一种电力系统保护装置的低功耗光纤以太网接口的制作方法
【专利摘要】本发明属于智能变电站自动化系统领域，尤其涉及一种电力系统保护装置的低功耗光纤以太网接口。包括PHY芯片、光纤收发模块、电阻网络；光纤以太网接口以4个为一组，每组含1片PHY芯片，4个光纤收发模块，PHY芯片和光纤收发模块通过电阻网络耦合。本发明独立的电阻网络给4个端口的PECL输入端提供直流偏置，省去了各端口的电阻网络，且在接口电路中采用了低功耗电阻网络，显著降低功耗，有利于简化散热设计，提高设备可靠性。
【专利说明】
一种电力系统保护装置的低功耗光纤以太网接口
技术领域
[0001]本发明属于智能变电站自动化系统领域，尤其涉及一种电力系统保护装置的低功耗光纤以太网接口。通过优化光纤以太网接口设计，降低电阻网络功耗，简化散热设施，提高设备运行可靠性。
【背景技术】
[0002]智能变电站典型地采用三层两网结构，三层，S卩:站控层、间隔层、过程层；两网，即:过程层-间隔层网络，间隔层-站控层网络。过程层-间隔层网络又分为GOOSE网和SV网，这两个网络可以分开也可以共网。过程层-间隔层网络全部采用光纤以太网，为提高网络可靠性都采用双网冗余设计。
[0003]智能变电站中的智能设备(IED)包括:过程层一次设备的智能终端、智能组件，间隔层、站控层中的保护、测控、备用电源自投等自动化装置。
[0004]Q/GDW 441-2009《智能变电站继电保护技术规范》规定:保护应直接采样，对于单间隔的保护应直接跳闸，涉及多间隔的保护宜直接跳闸。对于涉及多间隔的保护，如确有必要采用其他跳闸方式，相关设备应满足保护对可靠性和快速性的要求。直接采样是指智能电子设备(IED)间不经过以太网交换机而以点对点连接方式直接进行采样值传输，直接跳闸是指IH)间不经过以太网交换机而以点对点连接方式直接进行跳合闸信号的传输。
[0005]直采直跳大幅增加了保护装置及其他智能设备的网口数量。智能终端和保护测控装置需要配置较多的光纤以太网接口，一般包括:GOOSE主备网口，SV主备网口，站控层主备网口，以及直采直跳专用网口等。一些设备甚至多达10个以上网口，光纤以太网接口功耗较大，给设备带来了相当大的发热量，往往需要在机箱上开散热孔或在户外柜上装设工业空调或其他散热设备。如此一来降低了装置的防护等级，户外柜的制造和维护成本也大大提尚O
[0006]目前，光模块推荐的多为PECL/LVPECL直流耦合匹配，这种匹配电路在协议转换芯片的输入、输出接口电平为PECL/LVPECL电平时，只要选取正确的电阻值就可以正常工作。
[0007]PECL在交流耦合输出到50 Ω的终端负载时，要考虑PECL的输出端加一直流偏置电阻，在输入端提供正确的直流偏置和终端阻抗匹配。
[0008]图1是以一个端口为例的LXT974典型光纤接口电路图。接口电平为PECL，5V电压供电。在发送侧采用交流耦合，光模块输入端采用戴维南等效电阻网络提供3.7V直流偏置和50 Ω阻抗匹配。在接收侧采用直流耦合，同样采用戴维南等效电阻网络提供3.0V直流偏置和50 Ω阻抗匹配。
[0009]典型电路可以提供很好的通信性能，但光纤以太网接口是整个智能设备的功耗大户。降低这个环节的功耗对提高设备可靠性有重要意义。
【发明内容】
[0010]针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种电力系统保护装置的低功耗光纤以太网接口。在接口电路中采用了低功耗电阻网络，显著地降低了功耗，有利于简化散热设计，提尚设备可靠性。
[0011]该接口由PHY芯片、光纤收发模块、电阻网络等组成，其特征在于以下几点:
[0012]光纤以太网接口以4个为一组，每组含I片PHY芯片，4个光纤收发模块，PHY芯片和光纤收发模块通过电阻网络耦合。
[0013]PHY芯片和100BASE-FX收发模块之间通过PECL接口互联。光纤收发模块采用3.3V供电。
[0014]PHY芯片和光纤收发模块的发送信号通过交流耦合方式连接，由独立的电阻网络给PHY芯片的4个PECL输入端提供直流偏置，在靠近PHY芯片处，发送方向的差分信号间用100 Ω电阻实现阻抗匹配。
[0015]PHY芯片和光纤收发模块的接收信号通过交流耦合方式连接，由独立的电阻网络给PHY芯片的4个PECL输入端提供直流偏置，在靠近所述PHY芯片处，接收方向的差分信号间用100 Ω电阻实现阻抗匹配。
[0016]电阻网络包括发送侧偏置电阻网络、发送侧终端电阻网络、接收侧负载电阻网络、接收侧偏置电阻网络；
[0017]发送侧偏置电阻网络由3.3ΚΩ，5.1ΚΩ电阻串联构成，电压为3.3V，功耗由4个PECL输入端分担；
[0018]发送侧终端电阻网络由串联于发送差分信号之间的两个50Ω电阻构成，差分信号的电压有效值为0.8V;
[0019]接收侧负载电阻网络由两个200Ω电阻构成，电压为3.7V;
[0020]接收侧偏置电阻网络由3.3ΚΩ，5.1ΚΩ电阻串联构成，电压为5V;功耗由4个PECL输入端分担；
[0021]接收侧终端电阻网络由串联于差分信号之间的两个50Ω电阻组成，原理、功耗和发送侧相同。
[0022]本发明采用交流耦合，将传输线的终端匹配电路和输入端的偏置网络分离以降低功耗。对于变电站内智能装置的设计，由于PHY芯片和光模块在PCB上的距离很近，采用这种方案不影响性能。
[0023]该方案的有益效果:对于拥有多个光口的变电站智能设备或保护测控装置，本发明使用独立的电阻网络给4个端口的PECL输入端提供直流偏置，省去了各端口的电阻网络，可以显著降低功耗，有利于简化散热设计，提高系统稳定性和安全性。提高设备可靠性。本发明尤其适用于光纤以太网接口数量在4个以上的装置。
【附图说明】
[0024]图1为现有的高速IC芯片的典型光纤接口图。
[0025]图2为本发明实施例的低功耗光纤接口图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
[0027]图2为4个端口的低功耗光纤接口的设计电路图，具有独立的接收侧和发送侧的偏置网络，给4个一组的端口提供输入偏置。发送和接收信号都采用了交流耦合，以及串联终端匹配电路。
[0028]本实施例的光纤以太网接口每4个为一组，每组含一片LXT974 4端口PHY芯片，4个AFBR-5803光纤收发模块，其间通过电阻网络耦合。
[0029]LXT974 4端口 PHY芯片和100BASE-FX收发模块之间通过PECL接口互联。
[0030]LXT974和AFBR-5803的发送端信号通过交流耦合方式连接，由一个独立的电阻网络给4个端口 AFBR-5803的PECL输入端提供直流偏置，在靠近AFBR-5803处，发送方向的差分信号间用100 Ω电阻实现阻抗匹配。
[0031]LXT974和AFBR-5803的接收端信号通过交流耦合方式连接，由一个独立的电阻网络给LXT974的4个PECL输入端提供直流偏置，在靠近LXT974处，接收方向的差分信号间用100 Ω电阻实现阻抗匹配。
[0032]AFBR-5803采用3.3V供电，进一步降低功耗。
[0033]功耗计算:
[0034]1.典型电路的静态功耗计算
[0035]如图1所示，发送侧电阻网络功耗:
[0036]发送侧电阻网络由处于5V电源和地之间的2个69 Ω和2个191 Ω电阻构成，每个回路的电阻是69+191 = 260 Ω。
[0037]pi = 2 XU2/R=2 X 52/260 = 0.19(ff)
[0038]接收侧电阻网络功耗:
[0039]电阻网络由处于5V电源和地之间的2个80 Ω和2个130 Ω电阻构成，每个回路的电阻是80+130 = 210 Ω ο
[0040]P2 = 2XU2/R=2X52/210 = 0.24(ff)
[0041]典型电路每端口的总功耗:
[0042]P3 = P1+P2 = 0.19+0.24 = 0.43(ff)
[0043]2.低功耗电路的静态功耗计算
[0044]如图2所示，以端口I的功耗为例进行计算，其它3个端口的功耗和端口 I相同。
[0045]I)发送侧偏置电阻网络的功耗:
[0046]发送侧偏置电阻网络由R3(3.3K)，R4(5.1K)电阻串联构成，电压为3.3V。此功耗由4个端口分担。
[0047]P4 = U2/R/4 = 3.32/(3300+5100)/4 = 0.0003(ff)
[0048]2)发送侧终端电阻网络功耗:
[0049]发送侧终端电阻网络由串联于发送差分信号之间的两个50Ω电阻R10，R11构成。差分信号的电压有效值是0.8V。
[0050]P5 = U2/R=0.82/(50+50) =0.0064(ff)
[0051 ] 3)接收侧负载电阻网络的功耗:
[0052]接收侧负载电阻网络由R14、R15两个200 Ω电阻构成，电压为3.7V，功耗为2个电阻功耗之和。
[0053]P6 = 2XU2/R=2X3.72/200 = 0.14(ff)
[0054]4)接收侧偏置电阻网络的功耗:
[0055]接收侧偏置电阻网络由1?1(3.310，1?2(5.110电阻串联构成，电压为5￥。此功耗由4个端口分担。
[0056]P7 = U2/R/4 = 52/(3300+5100)/4 = 0.0007(ff)
[0057]5)接收侧终端电阻网络的功耗:
[0058]接收侧终端电阻网络由电阻R12，R13组成，其原理、功耗和发送侧相同。
[0059]P8 = 0.0064W。
[0060]6)低功耗电路每端口的总功耗:
[0061 ]P9 = P4+P5+P6+P7+P8 = 0.0003+0.0064+0.14+0.0007+0.0064 = 0.15(W)
[0062]3.结论:
[0063]低功耗设计，每端口可以减少功耗0.43-0.15 = 0.28(W)，
[0064]每4个一组的光纤以太网接口可以减少功耗0.28*4 = 1.12(W)
[0065]对于拥有多个光口的变电站智能设备或保护测控装置，本发明可显著降低功耗，从而简化装置的散热设计，提高环境适应性和运行稳定性。
【主权项】
1.一种电力系统保护装置的低功耗光纤以太网接口，其特征在于:包括PHY芯片、光纤收发模块、电阻网络； 所述光纤以太网接口以4个为一组，每组含I片PHY芯片，4个光纤收发模块，所述PHY芯片和所述光纤收发模块通过所述电阻网络耦合。2.根据权利要求1所述的低功耗光纤以太网接口，其特征在于:所述PHY芯片和10BASE-FX收发模块之间通过PECL接口互联。3.根据权利要求1所述的低功耗光纤以太网接口，其特征在于:所述PHY芯片和所述光纤收发模块的发送信号通过交流耦合方式连接，由独立的所述电阻网络给所述光纤收发模块的4个PECL输入端提供直流偏置，在靠近所述光纤收发模块处，发送方向的差分信号间用100 Ω电阻实现阻抗匹配。4.根据权利要求1所述的低功耗光纤以太网接口，其特征在于:所述PHY芯片和所述光纤收发模块的接收信号通过交流耦合方式连接，由独立的所述电阻网络给所述PHY芯片的4个PECL输入端提供直流偏置，在靠近所述PHY芯片处，接收方向的差分信号间用100 Ω电阻实现阻抗匹配。5.根据权利要求1所述的低功耗光纤以太网接口，其特征在于:所述光纤收发模块采用3.3V供电。6.根据权利要求1所述的低功耗光纤以太网接口，其特征在于:所述电阻网络包括发送侧偏置电阻网络、发送侧终端电阻网络、接收侧负载电阻网络、接收侧偏置电阻网络，接收侧终端电阻网络； 发送侧偏置电阻网络由3.3K Ω，5.1K Ω电阻串联构成，电压为3.3V，功耗由4个PECL输入端分担； 发送侧终端电阻网络由串联于发送差分信号之间的两个50 Ω电阻构成，差分信号的电压有效值为0.8V; 接收侧负载电阻网络由两个200 Ω电阻构成，电压为3.7V; 接收侧偏置电阻网络由3.3K Ω，5.1K Ω电阻串联构成，电压为5V;功耗由4个PECL输入端分担； 接收侧终端电阻网络由串联于差分信号之间的两个50 Ω电阻组成，功耗和发送侧相同。
【文档编号】H04B10/25GK105871463SQ201610179980
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】温建民, 范三龙, 李永征, 张华志, 秦成虎
【申请人】南京国电南自轨道交通工程有限公司, 中铁第四勘察设计院集团有限公司