探索工业以太网技术在电力配网通信中的实践

本文对工业以太网技术现状进行简要介绍，针对电网的建设与发展，阐述了电力配网自动化系统中应用工业以太网技术的思路，经过测试与研究，配网自动化系统是否具有三遥功能十分关键。

【关键词】协议 配网自动化 工业以太网

伴随社会经济与科学技术的不断进步，电力系统的发展趋势在于中低压配电网自动化的实现，该目标的实现不仅能够有效提升民众生活质量、实现可靠供电，同时还是国民经济得以持续发展的保障。在电力配网通信系统规模、十千伏线路及开关设备规模、电源规模、配电网网架结构等方面，都对配电网自动化的建设形成影响，而配网自动化实现的关键和难点在于电力通信系统。通过通信网络，配网主站对各种电网运行数据进行实时收集与分析，配网生产管理系统由配网主站辅助决策，控制指令由通信网络下达。通信系统在电力配网通信系统中关作用关键。现阶段，通信技术较为发达，且技术丰富，如WIMAX、EDGE等无线技术，以及工业以太网、光Modem等光纤技术。在配网自动化系统功能中包含三个等级，分别为一遥、二遥、三遥，其中，对通信网络要求最高、且自动化水平最高的等级就是三遥功能。文章从高度的网络易维护性、实时性以及可靠性为电力配网出发点，简要介绍以太网在电力配网通信中的应用实践。

1 工业以太网技术特点及协议

1.1 特点

工业以太网技术不仅仅能够满足工业标准，对产品设计进行了改善，将传统以太网技术局限性有效克服，还具有如下特点。

1.1.1 可靠性高

采用符合不同工业环境应用标准的抗干扰措施，同时还采用了抗振动性能好、坚固、密封性好的以太网设备，以确保在电力行业中的应用。将自动无扰切换和冗余配置技术应用于重要的节点和网段中，对网络运行情况进行实时监视，若出现异常，可对故障点立即隔离。

1.1.2 实时性高

在结合与应用了IP服务质量技术、全双工通信技术、虚拟局域网技术、高速以太网技术、交换式以太网技术的基础上，将工业以太网系统中传输信息的实时性有效提高。将网络划分成N段网段，采用以太网交换机，该交换机具有缓冲各个端口间输入输出数据帧、转发功能、数据存储等。与此同时，对于网络上传输的数据，交换机还能进行过滤，网段内接点间的传输数据无需对其它网段带宽进行，也不需要经过主干网，仅仅限于本地网络，这样就将主干网及其它网段网络负荷有效降低。在提升以太网通信速率的前提下，大大降低了网络冲突概率以及通信介质被占用的时间。系统在运行过程中，可采用全双工通信技术，不受CSMA/CD的限制，实现端口间两对光纤对数据的同时发送机接收。

1.1.3 易维护、成本低廉

因以太网网卡价格低廉，便于工业以太网连接服务器与计算机，同时将企业维护及培训成本降低。

1.2 协议

HSE、Ethernet/TP、ProfiNet、MODBUS/TCP等都是工业以太网协议。HSE协议是FFH1和TCP/IP、IEEE802.3协议族的结合体，Ethernet与控制网络的集成由HSE实现，H1网段信息由HSE连接设备传输至以太网主干网中，在通过互联网，将该信息发送至主控室，最后送到管理系统和企业ERP。在主控室，应用网络浏览器，操作人员可对现场运行情况进行查看，同时，信息通过网络也可由现场设备进行控制。Ethernet/TP是一种工业网络标准，在物理媒体和以太网通信芯片中被广泛应用。IP为一种数据，其实现工业现场设备交换。由信息协议CIP、以太网TCP/IP协议、IEEE802.3标准的数据链路层和物理层共同组成了Ethernet/TP。传输如诊断、参数设置、组态等被控系统相关信息，以及传输联系于I/O设备的数据。ProfiNet为工业Ethernet规范，其内容如下：提供了包括系统层和设备层模型的独立制造商；规定了标准以太网与ProfiNet现场总线间开放透明通信；以组件为基础的COM分布式自动化系统。可以说，在ProfiNet中，每个具有COM接口自动化设备具有一样的COM接口，设备功能由COM接口的调用来实现。组件对象模型原则在于可混合使用创建组件，从而将编程简化。智能设备具有标准组件，通过特定编程组件来实现设备的智能化。MODBUS/TCP协议在TCP帧中嵌入MODBUS，其方式为面向连接的，每个应答对应一个呼叫。该机制给予交换式以太网较高的确定性。通过网页，利用TCP/IP协议，实现友好界面，而企业网内设备的运行状况可通过网络浏览器进行查看。

2 电力配网通信中工业以太网技术应用

业务需要是通信网络建设向导，先认真分析需求，主要从控制信息、测量信息以及状态信息3类为基准对配网自动化数据进行划分。对实时性要求最高的是控制信息，单个配网终端所需要的通信宽带可根据配网三遥功能收集到的信息量来进行计算。根据配网自动化系统业务规模和业务架构特点，遵循协调发展、统筹兼顾、合理利用、经济实用的原则，采用分层环形开放结构对通信网络组网。接入层为新建工业以太网，骨干层为原先的调度数据网，每层结构为双层多环，组网采用多个环形。工业以太网结构如图1所示。

该工业以太网功能如下：

（1）兼容性，为提升设备兼容性，可根据电力设备保护机制的不同采用不同协议。

（2）适应环境，工业以太网必须与电力行业特殊标准相适应，注意防尘、设计散热电路、低功耗，安装形式也应遵循灵活的原则，例如：板卡、机架、壁挂、导轨式等。工作湿度应达到6%至95%，工作温度应符合-40摄氏度至80摄氏度的标准。

（3）电源，供电方式应灵活多变、节能、设备功耗低。

（4）网络管理，应具有故障告警功能，业务通道应与网管通道互相独立。

（5）实现智能存储、转发，支持自愈环。

（6）为降低因多播风暴引发的通信流量，应支持组播通信。

（7）为实时监测不同端口间，支持端口镜像。

（8）将两个站间的传输带宽及冗余提升，对链路聚合进行支持。

（9）交换业务，支持如以Tag和端口为基础的VLAN划分、控制以优先级为基础的端口速率等完善的以太网交换功能。

（10）保护业务，支持以快速生成树算法为基础的环网协议；具有抑制广播风暴功能；在全负载情况时，恢复线路故障时间应不超过300ms。

3 结束语

电力系统的发展趋势在于有效实现中低压配电网自动化，该目标的顺利实现不仅能够有效提升民众生活质量、提升供电可靠性，还确保国民经济持续发展。本文从高度的网络易维护性、实时性以及可靠性为电力配网出发点，简要介绍以太网在电力配网通信中的应用实践。为达到恶劣电力环境应用标准，工业以太网技术不断突破与发展。低能耗、外形设计紧凑、功能丰富、接入方式灵活等体现出工业以太网交换机的特点，同时简要介绍了工业以太网协议，如HSE、Ethernet/TP、ProfiNet、MODBUS/TCP等，在电力配网通信中应用工业以太网技术对配网自动化建设起到不可替代的作用。在建设工业以太网时，对于配建、改造线路，可对POOC架空光缆、ADSS光缆、以及管道光缆的敷设，可借鉴费用高、光纤敷设难度高等问题，为电力配网通信中工业以太网技术的应用奠定坚实基础。

参考文献

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[3]张群洪，陈金旺.基于嵌入式系统和CAN总线的电力配网通信管理系统的设计和实现[J].电力学报，2010（02）.

作者单位

国网绵阳供电公司 四川省绵阳市 621000