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，通常面臨強電磁干擾和室外惡劣環(huán)境，屬于自動化設備安全性要求極高的應用領域。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)絡是保證電力輸送與配電過程順利進行的關鍵環(huán)節(jié)。這類環(huán)境中的網(wǎng)絡設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)境適應性要求。

1 大型變電站以太網(wǎng)架構

1.1 系統(tǒng)通信任務

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)絡設備的通信規(guī)范，從而滿足基于以太網(wǎng)技術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)絡設備符合iec 61850-3變電站環(huán)境認證或ieee 1613電力配電站中通信網(wǎng)絡設備的環(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)絡的高可用性，冗余以太網(wǎng)結構實現(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)絡的整體網(wǎng)絡性能。

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)絡架構

整個變電站監(jiān)控體系采用雙星型網(wǎng)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(tǒng)網(wǎng)絡出現(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，從而在對一次設備、二次設備的監(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)絡出故障時系統(tǒng)失效的風險，使數(shù)字化通信在網(wǎng)絡間得到雙向備份；

（2）當監(jiān)控分站的支干網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時，不會影響到主干網(wǎng)絡的通信；

（3）系統(tǒng)擴展時，規(guī)避了環(huán)網(wǎng)的解環(huán)風險，借助mu設備和交換機設備可以迅速實現(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

moxa以太網(wǎng)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(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、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)絡通信穩(wěn)定性的同時還可節(jié)省布線，模塊化的設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)絡帶寬；支持ieee 802.1x和https/ssl，增強網(wǎng)絡安全性；snmp v1/v2/v3用于不同級別的網(wǎng)絡管理；采用rmon提升網(wǎng)絡監(jiān)控能力；abc-01自動備份配置器；帶寬管理可以阻止不可預料的網(wǎng)絡狀態(tài)，端口鎖定只允許授權的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；自動恢復連接設備的ip地址；line-swap快速恢復。

3 、moxa數(shù)字化變電站應用案例

3.1 數(shù)字化變電站網(wǎng)絡實施方案（鞍山）

鞍山數(shù)字化變電站網(wǎng)絡方案如圖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(guī)約轉(zhuǎn)換設備，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。過程層設備仍然采用傳統(tǒng)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(xiàn)對一次設備的監(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，又便于今后一次設備進行無縫的技術升級。

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，包括對2000年建立的舊變電站進行網(wǎng)絡升級。原網(wǎng)絡系統(tǒng)是基于hub的以太網(wǎng)結構，而且是非冗余網(wǎng)絡設計。

（2）網(wǎng)絡要求：①建立一個冗余以太網(wǎng)結構，保證數(shù)據(jù)通信安全；②網(wǎng)絡設備必須符合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(wǎng)，恢復時間低于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***）

以太網(wǎng)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***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)立即關斷。

（2）網(wǎng)絡要求。①網(wǎng)絡設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，以保證無故障可靠網(wǎng)絡連接；③網(wǎng)絡設備能夠?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，網(wǎng)絡故障恢復時間低于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、 結束語

網(wǎng)絡系統(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。在變電站互聯(lián)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。