20世纪90年代，带宽更大的有线以太网日益受到重视之前，使用RS-232和RS-485运行硬线是数十年来的最佳实践。虽然无线连通性仅限于传输和分配空间中的故障监控设备，但用于配电中资产监控的低功率射频（RF）的过渡才刚起步。

电网资产和监控设备都在过去20至30年间建立。当设备需要相互通信时，较旧的布线仍可提供可靠连接。虽然无线技术的集成成本可能更低，但当它仍能工作时，更换已用几十年的整个网络基础设施并不具有经济意义。最重要的是，安全性始终是任何无线技术的关注点。最终，它可能会换成更新的无线技术，但这些继任者仍需要与已用数十年的设备进行通信。

与美国高速公路一样，底层有线电网可能会增加一个或两个新的出口斜坡，但永远不会被完全替换。即使您要新建新的太阳能发电厂或采用最新无线连接技术的微电网，也仍需与数十年前的基础设施互操作。旧设备只有在停止执行其主要功能时才会被更换。

鉴于IEC 61850标准起源于欧洲，欧洲制造商在旗下设备销售所涉足的欧洲国家和地区应以IEC 61850标准为准。尽管这种全球连通性标准影响了数据收集、管理和移动等变电站设计，但仍存在不兼容性，因为电网的添加物均基于可用技术的成熟度而设计。

由于没有强制标准，在城镇老区建造的变电站可能很难收集资产的任何数据。随着这些配电网的融合，它成为互操作性的挑战，因为连接每个变电站设备的底层基础设施的设计不同。

在同一线路上，虽然最老的变电站可能只有几个断路器、变压器、调节器和其他保护和监控设备，但引入新线路意味着增加新的断路器和现代保护继电器，与20年前投放的那些并用。

所有部件均可物尽其用，却又各尽其能。这为实现智能电网和物联网连接电网创造了动力和挑战，可根据需要上下调整数据。

先进的配电网是一种可在故障期间自我修复的电网。它实现电网资产和终端设备之间的可扩展性和互操作性。该电网使用双向电力供电，理想情况是从尽可能多的可再生能源中供电。智能电网旨在克服传统电网的挑战，实现监控、分析、控制和通信，以帮助提高效率，降低能耗和成本，并最大限度地提高透明度和可靠性。

启用物联网的配电网通过集成更多超低功耗传感器和无线通信节点，提供按需数据。

有线技术并无多大进展，尽管不失功能性和可靠性，还是有质疑声传来主张退用这种传统技术，不过有线技术仍构成现代智能电网的支柱。

有线技术的争议和优劣

硬连线的电网基础设施可以追溯到很久以前 – 可追溯到50年前。由于该基础设施仍能工作，而且更好的替代解决方案品的成本投入过高，因此该基础设施仍在继续使用。

许多旧的通信协议、电路和布线仍然是当今电网的一部分。稳健的通用异步接收器发送器（UART）仅使用两条线路在器件之间传输数据。RS-232协议可追溯到60年前，且曾经是唯一可用的数据交换标准。RS-232定义的电压电平使其免受噪声干扰并减少数据交换中的故障。它可在今天的大多数计算机中找到。

与此同时，RS-485是最通用的一种通信标准，广泛用于多个节点相互通信的数据采集和控制应用。与RS-232的单端信令不同，RS-485的差分信号对限制最大距离和通信速度的信号线噪声不敏感。

用于现场总线通信的PROFIBUS标准可追溯到20世纪80年代中期，且仍是最流行的仪表连接技术之一。尽管它们已老化，但这些标准和协议仍然提供了一些优点，部分原因在于它们的简易性和可靠性以及安全性：与现代以太网或Wi-Fi网络不同，它们不易被黑客攻击。若您只交换有限数量的数据，它们也极具成本效益。但当您希望增加电网的灵活性和功能时，这可能是一个重要的限制因素。较慢的速度和较低的带宽限制为支持每秒兆字节数据速率的以太网提供了机会。

今天的以太网MAC和PHY接口支持双端口，允许冗余、更高带宽和速度，以及添加更多功能的能力。

TI有线技术的参考设计

德州仪器（TI）开发的参考设计不仅概述了如何以充分利用其固有优势的方式将特定通信技术编入电网设备，还概述了如何与其他技术（包括传统协议）进行通信。

TI有几种参考设计可满足RS-232和RS-485协议的要求。具有集成信号和电源的隔离式RS-232参考设计 可提供能够产生隔离的直流电源的紧凑解决方案，同时支持隔离的RS-232通信。它由带集成电源的增强型数字隔离器和RS-232通信收发器组成。

对于RS-485，TI有两种参考设计。面向功能隔离型RS-485、CAN和I2C数据传输的通信模块参考设计 是一种低成本、高效率的通信模块解决方案，专为工业系统而设计，包括需要隔离通信和隔离电源的储能库。这种设计适用于电网，部分原因是它经过恶劣环境下强大数据传输的测试。具有集成信号和电源的隔离式RS-485参考设计 可提供能够产生隔离的直流电源的紧凑解决方案，同时支持隔离的RS-485通信。它由带集成电源的增强型数字隔离器和RS-485通信收发器组成。

对于以太网，TI用于变电站自动化高可用性无缝冗余（HRS）以太网参考设计 为智能电网传输和配电网中变电站自动化设备的高可靠性、低延迟网络通信提供了框架。它支持IEC 62439标准中的HSR规范和电气和电子工程师协会（IEEE）1588标准中的精确时间协议规范，且可支持通用IEC 61850标准，无需额外组件。

采用光纤或双绞线接口、符合EMI/EMC标准的10/100 Mbps以太网砖型模块参考设计 无需为铜缆或光纤接口提供多个板卡。

它采用小型低功耗10-/100-Mbps以太网收发器来减小电路板尺寸，实现成本优化和可扩展的解决方案，同时降低高温环境下的功耗。当然，以太网仍然具有旧布线的一些相同缺点。您还需将光纤埋入地下，就像铜缆一样。挖电缆槽和铺设地下光纤成本很高，这就是为何将包括Sub-1 GHz、Bluetooth®和Wi-Fi等无线技术的现代智能电网包括Sub-1 GHz、Bluetooth®和Wi-Fi等无线技术作为有线技术扩展的原因。

图3.用于保护和监控交换机中器件的无线连接

无线技术的原理

无线通信为网络增加了冗余和弹性。根据应用，可使用蓝牙低功耗、Sub-1 GHz和Wi-Fi等无线技术，在距离、带宽、功耗和噪声灵敏度之间进行权衡。

电网物联网参考设计：使用Wi-Fi将断路器和传感器连接到其他设备 演示了如何设置Wi-Fi网络、数据传输方案和最小化功耗。它集成了Wi-Fi功能，可通过TI的SimpleLink™CC3220无线MCU以及集成的网络处理器和应用处理器，增强电网设备的连接性，实现资产监控。

若设备距离更远，数据传输距离超过几英里或几公里，或者没有Wi-Fi网络，则可使用无线频谱（Sub-1 GHz和2.4-GHz）。

电网物联网参考设计：使用低于1 GHz 射频连接故障指示灯、数据收集器和微型RTU 在多个传感器节点和收集器之间的星形网络中提供Sub-1 GHz的无线通信。该设计采用架空故障通道指示器和数据采集器优化低功耗和短距离。

这些无线技术为电网互操作性增加了极大的灵活性。它们可帮助从电网中按需收集大量数据，以更好地监控资产的健康状况。Wi-Fi、蓝牙低功耗和Sub-1 GHz的频率允许在智能电网中更快部署主要和辅助设备，而无需花费使用以太网等现代有线技术所需的时间和费用。

绘制无线智能电网的路径

数字电网和启用物联网的电网不可避免，但它们必须适应传统协议和现代有线技术。

现代技术将有助于更好地管理旧资产。无线传感器将能够监控数十年前的变压器并进行主动变更，以管理其健康状况。数据分析正在推动更快地共享有关电网状态的更多信息的需求。

由于传统设备的保质期长，因此这将是一个漫长的过渡期，且电网的性质意味着各种功能组件的使用时间将跨越数十年。TI的参考设计和产品提供了一个管理过渡的框架。随着时间的推移，更多的无线技术将取代硬连线的传统基础设施。但今天的智能电网仍是需要统一和协调的新旧混合技术。

审核编辑：何安