超高壓直流換流站監控系統典型故障分析及優化研究

吳 倩，吳 聰，王 浩，向官騰，劉瑞勇

（國網湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

2009年，國家電網公司提出了中國未來十年的電網規劃，即加快建設以特高壓電網為骨干網架，促進能源基地的集約化開發，加快各級電網協調發展，構建具有信息化、自動化、互動化特征的、統一的堅強智能電網[1]。作為換流站的基礎信息平臺，站監控系統擔負著對外與電網信息中心通訊，對內實現設備數據上傳、狀態監測、運行控制的職責。統一堅強智能電網的規劃，換流站監控系統無疑將面臨更為嚴峻的考驗。

1 直流換流站監控系統概述

換流站監控系統是直流輸電系統中非常重要的組成部分之一，其通過SCADA（Station Control and Data Acquisition）網絡、遠動工作站、站監控服務器、直流線路故障定位裝置等子系統和模塊的協同作用，實現直流輸電系統的狀態監視、交流系統的運行控制、系統信號傳輸以及數據的采集和處理[2]。運行過程中，站監控系統同時對數千個數字信號和模擬信號進行監測，并實時進行對比分析，對于重要信號的狀態變化，實時進行跟蹤和記錄，以便于需要時進行現場重現和故障分析。

站監控系統的重要性要求其必須具備高可靠性，站監控系統重要的子系統、網絡、遠方控制接口均采用了冗余體系結構，在物理上實現了實時備用，并且備用的雙系統間進行了有效隔離，降低了單通道或單硬件故障情況下引發嚴重故障的可能性。換流站監控系統采用先進的網絡通信技術統一組網并實現信息共享，站控層與間隔層設備間通過站控層LAN（Local Area Network）網絡設備連接完成電氣設備的信息傳輸[3]。

超高壓直流換流站要建立一個強大、穩定、迅速的通訊信息網絡，換流站中傳送信息的站監控SCADA網絡，必須要保證網絡穩定性，能夠準確快速地搜集分析實時數據和信息,并且具有快速反應能力。

鵝城站曾在2005年投運初期因網絡故障引起全站控制系統癱瘓，導致雙極閉鎖。針對網絡結構上的缺陷，江陵站和鵝城站在2007年對SCADA網絡進行了改造。網絡結構由物理環網過多的復雜結構改進為簡潔的物理上“日”字型、邏輯上“H”型結構（圖1鏈路網線1、2為物理連接，邏輯上不通，通訊異常時邏輯上自動接通），改造后的網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 網絡結構拓撲圖Fig.1 Network topology diagram

繼電器室每臺控保主機兩塊綁定為Team的網卡分別連接COM1A和COM1B兩個子交換機，再通過主交換機A1、A2、A3、B1、B2、B3與服務器、以及其他控保主機實現網絡通訊。

經簡化后的網絡結構雖然能有效地防止環網，但是在實際運行中仍可以進一步優化，以下選取兩個典型事例進行分析。

2 交換機瞬時故障引起Intouch界面狀態更新異常

2.1 交換機瞬時故障分析及處理

2016年2月15日，江陵站Intouch界面（后臺監視界面）狀態更新異常，控保主機顯示為灰色不明狀態，交流場、濾波場狀態欄變成紫色，ACP（AC Control Protection）、AFP（AC Filter Protection）主機對應電壓電流、開關狀態均不更新，事件記錄除PCP（Pole Control Protection）極控主機外其它主機均不更新。

經逐步排查，發現站控A系統交換機A2瞬時工作異常，交換機端口通斷狀態發生瞬時循環變化，使得COM1A/1B之間物理連接的網線（圖1鏈路網線1）通斷不斷切換，造成交換機循環往復切換，導致主機間短時存在兩個連接回路，引起網絡沖突，通訊失敗。

在交換式局域網中，交換機在邏輯上不允許存在環路。如果存在環路，一但有廣播流量，交換機會向除接收端口外的所有端口轉發數據包，將導致廣播包在環路內無窮循環轉發，這就是廣播風暴（網絡風暴）。江陵站和鵝城站在物理結構上存在環路，交換機間通過Spanning Tree協議（生成樹協議）在邏輯上防止環路的產生，通過一定的算法實現路徑冗余，即使物理上存在環路，Spanning Tree協議也會將對應的交換機端口置為阻塞狀態，阻斷環路，將環路網絡修正為無環路的樹型網絡，從而避免報文在環路網絡中的增生和無限循環。

2.2 對網絡結構改進的建議

SCADA網絡在2007年大修改造后形成的物理上“日”型，邏輯上“H”型結構雖將網絡結構大大簡化而有效防止環網，但物理上仍然存在環路，在交換機的瞬時異常等故障下，仍可能在COM1A/1B（或COM2A/2B）之間通斷變換的過程中，有短時引起1個邏輯環路的可能性。交換機產生環路，如果保證運行Spanning Tree協議的前提下，優點很明顯，鏈路冗余。江陵站和鵝城站通過配備兩個網卡，已經保證了鏈路的冗余性，在此基礎上，在交換機間仍然設置環路，缺點很明顯，容易產生網絡風暴。鑒于2005年的網絡風暴根本原因為網絡結構中環路較多，建議將COM1A/1B（和COM2A/2B）間物理連接的網線（圖1鏈路網線1/2）斷開，完全杜絕環路的出現，將交換機自動切換改為手動實現。將COM1A/1B（或COM2A/2B）之間的連接網線（圖1鏈路網線1/2）做好標記，若設備異常時在手動連接，緊急情況由運行人員與檢修人員溝通后手動連接。

在宜華、葛南直流工程中，已將COM1A/1B（和COM2A/2B）間物理連接的網線取消，物理上和邏輯上均為“H”型結構，COM1A/1B（和COM2A/2B）間物理連接的網線斷開后，網絡結構依然為冗余的雙系統，A、B系統完全獨立，只通過一根網線相連，容錯方式改為網卡容錯，在發生故障時，能在主機網卡處直接進行快速切換，不需要經過交換機迂回，系統能在最短的時間內恢復正常。因此，宜華、葛南直流工程從未發生過因交換機故障引起的網絡沖突，這種優化后的網絡結構與江城直流工程現今的網絡結構相比較，結構更簡單，系統更穩定，同時可靠性不會降低。

3 光電轉換器亞健康狀態

3.1 光電轉換器亞健康狀態分析及處理

2015年6月22日，鵝城站光電轉換器亞健康故障導致2號繼電器室完全沒有現場主機的狀態，而且交流場對應的開關沒有狀態顯示，檢查發現交換機上送至控制樓信號對應1x端口黃綠燈交替閃爍。通過檢查分析發現，當前網絡容錯方式為交換機容錯方式，在光電轉換器時好時壞（亞健康狀態）的情況下，通訊鏈路時通時斷，引起交換機頻繁切換導致A、B路均不通，更換光電轉換器后恢復正常。

3.2 網絡容錯方式比較

在2009年軟件升級中，對控保主機網絡參數的容錯方式進行了修改。將Team的故障容錯方式由Adapter Fault Tolerance（網絡適配器故障容錯）改為Switch Fault Tolerance（交換機故障容錯），以下針對鵝城站現狀對兩種容錯方式進行了分析。

在網絡適配器容錯（AFT）方式下，若ACP1A通過COM1A交換機通訊的通道故障后，應可以快速切換通過網卡B經COM1B交換機與服務器系統通訊。而在交換機容錯（SFT）方式下，若ACP1A通過COM1A交換機通訊的通道故障時，仍由網卡A通訊，但需要由COM1A經COM1B迂回通訊，此時需要時間較長。而故障時通道時通時斷，在交換機間頻繁切換時則會導致A、B路均不通。但拔下A端口網線時，則鏈路完全中斷，系統能通過B路正常通訊。

3.3 光電轉換器優化建議

江陵站和鵝城站繼電器室COM(Communication)柜至控制樓SCM(Station Control and Monitoring)柜距離較遠，采用的2950系列交換機不具有光口，使用光電轉換器和光纖連接兩臺交換機。在其它換流站光電轉換器也出現過類似故障，現用光電轉換器已經過一次換型，考慮到光電轉換器的穩定性，目前可以考慮取消光電轉換器，建議使用帶光口的交換機，即全光交換機，可以大大提高網絡穩定性，優化前后的結構如圖2所示。

圖2 交換機結構優化前后比較Fig.2 Comparison of switch structure optimization before and after

除了網絡結構上的簡化和性能上的穩定之外，全光交換機在光層都具有智能模塊，所以實際上它們還可以自動監測光纖的性能，如果某處光纖發生故障，它會迅速地發出報告并采取相應的措施，并且將此處的業務交換到周邊的通路上去。

全光交換機在換流站新建工程中已廣泛使用，其優點如下：

（1）使用及維護成本低于目前光電轉換器配合交換機的網絡結構成本；

（2）省去大量光電轉換器和樓層有源節點，大大降低網絡維護管理成本；

（3）省去一次光電轉換過程，減少數據轉發延時，提高網絡實時性；

（4）省去大量物理連接，簡化網絡結構，減少故障點，顯著提高網絡可靠性；

（5）顯著節約機房機架空間，降低成本。

4 結語

為了滿足智能電網可觀性強，即借助信息網絡技術，實時監控電力系統各節點信息的要求[4]，從進一步提高換流站監控系統的穩定性角度考慮，本文在統計分析超高壓直流輸電工程換流站監控系統典型故障的基礎上，發掘站監控系統潛在不足，并在此基礎上有針對性地提出了完善和優化站監控系統的解決方案和措施，能夠促進換流站監控系統向智能化發展，最終滿足智能化發展的要求。

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[1]黃全權.2020年建成統一的“堅強智能電網”[J].國家電網,2009(6)：29.HUANG Quanquan.2020 built a unified“Strong Smart Grid”[J].State Grid Corporation of China,2009(6)：29.

［2］鄭映斌,黃晨,劉會鵬,等.±500 kV常規換流站智能化建設[J].湖南電力,2014,34(4)：47-49.ZHENG Yingbin,HUANG Cheng,LIU Huipeng,et al.±500 kV conventional converter station intelligent construction[J].Hunan Electric Power,2014,34(4)：47-49.

［3］鄭家松,陳曉捷,林國新,等.大容量柔性直流換流站計算機監控系統性能提升技術 [J].電工技術,2016,(06)：15-16,21.ZHENG Jiasong,CHEN Xiaojie,LIN Guoxin,et al.Performance improvement technology of computer monitoring system for large capacity flexible DC converter station[J].Electric Engineering,2016,(6)：15-16,21.

［4］曹軍威,萬宇鑫,涂國煜,等.智能電網信息系統體系結構研究[J].計算機學報,2013,36(1)：143-167.CAO Junwei,WAN Yuxin,TU Guoyu,et al.Information system architecture forsmartgrids[J].Chinese Journal of Computers，2013,36(1)：143-167.