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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。     声明：本博客内容均为原创（除非特别注明），未经作者同意，谢绝转载！

智能电网集成了传统的现代电力工程技术、高级传感和监视技术、信息与通信技术的输配电系统，具有更加完善的性能并且能够为用户提供一系列增值服务。   智能变电站是由 智能化一次设备 （电子式互感器、智能化开关等）和 网络化二次设备 分层（过程层、间隔层、站控层）构建，建立在 IEC61850 通信规范 基础上，能够实现变电站内智能电气设备间 信息共享和互操作 的现代化变电站。       1 、智能变电站自动化系统的特点 其中，智能变电站技术是变电站自动化技术发展中具有里程碑的一次变革，对变电站自动化系 统的各方面将产生深远的影响。数字变电站三个特性就是“一次设备智能化，二次设备网络化，符合IEC61850标准”，即数字变电站内的信息全部智能，信 息传递实现网络化，通信模型达到标准化，事各种设备和功能共享统一的信息平台。   基于二次设备网络化，对于信息网络性能要求主要体现在以下几个方面： 可靠性：由于电力生产的连续性和重要性，站内通信网络的可靠性是第一位，应避免一个装置损坏导致站内信息中断。特别是数字、图像信息的多媒体技术的应用，我们会更加依赖网络，因此，一个可靠的通信网络是首要条件。 开放性：站内通信为调度自动化的一个子系统，除了保证站内IED设备互连、便于扩展外，它还应服从电力调度自动化的总体设计，硬件 应满足国际标准，选用国际标准的通信协议，方便用户的系统集成。 实时性：因测控数据、保护信号、遥控命令等都要求实时传送，虽然正常工作时，站内数据流不大，但出现故障时要穿送大量的数据，要求信息能在站内信息通信上快速传送。   2 、智能变电站自动化系统的结构 　　在变电站自动化领域中，智能化电气的发展，特别是智能开关、光电式互感器机电一体化 设备的出现，变电站自动化技术进入了智能的新阶段。在高压和超高压变电站中，保护装置、测控装置、故障录波及其他自动装置的I/O单元，如A/D变换、光 隔离器件、控制操作回路等将割列出来作为智能化一次设备的一部分。反言之，智能化一次设备的智能传感器、智能控制回路代替了常规继电保护装置、测控等装置 的I/O部分；而在中低压变电站则将保护、监控装置小型化、紧凑化，完整地安装在开关柜上，实现了变电站机电一体化设计。   智能变电站自动化系统的结构在物理上可分为两类，即智能化的一次设备和网络化的二次设备；在逻辑结构上可分为三个层次，根据IEC6185A通信协议草案定义，这三个层次分别称为“过程层”、“间隔层”、“站控层”。 　　 2.1过程层 　　过程层是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是指智能化电气设备的智能化部分。过程层的主要功能分三类：（1）电力运行实时的电气量检测；（2）运行设备的状态参数检测；（3）操作控制执行与驱动。   　　（1）电力运行的实时电气量检测。 　　与传统的功能一样，主要是电流、电压、相位以及谐波分量的检测，其他电气量如有功、 无功、电能量可通过间隔层的设备运算得出。与常规方式相比所不同的是传统的电磁式电流互感器、电压互感器被光电电流互感器、光电电压互感器取代；采集传统 模拟量被直接采集数字量所取代，这样做的优点是抗干扰性能强，绝缘和抗饱和特性好，开关装置实现了小型化、紧凑化。   　　（2）运行设备的状态参数在线检测与统计。 　　变电站需要进行状态参数检测的设备主要有变压器、断路器、刀闸、母线、电容器、电抗器以及直流电源系统。在线检测的内容主要有温度、压力、密度、绝缘、机械特性以及工作状态等数据。   　　（3）操作控制的执行与驱动。 　　操作控制的执行与驱动包括变压器分接头调节控制，电容、电抗器投切控制，断路器、刀 闸合分控制，直流电源充放电控制。过程层的控制执行与驱动大部分是被动的，即按上层控制指令而动作，比如接到间隔层保护装置的跳闸指令、电压无功控制的投 切命令、对断路器的遥控开合命令等。在执行控制命令时具有智能性，能判别命令的真伪及其合理性，还能对即将进行的动作精度进行控制，能使断路器定相合闸， 选相分闸，在选定的相角下实现断路器的关合和开断，要求操作时间限制在规定的参数内。又例如对真空开关的同步操作要求能做到开关触头在零电压时关合，在零 电流时分断等。   　　2.2间隔层 　　间隔层设备的主要功能是：（1）汇总本间隔过程层实时数据信息；（2）实施对一次设 备保护控制功能；（3）实施本间隔操作闭锁功能；（4）实施操作同期及其他控制功能；（5）对数据采集、统计运算及控制命令的发出具有优先级别的控制； （6）承上启下的通信功能，即同时高速完成与过程层及站控层的网络通信功能。必要时，上下网络接口具备双口全双工方式，以提高信息通道的冗余度，保证网络 通信的可靠性。   　　2.3站控层 　　站控层的主要任务是：（1）通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息，不断刷新实时 数据库，按时登录历史数据库；（2）按既定规约将有关数据信息送向调度或控制中心；（3）接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行；（4） 具有在线可编程的全站操作闭锁控制功能；（5）具有（或备有）站内当地监控，人机联系功能，如显示、操作、打印、报警，甚至图像，声音等多媒体功能； （6）具有对间隔层、过程层诸设备的在线维护、在线组态，在线修改参数的功能；（7）具有（或备有）变电站故障自动分析和操作培训功能。   　　 3 、智能变电站自动化系统中的网络选型 　　网络系统是智能变电站自动化系统的命脉，它的可靠性与信息传输的快速性决定了系统的 可用性。常规变电站自动化系统中单套保护装置的信息采集与保护算法的运行一般是在同一个CPU控制下进行的，使得同步采样、A/D转换，运算、输出控制命 令整个流程快速，简捷，而全智能的系统中信息的采样、保护算法与控制命令的形成是由网络上多个CPU协同完成的，如何控制好采样的同步和保护命令的快速输 出是一个复杂问题，其最基本的条件是网络的适应性，关键技术是网络通信速度的提高和合适的通信协议的制定。   　　如果采用通常的现场总线技术可能不能胜任智能变电站自动化的技术要求。目前以太网 （ethernet）异军突起，已经进入工业自动化过程控制领域，固化OSI七层协议，速率达到100MHz的嵌入式以太网控制与接口芯片已大量出现，智 能变电站自动化系统的两级网络全部采用100MHz以太网技术是可行的。   　　 4 、智能变电站自动化系统发展中的主要问题 　　在三个层次中，智能变电站自动化系统的研究正在自下而上逐步发展。目前研究的主要内 容集中在过程层方面，诸如智能化开关设备、光电互感器、状态检测等技术与设备的研究开发。国外已有一定的成熟经验，国内的大专院校、科研院所以及有关厂家 都投入了相当的人力进行开发研究，并且在某些方面取得了实质性的进展。但归纳起来，目前主要存在的问题是：（1）研究开发过程中专业协作需要加强，比如智 能化电器的研究至少存在机、电、光三个专业协同攻关；（2）材料器件方面的缺陷及改进；（3）试验设备、测试方法、检验标准，特别是EMC（电磁干扰与兼 容）控制与试验还是薄弱环节。