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【摘 要】分析變電站自動化系統(tǒng)通信特點，集中論述基于MOXA以太網(wǎng)交換機構(gòu)建3層工業(yè)以太網(wǎng)總線變電站網(wǎng)絡(luò)解決方案，介紹了MOXA交換機關(guān)鍵技術(shù)，并給出3個工業(yè)以太網(wǎng)大型數(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
0 引言
高壓變電站是大區(qū)域電力能源管理的基本節(jié)點,其數(shù)字化通信是現(xiàn)代電力系統(tǒng)管理運行的基礎(chǔ)，通常面臨強電磁干擾和室外惡劣環(huán)境，屬于自動化設(shè)備安全性要求極高的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，建立一個高可靠、堅固的變電站自動化數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)是保證電力輸送與配電過程順利進行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這類環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須滿足最高的電磁干擾EMI防護要求，工業(yè)可靠性要求以及環(huán)境適應(yīng)性要求。
1 大型變電站以太網(wǎng)架構(gòu)
1.1 系統(tǒng)通信任務(wù)
大型變電站自動化系統(tǒng)對電網(wǎng)和輸電線路的電流量進行實時監(jiān)視，因此，要求保證變電站與遠程控制室之間的無間斷優(yōu)先數(shù)據(jù)通信的可靠性外，還應(yīng)滿足變電站中多個標準與專有協(xié)議的要求。作為標準變電站通信協(xié)議，IEC61850規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通信規(guī)范，從而滿足基于以太網(wǎng)技術(shù)的可擴展性與兼容性要求。
1.2 系統(tǒng)通信要求
大型變電站自動化系統(tǒng)通信要求如下：
（1）對惡劣電磁干擾EMI環(huán)境的防護能力，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備符合IEC 61850-3變電站環(huán)境認證或IEEE 1613電力配電站中通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的環(huán)境和測試要求，提供最佳的EMI屏蔽能力和無故障通信能力；
（2）網(wǎng)絡(luò)的高可用性，冗余以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)安全的數(shù)據(jù)通信；
（3）堅固的光線連接，光線電纜連接具備無噪聲、遠距離傳輸特點，帶寬的可擴展能力滿足未來升級要求；
（4）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)LAN必須能夠在寬溫條件下可靠運行；
（5）大型變電站3層路由功能，路由能力可以提升大規(guī)模變電站網(wǎng)絡(luò)的整體網(wǎng)絡(luò)性能。
2 MOXA數(shù)字化變電站解決方案
基于MOXA 3層以太網(wǎng)架構(gòu)的大型數(shù)字化變電站解決方案如圖1所示。  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電力交換機搭建，過程層則采用PT7324電力交換機搭建。當系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，既可通過現(xiàn)場交換機的繼電器輸出報警信息，也可通過E-mail、SNMP Trap方式把故障點及原因報告給站控層管理員，便于及時做出判斷和維護。過程層采用傳統(tǒng)互感器，通過MU合并單元將其同步采集信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字幀送出，并將此信息透過交換機向間隔層傳遞，從而在對一次設(shè)備、二次設(shè)備的監(jiān)控過程中完全實現(xiàn)了數(shù)字化操作。
2.2 方案的優(yōu)勢
MOXA數(shù)字化變電站解決方案的優(yōu)勢有:
（1）雙星型連接有效的規(guī)避了單一網(wǎng)絡(luò)出故障時系統(tǒng)失效的風險，使數(shù)字化通信在網(wǎng)絡(luò)間得到雙向備份；
（2）當監(jiān)控分站的支干網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，不會影響到主干網(wǎng)絡(luò)的通信；
（3）系統(tǒng)擴展時，規(guī)避了環(huán)網(wǎng)的解環(huán)風險，借助MU設(shè)備和交換機設(shè)備可以迅速實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化擴展，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高性能電力交換機滿足變電站自動化系統(tǒng)（IEC 61850-3，IEEE 1613）的工業(yè)級別性能需求。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)定性的同時還可節(jié)省布線，模塊化的設(shè)計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PT7728支持Turbo Ring和RSTP/STP（IEEE802.1W/D）；IGMP Snooping和GMRP過濾多播封包；支持基于端口的VLAN、IEEE 802.1Q VLAN和GVRP協(xié)議，可輕松實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理；通過Q0S-IEEE 802.1p/1Q和TOS/DiffServ提升決策機制；采用802.3ad，LACP優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)帶寬；支持IEEE 802.1X和https/SSL，增強網(wǎng)絡(luò)安全性；SNMP V1/V2/V3用于不同級別的網(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；端口鏡像用于在線調(diào)試；異常事件通過E-mail或繼電器自動輸出報警信息；自動恢復(fù)連接設(shè)備的IP地址；Line-swap快速恢復(fù)。
3 MOXA數(shù)字化變電站應(yīng)用案例
3.1 數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)實施方案（鞍山）
鞍山數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)方案如圖2所示。  圖2 MOXA數(shù)字化變電站解決方案
鞍山數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)方案介紹如下：
（1）架構(gòu)設(shè)計。IEC61850后臺軟件、測控和保護裝置、遠動工作站裝置、接入其它智能設(shè)備的規(guī)約轉(zhuǎn)換設(shè)備，組成基于IEC61850的變電站自動化系統(tǒng)。在間隔層和站控層實現(xiàn)IEC61850，采用MOXA PT7728系列交換機實現(xiàn)數(shù)字化通信和GOOSE報文的傳遞。過程層設(shè)備仍然采用傳統(tǒng)的TA、TV和開關(guān)設(shè)備，間隔層設(shè)備與過程層設(shè)備間通過MU裝置相連。測控裝置按照間隔進行配置，實現(xiàn)對一次設(shè)備的監(jiān)視與控制。測控和保護裝置采用IEC61850規(guī)約與監(jiān)控后臺、遠動機通信，同時為完成間隔層的聯(lián)鎖功能，測控裝置之間需以IEC61850規(guī)約相互通信。
（2）GPS授時單元通過光纖或RS-485將1PPS和時標信號送入合并器單元的GPS模塊進行時鐘同步，通常，變電站、發(fā)電廠只需1臺NS3262 GPS授時單元給所有的MU提供同步時鐘。同步數(shù)據(jù)采樣模塊（DSP板）有1塊高速DSP芯片，由GPS模塊進行時鐘同步。傳統(tǒng)的TA、TV信號、OCVT的模擬量全部由DSP板負責處理，DSP板上集成有高速以太網(wǎng)芯片，直接在鏈路層以IEC61850-9-1或者IEC61850-9-2格式將采樣值單向傳送到二次保護控制單元。
系統(tǒng)改造采取了分層分布的原則，既實現(xiàn)了數(shù)字化變電站的目標，又便于今后一次設(shè)備進行無縫的技術(shù)升級。
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，并通過煉鋁廠自身的變電站進行電力調(diào)整后，為冶煉工藝車間供配電。此項目的工程目標是更新整個自動化網(wǎng)絡(luò)，包括對2000年建立的舊變電站進行網(wǎng)絡(luò)升級。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。
（2）網(wǎng)絡(luò)要求。①建立一個冗余以太網(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標準，確保惡劣電力環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)可靠運行；③以太網(wǎng)交換機需具備模塊連接能力，以便升級配置。
（3）MOXA冗余以太網(wǎng)應(yīng)用特點。①Moxa Turbo Ring冗余技術(shù)具備多種快速恢復(fù)能力（250臺交換機組網(wǎng)，恢復(fù)時間低于20 ms；②PT-7828三層以太網(wǎng)交換機支持IP路由協(xié)議；③ PowerTrans系列以太網(wǎng)交換機已通過KEMA認證，符合IEC-61850-3和IEEE 1613標準性能測試；④ PowerTrans系列以太網(wǎng)交換機采用模塊化設(shè)計，方便升級
3.3 MOXA變電站以太網(wǎng)交換機提高電力傳輸可靠性（中國臺灣）
以太網(wǎng)交換機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，為實現(xiàn)對各個變電站的遠程監(jiān)視，CPC采用MOXA PowerTrans系列以太網(wǎng)交換機來連接繼電保護器，完成數(shù)據(jù)采集。在出現(xiàn)緊急情況時，PowerTrans交換機還將發(fā)出報警繼電輸出信號，實現(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)，以保證無故障可靠網(wǎng)絡(luò)連接；③網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠?qū)挏夭僮鳎⑶铱稍跓o溫度調(diào)節(jié)裝置的環(huán)境中可靠運行。
（3）MOXA以太網(wǎng)交換機應(yīng)用特點。①Moxa PowerTrans系列以太網(wǎng)交換機符IEC-61850-3和IEEE 1613標準，具備卓越的RFI/EMI屏蔽能力；②Moxa以太網(wǎng)交換機可建立介質(zhì)冗余網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)時間低于20ms；③PowerTrans系列以太網(wǎng)交換機可滿足極端溫度環(huán)境（-40～85℃）操作要求。
4 結(jié)束語
網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是大型數(shù)字化變電站自動化系統(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)以及推動信息化帶動自動化的新選擇、新方向、新技術(shù)。在變電站互聯(lián)應(yīng)用方面，MOXA能夠大幅度的促進和提升電力能源管理效率與安全運行。
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