电网的实时数据、监测和控制

由于电网持续快速转型，电力公司在其业务的关键方面面临着重大挑战。

通常，城市电网采用架空输电线路进行配电。这种系统将被地下埋设的电力输电管道所取代，因为大城市中已没有足够的空间用于架空线路，而且人们不喜欢在住宅上方或前方看到电线。

过去，电力公司使用相当简单的方法来检查架空线路故障：派遣维修车沿输电线行驶，以发现断线、树枝悬在电线上或电线上积雪过多等问题。在所有这些情况下，导致停电的原因都比较明显。但是，电网现代化实现了实时通信、测量和监控，让我们能够在无法看到地下故障的情况下快速响应和修复故障。

在连接公用电网系统方面，实时数据管理的使用变得比以往任何时候都更加重要。其目标是将数据交到能够充分利用它的人手中。现代移动设备是一个现成的数据传输和控制平台，既可用于智能电网，也可用于包含太阳能光伏面板的多种能源的微电网。Wi-Fi® 和 Bluetooth® 是无线电网连接的明显方法；如有必要，还可再选择中间网关。TI 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专为智能电网中的实时资产监控而设计。该参考设计的主要优势包括：

• 实时监控资产运行状况（通过 Wi-Fi® 通信监测电流、电压和温度水平）。
• 为关键应用添加冗余、可变数据速率传输功能。
• 作为变电站内有线通信的备用方案。
• 缩短故障检测响应时间。
• 减少停电时间。

该参考设计展示了集成 Wi-Fi 如何为需要高数据速率和高带宽的变电站设备和住宅断路器提供可行的解决方案。当需要以低功耗远距离传输数据来实现变电站和配电自动化时，Sub-1GHz 连接是另一种适用的无线技术，特别是在多个节点（如故障指示灯）需要将数据传输到一个数据收集器以形成星形网络时，该技术非常有用。这两种技术都可通过基于基础 SimpleLink 软件开发套件的 SimpleLink™ 系列无线 MCU 获得，从而促进 100% 代码重用和多种无线连接技术之间的无缝转换。

电网物联网参考设计：使用 Sub-1GHz 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（本例中为故障信息指示灯 [FPI]）和使用 TI 15.4 Stack 的收集器之间的星型网络中采用 Sub-1GHz 无线通信。此设计使用高架 FPI 和配电自动化中的数据收集器作为应用场景，针对近距离（小于 50m）低功耗进行了优化。

它还采用了 TI SimpleLink 系列中的 CC1310，该系列整合了 Sub-1GHz 射频 (RF) 收发器和 Arm®Cortex®-M3 MCU。TI 15.4 Stack 配置美国、欧洲电信标准协会和中国频段的信标模式通信。通过优化发射功率电平（0dBm 至 +10dBm）和信标间隔（0.3s 至 5s），电流消耗数据可用于 1 至 300 字节 50kbps 数据速率的单个数据包数据传输。

随着风力涡轮机和太阳能电池板产生的可再生能源通过多个馈入点接入电网点，配电变得更为复杂。为了应对这一挑战，电网需要提高自动化程度，实现远程测量、服务和维修，并提供实时监控和高可靠性。在这种复杂的智能电网中，网络冗余至关重要。通过重复部署关键组件或功能，系统可以在出现故障时继续运行，从而减少网络停机时间，防止财产损失和人员伤亡。此外，网络冗余还可以使工作人员在维护电网的某些部分时不会中断电力输送。

以太网技术在电网管理中广受欢迎，并且因其基于国际电工委员会 (IEC) 61850 以太网标准，因此易于获取。冗余协议是提高可靠性并实现以太网作为智能电网管理网络的关键。IEC 62439-3 定义了两种架构，即并行冗余协议 (PRP) 和高可用性无缝冗余 (HSR)，可在有线以太网上实现零丢失冗余。基于 ARM 的处理器和 MCU 集成了对这些协议及相关直通交换的支持。在 PRP 架构中，每个节点连接到两个独立的并行局域网 (LAN)。

源节点会针对每个数据包发送两个副本，每个接口分别发送一个副本。目标节点接收帧并仅接受第一个副本，而将第二个帧丢弃。只要两个网络中的任何一个正常工作，目标节点始终会接收到至少一个数据包，实现零停机时间。HSR 环形架构提供与 PRP 架构相同级别的冗余，不过使用的是环形拓扑而不是两个 LAN。