楊 光1，劉勁松2，張 可1，高慧彬3
(1.國網上海市電力公司浦東供電公司，上海200122；2.國網上海市電力公司電力科學研究院，上海200437；
3.上海瑞莉自動化成套設備有限公司，上海201802)
摘 要： 我國目前的配電網還處于較薄弱階段，為了加強電網的建設和改造，配電自動化的實施勢在必行。通信在配電自動化中占據著相當重要的地位，是配電自動化成敗的關鍵。工業以太網作為未來配電網通信系統的發展主流之一，對其研究有著重大的意義。與其他控制網絡相比，工業以太網有如下一些優點：可靠性高、通信速度快、技術成熟、受支持度好、互聯性和開放性好、擴展性好、設備成本低、可支持的傳輸介質多、發展潛力大。目前，工業以太網已得到廣泛應用，并已經被國際上確立為工業控制的標準。
關鍵詞： 配電自動化；通信；工業以太網
0 引言
隨著科學技術的發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，電網中配電自動化應運而生，并已成為供電企業十分緊迫的任務。這幾年，國家電網公司花費很大的人力和財力來支持配電網的建設，配電自動化系統的建設也日趨成熟。
針對目前國內配電自動化系統中使用現場總線技術通信，網絡結構分層分布、通信能力不足、開放性較差的現象，根據配電網自動化技術的標準，提出了一種基于工業以太網的配電自動化網絡結構，基于工業以太網的通信方式，實現了扁平化組網及開放式操作，省去了繁瑣的協議轉換中間環節，節約了成本，提高了穩定性[1-2]。
1 配電自動化的通信需求分析
1.1 通信數據類型及實時性要求
根據配電自動化系統的功能要求和優先級，配電網的數據類型分為3種，對各級傳輸實時性的要求見表1。
(1)雙向實時控制業務：包含由控制中心下發的控制命令、設備運行狀態在線監測、配電網故障信息上報等[3]；
(2)非實時監測業務：包含電能計量、視頻監控等；
(3)管理業務：包含配電自動化系統與其他信息系統間的數據交換以及與用戶間的互動等。
1.2 通信寬帶要求
根據配電自動化數據類型和傳輸要求，實時控制業務主要提供配電網設備監控信息、故障定位信息等的傳送，單個終端帶寬容量在1 Kb/s以下；非實時監測業務中智能電表業務，每個智能電表信息量0.125 Kb/s，按照每個智能配電子網中下掛1 000個節點計算，智能電表突發數據所占帶寬為125 Kb/s；對于關鍵的配電自動化節點將具有視頻監控業務，根據目前的視頻壓縮的狀態，在每個子網中為視頻監控系統預留5 Mb/s~10 Mb/s帶寬[3-4]。從以上數據估算，配電自動化通信子網帶寬需求在10 Mb/s左右，主網帶寬則至少需100 Mb/s，不僅要滿足現階段變電站覆蓋范圍內配電自動化終端、配電站所視頻監控終端、線路故障指示器、智能電表等信息點的通信需求，還要考慮將來可發展的縱聯網絡保護、分布式電源或儲能站、設備在線監測終端等通信需求[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，應用環境復雜惡劣（如室外的高溫、高濕、電磁、鹽霧等），同時配電自動化網絡要求具有故障自愈的功能，所以配電自動化系統的通信網絡應滿足以下可靠性要求[4-5]：
(1)網絡必須具有環形自愈功能，自愈時間小于100 ms。
(2)通信設備組成單個環網能力應不小于50個節點，便于未來業務和節點的不斷擴展。
(3)網絡中的每個節點采用同樣的封裝和功能設備，便于未來設備的維護、更換和檢修。
(4)通信節點滿足IEC61850-3標準中對環境的適應性要求，以保證在復雜、惡劣的環境中配電自動化系統能正常工作。
1.4 通信安全性要求
隨著網絡通信技術的不斷發展，網絡信息安全已經成為智能配電網通信建設關注的問題。配電自動化通信網絡中入網的設備必須進行安全認證，通過密匙的交互提高配電自動化系統的安全性，拒絕非法用戶的接入。
2 工業以太網的技術特點
以太網是當今局域網領域采用的居于主導地位的通信協議標準。以太網遵循IEEE802.3標準，采用CSMA/CD（載波監聽多路訪問及沖突檢測）技術，傳輸介質可以為光纖和雙絞線，支持星型、環型、總線型及混合型網絡拓撲結構，傳輸速率為10 Mb/s、100 Mb/s、1 000 Mb/s或者更高[6]。光纖以太網是以太網和光纖網絡技術的融合。以太網應用普遍、組網靈活、管理簡單。光纖網絡可靠性高、通信容量大。光纖以太網集中了以太網和光網絡的優點，以高速率、大容量消除了存在于局域網和廣域網之間的帶寬瓶頸[6]。
2.1 工業以太網的實時性
為了對工業以太網系統實時性進行驗證，采用了30臺百兆工業以太網交換機級聯，分別對128 B、256 B、512 B、1 024 B、1 518 B的數據進行實時性測試，在實時報文50%帶寬和非實時報文為100%的狀態下，對系統傳輸的實時性進行評估，測試結果如表2。
從上表看出，數據轉發的實時性與報文的長度是密切相關的，在網絡100%的符合狀態下，30臺交換機對1 518 B的報文，最大轉發延遲不大于5 ms，完全滿足配電自動化系統實時性的需求。
2.2 工業以太網的快速冗余特性
智能配電網最關鍵的特點之一是故障自愈，所以配電自動化通信系統更應該有自愈的功能。2010年4月頒布實施的IEC62439標準不僅描述了單環網冗余的技術特點，而且描述了多環網耦合自愈的特點，該標準的頒布為智能電網的通信系統發展提供了技術保障[6]。工業以太網技術遵循國際標準，可以實現環網狀態下的快速冗余，其自愈時間小于100 ms。
2.3 工業以太網的可靠性
工業以太網可以對傳輸端口和本地端口的有效數據進行線速轉發，支持多個優先級隊列實現QoS的業務區分，支持VLAN劃分，支持端口速率限制和流量控制；針對工業應用的設計，電磁兼容性、工作溫度、防震等指標符合工業現場的要求[7]。
2.4 工業以太網的安全性
通用的以太網技術存在著諸多的網絡安全問題，將會導致網絡的不可用，已有的一些保障網絡安全和可用性的策略對工業網絡未必完全適應。工業以太網在設計時，根據自身的特點全面地考慮可用性和安全性問題，不僅考慮了網絡的基本可用性，更著重考慮網絡的安全性，如“探測MAC地址活躍性”、端口安全、廣播風暴抑制等，以保障工業測量和控制網絡具有其高可用性[7-8]。
2.5 工業以太網的管理特性
在配電自動化系統中，所有的通信網絡節點都必須具有其可管理性。工業以太網交換機不僅支持WEB的瀏覽器網絡管理模式，而且可以通過SNMP協議、IEC61850管理模型、OPC協議等進行遠程通信，實現網絡的智能化管理，其管理深度可以到達網絡中某個端口、某個MAC地址的數據類型。
2.6 網絡拓撲設計
網絡拓撲結構如圖1所示。其組成如下：
(1)通信網采用核心層、匯聚層和接入層三層結構設計，光纖工業以太網技術組網。
(2)核心層：由SDH通信承載網和2臺核心交換機構建。
(3)匯聚層：由配置于變電站內的三層（LSW5003系列工業交換機）/二層（LSW3003系列工業交換機）工業以太網交換機組成。
(4)接入層：由配置于配網站點的二層工業以太網交換機組成物理半封閉網（LSW2000系列工業交換機）。
(5)網管部署：UMC網管部署自動化站二平面骨干網配網交換機側。
(6)組播管理：通過VLAN對GOOSE組播報文進行控制管理。
(7)互聯方式：設備之間采取單鏈路光口互聯。
(8)管理數據與業務數據歸屬統一通道，即不區分通道。
3 設計方案
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備配置如圖2所示。構成電纜環網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。站內三層交換機經調度數據網縱向加密裝置與調度數據網路由器連接后接入調度數據網[9]。
通過變電站內的三層交換機，可將站內10 kV出線及下級開關站出線構成的分布式配電自動化環網劃分為多個VLAN，每個VLAN內的配電終端配置各自的局域網IP地址，多個環網共用一個全網IP地址。
3.2 10 kV開關站配電自動化
開關站通信設備配置如3所示。開關站內每個電纜環網出線配置一臺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站下的環網按環劃分VLAN解決。每個二層交換機配置一個局域網IP地址，無需配置全網IP地址。
3.3 環網配電站、箱式變電站、戶外環網裝置設置
環網配電站、箱式變電站、戶外環網裝置中交換機配置如圖4所示。環網配電站中根據配電自動化終端數量配置對應數量的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IP地址，無需配置全網IP地址。
4 成效分析
工業以太網技術的應用，使配電自動化系統在許多方面發生質的變化。
(1)網絡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饋線自動化提供了自主通信基礎；
(2)全網統一IP尋址，網絡結構更加合理，網絡建設相對簡單，網絡安全性也大大提高；
(3)免去終端低速數據接口與高速以太網接口的轉換，提高了終端訪問效率和數據傳輸的安全性。
5 結論
通過借鑒智能變電站中工業以太網交換機通信組網的方法，將其拓展引入到分布式配電自動化通信系統中，采用工業以太網交換機組建環形通信自愈網，針對分布式配電自動化系統中配電終端之間GOOSE組播通信的特點，因地制宜地采用虛擬局域網技術優化通信網絡數據交換負載和IP地址配置，為分布式配電自動化系統中通信組網技術提供了更加優化的新范例。此外，分布式配電自動化系統采用工業以太網交換機組建通信網絡，克服了EPON通信在分布式配電自動化系統中的缺點，提高了配電自動化系統通信可靠性和通信質量，優化了配電終端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。
參考文獻
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