2022年2022年工业以太网交换机在配电自动化中的应用 .pdf

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1、工业以太网交换机在配网自动化中的应用作者：王斌MOXA 国际贸易（上海）有限公司电力事业部随着工业以太网在配网自动化通信中的广泛应用， 交换机网络的可靠性和稳定性越来越受关注。 本文从工业以太网的特点出发讨论了设备品质和组网策略对网络稳定可靠性的影响。一、通讯设备的可靠性通讯设备是构建通讯网络的基本元素，也是网络可靠性的重要基础。通讯设备工作可靠程度通常用平均无故障工作时间（MTBF 值）来衡量。 MTBF 值反应了电子设备老化的速率，其值越高说明该设备稳定工作的时间越长。MTBF 值的计算不仅和产品的设计相关、也和产品在实际环境中的累积运行效果相关。因此考察设备的设计、选材和其是否能充分满足

2、现场运行环境显得更加必要。a)原件选材 ：选择长寿命的优质原件是获得高MTBF值的保证之一。 工业交换机的选材要比商业交换机更严格。 以电容选材为例，必须以充分考虑电力的特殊应用环境为前提，如温度变化范围、 电磁干扰程度等来选择耐高低温、耐高电压、损耗小且工作稳定的电容产品。MOXA的电力工业交换机电容选材为获得更好的更高的稳定性和电磁兼容性，选择质量最好的日系三大电容之一的Chemi-Con KY long life 系列电容， 耐压电容为6.3kv 超高压。b)散热设计设备在正常的温度内才能保证其无故障运行，这需要良好的散热作为保障。电子原件的发热不可避免，功率越高、 体积越小则发热越严重

3、。有限的体积下发热功率过高易导致温度上升过快，从而使原件工作于超温的不稳定状态。此时需要风扇作为辅助散热器件。风扇作为最容易受机械故障影响的原件之一、严重影响整机的MTBF 值。故障的风扇易导致机壳内部温度超标从而引起硬件故障。采用无风扇设计的工业交换机可以很好的避免这个问题。 受益于其良好的散热设计和低功耗的原件如：芯片、光器件等。MOXA工业以太网交换机为做到更好的热传导效率在每个光口器件部分特别附加了散热装置以利于更好的散热效果。c)环境的适应性电力的环境有其特殊性，将非工业级产品应用于工业级的电力环境中，不仅会加速其设备老化，也有可能造成运行的不稳定。电力工业以太网交换机通常以IEC-

4、61850-3标准作为硬件指导标准。标准中对温度、 湿度、电磁兼容性等都做了一系列的规定。温湿度：我国地域辽阔、跨维度较广。 南北各地冬夏温度湿度变化很大。通讯设备原件在高低温环境下电特性和机械特性都会发生较大的改变，是否能够适应这种变化并稳定工作是对设备性能的严格考验。因此通讯设备需要满足能够在 -40+85 的温度下正常运行的需求才能更好的运行在电力环境。电磁兼容性：电磁兼容性标准是评价电子产品硬件特性的重要指标。 安装在变电站或开闭所内的通名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - -

5、 - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 讯设备， 其电路会经常受到电磁干扰的影响，在这样的环境中稳定可靠地传输数据，需要通讯设备针对各项EMC指标都优秀的设计。MOXA公司的电力工业以太网交换机全系列通过了荷兰电工实验室的KEMA认证，充分说明了该系列交换机在各种复杂的电磁环境干扰下具备零丢包传输电力数据的能力。d)出厂检测：为使通信设备在客户环境中更稳定可靠的运行， 在出厂前应该经过一系列完善的测试。下图为电子产品老化的曲线图，从曲线中可以看出，设备在度过最初的1000 小时后，失效率得以大幅的降低。因此如能提前筛选出容易失效的产品将极大提高设备在现场运行的稳定性。

6、让设备在高温、 低温或变温的环境中带功能运行可以加速这一筛选的进行。MOXA公司的电力工业以太网交换机在出厂前全部会经过高低温的筛选检验。从而有效的将不合格品排除在外。下图的曲线显示了检测共连续进行48 小时：测试温度从室温出发，以每分钟3-5的速率变化到零下40， 停留一段时间后，又以同样的速率上升至 85，循环此过程直至测试结束。二、工业以太网特点及链路保护可靠的网络应能符合下面的描述：1、 单点或多点设备故障不应该对网络整体产生影响2、 单点或多点链路故障不应该对网络整体产生影响。以太网分布式组网特点分布式组网最显著的特征是所有组网的节点从功能上是对等的，即一个节点的功能正常执行不依赖于

7、另一节点。以这种非依赖性作为基础的组网灵活度较高。当同功能的新节点加入时， 可以就近接入已有的网络而不用改动原有节点的配置，如下图（左）所示。如果一个节点的功能正常执行依赖于另一节点的功能， 势必在网络扩容或改造时涉及被依赖节点的改动，如下图（右）所示工业以太网在网络保护技术上有其自身的特点。a) 单链式组网的链路保护链式组网是最简单的组网拓扑之一，它由通信节点的头尾依次相连组成，树形和星形组网属于链型组网的特殊形式。应用于配网通讯环境的单链式组网可由下图表示。配电房配电房配电房配电房变电站链式组网只具备有限的链路保护特性。上图中紧邻变电站的链路断开将导致右端所有设备失去连接，这是单链式组网不

8、可避免的缺陷。 但链路中配电房内设备的停电导致的全网中断却可以避免：MOXA公司设计出一款具有光旁路保护特性的产品 OBU-102：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 该产品的特点是，当设备正常供电时，光路信息通过OBU-102 产品流入交换机再流向下一节点。 当设备掉电时， 光路不通过交换机可直接通往下一节点，从而避免节点掉电引起的全网故障。 具有节点保护特性的单链拓扑如下：配电房配电房配电房配电房配电房配电房OB

9、UOBUOBUOBUb)环形组网的链路保护前述的单链式组网易造成单点链路中断从而引起的全网中断。将链的两端同时上联到同一设备可解决此问题。如下图， 将配电房交换机设备组成的链首尾均上联至同一变电站设备时，构成了环状链路。配电房配电房配电房配电房变电站配电房配电房配电房配电房环状网络在任一链路断开或任一环内节点故障时均不会影响整体网络的稳定运行。环网是工业以太网组网中最常见的一种拓扑形式， 既节省光缆资源又可以实现较好的链路保护特性。环网快速冗余切换的功能需要交换机软件来实现。采用常用的STP或 RSTP可以作为此功能的实现手段，但业务恢复速率不足以满足工业通讯环境需求，因此需要针对工业应用场合

10、设计更高效的冗余协议。MOXA 的 Turbo Ring 协议是专为环网环境研发的高速链路冗余协议。其效率可在单环250 台 交 换机 情 况下 链 路切 换 时间 仅 需20ms， 有效的保护通讯业务不在切换中中断。c)“手拉手”型组网的链路保护环形组网虽然可以实现链路的冗余，也可实现单设备故障不至影响整体网络，但上联设备的故障仍可导致环网通讯的整体失效。解决的办法之一是采用手拉手 型的双上联网络，如下图所示。变电站 (三层交换机 )变电站 (三层交换机 )配电房配电房配电房配电房VRRP主用网关备用网关链路层冗余协议该拓扑将下联的设备从两端连接至两个上联设备中。上联设备充当主备用网关使用、

11、可以放置于同一地点或分开放置到不同地点。这种拓扑可实现任一链路或任一节点的故障都不会对整体网络造成影响。当然该网络链路冗余的实现仍需链路冗余协议的支持。如果把它看做一个环状结构，可以选择刚才描述的Turbo Ring协议来实现。这里推荐使用一种更合适的链路冗余协议 Turbo Chain 协议。Turbo Chain 协议是MOXA 公司特有的新型链路冗余协议， 适用于链状链路的手拉手双上联冗余连接。 当链中任一节点失效或链路中断均不会对整体网络的通讯造成影响。Turbo Chain 协议更大的优点是可以实现复杂形态的链路拓扑，为客户灵活组网带来更多的选择。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -