德州儀器：部署Wi-Fi?連接以實現(xiàn)電網(wǎng)保護和控制

北京2019年6月25日 /美通社/ -- 伴隨著近期的技術(shù)進步和向數(shù)字電網(wǎng)轉(zhuǎn)型的浪潮，無線連接作為電網(wǎng)設備有線連接的拓展正在日益獲得人們的關(guān)注。這些電網(wǎng)設備包括斷路器、并網(wǎng)設備、光伏逆變器、電動汽車充電器和其它資產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)等。如果它能縮短電網(wǎng)保護與控制的部署時間，則無線連接對于分布式能源資源管理和電網(wǎng)資產(chǎn)健康監(jiān)控可說是成本誘人的解決方案。

諸如Wi-Fi、Sub-1 GHz和藍牙^®低能量及多頻段標準等無線技術(shù)，能夠在可管理的功率水平流式傳送大量數(shù)據(jù)。用戶能夠通過藉由資產(chǎn)或云訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)，無縫監(jiān)控、保護和控制本地或遠程電網(wǎng)設備，而不犧牲電網(wǎng)安全性。用戶可以輕松地為現(xiàn)有設備改裝無線資產(chǎn)監(jiān)控，而省去了因為敷設地下電纜所帶來的復雜性。

請閱讀德州儀器新發(fā)布的白皮書“結(jié)合利用有線和無線技術(shù)，實現(xiàn)電網(wǎng)互操作性”。

本文會討論在將Wi-Fi與電網(wǎng)設備融合時需要考慮的五大關(guān)鍵注意事項。

第1個注意事項：選擇Wi-Fi架構(gòu)

選擇合適的網(wǎng)絡架構(gòu)，取決于網(wǎng)絡覆蓋范圍的類型及資產(chǎn)、數(shù)據(jù)存儲和終端用戶的位置。您有兩種架構(gòu)可以選擇：

• 連接至外部接入點（AP）和/或云。如果您想要連接至已經(jīng)建立的外部AP和訪問云數(shù)據(jù)，則帶有Wi-Fi裝置的設備，例如德州儀器的CC3235S、CC3235SF 或CC3220S和CC3220SF，可配置為站級（STA）模式。該設備連接至已經(jīng)搭建好的外部AP。電網(wǎng)資產(chǎn)可以與遠程手持設備往返發(fā)送或接收信息，遠程手持設備則連接至同一AP或互聯(lián)網(wǎng)，如圖 1所示。

圖1：通過外部AP實現(xiàn)云連接

• 連接至本地網(wǎng)絡。對于私有網(wǎng)絡，如果您希望網(wǎng)絡覆蓋范圍最小化，以防止外部入侵或如果外部AP不可得，TI設備能夠搭建其自己的本地網(wǎng)絡并與其它資產(chǎn)通信。一個設備設置為AP，其它STA模式的設備連接至AP，如圖 2所示。您可以在搭建網(wǎng)絡區(qū)域內(nèi)本地維護對資產(chǎn)和數(shù)據(jù)的訪問。此架構(gòu)將連接至一個SimpleLink? AP的站數(shù)量限制為四個。

圖2：設備通過SimpleLink AP接入網(wǎng)絡

第2個注意事項：配置

配置是為設備提供網(wǎng)絡登錄資料的過程，以便設備能夠首次連接至無線網(wǎng)絡。CC3220和CC3235提供兩種安全的配置方式：

• AP配置。在該模式下，未經(jīng)過配置的Wi-Fi設備初次是作為AP被喚醒的。這使得設備能夠創(chuàng)建其自己的具有預定義網(wǎng)絡名稱的無線網(wǎng)絡，讓用戶可以連接至外部設備并添加配置文件以配置該設備。通過這種模式，用戶應該知道連接至哪個設備，以加密鑒權(quán)方式進行配置。
• SmartConfig?配置。這是TI專有的配置方式。它利用智能手機或平板電腦來向未經(jīng)過配置的TI Wi-Fi設備廣播網(wǎng)絡登錄資料。該設備會在掃描SmartConfig廣播的同時以STA或AP模式運行。

第3個注意事項：數(shù)據(jù)傳輸

Wi-Fi連接的關(guān)鍵優(yōu)勢之一是按需訪問大型電網(wǎng)數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)可以包括諸如相電壓、電流、功率等參數(shù)，及工作溫度、振動和絕緣擊穿等因素，因而可指示資產(chǎn)的健康情況。數(shù)據(jù)還可以用于監(jiān)控系統(tǒng)/設備狀態(tài)。

對于其它應用，通過經(jīng)由云向遠程電網(wǎng)資產(chǎn)發(fā)送指令的方式，無線接入支持控制設備的設置。此外，還可以利用無線更新方式通過云來更新設備固件。

第4個注意事項：功耗

雖然接入電源不是擔心的問題，但是過去幾十年來，使無線子系統(tǒng)電流消耗最低，也是伴隨著大部分電網(wǎng)資產(chǎn)運行的重要課題。Wi-Fi技術(shù)的平均功耗取決于包括數(shù)據(jù)規(guī)模、間隔和延時在內(nèi)的多種因素。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸間隔與延時，有兩種運行模式可以選擇：

該設備處于“永遠連接”模式，能夠?qū)玫难訒r降至最低。它按規(guī)定的時間間隔從AP接收信標。使用長睡眠間隔（LSI）策略的設置，在兩個信標之間會啟用低功耗深睡眠（LPDS）模式。AP可以在兩個信標間隔期間請求數(shù)據(jù)，因為STA一直處于偵聽模式。另外，必要時，STA能在兩個信標間隔期間傳輸數(shù)據(jù)。此模式期間的電流消耗特征如下所示。

- CC3220 Wi-Fi MCU解決方案的平均電流消耗為~700 µA（0.1s 信標），有數(shù)據(jù)傳輸時為2 mA。
- 電源應設計為適應尖峰負荷，如表 1所示。

• 設備可以設置為“間歇性連接”模式，這能使以較長間隔（≥10s）傳送數(shù)據(jù)的應用的功耗降至最低。不過，在此種模式下，AP不能請求數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)請求由STA發(fā)起。STA需時~250 ms喚醒并建立連接。

表1：CC3220 Wi-Fi功耗圖表

第5個注意事項：可靠的遠程監(jiān)控與網(wǎng)絡安全性

安全性是電網(wǎng)的首要議題，它可減輕來自未經(jīng)授權(quán)用戶訪問敏感數(shù)據(jù)和控制電網(wǎng)設備的威脅。一個暴露于威脅之下的弱點是電網(wǎng)設備接入云端的網(wǎng)絡層。德州儀器的SimpleLink Wi-Fi設備支持不同級別連接的網(wǎng)絡安全性、本地局域網(wǎng)（LAN）安全性和物理設備層安全性。有關(guān)設備安全功能的詳細信息，請查閱應用報告。

TI的下一代SimpleLink Wi-Fi設備

CC3235S和CC3235SF SimpleLink Wi-Fi設備支持5 GHz及2.4 Ghz，可與藍牙^®低能量/2.4 GHz共存。盡管安全性是無線通信的最大挑戰(zhàn)之一，但是諸如硬件加密加速器、文件加密、文件鑒權(quán)、克隆保護和安全引導等技術(shù)進步已經(jīng)融入到CC3235S和CC3235SF中，這有助防止未經(jīng)授權(quán)的用戶訪問和控制電網(wǎng)設備。這些設備通過了聯(lián)邦信息處理標準（FIPS）140-2 1級認證，并且采用高達16個并發(fā)安全套階層技術(shù)，可提供增強的安全性。

結(jié)語

電網(wǎng)工程師可以使用Wi-Fi連接，作為有線連接以外的擴展或冗余通信路徑。Wi-Fi可用于增強連接性，以便通過云端從遠程位置監(jiān)測和控制任何資產(chǎn)。德州儀器的CC3220S、CC3220SF、CC3235S和CC3235SF Wi-Fi無線設備，與集成式網(wǎng)絡處理器、應用處理器（ARM^® Cortex^®-M4）、豐富的安全功能和德州儀器的參考合計結(jié)合使用，可輕松、快捷和安全地添加至民用電網(wǎng)設備或子站電網(wǎng)設備的Wi-Fi連接。

其他資源

• 查閱德州儀器的參考設計“萬物互聯(lián)型電網(wǎng)參考設計：通過Wi-Fi^®把斷路器和傳感器連接至其它設備?！?
• 請閱讀德州儀器的電子書“打造應用時牢記安全性?！?/li>