關(guān)于集成電路在電力通信網(wǎng)中的應(yīng)用思考

蘇章偉

【摘要】 電網(wǎng)安全與電能質(zhì)量的保障必然要依靠集成通信電路的發(fā)展，本文主要對于集成電路在電力通信網(wǎng)應(yīng)用進行重點探討，從三個層次進行論述，指出各層典型的集成電路各自特點和優(yōu)勢，并進行相關(guān)的總結(jié)和對此，最后指出電力通信用集成電路的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】 智能電網(wǎng) 電力通信網(wǎng) 集成電路 通信

一、引言

目前，堅強智能電網(wǎng)則是我國全面電網(wǎng)建設(shè)的目標(biāo)，其通信系統(tǒng)的特點則是體現(xiàn)出實時性、雙向性、高速性和集成性。在柔性電力體系、雙向通信系統(tǒng)中，能夠保證電網(wǎng)安全，有效提高電能質(zhì)量，具體實現(xiàn)相關(guān)的電路拓撲管理、受擾后電路自動重配、故障定位以及電網(wǎng)系統(tǒng)的負荷評估等功能。但是通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中發(fā)展十分迅速，包括多種技術(shù)，主要有無線通信、電力線載波通信、光纖覆蓋技術(shù)、RS485總線技術(shù)等。不同技術(shù)都有著自己不同的特點，在鏈路及終端價格、通信距離、帶寬、保密性等各個方面都有各自優(yōu)勢，為了滿足未來電力通信網(wǎng)的靈活、高速特點，必然根據(jù)系統(tǒng)需求進行相關(guān)的綜合通信技術(shù)發(fā)展。文主要針對集成電路在電力通信網(wǎng)中的應(yīng)用進行具體分析和討論。

二、集成電路在電力通信網(wǎng)應(yīng)用分析

電力通信網(wǎng)中的通信系統(tǒng)經(jīng)過分析，一般在邏輯上可以簡單分為三層，即物理與網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。不同的集成電路都在每一層相對應(yīng)的使用，同時，這樣多層協(xié)議也集成在集成電路中。在物理層中，主要包括數(shù)據(jù)的打包、翻譯網(wǎng)絡(luò)地址到對應(yīng)的物理地址，可靠性傳遞數(shù)據(jù)、物理連網(wǎng)媒介；在傳輸層中，則主要負責(zé)數(shù)據(jù)的加密、解密等、相關(guān)的數(shù)據(jù)安全等方面；在應(yīng)用層中，主要負責(zé)格式化在網(wǎng)絡(luò)能理解的方案下的數(shù)據(jù)，并且能夠根據(jù)要求的網(wǎng)絡(luò)類型的不同而進行不同類型你給的格式化處理。

2.1 物理與網(wǎng)絡(luò)層

（1）RS-485。在機電一體化產(chǎn)品、多媒體網(wǎng)絡(luò)、儀表、儀器以及其他工業(yè)控制中，已經(jīng)廣泛應(yīng)用相應(yīng)的RS-485接口芯片。在飛速的智能電網(wǎng)發(fā)展過程中，聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)和控制信息的交換成為一種必然，這在繼電保護設(shè)備、電網(wǎng)一次設(shè)備等各種電力設(shè)備中更是基本要求。其中，聯(lián)網(wǎng)功能并不能在RS-232芯片中實現(xiàn)，這是因為其是點對點的通信方式。而對于RS-485接口芯片來說，則不存在這個問題，能夠在不同場合選擇不同的功能要求的RS-485接口的芯片來使用，完全能夠滿足電力設(shè)備的通信要求。通過應(yīng)用RS-485接口芯片，為了保證智能電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定，應(yīng)該保證芯片具有通信速率快、終端匹配性好、光電隔離特點，并且能夠進行有故障保護、抗電磁干擾和終端反射、抗靜電雷擊的功能。

（2）光纖。在光纖通信系統(tǒng)中，主要有三部分組成，包括光發(fā)送機、光纖和光接收機。發(fā)送的信號由發(fā)送機首先經(jīng)過一定的模數(shù)轉(zhuǎn)換，帶有信息的光波的發(fā)出，則是利用相關(guān)的轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號調(diào)制發(fā)送機的光電器件來實現(xiàn)。光接收機能通過光纖傳輸而接受到光波，光波中的數(shù)字信息也就能夠相應(yīng)解調(diào)，這在一次的光纖通信全過程中，就完成了數(shù)模轉(zhuǎn)換恢復(fù)原始信號的過程。光纖通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)則是集成電路，其對于光信號的調(diào)制、解調(diào)、放大、檢測具有非常重要的作用，能夠保證光信號的順利通信。在未來的智能電網(wǎng)的光纖通信系統(tǒng)中，應(yīng)該充分綜合利用并且統(tǒng)一規(guī)劃相關(guān)的各類數(shù)據(jù)、圖像和語音通道，這樣能夠把繼電保護、電網(wǎng)自動化、和管理信息系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進行有效整合，能夠有效保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，所以說，光纖通信將會成為電力系統(tǒng)生產(chǎn)生活中非常重要的內(nèi)容。

（3）PLC。雙向通信能力需要在電網(wǎng)中具備，以滿足現(xiàn)代電網(wǎng)的智能化要求。對于電力線載波技術(shù)（PLC）來說，其具有獨特優(yōu)勢所在，在智能電網(wǎng)的通信技術(shù)中是一項關(guān)鍵技術(shù)，并不需要對于新的通信線路進行架設(shè)，障礙物和距離也對傳輸沒有任何影響。分析在智能電網(wǎng)通信中的網(wǎng)絡(luò)部分，主要有個域網(wǎng)（HAN）、臨域網(wǎng)（NAN）和廣域網(wǎng)（WAN）三個部分。其中，在個域網(wǎng)終端間的通信、臨域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸和廣域網(wǎng)的中壓部分能夠成功應(yīng)用相應(yīng)的PL技術(shù)。在智能電網(wǎng)的物理層中，PLC應(yīng)用主要負責(zé)調(diào)制解調(diào)網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，在這方面的應(yīng)用最為廣泛。另外，在從應(yīng)用層獲取的數(shù)據(jù)以后，按照相應(yīng)的PLC在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層的要求，可以轉(zhuǎn)換為PLC網(wǎng)絡(luò)可以理解的數(shù)據(jù)，同時，網(wǎng)絡(luò)功能具備管理和控制通信；用電信息并執(zhí)行通/斷控制則是應(yīng)用層的主要任務(wù)，另外，PLC通信傳輸數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層也會有所涉及。最近，工控領(lǐng)域中的的電力線波芯片應(yīng)用增長非?？?，一般分為數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域、多媒體傳輸領(lǐng)域、指令傳輸領(lǐng)域等幾個方面，這是從載波芯片應(yīng)用功能的分類。比如，道路監(jiān)控、樓宇監(jiān)控、石油開采監(jiān)控等這些的音視頻多媒體傳輸?shù)膽?yīng)用都是采用多媒體傳輸領(lǐng)域的芯片；智能家居、遠程抄表等方面則是采用指令傳輸領(lǐng)域的芯片；電力寬帶網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備電力Modem中則是主要采用相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域方面的芯片。

（4）無線。在智能電網(wǎng)通信體系中，不斷涌現(xiàn)出新的無線通信技術(shù)，消費類領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用了CMOS集成收發(fā)信機，但是，在電力系統(tǒng)與用戶側(cè)方面的技術(shù)還不能有效應(yīng)用，幾種比較常見的且有一定應(yīng)用潛力的無線通信標(biāo)準(zhǔn)包括3G移動通信；WiFi無線網(wǎng)絡(luò)；Zigbee。

2.2 傳輸層

開放性和系統(tǒng)復(fù)雜性則是現(xiàn)代化智能電網(wǎng)的重要特點，這就必須注意外界交互中的侵擾問題。一方面要求智能電網(wǎng)具有自己保護能力，一方面還應(yīng)該具備一定的自我修復(fù)功能。在考慮電網(wǎng)自動化系統(tǒng)的安全方面，涉及到的因素比較多，包括物理環(huán)境、數(shù)據(jù)信息，相關(guān)的硬件、軟件的設(shè)計、實現(xiàn)和運行等，還包括相關(guān)的越來越推廣的智能電表等設(shè)備，所以說，電網(wǎng)安全是一個重要問題。

可信任平臺模塊TPM就是所謂的安全芯片，其在內(nèi)部能夠擁有獨立的處理器和存儲單元，完成相關(guān)的獨立地密鑰生成、加解密的操作，并可以對于密鑰和特征數(shù)據(jù)進行存儲，還能幫助電腦實現(xiàn)加密和安全認證服務(wù)。安全芯片應(yīng)用比較廣，能夠應(yīng)用在智能電網(wǎng)的用戶端信息安全，以及智能電網(wǎng)的鏈路層數(shù)據(jù)傳輸中的安全中。

采用的方式在實際操作過程中則有兩種，用對稱加密算法加密數(shù)據(jù)，用非對稱加密算法管理對稱算法的密鑰，主要特點就是能夠把兩類加密算法的優(yōu)點進行綜合集成，滿足了快速加密且安全方便管理密鑰的要求。

2.3 應(yīng)用層

在變電站自動化的通信協(xié)議中，主要應(yīng)用IEC61850，其中，過程層、間隔層和變電站層則構(gòu)成了變電站通信體系的三個層次。在抽象通信服務(wù)接口映射下，變電站層與間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)能夠傳遞到TCP/IP以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)、傳輸控制、制造報文規(guī)范（MMS）中。點向多點的單向傳輸以太網(wǎng)則是間隔層與過程層所采用的方式。其中，信息通過網(wǎng)絡(luò)交互，這在變電站的測控設(shè)備、智能設(shè)備、繼電保護裝置中都是采用相關(guān)的統(tǒng)一協(xié)議。

高穩(wěn)定性、集成化、智能化以及模塊化則是電力自動化設(shè)備的發(fā)展趨勢，為了更好實現(xiàn)通信協(xié)議的芯片化，一定要加大自動化變電站的IEC61850專用通信芯片的研制工作，因為這樣能夠有效提高設(shè)備可靠性、提升標(biāo)準(zhǔn)化程度、使得系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性大大簡化、節(jié)省智能化配電設(shè)備開發(fā)的難度和成本。

三、結(jié)語

在現(xiàn)代化堅強智能電網(wǎng)建設(shè)的大潮中，為了實現(xiàn)安全化、互動化、數(shù)字化和信息化的下一代智能電網(wǎng)，就應(yīng)該不斷加強以集成電路為核心的通信系統(tǒng)研究。再結(jié)合相關(guān)的集成電路在網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層應(yīng)用基礎(chǔ)上，對于當(dāng)前技術(shù)發(fā)展進行分析，提出了電力通信集成技術(shù)發(fā)展情況及存在的不足，明確了未來電力通信系統(tǒng)的集成電路一定會朝著多功能集成、一次設(shè)備就地化、統(tǒng)一專用標(biāo)準(zhǔn)的方向發(fā)展。

參 考 文 獻

[1] 張東霞，姚良忠，馬文媛. 中外智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 中國電機工程學(xué)報，2013，（31）

[2] 肖世杰. 構(gòu)建中國智能電網(wǎng)技術(shù)思考[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2009，33（9）