0 引言
数字化变电站是迈向建立智能电网的智能化变电站的必经阶段。掌握了数字化变电站的建设和系统特征，才能为建立未来智能化变电站打下牢固的基础。那么，何为数字化变电站呢？简言之，它是以变电站中一、二次设备为数字化对象，以高速网络通信平台为基础，通过对数字化信息进行标准化，实现信息共享和互操作，并以网络数据为基础，实现数据测量监视、控制保护、信息管理等自动化功能的变电站。本篇要阐述的重点不是数字化变电站本身，而是负责搭建数字化变电站的高速网络通信设备。具体到设备就是电力专用以太网交换机。这类设备必须满足最高等级的抗电磁干扰、工业可靠性要求以及环境适应性要求。
1 数字化变电站以太网架构
1.1 通用的以太网结构
数字化变电站具备典型的三层架构：分别为站控层、间隔层和过程层。但是在大家的习惯性做法中，以太网交换机往往置于站控层和过程层，原先隶属于间隔层的以太网交换机被纳入到站控层中了，这种事实上的通用往往是由于工程的实际需要造成的。但 IED 设备仍然严格地按照三层架构来加以区分。
站控层的交换机网络通常布置为双星型网络，这是基于电力自动化系统一贯的要求而延续下来的结构。这样做的好处是，布线容易，且双网互备。而过程层的交换机网络方案目前有两种：一种仍然按照双星型来布设交换机，另一种则以环网方式来布设交换机。前者为国内主流方案，而后者为国外数字化变电站的主流方案。这两种网络方案各有所长：采用双星型方式来布置交换机，当一条通讯线路出现故障时，可以让过程层的IED在互备的两条线路中无缝切换，从而确保数据交互的实时性。但双星型方式要求交换机也要双份，由此增加了成本。采用环网方式布置时，当链路中任意一段出现故障时，环网可以在毫秒级时限内完成自愈切换，从而保证通讯几乎无中断，但实时性相比而言略显不足。由于单环网的架构对交换机的需求是单份的，从而可以节约一些硬件成本。可以说过程层单环网方案是一个比较折中的方案，损失一些实时性，但也降低了一些成本。
1.2 系统通信要求
数字化变电站自动化系统通信要求如下：
（1）对恶劣电磁干扰EMI环境的防护能力，网络设备符合IEC 61850-3变电站环境认证或IEEE 1613电力配电站中通信网络设备的环境和测试要求，提供最佳的EMI屏蔽能力和无故障通信能力；
（2）网络的高可用性，冗余以太网结构实现安全的数据通信；
（3）坚固的光纤连接，光纤电缆连接具备无噪声、远距离传输特点，带宽的可扩展
能力满足未来升级要求；
（4）网络交换机具备多光口、千兆及百兆端口模块化设计，在全速率转发条件下，应该满足零丢包；
（5）能够承受极端环境变化，变电站环境的温度边界条件变化非常大，变电站局域网必须能够在宽温条件下可靠运行。
2 MOXA数字化变电站解决方案
基于MOXA 3层以太网架构的数字化变电站解决方案如图1所示。
图1 MOXA数字化变电站解决方案
2.1总体网络架构
整个变电站监控体系采用双星型网络连接，站控层采用MOXA PT7728电力交换机搭建，过程层则采用PT7324电力交换机搭建。当系统网络出现故障时，既可通过现场交换机的继电器输出报警信息，也可通过E-mail、SNMP Trap方式把故障点及原因报告给站控层管理员，便于及时做出判断和维护。过程层采用传统互感器，通过MU合并单元将其同步采集信号转化为数字帧送出，并将此信息透过交换机向间隔层传递，从而在对一次设备、二次设备的监控过程中完全实现了数字化操作。
2.2 方案的优势
MOXA数字化变电站解决方案的优势有:
（1）双星型连接有效的规避了单一网络出故障时系统失效的风险，使数字化通信在网络间得到双向备份；
（2）当监控分站的支干网络出现故障时，不会影响到主干网络的通信；
（3）系统扩展时，规避了环网的解环风险，借助MU设备和交换机设备可以迅速实现系统的数字化扩展，提高了变电站的监控效率。
2.3 核心技术
MOXA以太网架构的核心技术有：
（1）站控层采用的PT7728高性能电力交换机满足变电站自动化系统（IEC 61850-3，IEEE 1613）的工业级别性能需求。PT-7728可组建高性能的千兆以太网骨干网络、冗余环网，具备24/48 VDC或110/220 VDC/VAC冗余电源输入的功能，在提高网络通信稳定性的同时还可节省布线，模块化的设计为用户提供更加轻松，灵活的组网方式。
（2）网站顶层交换机PT7728支持Turbo Ring和RSTP/STP（IEEE802.1W/D）；IGMP Snooping和GMRP过滤多播封包；支持基于端口的VLAN、IEEE 802.1Q VLAN和GVRP协议，可轻松实现网络管理；通过Q0S-IEEE 802.1p/1Q和TOS/DiffServ提升决策机制；采用802.3ad，LACP优化网络带宽；支持IEEE 802.1X和https/SSL，增强网络安全性；SNMP V1/V2/V3用于不同级别的网络管理；采用RMON提升网络监控能力；ABC-01自动备份配置器；带宽管理可以阻止不可预料的网络状态，端口锁定只允许授权的MAC地址访问；端口镜像用于在线调试；异常事件通过E-mail或继电器自动输出报警信息；自动恢复连接设备的IP地址；Line-swap快速恢复。
(3)MOXA 新一代PT系列交换机具备支持IEEE 1588V1/V2 的软硬件功能，并且作为透明时钟时，同时支持E（End） to E 和 P(Peer) to P双模式，对时精度达到纳秒级。其具备的GMRP功能，可针对组播（Multicast）封包进行特定群组的转发，从而可对大型变电站内庞大网络的多层级联模式完成精准对时
3 MOXA数字化变电站应用案例
3.1 数字化变电站网络实施方案（福州）
福州数字化变电站网络方案如图2所示。
图2 MOXA数字化变电站解决方案
福州数字化变电站网络方案介绍如下：
（1）架构设计。IEC61850后台软件、测控和保护装置、远动工作站装置、接入其它智能设备的规约转换设备，组成基于IEC61850的变电站自动化系统。在间隔层和站控层实现IEC61850，采用MOXA PT7728系列交换机实现数字化通信和GOOSE报文的传递。过程层设备仍然采用传统的TA、TV和开关设备，间隔层设备与过程层设备间通过MU装置相连。测控装置按照间隔进行配置，实现对一次设备的监视与控制。测控和保护装置采用IEC61850规约与监控后台、远动机通信，同时为完成间隔层的联锁功能，测控装置之间需以IEC61850规约相互通信。
（2）GPS授时单元通过光纤或RS-485将1PPS和时标信号送入合并器单元的GPS模块进行时钟同步，通常，变电站、发电厂只需1台GPS授时单元给所有的MU提供同步时钟。
系统改造采取了分层分布的原则，既实现了数字化变电站的目标，又便于今后一次设备进行无缝的技术升级。
3.2 冗余以太网打造符合IEC 61850的现代化变电站（非洲）
冗余以太网在非洲某电力公司变电站的工程应用介绍如下：
（1）工程背景。某电力公司为炼铝厂提供3条132kV电力输送线路，并通过炼铝厂自身的变电站进行电力调整后，为冶炼工艺车间供配电。此项目的工程目标是更新整个自动化网络，包括对2000年建立的旧变电站进行网络升级。原网络系统是基于hub的以太网结构，而且是非冗余网络设计。
（2）网络要求。①建立一个冗余以太网结构，保证数据通信安全；②网络设备必须符合IEC-61850-3和IEEE 1613标准，确保恶劣电力环境下的网络可靠运行；③以太网交换机需具备模块连接能力，以便升级配置。
（3）MOXA冗余以太网应用特点。①MOXA Turbo Ring冗余技术具备多种快速恢复能力（250台交换机组网，恢复时间低于20 ms；②PT-7828三层以太网交换机支持IP路由协议；③ PowerTrans系列以太网交换机已通过KEMA认证，符合IEC-61850-3和IEEE 1613标准性能测试；④ PowerTrans系列以太网交换机采用模块化设计，方便升级
3.3 MOXA变电站以太网交换机提高电力传输可靠性（中国台湾）
以太网交换机在提高电力传输可靠性的工程应用介绍如下：
（1）工程背景。CPC公司是台湾石油化工行业的龙头企业。CPC已有自备电厂和变电站，为实现对各个变电站的远程监视，CPC采用MOXA PowerTrans系列以太网交换机来连接继电保护器，完成数据采集。在出现紧急情况时，PowerTrans交换机还将发出报警继电输出信号，实现立即关断。
（2）网络要求。①网络设备能够满足高压变电站环境下的EMI电磁干扰屏蔽要求；②采用快速冗余环网和RSTP技术，以保证无故障可靠网络连接；③网络设备能够宽温操作，并且可在无温度调节装置的环境中可靠运行。
（3）MOXA以太网交换机应用特点。①MOXA PowerTrans系列以太网交换机符IEC-61850-3和IEEE 1613标准，具备卓越的RFI/EMI屏蔽能力；②MOXA以太网交换机可建立介质冗余网络，网络故障恢复时间低于20ms；③PowerTrans系列以太网交换机可满足极端温度环境（-40～85℃）操作要求。
4 结束语
网络系统是数字化变电站自动化系统的命脉。工业以太网为传统的工业总线互联系统提供了异构系统互联以及推动信息化带动自动化的新选择、新方向、新技术。在变电站互联应用方面，MOXA 能够大幅度的促进和提升电力能源管理效率与安全运行。
