【摘  要】分析數字化變電站自動化系統通信特點，集中論述基于MOXA以太網交換機構建三層數字化變電站網絡解決方案，介紹了MOXA交換機關鍵技術和特點，并給出3個數字化變電站通信系統案例。

關鍵詞  變電站  數字化  工業以太網  MOXA交換機 MOXA 嵌入式管理機
0  引言
      數字化變電站是邁向建立智能電網的智能化變電站的必經階段。掌握了數字化變電站的建設和系統特征，才能為建立未來智能化變電站打下牢固的基礎。那么，何為數字化變電站呢？簡言之，它是以變電站中一、二次設備為數字化對象，以高速網絡通信平臺為基礎，通過對數字化信息進行標準化，實現信息共享和互操作，并以網絡數據為基礎，實現數據測量監視、控制保護、信息管理等自動化功能的變電站。本篇要闡述的重點不是數字化變電站本身，而是負責搭建數字化變電站的高速網絡通信設備。具體到設備就是電力專用以太網交換機。這類設備必須滿足最高等級的抗電磁干擾、工業可靠性要求以及環境適應性要求。
1  數字化變電站以太網架構
1.1 通用的以太網結構
     數字化變電站具備典型的三層架構：分別為站控層、間隔層和過程層。但是在大家的習慣性做法中，以太網交換機往往置于站控層和過程層，原先隸屬于間隔層的以太網交換機被納入到站控層中了，這種事實上的通用往往是由于工程的實際需要造成的。但 IED 設備仍然嚴格地按照三層架構來加以區分。
     站控層的交換機網絡通常布置為雙星型網絡，這是基于電力自動化系統一貫的要求而延續下來的結構。這樣做的好處是，布線容易，且雙網互備。而過程層的交換機網絡方案目前有兩種：一種仍然按照雙星型來布設交換機，另一種則以環網方式來布設交換機。前者為國內主流方案，而后者為國外數字化變電站的主流方案。這兩種網絡方案各有所長：采用雙星型方式來布置交換機，當一條通訊線路出現故障時，可以讓過程層的IED在互備的兩條線路中無縫切換，從而確保數據交互的實時性。但雙星型方式要求交換機也要雙份，由此增加了成本。采用環網方式布置時，當鏈路中任意一段出現故障時，環網可以在毫秒級時限內完成自愈切換，從而保證通訊幾乎無中斷，但實時性相比而言略顯不足。由于單環網的架構對交換機的需求是單份的，從而可以節約一些硬件成本。可以說過程層單環網方案是一個比較折中的方案，損失一些實時性，但也降低了一些成本。
1.2 系統通信要求
數字化變電站自動化系統通信要求如下：
（1）對惡劣電磁干擾EMI環境的防護能力，網絡設備符合IEC 61850-3變電站環境認證或IEEE 1613電力配電站中通信網絡設備的環境和測試要求，提供最佳的EMI屏蔽能力和無故障通信能力；
（2）網絡的高可用性，冗余以太網結構實現安全的數據通信；
（3）堅固的光纖連接，光纖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）網絡交換機具備多光口、千兆及百兆端口模塊化設計，在全速率轉發條件下，應該滿足零丟包；
（5）能夠承受極端環境變化，變電站環境的溫度邊界條件變化非常大，變電站局域網必須能夠在寬溫條件下可靠運行。

 
圖1 MOXA數字化變電站解決方案

2.1總體網絡架構
      整個變電站監控體系采用雙星型網絡連接，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。當系統網絡出現故障時，既可通過現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。過程層采用傳統互感器，通過MU合并單元將其同步采集信號轉化為數字幀送出，并將此信息透過交換機向間隔層傳遞，從而在對一次設備、二次設備的監控過程中完全實現了數字化操作。
 2.2  方案的優勢
MOXA數字化變電站解決方案的優勢有:
（1）雙星型連接有效的規避了單一網絡出故障時系統失效的風險，使數字化通信在網絡間得到雙向備份；
  （2）當監控分站的支干網絡出現故障時，不會影響到主干網絡的通信；
（3）系統擴展時，規避了環網的解環風險，借助MU設備和交換機設備可以迅速實現系統的數字化擴展，提高了變電站的監控效率。
2.3 核心技術
MOXA以太網架構的核心技術有：
（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（IEC 61850-3，IEEE 1613）的工業級別性能需求。PT-7728可組建高性能的千兆以太網骨干網絡、冗余環網，具備24/48 VDC或110/220 VDC/VAC冗余電源輸入的功能，在提高網絡通信穩定性的同時還可節省布線，模塊化的設計為用戶提供更加輕松，靈活的組網方式。
（2）網站頂層交換機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協議，可輕松實現網絡管理；通過Q0S-IEEE 802.1p/1Q和TOS/DiffServ提升決策機制；采用802.3ad，LACP優化網絡帶寬；支持IEEE 802.1X和https/SSL，增強網絡安全性；SNMP V1/V2/V3用于不同級別的網絡管理；采用RMON提升網絡監控能力；ABC-01自動備份配置器；帶寬管理可以阻止不可預料的網絡狀態，端口鎖定只允許授權的MAC地址訪問；端口鏡像用于在線調試；異常事件通過E-mail或繼電器自動輸出報警信息；自動恢復連接設備的IP地址；Line-swap快速恢復。
(3)MOXA 新一代PT系列交換機具備支持IEEE 1588V1/V2 的軟硬件功能，并且作為透明時鐘時，同時支持E（End） to E 和 P(Peer) to P雙模式，對時精度達到納秒級。其具備的GMRP功能，可針對組播（Multicast）封包進行特定群組的轉發，從而可對大型變電站內龐大網絡的多層級聯模式完成精準對時。

 
圖2 MOXA數字化變電站解決方案

福州數字化變電站網絡方案介紹如下：
（1）架構設計。IEC61850后臺軟件、測控和保護裝置、遠動工作站裝置、接入其它智能設備的規約轉換設備，組成基于IEC61850的變電站自動化系統。在間隔層和站控層實現IEC61850，采用MOXA PT7728系列交換機實現數字化通信和GOOSE報文的傳遞。過程層設備仍然采用傳統的TA、TV和開關設備，間隔層設備與過程層設備間通過MU裝置相連。測控裝置按照間隔進行配置，實現對一次設備的監視與控制。測控和保護裝置采用IEC61850規約與監控后臺、遠動機通信，同時為完成間隔層的聯鎖功能，測控裝置之間需以IEC61850規約相互通信。
（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、發電廠只需1臺GPS授時單元給所有的MU提供同步時鐘。
系統改造采取了分層分布的原則，既實現了數字化變電站的目標，又便于今后一次設備進行無縫的技術升級。
3.2 冗余以太網打造符合IEC 61850的現代化變電站（非洲）
冗余以太網在非洲某電力公司變電站的工程應用介紹如下：
（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絡，包括對2000年建立的舊變電站進行網絡升級。原網絡系統是基于hub的以太網結構，而且是非冗余網絡設計。
（2）網絡要求。①建立一個冗余以太網結構，保證數據通信安全；②網絡設備必須符合IEC-61850-3和IEEE 1613標準，確保惡劣電力環境下的網絡可靠運行；③以太網交換機需具備模塊連接能力，以便升級配置。
（3）MOXA冗余以太網應用特點。①MOXA Turbo Ring冗余技術具備多種快速恢復能力（250臺交換機組網，恢復時間低于20 ms；②PT-7828三層以太網交換機支持IP路由協議；③ PowerTrans系列以太網交換機已通過KEMA認證，符合IEC-61850-3和IEEE 1613標準性能測試；④ PowerTrans系列以太網交換機采用模塊化設計，方便升級
3.3 MOXA變電站以太網交換機提高電力傳輸可靠性（中國臺灣）
以太網交換機在提高電力傳輸可靠性的工程應用介紹如下：
（1）工程背景。CPC公司是臺灣石油化工行業的龍頭企業。CPC已有自備電廠和變電站，為實現對各個變電站的遠程監視，CPC采用MOXA PowerTrans系列以太網交換機來連接繼電保護器，完成數據采集。在出現緊急情況時，PowerTrans交換機還將發出報警繼電輸出信號，實現立即關斷。
（2）網絡要求。①網絡設備能夠滿足高壓變電站環境下的EMI電磁干擾屏蔽要求；②采用快速冗余環網和RSTP技術，以保證無故障可靠網絡連接；③網絡設備能夠寬溫操作，并且可在無溫度調節裝置的環境中可靠運行。
（3）MOXA以太網交換機應用特點。①MOXA PowerTrans系列以太網交換機符IEC-61850-3和IEEE 1613標準，具備卓越的RFI/EMI屏蔽能力；②MOXA以太網交換機可建立介質冗余網絡，網絡故障恢復時間低于20ms；③PowerTrans系列以太網交換機可滿足極端溫度環境（-40～85℃）操作要求。
4  結束語
      網絡系統是數字化變電站自動化系統的命脈。工業以太網為傳統的工業總線互聯系統提供了異構系統互聯以及推動信息化帶動自動化的新選擇、新方向、新技術。在變電站互聯應用方面，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。