【摘  要】分析數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)通信特點(diǎn)，集中論述基于MOXA以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)建三層數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)解決方案，介紹了MOXA交換機(jī)關(guān)鍵技術(shù)和特點(diǎn)，并給出3個(gè)數(shù)字化變電站通信系統(tǒng)案例。

關(guān)鍵詞  變電站  數(shù)字化  工業(yè)以太網(wǎng)  MOXA交換機(jī) MOXA 嵌入式管理機(jī)
0  引言
      數(shù)字化變電站是邁向建立智能電網(wǎng)的智能化變電站的必經(jīng)階段。掌握了數(shù)字化變電站的建設(shè)和系統(tǒng)特征，才能為建立未來(lái)智能化變電站打下牢固的基礎(chǔ)。那么，何為數(shù)字化變電站呢？簡(jiǎn)言之，它是以變電站中一、二次設(shè)備為數(shù)字化對(duì)象，以高速網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)數(shù)字化信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)信息共享和互操作，并以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)量監(jiān)視、控制保護(hù)、信息管理等自動(dòng)化功能的變電站。本篇要闡述的重點(diǎn)不是數(shù)字化變電站本身，而是負(fù)責(zé)搭建數(shù)字化變電站的高速網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備。具體到設(shè)備就是電力專用以太網(wǎng)交換機(jī)。這類設(shè)備必須滿足最高等級(jí)的抗電磁干擾、工業(yè)可靠性要求以及環(huán)境適應(yīng)性要求。
1  數(shù)字化變電站以太網(wǎng)架構(gòu)
1.1 通用的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)
     數(shù)字化變電站具備典型的三層架構(gòu)：分別為站控層、間隔層和過(guò)程層。但是在大家的習(xí)慣性做法中，以太網(wǎng)交換機(jī)往往置于站控層和過(guò)程層，原先隸屬于間隔層的以太網(wǎng)交換機(jī)被納入到站控層中了，這種事實(shí)上的通用往往是由于工程的實(shí)際需要造成的。但 IED 設(shè)備仍然嚴(yán)格地按照三層架構(gòu)來(lái)加以區(qū)分。
     站控層的交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)通常布置為雙星型網(wǎng)絡(luò)，這是基于電力自動(dòng)化系統(tǒng)一貫的要求而延續(xù)下來(lái)的結(jié)構(gòu)。這樣做的好處是，布線容易，且雙網(wǎng)互備。而過(guò)程層的交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)方案目前有兩種：一種仍然按照雙星型來(lái)布設(shè)交換機(jī)，另一種則以環(huán)網(wǎng)方式來(lái)布設(shè)交換機(jī)。前者為國(guó)內(nèi)主流方案，而后者為國(guó)外數(shù)字化變電站的主流方案。這兩種網(wǎng)絡(luò)方案各有所長(zhǎng)：采用雙星型方式來(lái)布置交換機(jī)，當(dāng)一條通訊線路出現(xiàn)故障時(shí)，可以讓過(guò)程層的IED在互備的兩條線路中無(wú)縫切換，從而確保數(shù)據(jù)交互的實(shí)時(shí)性。但雙星型方式要求交換機(jī)也要雙份，由此增加了成本。采用環(huán)網(wǎng)方式布置時(shí)，當(dāng)鏈路中任意一段出現(xiàn)故障時(shí)，環(huán)網(wǎng)可以在毫秒級(jí)時(shí)限內(nèi)完成自愈切換，從而保證通訊幾乎無(wú)中斷，但實(shí)時(shí)性相比而言略顯不足。由于單環(huán)網(wǎng)的架構(gòu)對(duì)交換機(jī)的需求是單份的，從而可以節(jié)約一些硬件成本?？梢哉f(shuō)過(guò)程層單環(huán)網(wǎng)方案是一個(gè)比較折中的方案，損失一些實(shí)時(shí)性，但也降低了一些成本。
1.2 系統(tǒng)通信要求
數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)通信要求如下：
（1）對(duì)惡劣電磁干擾EMI環(huán)境的防護(hù)能力，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備符合IEC 61850-3變電站環(huán)境認(rèn)證或IEEE 1613電力配電站中通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的環(huán)境和測(cè)試要求，提供最佳的EMI屏蔽能力和無(wú)故障通信能力；
（2）網(wǎng)絡(luò)的高可用性，冗余以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)安全的數(shù)據(jù)通信；
（3）堅(jiān)固的光纖連接，光纖電纜連接具備無(wú)噪聲、遠(yuǎn)距離傳輸特點(diǎn)，帶寬的可擴(kuò)展
能力滿足未來(lái)升級(jí)要求；
（4）網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)具備多光口、千兆及百兆端口模塊化設(shè)計(jì)，在全速率轉(zhuǎn)發(fā)條件下，應(yīng)該滿足零丟包；
（5）能夠承受極端環(huán)境變化，變電站環(huán)境的溫度邊界條件變化非常大，變電站局域網(wǎng)必須能夠在寬溫條件下可靠運(yùn)行。

 
圖1 MOXA數(shù)字化變電站解決方案

2.1總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
      整個(gè)變電站監(jiān)控體系采用雙星型網(wǎng)絡(luò)連接，站控層采用MOXA PT7728電力交換機(jī)搭建，過(guò)程層則采用PT7324電力交換機(jī)搭建。當(dāng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，既可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的繼電器輸出報(bào)警信息，也可通過(guò)E-mail、SNMP Trap方式把故障點(diǎn)及原因報(bào)告給站控層管理員，便于及時(shí)做出判斷和維護(hù)。過(guò)程層采用傳統(tǒng)互感器，通過(guò)MU合并單元將其同步采集信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字幀送出，并將此信息透過(guò)交換機(jī)向間隔層傳遞，從而在對(duì)一次設(shè)備、二次設(shè)備的監(jiān)控過(guò)程中完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化操作。
 2.2  方案的優(yōu)勢(shì)
MOXA數(shù)字化變電站解決方案的優(yōu)勢(shì)有:
（1）雙星型連接有效的規(guī)避了單一網(wǎng)絡(luò)出故障時(shí)系統(tǒng)失效的風(fēng)險(xiǎn)，使數(shù)字化通信在網(wǎng)絡(luò)間得到雙向備份；
  （2）當(dāng)監(jiān)控分站的支干網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)影響到主干網(wǎng)絡(luò)的通信；
（3）系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，規(guī)避了環(huán)網(wǎng)的解環(huán)風(fēng)險(xiǎn)，借助MU設(shè)備和交換機(jī)設(shè)備可以迅速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化擴(kuò)展，提高了變電站的監(jiān)控效率。
2.3 核心技術(shù)
MOXA以太網(wǎng)架構(gòu)的核心技術(shù)有：
（1）站控層采用的PT7728高性能電力交換機(jī)滿足變電站自動(dòng)化系統(tǒng)（IEC 61850-3，IEEE 1613）的工業(yè)級(jí)別性能需求。PT-7728可組建高性能的千兆以太網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)、冗余環(huán)網(wǎng)，具備24/48 VDC或110/220 VDC/VAC冗余電源輸入的功能，在提高網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定性的同時(shí)還可節(jié)省布線，模塊化的設(shè)計(jì)為用戶提供更加輕松，靈活的組網(wǎng)方式。
（2）網(wǎng)站頂層交換機(jī)PT7728支持Turbo Ring和RSTP/STP（IEEE802.1W/D）；IGMP Snooping和GMRP過(guò)濾多播封包；支持基于端口的VLAN、IEEE 802.1Q VLAN和GVRP協(xié)議，可輕松實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理；通過(guò)Q0S-IEEE 802.1p/1Q和TOS/DiffServ提升決策機(jī)制；采用802.3ad，LACP優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)帶寬；支持IEEE 802.1X和https/SSL，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性；SNMP V1/V2/V3用于不同級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)管理；采用RMON提升網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控能力；ABC-01自動(dòng)備份配置器；帶寬管理可以阻止不可預(yù)料的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，端口鎖定只允許授權(quán)的MAC地址訪問(wèn)；端口鏡像用于在線調(diào)試；異常事件通過(guò)E-mail或繼電器自動(dòng)輸出報(bào)警信息；自動(dòng)恢復(fù)連接設(shè)備的IP地址；Line-swap快速恢復(fù)。
(3)MOXA 新一代PT系列交換機(jī)具備支持IEEE 1588V1/V2 的軟硬件功能，并且作為透明時(shí)鐘時(shí)，同時(shí)支持E（End） to E 和 P(Peer) to P雙模式，對(duì)時(shí)精度達(dá)到納秒級(jí)。其具備的GMRP功能，可針對(duì)組播（Multicast）封包進(jìn)行特定群組的轉(zhuǎn)發(fā)，從而可對(duì)大型變電站內(nèi)龐大網(wǎng)絡(luò)的多層級(jí)聯(lián)模式完成精準(zhǔn)對(duì)時(shí)。

 
圖2 MOXA數(shù)字化變電站解決方案

福州數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)方案介紹如下：
（1）架構(gòu)設(shè)計(jì)。IEC61850后臺(tái)軟件、測(cè)控和保護(hù)裝置、遠(yuǎn)動(dòng)工作站裝置、接入其它智能設(shè)備的規(guī)約轉(zhuǎn)換設(shè)備，組成基于IEC61850的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)。在間隔層和站控層實(shí)現(xiàn)IEC61850，采用MOXA PT7728系列交換機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化通信和GOOSE報(bào)文的傳遞。過(guò)程層設(shè)備仍然采用傳統(tǒng)的TA、TV和開關(guān)設(shè)備，間隔層設(shè)備與過(guò)程層設(shè)備間通過(guò)MU裝置相連。測(cè)控裝置按照間隔進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)一次設(shè)備的監(jiān)視與控制。測(cè)控和保護(hù)裝置采用IEC61850規(guī)約與監(jiān)控后臺(tái)、遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)通信，同時(shí)為完成間隔層的聯(lián)鎖功能，測(cè)控裝置之間需以IEC61850規(guī)約相互通信。
（2）GPS授時(shí)單元通過(guò)光纖或RS-485將1PPS和時(shí)標(biāo)信號(hào)送入合并器單元的GPS模塊進(jìn)行時(shí)鐘同步，通常，變電站、發(fā)電廠只需1臺(tái)GPS授時(shí)單元給所有的MU提供同步時(shí)鐘。
系統(tǒng)改造采取了分層分布的原則，既實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化變電站的目標(biāo)，又便于今后一次設(shè)備進(jìn)行無(wú)縫的技術(shù)升級(jí)。
3.2 冗余以太網(wǎng)打造符合IEC 61850的現(xiàn)代化變電站（非洲）
冗余以太網(wǎng)在非洲某電力公司變電站的工程應(yīng)用介紹如下：
（1）工程背景。某電力公司為煉鋁廠提供3條132kV電力輸送線路，并通過(guò)煉鋁廠自身的變電站進(jìn)行電力調(diào)整后，為冶煉工藝車間供配電。此項(xiàng)目的工程目標(biāo)是更新整個(gè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，包括對(duì)2000年建立的舊變電站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)升級(jí)。原網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是基于hub的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，而且是非冗余網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。
（2）網(wǎng)絡(luò)要求。①建立一個(gè)冗余以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，保證數(shù)據(jù)通信安全；②網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須符合IEC-61850-3和IEEE 1613標(biāo)準(zhǔn)，確保惡劣電力環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)可靠運(yùn)行；③以太網(wǎng)交換機(jī)需具備模塊連接能力，以便升級(jí)配置。
（3）MOXA冗余以太網(wǎng)應(yīng)用特點(diǎn)。①M(fèi)OXA Turbo Ring冗余技術(shù)具備多種快速恢復(fù)能力（250臺(tái)交換機(jī)組網(wǎng)，恢復(fù)時(shí)間低于20 ms；②PT-7828三層以太網(wǎng)交換機(jī)支持IP路由協(xié)議；③ PowerTrans系列以太網(wǎng)交換機(jī)已通過(guò)KEMA認(rèn)證，符合IEC-61850-3和IEEE 1613標(biāo)準(zhǔn)性能測(cè)試；④ PowerTrans系列以太網(wǎng)交換機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，方便升級(jí)
3.3 MOXA變電站以太網(wǎng)交換機(jī)提高電力傳輸可靠性（中國(guó)臺(tái)灣）
以太網(wǎng)交換機(jī)在提高電力傳輸可靠性的工程應(yīng)用介紹如下：
（1）工程背景。CPC公司是臺(tái)灣石油化工行業(yè)的龍頭企業(yè)。CPC已有自備電廠和變電站，為實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)變電站的遠(yuǎn)程監(jiān)視，CPC采用MOXA PowerTrans系列以太網(wǎng)交換機(jī)來(lái)連接繼電保護(hù)器，完成數(shù)據(jù)采集。在出現(xiàn)緊急情況時(shí)，PowerTrans交換機(jī)還將發(fā)出報(bào)警繼電輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)立即關(guān)斷。
（2）網(wǎng)絡(luò)要求。①網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠滿足高壓變電站環(huán)境下的EMI電磁干擾屏蔽要求；②采用快速冗余環(huán)網(wǎng)和RSTP技術(shù)，以保證無(wú)故障可靠網(wǎng)絡(luò)連接；③網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠?qū)挏夭僮?，并且可在無(wú)溫度調(diào)節(jié)裝置的環(huán)境中可靠運(yùn)行。
（3）MOXA以太網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)用特點(diǎn)。①M(fèi)OXA PowerTrans系列以太網(wǎng)交換機(jī)符IEC-61850-3和IEEE 1613標(biāo)準(zhǔn)，具備卓越的RFI/EMI屏蔽能力；②MOXA以太網(wǎng)交換機(jī)可建立介質(zhì)冗余網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)時(shí)間低于20ms；③PowerTrans系列以太網(wǎng)交換機(jī)可滿足極端溫度環(huán)境（-40～85℃）操作要求。
4  結(jié)束語(yǔ)
      網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的命脈。工業(yè)以太網(wǎng)為傳統(tǒng)的工業(yè)總線互聯(lián)系統(tǒng)提供了異構(gòu)系統(tǒng)互聯(lián)以及推動(dòng)信息化帶動(dòng)自動(dòng)化的新選擇、新方向、新技術(shù)。在變電站互聯(lián)應(yīng)用方面，MOXA 能夠大幅度的促進(jìn)和提升電力能源管理效率與安全運(yùn)行。