克服数字电网中的以太网连接挑战

传统上，电网由独立工作的设备组成；维护通常使用手工填写的检查报告。随着保护继电器，断路器和智能电表等设备的数字化，使用控制电缆共享设备状态和故障以及控制数据有助于优化设备的效率。

尽管串行通信（例如RS-232，RS-485和控制器局域网）仍然很流行，但在本文中，我将解释向以太网迁移的挑战，以及以太网与数字电网相结合的解决方案。

与传统的电网不同，数字变电站可将所有的数据立即数字化，并通过以太网电缆将数据发送到智能电子设备中。以太网连接提供了一个简单而灵活的解决方案，可以提供标准化和互操作性，从而在变电站之间形成一个统一的通信平台。

以太网连接有两种形式，铜线电缆使用非屏蔽双绞线电缆用于低速数据传输和较短的距离（<100 m）。光纤连接则用于在更长的距离上提供更高的数据速率（每秒千兆比特），更好的抗干扰性，因为它是非导电的，因此也降低了触电的风险，据估计，与铜相比，它可以帮助降低多达60％的成本布线。尽管数字电网的以太网连接具有其优势，但确实带来了挑战。

电磁干扰/电磁干扰

有线连接的主要挑战是在工业嘈杂的环境中获取可靠的数据，由于电磁干扰（EMI），高温，噪声和杂散磁场，在这种环境中数据损坏的可能性更高。

如TI的符合EMI / EMC的具有光纤或双绞线接口参考的10/100 Mbps以太网模块参考设计所示，DP83822以太网物理层可在恶劣的工业环境中提供更高的抗干扰性，从而为电气电子工程师协会（IEEE）提供了802.3u——兼容的100BASE-FX，100BASE-TX和10BASE-Te解决方案，适用于10/100Mbps铜缆或100Mbps光纤接口。该参考设计符合欧洲标准（EN）55011 B级EMI要求，并且满足国际电工委员会（IEC）61000-4-2 4级静电防护（ESD）的要求，可为工业环境提供合规性并为设备制造商提供更快的认证过程。TI的DP83822（10/100 Mbps）和DP83867IR（10/100/1000 Mbps）以太网收发器可在恶劣的工业环境中提供高抗扰性接口，同时功耗也较低。光纤接口的功能框图如图1所示。

图1：具有光纤接口的以太网模块框图

IEEE 1588时间戳

在故障后和实时分析中，时序在传输低延迟控制信号或数据方面都起着至关重要的作用。时间戳可以提高故障诊断的准确性，并有助于电网运营商进行决策，从而有助于减少停机时间。

具有IEEE 1588精确时间协议（PTP）收发器的10/100 Mbps工业以太网模块参考设计为铜缆和光纤通信接口以及时间同步提供了一种小型，单芯片解决方案。该设计演示了基于IEEE 1588的DP83630的时钟同步，还支持时钟生成，用于时钟同步的数据包时间戳，以及通过通用输入/输出的事件触发的时间戳。

接口转换器

确保不同通信接口（例如传统串行）和基于铜缆或光纤的以太网之间的设备互操作性是另一个挑战，接口转换器使具有传统通信接口的旧式变电站可以使用高级传统产品。

基于32位Arm Cortex-M4F MCU的小尺寸串行以太网转换器参考设计展示了支持10/100 Base-T的串行以太网转换器的实现，该转换器符合IEEE 802.3标准。通过提供可靠的数据通信，有助于克服串行接口上的电缆长度限制。另一个互操作性是铜缆和光纤电缆连接之间的兼容性，可以使用用于变电站和配电自动化的以太网铜缆到光纤媒体转换器参考设计来实现，如图2所示。

图2：基于DP83849的铜光纤转换器框图

HSR / PRP冗余

变电站（尤其是操作员的控制中心和高价值节点之间）的数据通信可靠性至关重要。数据需要以低延迟进行通信，对于工业以太网通信，常用的IEC 62439标准提供了协议规范，例如高可用性无缝冗余（HSR）和并行冗余协议（PRP），这些协议支持变电站中的关键实时系统。

为促进关键路径的低延迟高可靠性网络通信，用于变电站自动化的高可用性无缝冗余（HSR）以太网参考设计，和用于变电站自动化的并行冗余协议（PRP）以太网参考设计均支持IEC 62439标准，包括TI提供的操作系统以及Linux操作系统等。

结论

TI的芯片和参考设计提供了经过优化和简化的资源，可帮助有线连接实现向数字电网的过渡，由于这些设计符合合规性要求和行业标准，因此它们还有助于缩短设计和认证周期，从而有助于提高投资回报率。