楊  光1，劉勁松2，張  可1，高慧彬3

　　(1.國網(wǎng)上海市電力公司浦東供電公司，上海200122；2.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海200437；

　　3.上海瑞莉自動化成套設(shè)備有限公司，上海201802)

　　摘  要： 我國目前的配電網(wǎng)還處于較薄弱階段，為了加強電網(wǎng)的建設(shè)和改造，配電自動化的實施勢在必行。通信在配電自動化中占據(jù)著相當(dāng)重要的地位，是配電自動化成敗的關(guān)鍵。工業(yè)以太網(wǎng)作為未來配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的發(fā)展主流之一，對其研究有著重大的意義。與其他控制網(wǎng)絡(luò)相比，工業(yè)以太網(wǎng)有如下一些優(yōu)點：可靠性高、通信速度快、技術(shù)成熟、受支持度好、互聯(lián)性和開放性好、擴展性好、設(shè)備成本低、可支持的傳輸介質(zhì)多、發(fā)展?jié)摿Υ?。目前，工業(yè)以太網(wǎng)已得到廣泛應(yīng)用，并已經(jīng)被國際上確立為工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)。

　　關(guān)鍵詞： 配電自動化；通信；工業(yè)以太網(wǎng)

0 引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及生活水平的提高，人們對供電可靠性的要求日趨迫切。在此需求下，電網(wǎng)中配電自動化應(yīng)運而生，并已成為供電企業(yè)十分緊迫的任務(wù)。這幾年，國家電網(wǎng)公司花費很大的人力和財力來支持配電網(wǎng)的建設(shè)，配電自動化系統(tǒng)的建設(shè)也日趨成熟。

　　針對目前國內(nèi)配電自動化系統(tǒng)中使用現(xiàn)場總線技術(shù)通信，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分層分布、通信能力不足、開放性較差的現(xiàn)象，根據(jù)配電網(wǎng)自動化技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的配電自動化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基于工業(yè)以太網(wǎng)的通信方式，實現(xiàn)了扁平化組網(wǎng)及開放式操作，省去了繁瑣的協(xié)議轉(zhuǎn)換中間環(huán)節(jié)，節(jié)約了成本，提高了穩(wěn)定性[1-2]。

1 配電自動化的通信需求分析

　　1.1 通信數(shù)據(jù)類型及實時性要求

　　根據(jù)配電自動化系統(tǒng)的功能要求和優(yōu)先級，配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)類型分為3種，對各級傳輸實時性的要求見表1。

　　(1)雙向?qū)崟r控制業(yè)務(wù)：包含由控制中心下發(fā)的控制命令、設(shè)備運行狀態(tài)在線監(jiān)測、配電網(wǎng)故障信息上報等[3]；

　　(2)非實時監(jiān)測業(yè)務(wù)：包含電能計量、視頻監(jiān)控等；

　　(3)管理業(yè)務(wù)：包含配電自動化系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換以及與用戶間的互動等。

　　1.2 通信寬帶要求

　　根據(jù)配電自動化數(shù)據(jù)類型和傳輸要求，實時控制業(yè)務(wù)主要提供配電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控信息、故障定位信息等的傳送，單個終端帶寬容量在1 Kb/s以下；非實時監(jiān)測業(yè)務(wù)中智能電表業(yè)務(wù)，每個智能電表信息量0.125 Kb/s，按照每個智能配電子網(wǎng)中下掛1 000個節(jié)點計算，智能電表突發(fā)數(shù)據(jù)所占帶寬為125 Kb/s；對于關(guān)鍵的配電自動化節(jié)點將具有視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)，根據(jù)目前的視頻壓縮的狀態(tài)，在每個子網(wǎng)中為視頻監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)留5 Mb/s~10 Mb/s帶寬[3-4]。從以上數(shù)據(jù)估算，配電自動化通信子網(wǎng)帶寬需求在10 Mb/s左右，主網(wǎng)帶寬則至少需100 Mb/s，不僅要滿足現(xiàn)階段變電站覆蓋范圍內(nèi)配電自動化終端、配電站所視頻監(jiān)控終端、線路故障指示器、智能電表等信息點的通信需求，還要考慮將來可發(fā)展的縱聯(lián)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)、分布式電源或儲能站、設(shè)備在線監(jiān)測終端等通信需求[4]。

　　1.3 通信可靠性要求

　　配電自動化終端分布在城市的各個角落，地理分布廣，應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜惡劣（如室外的高溫、高濕、電磁、鹽霧等），同時配電自動化網(wǎng)絡(luò)要求具有故障自愈的功能，所以配電自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足以下可靠性要求[4-5]：

　　(1)網(wǎng)絡(luò)必須具有環(huán)形自愈功能，自愈時間小于100 ms。

　　(2)通信設(shè)備組成單個環(huán)網(wǎng)能力應(yīng)不小于50個節(jié)點，便于未來業(yè)務(wù)和節(jié)點的不斷擴展。

　　(3)網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點采用同樣的封裝和功能設(shè)備，便于未來設(shè)備的維護(hù)、更換和檢修。

　　(4)通信節(jié)點滿足IEC61850-3標(biāo)準(zhǔn)中對環(huán)境的適應(yīng)性要求，以保證在復(fù)雜、惡劣的環(huán)境中配電自動化系統(tǒng)能正常工作。

　　1.4 通信安全性要求

　　隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)信息安全已經(jīng)成為智能配電網(wǎng)通信建設(shè)關(guān)注的問題。配電自動化通信網(wǎng)絡(luò)中入網(wǎng)的設(shè)備必須進(jìn)行安全認(rèn)證，通過密匙的交互提高配電自動化系統(tǒng)的安全性，拒絕非法用戶的接入。

2 工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)特點

　　以太網(wǎng)是當(dāng)今局域網(wǎng)領(lǐng)域采用的居于主導(dǎo)地位的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)遵循IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，采用CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測）技術(shù)，傳輸介質(zhì)可以為光纖和雙絞線，支持星型、環(huán)型、總線型及混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳輸速率為10 Mb/s、100 Mb/s、1 000 Mb/s或者更高[6]。光纖以太網(wǎng)是以太網(wǎng)和光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合。以太網(wǎng)應(yīng)用普遍、組網(wǎng)靈活、管理簡單。光纖網(wǎng)絡(luò)可靠性高、通信容量大。光纖以太網(wǎng)集中了以太網(wǎng)和光網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，以高速率、大容量消除了存在于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)之間的帶寬瓶頸[6]。

　　2.1 工業(yè)以太網(wǎng)的實時性

　　為了對工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)實時性進(jìn)行驗證，采用了30臺百兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機級聯(lián)，分別對128 B、256 B、512 B、1 024 B、1 518 B的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時性測試，在實時報文50%帶寬和非實時報文為100%的狀態(tài)下，對系統(tǒng)傳輸?shù)膶崟r性進(jìn)行評估，測試結(jié)果如表2。

　　從上表看出，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的實時性與報文的長度是密切相關(guān)的，在網(wǎng)絡(luò)100%的符合狀態(tài)下，30臺交換機對1 518 B的報文，最大轉(zhuǎn)發(fā)延遲不大于5 ms，完全滿足配電自動化系統(tǒng)實時性的需求。

　　2.2 工業(yè)以太網(wǎng)的快速冗余特性

　　智能配電網(wǎng)最關(guān)鍵的特點之一是故障自愈，所以配電自動化通信系統(tǒng)更應(yīng)該有自愈的功能。2010年4月頒布實施的IEC62439標(biāo)準(zhǔn)不僅描述了單環(huán)網(wǎng)冗余的技術(shù)特點，而且描述了多環(huán)網(wǎng)耦合自愈的特點，該標(biāo)準(zhǔn)的頒布為智能電網(wǎng)的通信系統(tǒng)發(fā)展提供了技術(shù)保障[6]。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)遵循國際標(biāo)準(zhǔn)，可以實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)狀態(tài)下的快速冗余，其自愈時間小于100 ms。

　　2.3 工業(yè)以太網(wǎng)的可靠性

　　工業(yè)以太網(wǎng)可以對傳輸端口和本地端口的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行線速轉(zhuǎn)發(fā)，支持多個優(yōu)先級隊列實現(xiàn)QoS的業(yè)務(wù)區(qū)分，支持VLAN劃分，支持端口速率限制和流量控制；針對工業(yè)應(yīng)用的設(shè)計，電磁兼容性、工作溫度、防震等指標(biāo)符合工業(yè)現(xiàn)場的要求[7]。

　　2.4 工業(yè)以太網(wǎng)的安全性

　　通用的以太網(wǎng)技術(shù)存在著諸多的網(wǎng)絡(luò)安全問題，將會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的不可用，已有的一些保障網(wǎng)絡(luò)安全和可用性的策略對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)未必完全適應(yīng)。工業(yè)以太網(wǎng)在設(shè)計時，根據(jù)自身的特點全面地考慮可用性和安全性問題，不僅考慮了網(wǎng)絡(luò)的基本可用性，更著重考慮網(wǎng)絡(luò)的安全性，如“探測MAC地址活躍性”、端口安全、廣播風(fēng)暴抑制等，以保障工業(yè)測量和控制網(wǎng)絡(luò)具有其高可用性[7-8]。

　　2.5 工業(yè)以太網(wǎng)的管理特性

　　在配電自動化系統(tǒng)中，所有的通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都必須具有其可管理性。工業(yè)以太網(wǎng)交換機不僅支持WEB的瀏覽器網(wǎng)絡(luò)管理模式，而且可以通過SNMP協(xié)議、IEC61850管理模型、OPC協(xié)議等進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能化管理，其管理深度可以到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中某個端口、某個MAC地址的數(shù)據(jù)類型。

　　2.6 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計

　　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其組成如下：

　　(1)通信網(wǎng)采用核心層、匯聚層和接入層三層結(jié)構(gòu)設(shè)計，光纖工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)。

　　(2)核心層：由SDH通信承載網(wǎng)和2臺核心交換機構(gòu)建。

　　(3)匯聚層：由配置于變電站內(nèi)的三層（LSW5003系列工業(yè)交換機）/二層（LSW3003系列工業(yè)交換機）工業(yè)以太網(wǎng)交換機組成。

　　(4)接入層：由配置于配網(wǎng)站點的二層工業(yè)以太網(wǎng)交換機組成物理半封閉網(wǎng)（LSW2000系列工業(yè)交換機）。

　　(5)網(wǎng)管部署：UMC網(wǎng)管部署自動化站二平面骨干網(wǎng)配網(wǎng)交換機側(cè)。

　　(6)組播管理：通過VLAN對GOOSE組播報文進(jìn)行控制管理。

　　(7)互聯(lián)方式：設(shè)備之間采取單鏈路光口互聯(lián)。

　　(8)管理數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)歸屬統(tǒng)一通道，即不區(qū)分通道。

3 設(shè)計方案

　　3.1 110 kV/35 kV變電站配電自動化

　　110 kV/35 kV變電站配電自動化通信交換機設(shè)備配置如圖2所示。構(gòu)成電纜環(huán)網(wǎng)的每條出線配置一臺2光口6電口的二層交換機，整站配置一臺8光口20電口的三層交換機，2光6電二層交換機的電口接入8光20電三層交換機的電口，下級開關(guān)站的二層匯聚交換機接入8光20電三層交換機的光口。站內(nèi)三層交換機經(jīng)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)縱向加密裝置與調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)路由器連接后接入調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)[9]。

　　通過變電站內(nèi)的三層交換機，可將站內(nèi)10 kV出線及下級開關(guān)站出線構(gòu)成的分布式配電自動化環(huán)網(wǎng)劃分為多個VLAN，每個VLAN內(nèi)的配電終端配置各自的局域網(wǎng)IP地址，多個環(huán)網(wǎng)共用一個全網(wǎng)IP地址。

　　3.2 10 kV開關(guān)站配電自動化

　　開關(guān)站通信設(shè)備配置如3所示。開關(guān)站內(nèi)每個電纜環(huán)網(wǎng)出線配置一臺2光口6電口二層交換機，全站配置一臺4光口20電口二層交換機，2光6電二層交換機的電口接入4光20電二層交換機的電口，4光20電二層交換機的光口接入其上級變電站中8光20電三層交換機的光口。

　　開關(guān)站二層交換機無法劃分VLAN，可通過變電站三層交換機對其所供開關(guān)站下的環(huán)網(wǎng)按環(huán)劃分VLAN解決。每個二層交換機配置一個局域網(wǎng)IP地址，無需配置全網(wǎng)IP地址。

　　3.3 環(huán)網(wǎng)配電站、箱式變電站、戶外環(huán)網(wǎng)裝置設(shè)置

　　環(huán)網(wǎng)配電站、箱式變電站、戶外環(huán)網(wǎng)裝置中交換機配置如圖4所示。環(huán)網(wǎng)配電站中根據(jù)配電自動化終端數(shù)量配置對應(yīng)數(shù)量的2光口6電口二層交換機，每個二層交換機配置一個局域網(wǎng)IP地址，無需配置全網(wǎng)IP地址。

4 成效分析

　　工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，使配電自動化系統(tǒng)在許多方面發(fā)生質(zhì)的變化。

　　(1)網(wǎng)絡(luò)信息交換速度全面提高，為基于終端互通信功能的快速配網(wǎng)饋線自動化提供了自主通信基礎(chǔ)；

　　(2)全網(wǎng)統(tǒng)一IP尋址，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加合理，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)相對簡單，網(wǎng)絡(luò)安全性也大大提高；

　　(3)免去終端低速數(shù)據(jù)接口與高速以太網(wǎng)接口的轉(zhuǎn)換，提高了終端訪問效率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

5 結(jié)論

　　通過借鑒智能變電站中工業(yè)以太網(wǎng)交換機通信組網(wǎng)的方法，將其拓展引入到分布式配電自動化通信系統(tǒng)中，采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機組建環(huán)形通信自愈網(wǎng)，針對分布式配電自動化系統(tǒng)中配電終端之間GOOSE組播通信的特點，因地制宜地采用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換負(fù)載和IP地址配置，為分布式配電自動化系統(tǒng)中通信組網(wǎng)技術(shù)提供了更加優(yōu)化的新范例。此外，分布式配電自動化系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機組建通信網(wǎng)絡(luò)，克服了EPON通信在分布式配電自動化系統(tǒng)中的缺點，提高了配電自動化系統(tǒng)通信可靠性和通信質(zhì)量，優(yōu)化了配電終端IP地址配置，減少了主站前置機通信鏈路需求，取得了良好的成效。

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