原创 浅谈工业以太网交换机在智能变电站的应用

浅谈工业以太网交换机在智能变电站的应用


从北川110千伏智能变电站到220千伏西泾智能变电站，从500千伏兰溪变电站到世界最高电压等级的智能变电站—750千伏延安变电站，再到国内首座以 “镜像”方式布局的500千伏智能变电站—500千伏常熟南变电站投运，我国智能变电站试点工程不断取得新进展。据了解，这些变电站采用部分相同智能技术 的同时，还根据电压等级和工程类型不同，增加了一些对应的智能化功能，这些技术将为我国智能变电站建设积累宝贵经验。


智能变电站与传统变电站最根本的差别在于信息网络化。其中，作为智能变电站通信系统核心设备的工业以太网交换机，担负着各种控制信号和管理信息的传输任 务。在智能变电站普遍采用合并单元进行过程层数字化采样值、数据传输依靠GOOSE报文传输一次设备状态和控制命令的背景下，工业以太网交换机除承载传统 的站级通信服务外，开始逐渐替代传统电缆，成为维系一、二次设备关联的中枢设备。这种角色和重要性的改变，对工业以太网交换机的功能、性能和可靠性都提出 了非常高的要求。如何衡量和考核工业以太网交换机的相关指标，是电力用户比较关心的问题。下面就是智能变电站的一个简要框图：

   所谓工业以太网交换机，是指其在技术上与商用以太网交换机（IEEE 802.3标准）兼容，但在材质的选用、产品的强度和适用性方面应能满足工业现场的需要，即在环境适应性、可靠性、安全性和安装使用方面满足工业现场的需 要。因此，对于电力工业级交换机的测试，重点是智能变电站相关功能和满足变电站环境要求的安全及可靠性测试。



   目前，国内对于工业以太网交换机的功能并未出台相关标准，因此，其功能测试通常以国内通信行业标准要求和IEEE相关标准为准；而对于环境和电磁兼容要 求，目前主要的参考标准有IEC 61850-3—2002《变电站通信网络和系统》第3部分：总体要求和IEEE std 1613-2009 《变电站通信网络装置的环境和测试要求》。本文归纳了工业以太网交换机适用于智能变电站特别是IEC 61850 标准需求的功能测试项目，并通过分析研究当前工业以太网交换机在电力行业使用的环境要求，提出应用于智能变电站的工业以太网交换机的技术要求和相关测试项 目。


1 工业以太网交换机的功能要求


  1.1 主要功能需求分析


      根据国家电网《智能变电站技术导则》的定义，智能变电站具有全站信息数字化、通信平台网络化等基本要求，而这些要求则对承载通信网络的工业以太网交换机提 出了以下基本需求：1，高性能得信息传输，保证高优先级的用户数据优先传送；2，网络流量控制；3，冗余网络；4，网络工况监视和故障诊断；5，高精度网 络对时协议。


      针对上述需求，目前工业以太网交换机已经具有相关功能与之对应：


1，    根据IEEE 802.1p 标准，可通过以太网报文头增加优先级序号进行QOS服务质量标识，由交换机按照流量分配原则或权重设置进行优先转发。


2，    虚拟局域网（VLAN）技术和多播过滤技术可进行通信区域的划分，有效防止广播风暴并实现安全隔离。VLAN技术分别基于端口、基于MAC地址和基于协 议等，主流标准为IEEE 802.1p。通用的多播技术分静态和动态2种，静态多播主要基于多播MAC地址表；动态多播主要有GMRP和IGMP snooping 2种协议。


3，    基于交换机的标准网络冗余技术主要是IEEE 802.1d生成树STP协议和IEEE 802.1w快速生成树RSTP协议。IEEE 802.1d协议下生成树的收敛时间约为60S，而IEEE 802.1w对其进行了改进，收敛时间约为1~10S（目前正普遍达到100ms）。最新的IEEE 802.1d-2004标准已合并了IEEE 802.1w。


4，    目前较开放的SNMP协议能够支持监控交换机端口、划分VLAN、设置Trunk端口等管理功能。


5，    PTP精确时钟协议（IEEE 1588）使用硬件和软件配合的方式，能达到亚微秒级的时间同步精度。工业以太网交换机需特别支持E2E(End-to-End)和P2P(Peer-to-Peer)透明时钟技术。


2 工业以太网交换机的环境及安全要求


用于智能变电站的工业以太网交换机面临着严酷和复杂的运行环境，其性能和可靠性直接影响到变电站的安全运行。因此，必须对其进行全面测试。本文将对智能变电站的运行环境进行分析，并确定工业以太网交换机的环境及安全技术要求和测试项目。


2.1 环境温湿度要求


工业以太网交换机一般都具备有紧凑的机身，其散热方式为无风扇外壳散热。交换机在长期运行过程中，挡空气流通受到限制时，其内部的温度会升高，若要想保证 变电站的正常运行，就必须要求交换机能够耐受极端的高温。另外，变电站的工作场所可能会受到低温和相对湿度环境的影响，对以太网交换机的工作性能和绝缘性 能也是一大考验。变电站中运行的工业以太网交换机大多数都处于遮蔽场所，工作温度范围-40-+85℃。


2.2  绝缘性能要求


在工业以太网交换机的运行中，除了长期运行在工频额定电压下，还会受到短时间过电压的作用。该过电压除了负载切除或各种故障发生而产生的短时间的工频过电 压外，在自然界的雷击过程中，以及一次回路的各种操作过程中，也会通过不同的途径输入到交换机的回路中，而工业以太网交换机的紧凑机身和元器件及网口的密 集分布，使其绝缘性能更容易受到影响，对变电站的可靠运行具有极大的危险。


在对某工业以太网交换机的绝缘试验中发现，虽然试验过程中产品能够耐受相应的过电压，但在随后的性能复检中，交换机部分网口已在耐压试验中损坏。所以，必 须对交换机进行介质强度和冲击电压检验，才能保证交换机在变电站的可靠运行。测试依据标准为IEC 60255-5或IEEE 1613。


2.3 电源影响要求


工业以太网交换机电源一般为冗余双电源设计，直流供电模式，有效提高系统的安全可靠性。但是有些变电站环境不是很理想，可能用变电站内的交流电源屏或站用变直接为交换机提供电源，会导致交换机出现死机或数据丢失的现象。


因此，需要对工业以太网交换机进行电源的相关测试。采用交流供电时，进行交流电源谐波、交流电源电压和频率变化检测；采用直流电源供电时，进行电源电压中断、直流电压变化和直流电源输入纹波检测。


 3 工业以太网交换机电磁兼容要求


智能变电站中的工业以太网交换机安装在变电站控制室或开关场内，当遭受的电磁干扰主要有：1 高压开关操作引起的高频电流波和电压波；2 雷击过电压通过一、二次系统之间的各种耦合途径或接地网进入二次回路；3 系统短路故障产生的稳态大电流；4 靠近高压线路而受其工频电磁场的作用；5 带静电的操作人员直接或间接对设备放电；7辐射电磁场，如来自无线电台、电视台、移动式无线电发射机及各种工业电磁辐射源；8各种低频干扰，如来自低压供 电线路的干扰、电力线路上附件的载波信号等。


由此可见，工业以太网交换机将会运行在复杂而恶劣的电磁环境中。当遭受电磁干扰时，交换机可能发生数据传输延时加大、数据丢失、网路堵塞，严重时发生重 启、死机等现象，将会严重影响变电站的安全、可靠运行。由此，必须对工业以太网交换机进行全面的电磁兼容的测试，以保障智能变电站的安全、可靠运行。


在IEC 61850-3标志中，较为全面地规定了通信设备需满足GB/T 17262系列的电磁兼容要求，包括振荡波、辐射电磁场、阻尼振荡磁场、共模传导干扰等项目。除此之外，该标志还规定了通信设备在正常运行时其电磁发射值 不应超过规定的要求，以免干扰其它设备的正常运行。除该规定的规定外，还应增加对工业以太网交换机静电放电抗扰度的要求。


 根据相关规划，智能变电站将成为新建变电站的主流，迎来爆发式增长：第一阶段新建智能变电站46座，在运变电站智能化改造28座;第二阶段新建智能变电 站8000座，在运变电站智能化改造50座，特高压交流变电站改造48座;第三阶段新建智能变电站7700座，在运变电站智能化改造44座，特高压交流变 电站改造60座。


智能变电站建设大潮已经来临，除了正在建设的41个智能变电站试点，未来还将有更多智能变电站在辽阔大地上矗立。专家认为，智能电网的建设将成为中国经济推动内需体系转型的战略机遇，将带动上下游近百个行业领域的创新发展。