引言

高壓變電站是大區(qū)域電力能源管理的基本節(jié)點(diǎn)，其數(shù)字化通信是現(xiàn)代電力系統(tǒng)管理運(yùn)行的基礎(chǔ)，通常面臨強(qiáng)電磁干擾和室外惡劣環(huán)境，屬于自動(dòng)化設(shè)備安全性要求極高的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，建立一個(gè)高可靠、堅(jiān)固的變電站自動(dòng)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(jìn)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(hù)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(dòng)化系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)和輸電線路的電流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，因此，要求保證變電站與遠(yuǎn)程控制室之間的無(wú)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)與專有協(xié)議的要求。作為標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)展性與兼容性要求。

1.2 系統(tǒng)通信要求

大型變電站自動(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)固的光線連接，光線電纜連接具備無(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）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(yùn)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(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)，既可通過現(xiàn)場(chǎng)交換機(jī)的繼電器輸出報(bào)警信息，也可通過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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字幀送出，并將此信息透過交換機(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；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(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(shí)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(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(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)ns3262 gps授時(shí)單元給所有的mu提供同步時(shí)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(jìn)行時(shí)鐘同步。傳統(tǒng)的ta、tv信號(hào)、ocvt的模擬量全部由dsp板負(fù)責(zé)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(hù)控制單元。

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)：①moxa 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)***）

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***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)。①moxa 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)是大型數(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。