杨 光1，刘劲松2，张 可1，高慧彬3
(1.国网上海市电力公司浦东供电公司，上海200122；2.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海200437；
3.上海瑞莉自动化成套设备有限公司，上海201802)
摘 要： 我国目前的配电网还处于较薄弱阶段，为了加强电网的建设和改造，配电自动化的实施势在必行。通信在配电自动化中占据着相当重要的地位，是配电自动化成败的关键。工业以太网作为未来配电网通信系统的发展主流之一，对其研究有着重大的意义。与其他控制网络相比，工业以太网有如下一些优点：可靠性高、通信速度快、技术成熟、受支持度好、互联性和开放性好、扩展性好、设备成本低、可支持的传输介质多、发展潜力大。目前，工业以太网已得到广泛应用，并已经被国际上确立为工业控制的标准。
关键词： 配电自动化；通信；工业以太网
0 引言
随着科学技术的发展及生活水平的提高，人们对供电可靠性的要求日趋迫切。在此需求下，电网中配电自动化应运而生，并已成为供电企业十分紧迫的任务。这几年，国家电网公司花费很大的人力和财力来支持配电网的建设，配电自动化系统的建设也日趋成熟。
针对目前国内配电自动化系统中使用现场总线技术通信，网络结构分层分布、通信能力不足、开放性较差的现象，根据配电网自动化技术的标准，提出了一种基于工业以太网的配电自动化网络结构，基于工业以太网的通信方式，实现了扁平化组网及开放式操作，省去了繁琐的协议转换中间环节，节约了成本，提高了稳定性[1-2]。
1 配电自动化的通信需求分析
1.1 通信数据类型及实时性要求
根据配电自动化系统的功能要求和优先级，配电网的数据类型分为3种，对各级传输实时性的要求见表1。
(1)双向实时控制业务：包含由控制中心下发的控制命令、设备运行状态在线监测、配电网故障信息上报等[3]；
(2)非实时监测业务：包含电能计量、视频监控等；
(3)管理业务：包含配电自动化系统与其他信息系统间的数据交换以及与用户间的互动等。
1.2 通信宽带要求
根据配电自动化数据类型和传输要求，实时控制业务主要提供配电网设备监控信息、故障定位信息等的传送，单个终端带宽容量在1 Kb/s以下；非实时监测业务中智能电表业务，每个智能电表信息量0.125 Kb/s，按照每个智能配电子网中下挂1 000个节点计算，智能电表突发数据所占带宽为125 Kb/s；对于关键的配电自动化节点将具有视频监控业务，根据目前的视频压缩的状态，在每个子网中为视频监控系统预留5 Mb/s~10 Mb/s带宽[3-4]。从以上数据估算，配电自动化通信子网带宽需求在10 Mb/s左右，主网带宽则至少需100 Mb/s，不仅要满足现阶段变电站覆盖范围内配电自动化终端、配电站所视频监控终端、线路故障指示器、智能电表等信息点的通信需求，还要考虑将来可发展的纵联网络保护、分布式电源或储能站、设备在线监测终端等通信需求[4]。
1.3 通信可靠性要求
配电自动化终端分布在城市的各个角落，地理分布广，应用环境复杂恶劣（如室外的高温、高湿、电磁、盐雾等），同时配电自动化网络要求具有故障自愈的功能，所以配电自动化系统的通信网络应满足以下可靠性要求[4-5]：
(1)网络必须具有环形自愈功能，自愈时间小于100 ms。
(2)通信设备组成单个环网能力应不小于50个节点，便于未来业务和节点的不断扩展。
(3)网络中的每个节点采用同样的封装和功能设备，便于未来设备的维护、更换和检修。
(4)通信节点满足IEC61850-3标准中对环境的适应性要求，以保证在复杂、恶劣的环境中配电自动化系统能正常工作。
1.4 通信安全性要求
随着网络通信技术的不断发展，网络信息安全已经成为智能配电网通信建设关注的问题。配电自动化通信网络中入网的设备必须进行安全认证，通过密匙的交互提高配电自动化系统的安全性，拒绝非法用户的接入。
2 工业以太网的技术特点
以太网是当今局域网领域采用的居于主导地位的通信协议标准。以太网遵循IEEE802.3标准，采用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，传输介质可以为光纤和双绞线，支持星型、环型、总线型及混合型网络拓扑结构，传输速率为10 Mb/s、100 Mb/s、1 000 Mb/s或者更高[6]。光纤以太网是以太网和光纤网络技术的融合。以太网应用普遍、组网灵活、管理简单。光纤网络可靠性高、通信容量大。光纤以太网集中了以太网和光网络的优点，以高速率、大容量消除了存在于局域网和广域网之间的带宽瓶颈[6]。
2.1 工业以太网的实时性
为了对工业以太网系统实时性进行验证，采用了30台百兆工业以太网交换机级联，分别对128 B、256 B、512 B、1 024 B、1 518 B的数据进行实时性测试，在实时报文50%带宽和非实时报文为100%的状态下，对系统传输的实时性进行评估，测试结果如表2。
从上表看出，数据转发的实时性与报文的长度是密切相关的，在网络100%的符合状态下，30台交换机对1 518 B的报文，最大转发延迟不大于5 ms，完全满足配电自动化系统实时性的需求。
2.2 工业以太网的快速冗余特性
智能配电网最关键的特点之一是故障自愈，所以配电自动化通信系统更应该有自愈的功能。2010年4月颁布实施的IEC62439标准不仅描述了单环网冗余的技术特点，而且描述了多环网耦合自愈的特点，该标准的颁布为智能电网的通信系统发展提供了技术保障[6]。工业以太网技术遵循国际标准，可以实现环网状态下的快速冗余，其自愈时间小于100 ms。
2.3 工业以太网的可靠性
工业以太网可以对传输端口和本地端口的有效数据进行线速转发，支持多个优先级队列实现QoS的业务区分，支持VLAN划分，支持端口速率限制和流量控制；针对工业应用的设计，电磁兼容性、工作温度、防震等指标符合工业现场的要求[7]。
2.4 工业以太网的安全性
通用的以太网技术存在着诸多的网络安全问题，将会导致网络的不可用，已有的一些保障网络安全和可用性的策略对工业网络未必完全适应。工业以太网在设计时，根据自身的特点全面地考虑可用性和安全性问题，不仅考虑了网络的基本可用性，更着重考虑网络的安全性，如“探测MAC地址活跃性”、端口安全、广播风暴抑制等，以保障工业测量和控制网络具有其高可用性[7-8]。
2.5 工业以太网的管理特性
在配电自动化系统中，所有的通信网络节点都必须具有其可管理性。工业以太网交换机不仅支持WEB的浏览器网络管理模式，而且可以通过SNMP协议、IEC61850管理模型、OPC协议等进行远程通信，实现网络的智能化管理，其管理深度可以到达网络中某个端口、某个MAC地址的数据类型。
2.6 网络拓扑设计
网络拓扑结构如图1所示。其组成如下：
(1)通信网采用核心层、汇聚层和接入层三层结构设计，光纤工业以太网技术组网。
(2)核心层：由SDH通信承载网和2台核心交换机构建。
(3)汇聚层：由配置于变电站内的三层（LSW5003系列工业交换机）/二层（LSW3003系列工业交换机）工业以太网交换机组成。
(4)接入层：由配置于配网站点的二层工业以太网交换机组成物理半封闭网（LSW2000系列工业交换机）。
(5)网管部署：UMC网管部署自动化站二平面骨干网配网交换机侧。
(6)组播管理：通过VLAN对GOOSE组播报文进行控制管理。
(7)互联方式：设备之间采取单链路光口互联。
(8)管理数据与业务数据归属统一通道，即不区分通道。
3 设计方案
3.1 110 kV/35 kV变电站配电自动化
110 kV/35 kV变电站配电自动化通信交换机设备配置如图2所示。构成电缆环网的每条出线配置一台2光口6电口的二层交换机，整站配置一台8光口20电口的三层交换机，2光6电二层交换机的电口接入8光20电三层交换机的电口，下级开关站的二层汇聚交换机接入8光20电三层交换机的光口。站内三层交换机经调度数据网纵向加密装置与调度数据网路由器连接后接入调度数据网[9]。
通过变电站内的三层交换机，可将站内10 kV出线及下级开关站出线构成的分布式配电自动化环网划分为多个VLAN，每个VLAN内的配电终端配置各自的局域网IP地址，多个环网共用一个全网IP地址。
3.2 10 kV开关站配电自动化
开关站通信设备配置如3所示。开关站内每个电缆环网出线配置一台2光口6电口二层交换机，全站配置一台4光口20电口二层交换机，2光6电二层交换机的电口接入4光20电二层交换机的电口，4光20电二层交换机的光口接入其上级变电站中8光20电三层交换机的光口。
开关站二层交换机无法划分VLAN，可通过变电站三层交换机对其所供开关站下的环网按环划分VLAN解决。每个二层交换机配置一个局域网IP地址，无需配置全网IP地址。
3.3 环网配电站、箱式变电站、户外环网装置设置
环网配电站、箱式变电站、户外环网装置中交换机配置如图4所示。环网配电站中根据配电自动化终端数量配置对应数量的2光口6电口二层交换机，每个二层交换机配置一个局域网IP地址，无需配置全网IP地址。
4 成效分析
工业以太网技术的应用，使配电自动化系统在许多方面发生质的变化。
(1)网络信息交换速度全面提高，为基于终端互通信功能的快速配网馈线自动化提供了自主通信基础；
(2)全网统一IP寻址，网络结构更加合理，网络建设相对简单，网络安全性也大大提高；
(3)免去终端低速数据接口与高速以太网接口的转换，提高了终端访问效率和数据传输的安全性。
5 结论
通过借鉴智能变电站中工业以太网交换机通信组网的方法，将其拓展引入到分布式配电自动化通信系统中，采用工业以太网交换机组建环形通信自愈网，针对分布式配电自动化系统中配电终端之间GOOSE组播通信的特点，因地制宜地采用虚拟局域网技术优化通信网络数据交换负载和IP地址配置，为分布式配电自动化系统中通信组网技术提供了更加优化的新范例。此外，分布式配电自动化系统采用工业以太网交换机组建通信网络，克服了EPON通信在分布式配电自动化系统中的缺点，提高了配电自动化系统通信可靠性和通信质量，优化了配电终端IP地址配置，减少了主站前置机通信链路需求，取得了良好的成效。
参考文献
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[2] 刘健，倪建立.配电自动化系统[M].北京：中国水利水电出版社，1999.
[3] 方富淇.配电网自动化[M].北京：中国电力出版社，2000.
[4] 于吉垒.浅谈配电自动化系统规划设计[A].2005中国电机工程学会电力系统自动化专委会全国供用电管理自动化学术交流暨供用电管理自动化学科组第二届年会论文集[C].2005.
[5] 唐会天，霍海峰，王洪勇.环网配电自动化系统的研发与应用[J].广东自动化与信息工程，2003（1）.
[6] Gilbert Held.以太网（第三版）[M].北京：人民邮电出版社，1999.
[7] Charles E.Spurgeon.以太网技术入门与实现[M].北京：机械工业出版社，1998.
[8] 王桂霞.以太网技术的发展[J].安徽电子信息职业技术学院院报，2006(6).
[9] 徐皑冬，王宏.基于以太网的工业控制[J].信息与控制，2000，29(2).