一種電力系統(tǒng)保護裝置的低功耗光纖以太網(wǎng)接口的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于智能變電站自動化系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種電力系統(tǒng)保護裝置的低功耗光纖以太網(wǎng)接口。包括PHY芯片、光纖收發(fā)模塊、電阻網(wǎng)絡；光纖以太網(wǎng)接口以4個為一組，每組含1片PHY芯片，4個光纖收發(fā)模塊，PHY芯片和光纖收發(fā)模塊通過電阻網(wǎng)絡耦合。本發(fā)明獨立的電阻網(wǎng)絡給4個端口的PECL輸入端提供直流偏置，省去了各端口的電阻網(wǎng)絡，且在接口電路中采用了低功耗電阻網(wǎng)絡，顯著降低功耗，有利于簡化散熱設計，提高設備可靠性。
【專利說明】
一種電力系統(tǒng)保護裝置的低功耗光纖以太網(wǎng)接口
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于智能變電站自動化系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種電力系統(tǒng)保護裝置的低功耗光纖以太網(wǎng)接口。通過優(yōu)化光纖以太網(wǎng)接口設計，降低電阻網(wǎng)絡功耗，簡化散熱設施，提高設備運行可靠性。
【背景技術(shù)】
[0002]智能變電站典型地采用三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，三層，S卩:站控層、間隔層、過程層；兩網(wǎng)，即:過程層-間隔層網(wǎng)絡，間隔層-站控層網(wǎng)絡。過程層-間隔層網(wǎng)絡又分為GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)，這兩個網(wǎng)絡可以分開也可以共網(wǎng)。過程層-間隔層網(wǎng)絡全部采用光纖以太網(wǎng)，為提高網(wǎng)絡可靠性都采用雙網(wǎng)冗余設計。
[0003]智能變電站中的智能設備(IED)包括:過程層一次設備的智能終端、智能組件，間隔層、站控層中的保護、測控、備用電源自投等自動化裝置。
[0004]Q/GDW 441-2009《智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范》規(guī)定:保護應直接采樣，對于單間隔的保護應直接跳閘，涉及多間隔的保護宜直接跳閘。對于涉及多間隔的保護，如確有必要采用其他跳閘方式，相關(guān)設備應滿足保護對可靠性和快速性的要求。直接采樣是指智能電子設備(IED)間不經(jīng)過以太網(wǎng)交換機而以點對點連接方式直接進行采樣值傳輸，直接跳閘是指IH)間不經(jīng)過以太網(wǎng)交換機而以點對點連接方式直接進行跳合閘信號的傳輸。
[0005]直采直跳大幅增加了保護裝置及其他智能設備的網(wǎng)口數(shù)量。智能終端和保護測控裝置需要配置較多的光纖以太網(wǎng)接口，一般包括:GOOSE主備網(wǎng)口，SV主備網(wǎng)口，站控層主備網(wǎng)口，以及直采直跳專用網(wǎng)口等。一些設備甚至多達10個以上網(wǎng)口，光纖以太網(wǎng)接口功耗較大，給設備帶來了相當大的發(fā)熱量，往往需要在機箱上開散熱孔或在戶外柜上裝設工業(yè)空調(diào)或其他散熱設備。如此一來降低了裝置的防護等級，戶外柜的制造和維護成本也大大提尚O
[0006]目前，光模塊推薦的多為PECL/LVPECL直流耦合匹配，這種匹配電路在協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片的輸入、輸出接口電平為PECL/LVPECL電平時，只要選取正確的電阻值就可以正常工作。
[0007]PECL在交流耦合輸出到50 Ω的終端負載時，要考慮PECL的輸出端加一直流偏置電阻，在輸入端提供正確的直流偏置和終端阻抗匹配。
[0008]圖1是以一個端口為例的LXT974典型光纖接口電路圖。接口電平為PECL，5V電壓供電。在發(fā)送側(cè)采用交流耦合，光模塊輸入端采用戴維南等效電阻網(wǎng)絡提供3.7V直流偏置和50 Ω阻抗匹配。在接收側(cè)采用直流耦合，同樣采用戴維南等效電阻網(wǎng)絡提供3.0V直流偏置和50 Ω阻抗匹配。
[0009]典型電路可以提供很好的通信性能，但光纖以太網(wǎng)接口是整個智能設備的功耗大戶。降低這個環(huán)節(jié)的功耗對提高設備可靠性有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出一種電力系統(tǒng)保護裝置的低功耗光纖以太網(wǎng)接口。在接口電路中采用了低功耗電阻網(wǎng)絡，顯著地降低了功耗，有利于簡化散熱設計，提尚設備可靠性。
[0011]該接口由PHY芯片、光纖收發(fā)模塊、電阻網(wǎng)絡等組成，其特征在于以下幾點:
[0012]光纖以太網(wǎng)接口以4個為一組，每組含I片PHY芯片，4個光纖收發(fā)模塊，PHY芯片和光纖收發(fā)模塊通過電阻網(wǎng)絡耦合。
[0013]PHY芯片和100BASE-FX收發(fā)模塊之間通過PECL接口互聯(lián)。光纖收發(fā)模塊采用3.3V供電。
[0014]PHY芯片和光纖收發(fā)模塊的發(fā)送信號通過交流耦合方式連接，由獨立的電阻網(wǎng)絡給PHY芯片的4個PECL輸入端提供直流偏置，在靠近PHY芯片處，發(fā)送方向的差分信號間用100 Ω電阻實現(xiàn)阻抗匹配。
[0015]PHY芯片和光纖收發(fā)模塊的接收信號通過交流耦合方式連接，由獨立的電阻網(wǎng)絡給PHY芯片的4個PECL輸入端提供直流偏置，在靠近所述PHY芯片處，接收方向的差分信號間用100 Ω電阻實現(xiàn)阻抗匹配。
[0016]電阻網(wǎng)絡包括發(fā)送側(cè)偏置電阻網(wǎng)絡、發(fā)送側(cè)終端電阻網(wǎng)絡、接收側(cè)負載電阻網(wǎng)絡、接收側(cè)偏置電阻網(wǎng)絡；
[0017]發(fā)送側(cè)偏置電阻網(wǎng)絡由3.3ΚΩ，5.1ΚΩ電阻串聯(lián)構(gòu)成，電壓為3.3V，功耗由4個PECL輸入端分擔；
[0018]發(fā)送側(cè)終端電阻網(wǎng)絡由串聯(lián)于發(fā)送差分信號之間的兩個50Ω電阻構(gòu)成，差分信號的電壓有效值為0.8V;
[0019]接收側(cè)負載電阻網(wǎng)絡由兩個200Ω電阻構(gòu)成，電壓為3.7V;
[0020]接收側(cè)偏置電阻網(wǎng)絡由3.3ΚΩ，5.1ΚΩ電阻串聯(lián)構(gòu)成，電壓為5V;功耗由4個PECL輸入端分擔；
[0021]接收側(cè)終端電阻網(wǎng)絡由串聯(lián)于差分信號之間的兩個50Ω電阻組成，原理、功耗和發(fā)送側(cè)相同。
[0022]本發(fā)明采用交流耦合，將傳輸線的終端匹配電路和輸入端的偏置網(wǎng)絡分離以降低功耗。對于變電站內(nèi)智能裝置的設計，由于PHY芯片和光模塊在PCB上的距離很近，采用這種方案不影響性能。
[0023]該方案的有益效果:對于擁有多個光口的變電站智能設備或保護測控裝置，本發(fā)明使用獨立的電阻網(wǎng)絡給4個端口的PECL輸入端提供直流偏置，省去了各端口的電阻網(wǎng)絡，可以顯著降低功耗，有利于簡化散熱設計，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性。提高設備可靠性。本發(fā)明尤其適用于光纖以太網(wǎng)接口數(shù)量在4個以上的裝置。
【附圖說明】
[0024]圖1為現(xiàn)有的高速IC芯片的典型光纖接口圖。
[0025]圖2為本發(fā)明實施例的低功耗光纖接口圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合實施例與附圖對本發(fā)明作進一步的說明，實施方式提及的內(nèi)容并非對本發(fā)明的限定。
[0027]圖2為4個端口的低功耗光纖接口的設計電路圖，具有獨立的接收側(cè)和發(fā)送側(cè)的偏置網(wǎng)絡，給4個一組的端口提供輸入偏置。發(fā)送和接收信號都采用了交流耦合，以及串聯(lián)終端匹配電路。
[0028]本實施例的光纖以太網(wǎng)接口每4個為一組，每組含一片LXT974 4端口PHY芯片，4個AFBR-5803光纖收發(fā)模塊，其間通過電阻網(wǎng)絡耦合。
[0029]LXT974 4端口 PHY芯片和100BASE-FX收發(fā)模塊之間通過PECL接口互聯(lián)。
[0030]LXT974和AFBR-5803的發(fā)送端信號通過交流耦合方式連接，由一個獨立的電阻網(wǎng)絡給4個端口 AFBR-5803的PECL輸入端提供直流偏置，在靠近AFBR-5803處，發(fā)送方向的差分信號間用100 Ω電阻實現(xiàn)阻抗匹配。
[0031]LXT974和AFBR-5803的接收端信號通過交流耦合方式連接，由一個獨立的電阻網(wǎng)絡給LXT974的4個PECL輸入端提供直流偏置，在靠近LXT974處，接收方向的差分信號間用100 Ω電阻實現(xiàn)阻抗匹配。
[0032]AFBR-5803采用3.3V供電，進一步降低功耗。
[0033]功耗計算:
[0034]1.典型電路的靜態(tài)功耗計算
[0035]如圖1所示，發(fā)送側(cè)電阻網(wǎng)絡功耗:
[0036]發(fā)送側(cè)電阻網(wǎng)絡由處于5V電源和地之間的2個69 Ω和2個191 Ω電阻構(gòu)成，每個回路的電阻是69+191 = 260 Ω。
[0037]pi = 2 XU2/R=2 X 52/260 = 0.19(ff)
[0038]接收側(cè)電阻網(wǎng)絡功耗:
[0039]電阻網(wǎng)絡由處于5V電源和地之間的2個80 Ω和2個130 Ω電阻構(gòu)成，每個回路的電阻是80+130 = 210 Ω ο
[0040]P2 = 2XU2/R=2X52/210 = 0.24(ff)
[0041]典型電路每端口的總功耗:
[0042]P3 = P1+P2 = 0.19+0.24 = 0.43(ff)
[0043]2.低功耗電路的靜態(tài)功耗計算
[0044]如圖2所示，以端口I的功耗為例進行計算，其它3個端口的功耗和端口 I相同。
[0045]I)發(fā)送側(cè)偏置電阻網(wǎng)絡的功耗:
[0046]發(fā)送側(cè)偏置電阻網(wǎng)絡由R3(3.3K)，R4(5.1K)電阻串聯(lián)構(gòu)成，電壓為3.3V。此功耗由4個端口分擔。
[0047]P4 = U2/R/4 = 3.32/(3300+5100)/4 = 0.0003(ff)
[0048]2)發(fā)送側(cè)終端電阻網(wǎng)絡功耗:
[0049]發(fā)送側(cè)終端電阻網(wǎng)絡由串聯(lián)于發(fā)送差分信號之間的兩個50Ω電阻R10，R11構(gòu)成。差分信號的電壓有效值是0.8V。
[0050]P5 = U2/R=0.82/(50+50) =0.0064(ff)
[0051 ] 3)接收側(cè)負載電阻網(wǎng)絡的功耗:
[0052]接收側(cè)負載電阻網(wǎng)絡由R14、R15兩個200 Ω電阻構(gòu)成，電壓為3.7V，功耗為2個電阻功耗之和。
[0053]P6 = 2XU2/R=2X3.72/200 = 0.14(ff)
[0054]4)接收側(cè)偏置電阻網(wǎng)絡的功耗:
[0055]接收側(cè)偏置電阻網(wǎng)絡由1?1(3.310，1?2(5.110電阻串聯(lián)構(gòu)成，電壓為5￥。此功耗由4個端口分擔。
[0056]P7 = U2/R/4 = 52/(3300+5100)/4 = 0.0007(ff)
[0057]5)接收側(cè)終端電阻網(wǎng)絡的功耗:
[0058]接收側(cè)終端電阻網(wǎng)絡由電阻R12，R13組成，其原理、功耗和發(fā)送側(cè)相同。
[0059]P8 = 0.0064W。
[0060]6)低功耗電路每端口的總功耗:
[0061 ]P9 = P4+P5+P6+P7+P8 = 0.0003+0.0064+0.14+0.0007+0.0064 = 0.15(W)
[0062]3.結(jié)論:
[0063]低功耗設計，每端口可以減少功耗0.43-0.15 = 0.28(W)，
[0064]每4個一組的光纖以太網(wǎng)接口可以減少功耗0.28*4 = 1.12(W)
[0065]對于擁有多個光口的變電站智能設備或保護測控裝置，本發(fā)明可顯著降低功耗，從而簡化裝置的散熱設計，提高環(huán)境適應性和運行穩(wěn)定性。
【主權(quán)項】
1.一種電力系統(tǒng)保護裝置的低功耗光纖以太網(wǎng)接口，其特征在于:包括PHY芯片、光纖收發(fā)模塊、電阻網(wǎng)絡； 所述光纖以太網(wǎng)接口以4個為一組，每組含I片PHY芯片，4個光纖收發(fā)模塊，所述PHY芯片和所述光纖收發(fā)模塊通過所述電阻網(wǎng)絡耦合。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗光纖以太網(wǎng)接口，其特征在于:所述PHY芯片和10BASE-FX收發(fā)模塊之間通過PECL接口互聯(lián)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗光纖以太網(wǎng)接口，其特征在于:所述PHY芯片和所述光纖收發(fā)模塊的發(fā)送信號通過交流耦合方式連接，由獨立的所述電阻網(wǎng)絡給所述光纖收發(fā)模塊的4個PECL輸入端提供直流偏置，在靠近所述光纖收發(fā)模塊處，發(fā)送方向的差分信號間用100 Ω電阻實現(xiàn)阻抗匹配。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗光纖以太網(wǎng)接口，其特征在于:所述PHY芯片和所述光纖收發(fā)模塊的接收信號通過交流耦合方式連接，由獨立的所述電阻網(wǎng)絡給所述PHY芯片的4個PECL輸入端提供直流偏置，在靠近所述PHY芯片處，接收方向的差分信號間用100 Ω電阻實現(xiàn)阻抗匹配。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗光纖以太網(wǎng)接口，其特征在于:所述光纖收發(fā)模塊采用3.3V供電。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低功耗光纖以太網(wǎng)接口，其特征在于:所述電阻網(wǎng)絡包括發(fā)送側(cè)偏置電阻網(wǎng)絡、發(fā)送側(cè)終端電阻網(wǎng)絡、接收側(cè)負載電阻網(wǎng)絡、接收側(cè)偏置電阻網(wǎng)絡，接收側(cè)終端電阻網(wǎng)絡； 發(fā)送側(cè)偏置電阻網(wǎng)絡由3.3K Ω，5.1K Ω電阻串聯(lián)構(gòu)成，電壓為3.3V，功耗由4個PECL輸入端分擔； 發(fā)送側(cè)終端電阻網(wǎng)絡由串聯(lián)于發(fā)送差分信號之間的兩個50 Ω電阻構(gòu)成，差分信號的電壓有效值為0.8V; 接收側(cè)負載電阻網(wǎng)絡由兩個200 Ω電阻構(gòu)成，電壓為3.7V; 接收側(cè)偏置電阻網(wǎng)絡由3.3K Ω，5.1K Ω電阻串聯(lián)構(gòu)成，電壓為5V;功耗由4個PECL輸入端分擔； 接收側(cè)終端電阻網(wǎng)絡由串聯(lián)于差分信號之間的兩個50 Ω電阻組成，功耗和發(fā)送側(cè)相同。
【文檔編號】H04B10/25GK105871463SQ201610179980
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月25日
【發(fā)明人】溫建民, 范三龍, 李永征, 張華志, 秦成虎
【申請人】南京國電南自軌道交通工程有限公司, 中鐵第四勘察設計院集團有限公司