傳統上，電網由獨立工作的設備組成；維護通常使用手工填寫的檢查報告。隨著保護繼電器，斷路器和智能電表等設備的數字化，使用控制電纜共享設備狀態和故障以及控制數據有助于優化設備的效率。

盡管串行通信（例如RS－232，RS－485和控制器局域網）仍然很流行，但在本文中，我將解釋向以太網遷移的挑戰，以及以太網與數字電網相結合的解決方案。

與傳統的電網不同，數字變電站可將所有的數據立即數字化，并通過以太網電纜將數據發送到智能電子設備中。以太網連接提供了一個簡單而靈活的解決方案，可以提供標準化和互操作性，從而在變電站之間形成一個統一的通信平臺。

以太網連接有兩種形式，銅線電纜使用非屏蔽雙絞線電纜用于低速數據傳輸和較短的距離（＜100 m）。光纖連接則用于在更長的距離上提供更高的數據速率（每秒千兆比特），更好的抗干擾性，因為它是非導電的，因此也降低了觸電的風險，據估計，與銅相比，它可以幫助降低多達60％的成本布線。盡管數字電網的以太網連接具有其優勢，但確實帶來了挑戰。

電磁干擾／電磁干擾

有線連接的主要挑戰是在工業嘈雜的環境中獲取可靠的數據，由于電磁干擾（EMI），高溫，噪聲和雜散磁場，在這種環境中數據損壞的可能性更高。

如TI的符合EMI ／ EMC的具有光纖或雙絞線接口參考的10／100 Mbps以太網模塊參考設計所示，DP83822以太網物理層可在惡劣的工業環境中提供更高的抗干擾性，從而為電氣電子工程師協會（IEEE）提供了802．3u——兼容的100BASE－FX，100BASE－TX和10BASE－Te解決方案，適用于10／100Mbps銅纜或100Mbps光纖接口。該參考設計符合歐洲標準（EN）55011 B級EMI要求，并且滿足國際電工委員會（IEC）61000－4－2 4級靜電防護（ESD）的要求，可為工業環境提供合規性并為設備制造商提供更快的認證過程。TI的DP83822（10／100 Mbps）和DP83867IR（10／100／1000 Mbps）以太網收發器可在惡劣的工業環境中提供高抗擾性接口，同時功耗也較低。光纖接口的功能框圖如圖1所示。

圖1：具有光纖接口的以太網模塊框圖

IEEE 1588時間戳

在故障后和實時分析中，時序在傳輸低延遲控制信號或數據方面都起著至關重要的作用。時間戳可以提高故障診斷的準確性，并有助于電網運營商進行決策，從而有助于減少停機時間。

具有IEEE 1588精確時間協議（PTP）收發器的10／100 Mbps工業以太網模塊參考設計為銅 纜和光纖通信接口以及時間同步提供了一種小型，單芯片解決方案。該設計演示了基于IEEE 1588的DP83630的時鐘同步，還支持時鐘生成，用于時鐘同步的數據包時間戳，以及通過通用輸入／輸出的事件觸發的時間戳。

接口轉換器

確保不同通信接口（例如傳統串行）和基于銅纜或光纖的以太網之間的設備互操作性是另一個挑戰，接口轉換器使具有傳統通信接口的舊式變電站可以使用高級傳統產品。

基于32位Arm Cortex－M4F MCU的小尺寸串行以太網轉換器參考設計展示了支持10／100 Base－T的串行以太網轉換器的實現，該轉換器符合IEEE 802．3標準。通過提供可靠的數據通信，有助于克服串行接口上的電纜長度限制。另一個互操作性是銅纜和光纖電纜連接之間的兼容性，可以使用用于變電站和配電自動化的以太網銅纜到光纖媒體轉換器參考設計來實現，如圖2所示。

圖2：基于DP83849的銅光纖轉換器框圖

HSR ／ PRP冗余

變電站（尤其是操作員的控制中心和高價值節點之間）的數據通信可靠性至關重要。數據需要以低延遲進行通信，對于工業以太網通信，常用的IEC 62439標準提供了協議規范，例如高可用性無縫冗余（HSR）和并行冗余協議（PRP），這些協議支持變電站中的關鍵實時系統。

為促進關鍵路徑的低延遲高可靠性網絡通信，用于變電站自動化的高可用性無縫冗余（HSR）以太網參考設計，和用于變電站自動化的并行冗余協議（PRP）以太網參考設計均支持IEC 62439標準，包括TI提供的操作系統以及Linux操作系統等。

結論

TI的芯片和參考設計提供了經過優化和簡化的資源，可幫助有線連接實現向數字電網的過渡，由于這些設計符合合規性要求和行業標準，因此它們還有助于縮短設計和認證周期，從而有助于提高投資回報率。