智能变电站中工业以太网交换机要求

智能变电站中工业以太网交换机要求

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。这样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。

在IEC 61850标准中，IEC 61850-3《变电站通信网络和系统》第3部分：总体要求，提出了针对工业以太网交换机的环境和电磁兼容要求，具体涉及环境及安全要求（温度、湿度、大气压力、机械和振动、污染和腐蚀），电磁兼容要求（振荡波、辐射电磁场骚扰、快速瞬变、浪涌、工频磁场）和供电要求（电压范围、电压容差、电压中断、电压质量）。而对于工业以太网交换机的功能要求，IEC 61850并未对其给出相关的标准，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。

1 工业以太网交换机的功能要求

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高性能的信息传输，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。

通过IEC61850-3及IEEE 1613《变电站通信网络装置的环境和测试要求》的MOXA交换机（功能特点见附录1）均具有以下功能满足变

电站自动化系统的需求：

(1)支持IEEE802．3x全双工以太网协议。全双工数据传输模式能同时支持两个方向的数据发送和接收，在交换机端口上不会发生信息“碰撞”，因此舍弃了半双工以太网的CSMA／CD机制，从而大大降低了数据传输时延。

(2)根据IEEE 802．1P标准，可通过以太网报文头部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。

(3)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IEEE802．1q。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。

(4)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60 s，而IEEE 802．1W对其进行了改进，收敛时间约为l一10 s(目前正普遍达到100 ms)。

(5)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。

(6)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。

数字化变电站自动化系统组网采用变电站总线加过程总线的组

网方案，并且变电站总线采用环网而过程总线采用面向间隔的星状网结构时，构成变电站总线的以太网交换机就需要选择支持IEEE802．3x （全双工以太网协议）、IEEE802．1p（QoS）、IEEE802．1q（VLAN）、IEEE802．1w（RSTP）和IGMP Snooping五种协议的交换机，而构成过程总线的以太网交换机则只需要支持IEEE8O2．3x（全双工以太网协议）即可。如果系统组网采用变电站总线与过程总线合并为一个物理网的方案，则系统中的以太网交换机都应该支持IEEE802．1p优先级排队协议，以确保对实时性要求高的信息流优先进行传输。如果这个合并的物理网络是一个环网或者安排有冗余路径，那么系统中的交换机还应该支持IEEE802．1w快速生成树协议或者其他网络冗余协议。

2 工业以太网交换机的环境及安全要求

(1)环境温湿度要求

IEC61850-3规定，在变电站中运行的通信设备(如工业以太网交换机)应能满足IEC 60870-2-2推荐的环境温度要求。该标准将设备的工作场所分为以下4类：①A类，空调场所；②B类，封闭的加热或制冷场所；③C类，遮蔽场所；④D类，室外场所。在变电站中运行的工业以太网交换机大多数都处于C类环境(遮蔽场所)。对环境类型c的工作和贮存环境温湿度，该标准又细分为4种：①Cl，温度-5℃～+45℃，湿度5％～95％；②C2，温度-25℃～+55℃，湿度10％～100％；③C3，温度-40℃～+70℃，湿度10％～100％；④Cx，特定。对智能变电站中的工业以太网交换机应根据实际情况。要求其满足C2、C3或者Cx(如

温度-25℃～+85℃，湿度95％)规定的工作环境温、湿度范围，如安装在变电站控制室内的交换机，可要求其满足C2标准；安装在开关场的交换机，可要求其满足C3或Cx标准。

(2) 绝缘性能要求

a）绝缘电阻

在试验的标准大气条件下，装置的外引带电回路部分和外露非带电金属部分及外壳之间，以及电气上无联系的各回路之间，用1000V 的直流兆欧表测量其绝缘电阻值，应不小于20MΩ。

b）介质强度

1）在试验的标准大气条件下，装置应能承受频率为50Hz，历时1min的工频耐压试验而无击穿闪络及元器件损坏现象；

2）工频试验电压值按表1选择。也可以采用直流试验电压，其值应为规定的工频试验电压值的1.4倍；

3）试验过程中，任一被试回路施加电压时其余回路等电位互联接地。

表1工频试验电压值

被测回路额定绝缘电压（V）试验电压AC（V）整机引出端子和背板线——地＞60～250 2000 直流输入回路——地＞60～250 2000

信号输出触点——地＞60～250 2000

无电气联系的各回路之间＞60～250 2000

以太网（电）接口——地≤60 500

(3) 低气压要求