智能變電站過程層中心交換機更換及試驗方法研究

陳錦山 唐志軍 林國棟 何燕玲 李 超

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智能變電站過程層中心交換機更換及試驗方法研究

陳錦山1唐志軍1林國棟1何燕玲2李 超1

（1. 國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學研究院，福州 350000； 2. 福建水口發(fā)電集團公司，福州 350000）

在已投運智能變電站進行過程層中心交換機更換，涉及該站的運行安全以及停電時間、停電范圍的確定，需要研究有效的方法。通過研究智能站中心交換機的組網(wǎng)模式及承載的業(yè)務(wù)，研究中心交換機的更換步驟、試驗方法及安全措施。本文所提出的方法優(yōu)化了中心交換機的更換順序，充分利用更換前的時間開展新交換機的大部分試驗項目，減少了變電站停電時間及停電范圍或者無需停電，且考慮了更換過程中的安全措施，降低了更換過程中的風險。該方法在某220kV智能站過程層中心交換機更換中獲得了應(yīng)用，驗證了該方法的可行性及有效性。

智能變電站；過程層；中心交換機；更換；試驗

智能變電站[1]技術(shù)的一大特點是“二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化”，其提高了信息的共享程度和使用效率，使網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備的重要性提高。可將智能站二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)分為站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)。其中過程層網(wǎng)絡(luò)連接著間隔層設(shè)備和過程層設(shè)備，承載著需要實時、可靠傳輸?shù)腟V采樣報文[2]以及GOOSE[3]報文，實現(xiàn)調(diào)度四遙、保護采樣、保護跳合閘、失靈聯(lián)跳、閉鎖等重要功能[4]。其中部分SV報文（用于報文分析、故障錄波、電量采集等）及部分GOOSE報文（用于失靈聯(lián)跳、閉鎖等）由過程層中心交換機進行傳輸，因此過程層中心交換機是這些信息傳輸?shù)年P(guān)鍵節(jié)點。

我國很多智能站已經(jīng)運行了6年以上，部分過程層中心交換機也顯露出一些缺陷和故障來，需要消缺或者更換。由于過程層中心交換機承載著跨間隔的信息傳輸，其更換涉及變電站停電范圍、停電時間的確定、試驗對象及試驗方法的確定以及安全措施的制定，因此需要研究有效、安全的更換和試驗方法。

相比于合并單元[5]、智能終端及保護裝置、測控裝置來說，目前對于交換機的更換及試驗方法的專門研究極少，已發(fā)表的研究成果更是鮮見。當前在現(xiàn)場主要的做法是：①全站停電進行更換，該做法影響部分用戶負荷的轉(zhuǎn)供或停供；②部分停電進行更換，但其更換方法及停電范圍等全靠個人水平發(fā)揮，未形成固定、有效的方法，常常無法很好的兼顧效率與安全。

本文通過對智能站中心交換機的組網(wǎng)模式及承載業(yè)務(wù)的研究，提出了一種中心交換機更換及試驗方法，提出了更換步驟、試驗方法及安全措施，該方法在某220kV智能變電站過程層中心交換機更換項目中得到了有效驗證。

1 智能變電站過程層中心交換機

1.1 智能站過程層通信組網(wǎng)模式

除規(guī)定的點對點通信需求外，110kV及以上電壓等級智能站還按電壓等級組過程層網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)采用星型拓撲，并根據(jù)電壓等級高低分為單星型和雙星型[6]。另外，根據(jù)承載業(yè)務(wù)的不同，中心交換機組網(wǎng)方式主要有兩種[7]，主要區(qū)別在于采樣值通信是否參與組網(wǎng)。

1）第一種組網(wǎng)方式是SV不進行組網(wǎng)，部分GOOSE進行組網(wǎng)。采樣值以點對點方式從合并單元傳送各裝置（保護、測控、錄波、PMU[8]、電能計量等），如圖1所示。

圖1 過程層GOOSE網(wǎng)

2）第二種組網(wǎng)方式是部分SV報文以及部分GOOSE均進行組網(wǎng)，且根據(jù)SV報文傳輸時是否與過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)共網(wǎng)，可分為SV與GOOSE共網(wǎng)和分網(wǎng)，實踐中以共網(wǎng)的方式居多（如圖2所示），此時SV與GOOSE報文常以VLAN方式進行隔離，且以QoS優(yōu)先級方式保證重要業(yè)務(wù)優(yōu)先通過。

圖2 過程層中心交換機GOOSE、SV共網(wǎng)方式

1.2 智能站過程層中心交換機承載業(yè)務(wù)

對于GOOSE報文而言，根據(jù)某省智能變電站二次系統(tǒng)功能回路技術(shù)規(guī)定，除保護跳閘信號、保護采斷路器位置信號等采用點對點方式外，線路收遠跳、起動失靈開入、失靈跳相鄰開關(guān)、主變失靈聯(lián)跳、主變跳母聯(lián)母分等信息均采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)方式傳輸，即需要通過中心交換機。

對于SV而言，在SV與GOOSE共網(wǎng)的情況下，中心交換機還承載著合并單元發(fā)往測控裝置、網(wǎng)絡(luò)分析儀、故障錄波器的各間隔SV報文，以及發(fā)往公用測控裝置的母線間隔SV報文。

而對于110kV及以下電壓等級的單星型網(wǎng)絡(luò)，中心交換機承載的是故障錄波器或網(wǎng)絡(luò)分析儀監(jiān)聽的各間隔SV報文及GOOSE報文，無跳閘命令、失靈、聯(lián)跳等報文。

2 智能變電站中心交換機更換及試驗方法

2.1 網(wǎng)絡(luò)分析

在正式工作開始之前，應(yīng)獲取如下資料：①該智能站中心交換機更換前、后的SCD文件[9]；②中心交換機更換前、后全站的網(wǎng)絡(luò)配置、光口分配和VLAN劃分資料；③擬投入使用的交換機技術(shù)說明書、使用說明書、檢測報告（若有）等資料；④擬退出交換機的配置文件。

分析出現(xiàn)缺陷或故障的網(wǎng)絡(luò)交換機種類、數(shù)量、組網(wǎng)形式、承載的業(yè)務(wù)類型以及問題嚴重程度，以便確定更換的順序、所需采取的安全措施以及更換后的試驗內(nèi)容。若雙星型網(wǎng)絡(luò)兩個中心交換機均需要更換時：①逐個交換機進行更換及試驗；②先退B網(wǎng)交換機，更換并驗證無誤后，再退A網(wǎng)交換機。由于110kV過程層單星型網(wǎng)絡(luò)中心交換機不承載失靈、聯(lián)跳、遠跳等重要命令，因此其現(xiàn)場更換時可短時直接退出運行。

2.2 離線試驗

為減少變電站停電時間和試驗風險，絕大部分的試驗項目可以提前、離線進行，包括交換機的單體功能、性能試驗，以及端口業(yè)務(wù)配置及試驗。

1）新交換機單體試驗

新交換機應(yīng)有權(quán)威機構(gòu)出具的檢驗報告，否則應(yīng)在實驗室或現(xiàn)場進行基本功能和性能的檢驗。性能試驗項目包括吞吐量、轉(zhuǎn)發(fā)時延、丟幀率、背靠背等；功能試驗項目包括VLAN功能、優(yōu)先級功能、生成樹協(xié)議、廣播、組播、單播風暴抑制、端口鏡像、鏈路匯聚[10]。檢驗結(jié)果應(yīng)符合文獻[10]等相關(guān)規(guī)定。

2）新交換機端口配置及檢驗

新交換機的端口配置，是由交換機廠家根據(jù)本智能變電站的網(wǎng)絡(luò)配置設(shè)計文件及SCD文件，進行端口規(guī)劃、端口起停，VLAN設(shè)置，PVID設(shè)置，QoS優(yōu)先級設(shè)置，組播功能（常見為GMRP[11]）設(shè)置等配置。

對于所做配置，需要通過一定的手段進行檢驗，方法如下。

（1）全站網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及交換機型號未改變的情況

若更換前后全站的網(wǎng)絡(luò)配置設(shè)計未改變（即全站SCD未改變，交換機端口配置設(shè)計未改變），并且新、舊交換機為同一廠商同一型號產(chǎn)品，則按照原交換機的配置進行新交換機的配置，甚至可將原交換機的配置文件導入到新交換機中。

配置結(jié)束后，可使用人工或比對工具的方法對新、舊配置文件進行比對檢驗。在確認新、舊交換機配置一致后，原則上無需再通過測試儀進行端口配置檢驗。否則，按下文所述方法進行端口配置檢驗。

（2）全站網(wǎng)絡(luò)設(shè)計或交換機型號有改動的情況

當全站網(wǎng)絡(luò)配置設(shè)計或交換機型號有改動時，在根據(jù)新的網(wǎng)絡(luò)配置設(shè)計進行新交換機端口配置之后，還需要對這些配置進行檢驗。所需工具見表1。

表1 配置檢驗工具

檢驗項目及方法如下。

1）端口起停情況檢驗

除調(diào)試口外，一般配置成“備用”的端口均要關(guān)閉，而承載業(yè)務(wù)的端口均要啟用。端口起停情況的檢驗接線如圖3所示。

圖3 端口起停情況檢驗方法

對中心交換機配置端口關(guān)閉的光發(fā)送口，逐個用光功率計進行光功率測試，調(diào)整光功率計波長為交換機光口發(fā)送光波長（如850nm），讀出此時光功率計的示值。若無可用示值或示值很?。ㄈ?60dBm），則即可判斷該光口是關(guān)閉的。

2）業(yè)務(wù)端口配置檢驗

檢驗接線如圖4所示，通過手持式智能站報文測試儀1和測試儀2，分別導入該變電站最新版SCD文件，分別模擬交換機與測試儀所連端口擬承載的SV或GOOSE業(yè)務(wù)報文的發(fā)送和接收，觀察接收端能否正確收到發(fā)送端所發(fā)送業(yè)務(wù)即可檢驗新交換機的VLAN、PVID、GMRP等設(shè)置是否正確：若收、發(fā)端口與設(shè)計方案一致且交換機配置正確，則應(yīng)能正確接收；若收、發(fā)端口設(shè)置不同vlan或者設(shè)置不正確，則應(yīng)無法正確接收。而對于廣播/單 播/組播風暴抑制功能設(shè)置的測試，可設(shè)置測試儀的報文發(fā)送模式為對應(yīng)的風暴模式，判斷方法同上。

（a）業(yè)務(wù)未跨級聯(lián)交換機傳送的情況

（b）業(yè)務(wù)跨級聯(lián)交換機傳送的情況

圖4 業(yè)務(wù)端口配置檢驗方法

2.3 新交換機現(xiàn)場更換及試驗

按照步驟一“網(wǎng)絡(luò)分析”所確定的更換順序進行更換，并按照擬退中心交換機所連接裝置SV斷鏈、GOOSE斷鏈進行安措[12]制定及執(zhí)行。應(yīng)包含這些內(nèi)容：退出相關(guān)間隔SV（需要斷開網(wǎng)絡(luò)連接的）接收軟壓板；退出相關(guān)內(nèi)容的GOOSE接收和發(fā)送軟壓板。在拆除的過程中，不能誤斷其他設(shè)備的電源、通信線路及二次回路線；所涉及的光纖應(yīng)做好標記，以便能快速無誤地進行恢復。同時應(yīng)注意不能損壞光纖。若光纖有更新，則應(yīng)提前貼好標簽。

更換交換機后，確保接線無誤的情況下，交換機上電，查看各端口的指示燈，應(yīng)能以正確的速率進行轉(zhuǎn)發(fā)。

恢復安措時，投入各裝置先前退出的SV及GOOSE接收軟壓板，查看裝置是否有通信中斷的告警，并查看實際的SV及GOOSE值是否正確。

3 應(yīng)用實例

本方法在某220kV智能站過程層中心交換機更換工程中進行了應(yīng)用。通過網(wǎng)絡(luò)分析，得知需要更換的交換機為雙星型組網(wǎng)的220kV母線保護A柜中心交換機1及母線保護B柜中心交換機1，且可以在不停電的情況下輪流更換。以下僅以母線保護A柜中心交換機1（A網(wǎng)）更換為例進行簡要說明，其承載的業(yè)務(wù)及部分配置見表2。

表2 220kV母線保護A柜中心交換機1端口連接配置

根據(jù)更換順序分析，在開工許可手續(xù)辦理下來之前，及時進行新交換機的配置及離線試驗。待安全措施（在網(wǎng)絡(luò)分析步驟時已制定）執(zhí)行完畢且可以開工后，迅速開展新交換機的現(xiàn)場更換、試驗，無誤后恢復安措。

4 結(jié)論

在某220kV智能站過程層中心交換機更換應(yīng)用中的結(jié)果表明，兩臺有缺陷的交換機的現(xiàn)場更換時間不足半天，且無需停電、轉(zhuǎn)負荷，還能保證安全。而如果按最慢的方法，現(xiàn)場更換時間將包括轉(zhuǎn)負荷操作時間、新交換機單體檢驗、新交換機配置及更換、試驗，至少需要1～2天時間。

根據(jù)所提的方法進行中心交換機的更換和試驗，既優(yōu)化了更換順序、考慮了安全措施，又在充分試驗的基礎(chǔ)上縮短了現(xiàn)場更換時間，兼顧了效率和安全。下一步，將研究開發(fā)依托本文所提方法的智能站交換機更換輔助決策系統(tǒng)。

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Research on Replacement and Test Method of Central Switch in Process Layer of Intelligent Substation

Chen Jinshan1Tang Zhijun1Lin Guodong1He Yanling2Li Chao1

(1. Electric Power Research Institute of Fujian Electric Power Co., Ltd, Fuzhou 350000; 2. Fujian Shuikou Power Generation Corporation, Fuzhou 350000)

It is necessary to study some effective methods of replacing the central switchs in process layer of an intelligent substation, which effects the operation safety and the time and scope of power outage. By studying the networking mode and bearer service of central switchs in an intelligent substation, a method of the central switch replacement and test, including the replacement steps, test methods and security measures, is proposed. This method optimizes the replacement order of the central switchs, and makes full use of the time before replacement to do most of the test items of the new switch, which greatly reduces the power outage time and scope, and fully considers the safety measures during the replacement process. This method has been applied to the replacement of central switchs in the process layer of a 220kV intelligent station, which verifies the feasibility and validity of this method.

intelligent substation; process layer; central switch; replacement; test

陳錦山（1986-），男，碩士，工程師，主要從事智能變電站保護、自動化及通信技術(shù)研究、檢測、監(jiān)督工作。