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高壓變電站是大區域電力能源管理的基本節點(diǎn),其數字化通信是現代電力系統管理運行的基礎，通常面臨強電磁干擾和室外惡劣環(huán)境，屬于自動(dòng)化設備安全性要求極高的應用領(lǐng)域。因此，建立一個(gè)高可靠、堅固的變電站自動(dòng)化數字通信網(wǎng)絡(luò )是保證電力輸送與配電過(guò)程順利進(jìn)行的關(guān)鍵環(huán)節。這類(lèi)環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò )設備必須滿(mǎn)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 系統通信任務(wù) 大型變電站自動(dòng)化系統對電網(wǎng)和輸電線(xiàn)路的電流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監視，因此，要求保證變電站與遠程控制室之間的無(wú)間斷優(yōu)先數據通信的可靠性外，還應滿(mǎn)足變電站中多個(gè)標準與專(zhuān)有協(xié)議的要求。作為標準變電站通信協(xié)議，IEC61850規定了網(wǎng)絡(luò )設備的通信規范，從而滿(mǎn)足基于以太網(wǎng)技術(shù)的可擴展性與兼容性要求。 1.2 系統通信要求 大型變電站自動(dòng)化系統通信要求如下： （1）對惡劣電磁干擾EMI環(huán)境的防護能力，網(wǎng)絡(luò )設備符合IEC61850-3變電站環(huán)境認證或IEEE1613電力配電站中通信網(wǎng)絡(luò )設備的環(huán)境和測試要求，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)結構實(shí)現安全的數據通信； （3）堅固的光線(xiàn)連接，光線(xiàn)電纜連接具備無(wú)噪聲、遠距離傳輸特點(diǎn)，帶寬的可擴展能力滿(mǎn)足未來(lái)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模變電站網(wǎng)絡(luò )的整體網(wǎng)絡(luò )性能。 2 MOXA數字化變電站解決方案 基于MOXA3層以太網(wǎng)架構的大型數字化變電站解決方案如圖1所示。 圖1MOXA數字化變電站解決方案 2.1 總體網(wǎng)絡(luò )架構 整個(gè)變電站監控體系采用雙星型網(wǎng)絡(luò )連接，站控層采用MOXAPT7728電力交換機搭建，過(guò)程層則采用PT7324電力交換機搭建。當系統網(wǎng)絡(luò )出現故障時(shí)，既可通過(guò)現場(chǎng)交換機的繼電器輸出報警信息，也可通過(guò)E-mail、SNMPTrap方式把故障點(diǎn)及原因報告給站控層管理員，便于及時(shí)做出判斷和維護。過(guò)程層采用傳統互感器，通過(guò)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(guò)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(guò)程中完全實(shí)現了數字化操作。 2.2 方案的優(yōu)勢 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避了單一網(wǎng)絡(luò )出故障時(shí)系統失效的風(fēng)險，使數字化通信在網(wǎng)絡(luò )間得到雙向備份； （2）當監控分站的支干網(wǎng)絡(luò )出現故障時(shí)，不會(huì )影響到主干網(wǎng)絡(luò )的通信； （3）系統擴展時(shí)，規避了環(huán)網(wǎng)的解環(huán)風(fēng)險，借助MU設備和交換機設備可以迅速實(shí)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(shù) MOXA以太網(wǎng)架構的核心技術(shù)有： （1）站控層采用的PT7728高性能電力交換機滿(mǎn)足變電站自動(dòng)化系統（IEC61850-3，IEEE1613）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24/48VDC或110/220VDC/VAC冗余電源輸入的功能，在提高網(wǎng)絡(luò )通信穩定性的同時(shí)還可節省布線(xiàn)，模塊化的設計為用戶(hù)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TurboRing和RSTP/STP（IEEE802.1W/D）；IGMPSnooping和GMRP過(guò)濾多播封包；支持基于端口的VLAN、IEEE802.1QVLAN和GVRP協(xié)議，可輕松實(shí)現網(wǎng)絡(luò )管理；通過(guò)Q0S-IEEE802.1p/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IEEE802.1X和https/SSL，增強網(wǎng)絡(luò )安全性；SNMPV1/V2/V3用于不同級別的網(wǎng)絡(luò )管理；采用RMON提升網(wǎng)絡(luò )監控能力；ABC-01自動(dòng)備份配置器；帶寬管理可以阻止不可預料的網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)，端口鎖定只允許授權的MAC地址訪(fǎng)問(wèn)；端口鏡像用于在線(xiàn)調試；異常事件通過(guò)E-mail或繼電器自動(dòng)輸出報警信息；自動(dòng)恢復連接設備的IP地址；Line-swap快速恢復。 3 MOXA數字化變電站應用案例 3.1 數字化變電站網(wǎng)絡(luò )實(shí)施方案（鞍山） 鞍山數字化變電站網(wǎng)絡(luò )方案如圖2所示。 圖2MOXA數字化變電站解決方案 鞍山數字化變電站網(wǎng)絡(luò )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(dòng)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(dòng)化系統。在間隔層和站控層實(shí)現IEC61850，采用MOXAPT7728系列交換機實(shí)現數字化通信和GOOSE報文的傳遞。過(guò)程層設備仍然采用傳統的TA、TV和開(kāi)關(guān)設備，間隔層設備與過(guò)程層設備間通過(guò)MU裝置相連。測控裝置按照間隔進(jìn)行配置，實(shí)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(dòng)機通信，同時(shí)為完成間隔層的聯(lián)鎖功能，測控裝置之間需以IEC61850規約相互通信。 （2）GPS授時(shí)單元通過(guò)光纖或RS-485將1PPS和時(shí)標信號送入合并器單元的GPS模塊進(jìn)行時(shí)鐘同步，通常，變電站、發(fā)電廠(chǎng)只需1臺NS3262GPS授時(shí)單元給所有的MU提供同步時(shí)鐘。同步數據采樣模塊（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。 系統改造采取了分層分布的原則，既實(shí)現了數字化變電站的目標，又便于今后一次設備進(jìn)行無(wú)縫的技術(shù)升級。 3.2 冗余以太網(wǎng)打造符合IEC61850的現代化變電站（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(chǎng)提供3條132kV電力輸送線(xiàn)路，并通過(guò)煉鋁廠(chǎng)自身的變電站進(jìn)行電力調整后，為冶煉工藝車(chē)間供配電。此項目的工程目標是更新整個(gè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )，包括對2000年建立的舊變電站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )升級。原網(wǎng)絡(luò )系統是基于hub的以太網(wǎng)結構，而且是非冗余網(wǎng)絡(luò )設計。 （2）網(wǎng)絡(luò )要求。①建立一個(gè)冗余以太網(wǎng)結構，保證數據通信安全；②網(wǎng)絡(luò )設備必須符合IEC-61850-3和IEEE1613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)應用特點(diǎn)。①MoxaTurboRing冗余技術(shù)具備多種快速恢復能力（250臺交換機組網(wǎng)，恢復時(shí)間低于20ms；②PT-7828三層以太網(wǎng)交換機支持IP路由協(xié)議；③PowerTrans系列以太網(wǎng)交換機已通過(guò)KEMA認證，符合IEC-61850-3和IEEE1613標準性能測試；④PowerTrans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（中國臺灣） 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公司是臺灣石油化工行業(yè)的龍頭企業(yè)。CPC已有自備電廠(chǎng)和變電站，為實(shí)現對各個(gè)變電站的遠程監視，CPC采用MOXAPowerTrans系列以太網(wǎng)交換機來(lái)連接繼電保護器，完成數據采集。在出現緊急情況時(shí)，PowerTrans交換機還將發(fā)出報警繼電輸出信號，實(shí)現立即關(guān)斷。 （2）網(wǎng)絡(luò )要求。①網(wǎng)絡(luò )設備能夠滿(mǎn)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 )設備能夠寬溫操作，并且可在無(wú)溫度調節裝置的環(huán)境中可靠運行。 （3）MOXA以太網(wǎng)交換機應用特點(diǎn)。①MoxaPowerTrans系列以太網(wǎng)交換機符IEC-61850-3和IEEE1613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 )故障恢復時(shí)間低于20ms；③PowerTrans系列以太網(wǎng)交換機可滿(mǎn)足極端溫度環(huán)境（-40～85℃）操作要求。 4 結束語(yǔ) 網(wǎng)絡(luò )系統是大型數字化變電站自動(dòng)化系統的命脈。工業(yè)以太網(wǎng)為傳統的工業(yè)總線(xiàn)互聯(lián)系統提供了異構系統互聯(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行。 |
