作者：德州儀器電網基礎設施系統經理Amit Kumbasi

樹齡可以根據樹的年輪來推算。配電網的使用年限可以通過其最早安裝的組件來確定 ——可能有數十年之久。

事實上，許多電網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工作。基于“不要破壞現狀”的理念，電網演化的一個關鍵挑戰是如何實現互操作性。如何在繼續向最新以太網技術過渡以及采用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？隨著物聯網（IoT）在電網領域的發展，建設智能電網所需的大多數有線和無線基礎技術已經成熟。我們目前需要一個結合使用這些技術的框架體系。

我們的現狀和未來發展方向

如今，大多數配電網都由支持主要電網資產監控、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。即使您使用現代連接技術，它們仍然必須與穩健的傳統設備進行交互。

今天的大型電網與區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議。隨著城鎮和城市的擴張，帶有輸電線路、配電線路和變電站的電網基礎設施不斷擴展，實現發電站與用電用戶之間的互聯。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日益受到重視之前，使用RS-232和RS-485運行硬線是數十年來的最佳實踐。雖然無線連通性僅限于傳輸和分配空間中的故障監控設備，但用于配電中資產監控的低功率射頻（RF）的過渡才剛起步。

電網資產和監控設備都在過去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絡基礎設施并不具有經濟意義。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十年的設備進行通信。

與美國高速公路一樣，底層有線電網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電廠或采用最新無線連接技術的微電網，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、管理和移動等變電站設計，但仍存在不兼容性，因為電網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，在城鎮老區建造的變電站可能很難收集資產的任何數據。隨著這些配電網的融合，它成為互操作性的挑戰，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、調節器和其他保護和監控設備，但引入新線路意味著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。這為實現智能電網和物聯網連接電網創造了動力和挑戰，可根據需要上下調整數據。

先進的配電網是一種可在故障期間自我修復的電網。它實現電網資產和終端設備之間的可擴展性和互操作性。該電網使用雙向電力供電，理想情況是從盡可能多的可再生能源中供電。智能電網旨在克服傳統電網的挑戰，實現監控、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。

啟用物聯網的配電網通過集成更多超低功耗傳感器和無線通信節點，提供按需數據。

有線技術并無多大進展，盡管不失功能性和可靠性，還是有質疑聲傳來主張退用這種傳統技術，不過有線技術仍構成現代智能電網的支柱。

有線技術的爭議和優劣

硬連線的電網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使用。

許多舊的通信協議、電路和布線仍然是當今電網的一部分。穩健的通用異步接收器發送器（UART）僅使用兩條線路在器件之間傳輸數據。RS-232協議可追溯到60年前，且曾經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，RS-485是最通用的一種通信標準，廣泛用于多個節點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噪聲不敏感。

用于現場總線通信的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，但這些標準和協議仍然提供了一些優點，部分原因在于它們的簡易性和可靠性以及安全性：與現代以太網或Wi-Fi網絡不同，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數據速率的以太網提供了機會。

今天的以太網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）開發的參考設計不僅概述了如何以充分利用其固有優勢的方式將特定通信技術編入電網設備，還概述了如何與其他技術（包括傳統協議）進行通信。

TI有幾種參考設計可滿足RS-232和RS-485協議的要求。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字隔離器和RS-232通信收發器組成。

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，專為工業系統而設計，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，部分原因是它經過惡劣環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字隔離器和RS-485通信收發器組成。

對于以太網，TI用于變電站自動化高可用性無縫冗余（HRS）以太網參考設計 為智能電網傳輸和配電網中變電站自動化設備的高可靠性、低延遲網絡通信提供了框架。它支持IEC 62439標準中的HSR規范和電氣和電子工程師協會（IEEE）1588標準中的精確時間協議規范，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以太網收發器來減小電路板尺寸，實現成本優化和可擴展的解決方案，同時降低高溫環境下的功耗。當然，以太網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等無線技術的現代智能電網包括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

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

電網物聯網參考設計：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網絡、數據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以及集成的網絡處理器和應用處理器，增強電網設備的連接性，實現資產監控。

若設備距離更遠，數據傳輸距離超過幾英里或幾公里，或者沒有Wi-Fi網絡，則可使用無線頻譜（Sub-1 GHz和2.4-GHz）。

電網物聯網參考設計：使用低于1 GHz 射頻連接故障指示燈、數據收集器和微型RTU 在多個傳感器節點和收集器之間的星形網絡中提供Sub-1 GHz的無線通信。該設計采用架空故障通道指示器和數據采集器優化低功耗和短距離。

這些無線技術為電網互操作性增加了極大的靈活性。它們可幫助從電網中按需收集大量數據，以更好地監控資產的健康狀況。Wi-Fi、藍牙低功耗和Sub-1 GHz的頻率允許在智能電網中更快部署主要和輔助設備，而無需花費使用以太網等現代有線技術所需的時間和費用。

繪制無線智能電網的路徑

數字電網和啟用物聯網的電網不可避免，但它們必須適應傳統協議和現代有線技術。

現代技術將有助于更好地管理舊資產。無線傳感器將能夠監控數十年前的變壓器并進行主動變更，以管理其健康狀況。數據分析正在推動更快地共享有關電網狀態的更多信息的需求。

由于傳統設備的保質期長，因此這將是一個漫長的過渡期，且電網的性質意味著各種功能組件的使用時間將跨越數十年。TI的參考設計和產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基礎設施。但今天的智能電網仍是需要統一和協調的新舊混合技術。

審核編輯：何安