基于MOXA以太網架構的大型數字化變電站

關鍵詞 變電站 數字化 工業(yè)以太網 MOXA交換機

高壓變電站是大區(qū)域電力能源管理的基本節(jié)點,其數字化通信是現代電力系統(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字通信網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。

大型變電站自動化系統(tǒng)對電網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)先數據通信的可靠性外，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)定了網絡設備的通信規(guī)范，從而滿足基于以太網技術的可擴展性與兼容性要求。

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)模變電站網絡的整體網絡性能。

基于MOXA 3層以太網架構的大型數字化變電站解決方案如圖1所示。

圖1 MOXA數字化變電站解決方案

整個變電站監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)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(jiān)控過程中完全實現了數字化操作。

MOXA數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)避了單一網絡出故障時系統(tǒng)失效的風險，使數字化通信在網絡間得到雙向備份；

（2）當監(jiān)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(tǒng)擴展時，規(guī)避了環(huán)網的解環(huán)風險，借助MU設備和交換機設備可以迅速實現系統(tǒng)的數字化擴展，提高了變電站的監(jiān)控效率。

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(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骨干網絡、冗余環(huán)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(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(xié)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(yōu)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(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。

鞍山數字化變電站網絡方案如圖2所示。

圖2 MOXA數字化變電站解決方案

鞍山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(guī)約轉換設備，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(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。同步數據采樣模塊（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。

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(tǒng)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(huán)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(xié)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

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(yè)的龍頭企業(yè)。CPC已有自備電廠和變電站，為實現對各個變電站的遠程監(jiān)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(fā)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(huán)境下的EMI電磁干擾屏蔽要求；②采用快速冗余環(huán)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(jié)裝置的環(huán)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(huán)境（-40～85℃）操作要求。

網絡系統(tǒng)是大型數字化變電站自動化系統(tǒng)的命脈。工業(yè)以太網為傳統(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。