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部署Wi-Fi®连接以实现电网保护和控制

时间:2019-06-25 16:40来源:德州仪器 作者:德州仪器 点击:
伴随着近期的技术进步和向数字电网转型的浪潮,无线连接作为电网设备有线连接的拓展正在日益获得人们的关注。这些电网设备包括断路器、并网设备、光伏逆变器、电动汽车充电器和其它资产监控系统等。如果它能缩短电网保护与控制的部署时间,则无线连接对于分布式能源资源管理和电网资产健康监控可说是成本诱人的解决方案。
 
诸如Wi-Fi、Sub-1 GHz和蓝牙®低能量及多频段标准等无线技术,能够在可管理的功率水平流式传送大量数据。用户能够通过藉由资产或云访问系统数据,无缝监控、保护和控制本地或远程电网设备,而不牺牲电网安全性。用户可以轻松地为现有设备改装无线资产监控,而省去了因为敷设地下电缆所带来的复杂性。
 
请阅读我们新发布的白皮书“结合利用有线和无线技术,实现电网互操作性”。
 
让我们来讨论在将Wi-Fi与电网设备融合时需要考虑的五大关键注意事项。
 
第1个注意事项:选择Wi-Fi架构
 
选择合适的网络架构,取决于网络覆盖范围的类型及资产、数据存储和终端用户的位置。您有两种架构可以选择:
• 连接至外部接入点(AP)和/或云。如果您想要连接至已经建立的外部AP和访问云数据,则带有Wi-Fi装置的设备,例如我们的CC3235S、CC3235SF 或CC3220S和CC3220SF,可配置为站级(STA)模式。该设备连接至已经搭建好的外部AP。电网资产可以与远程手持设备往返发送或接收信息,远程手持设备则连接至同一AP或互联网,如图 1所示。
 

图1:通过外部AP实现云连接
 
• 连接至本地网络。对于私有网络,如果您希望网络覆盖范围最小化,以防止外部入侵或如果外部AP不可得,TI设备能够搭建其自己的本地网络并与其它资产通信。一个设备设置为AP,其它STA模式的设备连接至AP,如图 2所示。您可以在搭建网络区域内本地维护对资产和数据的访问。此架构将连接至一个SimpleLink™ AP的站数量限制为四个。
 

图2:设备通过SimpleLink AP接入网络
 
第2个注意事项:配置
配置是为设备提供网络登录资料的过程,以便设备能够首次连接至无线网络。CC3220和CC3235提供两种安全的配置方式:
• AP配置。在该模式下,未经过配置的Wi-Fi设备初次是作为AP被唤醒的。这使得设备能够创建其自己的具有预定义网络名称的无线网络,让用户可以连接至外部设备并添加配置文件以配置该设备。通过这种模式,用户应该知道连接至哪个设备,以加密鉴权方式进行配置。
• SmartConfig™配置。这是TI专有的配置方式。它利用智能手机或平板电脑来向未经过配置的TI Wi-Fi设备广播网络登录资料。该设备会在扫描SmartConfig广播的同时以STA或AP模式运行。
 
第3个注意事项:数据传输
Wi-Fi连接的关键优势之一是按需访问大型电网数据流。数据可以包括诸如相电压、电流、功率等参数,及工作温度、振动和绝缘击穿等因素,因而可指示资产的健康情况。数据还可以用于监控系统/设备状态。
 
对于其它应用,通过经由云向远程电网资产发送指令的方式,无线接入支持控制设备的设置。此外,还可以利用无线更新方式通过云来更新设备固件。
 
第4个注意事项:功耗
虽然接入电源不是我们担心的问题,但是过去几十年来,使无线子系统电流消耗最低,也是伴随着大部分电网资产运行的重要课题。Wi-Fi技术的平均功耗取决于包括数据规模、间隔和延时在内的多种因素。根据数据传输间隔与延时,有两种运行模式可以选择:
• 该设备处于“永远连接”模式,能够将应用的延时降至最低。它按规定的时间间隔从AP接收信标。使用长睡眠间隔(LSI)策略的设置,在两个信标之间会启用低功耗深睡眠(LPDS)模式。AP可以在两个信标间隔期间请求数据,因为STA一直处于侦听模式。另外,必要时,STA能在两个信标间隔期间传输数据。此模式期间的电流消耗特征如下所示。
o CC3220 Wi-Fi MCU解决方案的平均电流消耗为~700 µA(0.1s 信标),有数据传输时为2 mA。
o 电源应设计为适应尖峰负荷,如表 1所示。
• 设备可以设置为“间歇性连接”模式,这能使以较长间隔(≥10s)传送数据的应用的功耗降至最低。不过,在此种模式下,AP不能请求数据,数据请求由STA发起。STA需时~250 ms唤醒并建立连接。
 

表 1:CC3220 Wi-Fi功耗图表
 
图 3展示了可切换的电源配置。
 

图 3:Wi-Fi可切换的电源配置
 
第5个注意事项:可靠的远程监控与网络安全性
安全性是电网的首要议题,它可减轻来自未经授权用户访问敏感数据和控制电网设备的威胁。一个暴露于威胁之下的弱点是电网设备接入云端的网络层。我们的SimpleLink Wi-Fi设备支持不同级别连接的网络安全性、本地局域网(LAN)安全性和物理设备层安全性。有关设备安全功能的详细信息,请查阅应用报告。
 
TI的下一代SimpleLink Wi-Fi设备
CC3235S和CC3235SF SimpleLink Wi-Fi设备支持5 GHz及2.4 Ghz,可与蓝牙®低能量/2.4 GHz共存。尽管安全性是无线通信的最大挑战之一,但是诸如硬件加密加速器、文件加密、文件鉴权、克隆保护和安全引导等技术进步已经融入到CC3235S和CC3235SF中,这有助防止未经授权的用户访问和控制电网设备。这些设备通过了联邦信息处理标准(FIPS)140-2 1级认证,并且采用高达16个并发安全套阶层技术,可提供增强的安全性。
 
结语
电网工程师可以使用Wi-Fi连接,作为有线连接以外的扩展或冗余通信路径。Wi-Fi可用于增强连接性,以便通过云端从远程位置监测和控制任何资产。我们的CC3220S、CC3220SF、CC3235S和CC3235SF Wi-Fi无线设备,与集成式网络处理器、应用处理器(ARM® Cortex®-M4)、丰富的安全功能和我们的参考合计结合使用,可轻松、快捷和安全地添加至民用电网设备或子站电网设备的Wi-Fi连接。
 
其他资源
• 查阅我们的参考设计“万物互联型电网参考设计:通过Wi-Fi®把断路器和传感器连接至其它设备。”
• 请阅读我们的电子书“打造应用时牢记安全性。”
(责任编辑:helen)
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