超高壓直流換流站監(jiān)控系統(tǒng)典型故障分析及優(yōu)化研究

吳 倩，吳 聰，王 浩，向官騰，劉瑞勇

（國網(wǎng)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(wǎng)公司提出了中國未來十年的電網(wǎng)規(guī)劃，即加快建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，促進能源基地的集約化開發(fā)，加快各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，構(gòu)建具有信息化、自動化、互動化特征的、統(tǒng)一的堅強智能電網(wǎng)[1]。作為換流站的基礎(chǔ)信息平臺，站監(jiān)控系統(tǒng)擔負著對外與電網(wǎng)信息中心通訊，對內(nèi)實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)上傳、狀態(tài)監(jiān)測、運行控制的職責。統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)的規(guī)劃，換流站監(jiān)控系統(tǒng)無疑將面臨更為嚴峻的考驗。

1 直流換流站監(jiān)控系統(tǒng)概述

換流站監(jiān)控系統(tǒng)是直流輸電系統(tǒng)中非常重要的組成部分之一，其通過SCADA（Station Control and Data Acquisition）網(wǎng)絡(luò)、遠動工作站、站監(jiān)控服務(wù)器、直流線路故障定位裝置等子系統(tǒng)和模塊的協(xié)同作用，實現(xiàn)直流輸電系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視、交流系統(tǒng)的運行控制、系統(tǒng)信號傳輸以及數(shù)據(jù)的采集和處理[2]。運行過程中，站監(jiān)控系統(tǒng)同時對數(shù)千個數(shù)字信號和模擬信號進行監(jiān)測，并實時進行對比分析，對于重要信號的狀態(tài)變化，實時進行跟蹤和記錄，以便于需要時進行現(xiàn)場重現(xiàn)和故障分析。

站監(jiān)控系統(tǒng)的重要性要求其必須具備高可靠性，站監(jiān)控系統(tǒng)重要的子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、遠方控制接口均采用了冗余體系結(jié)構(gòu)，在物理上實現(xiàn)了實時備用，并且備用的雙系統(tǒng)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(fā)嚴重故障的可能性。換流站監(jiān)控系統(tǒng)采用先進的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)統(tǒng)一組網(wǎng)并實現(xiàn)信息共享，站控層與間隔層設(shè)備間通過站控層LAN（Local Area Network）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接完成電氣設(shè)備的信息傳輸[3]。

超高壓直流換流站要建立一個強大、穩(wěn)定、迅速的通訊信息網(wǎng)絡(luò)，換流站中傳送信息的站監(jiān)控SCADA網(wǎng)絡(luò)，必須要保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，能夠準確快速地搜集分析實時數(shù)據(jù)和信息,并且具有快速反應(yīng)能力。

鵝城站曾在2005年投運初期因網(wǎng)絡(luò)故障引起全站控制系統(tǒng)癱瘓，導致雙極閉鎖。針對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的缺陷，江陵站和鵝城站在2007年對SCADA網(wǎng)絡(luò)進行了改造。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由物理環(huán)網(wǎng)過多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)改進為簡潔的物理上“日”字型、邏輯上“H”型結(jié)構(gòu)（圖1鏈路網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(wǎng)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(wù)器、以及其他控保主機實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。

經(jīng)簡化后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)雖然能有效地防止環(huán)網(wǎng)，但是在實際運行中仍可以進一步優(yōu)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(tài)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(jiān)視界面）狀態(tài)更新異常，控保主機顯示為灰色不明狀態(tài)，交流場、濾波場狀態(tài)欄變成紫色，ACP（AC Control Protection）、AFP（AC Filter Protection）主機對應(yīng)電壓電流、開關(guān)狀態(tài)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(jīng)逐步排查，發(fā)現(xiàn)站控A系統(tǒng)交換機A2瞬時工作異常，交換機端口通斷狀態(tài)發(fā)生瞬時循環(huán)變化，使得COM1A/1B之間物理連接的網(wǎng)線（圖1鏈路網(wǎng)線1）通斷不斷切換，造成交換機循環(huán)往復(fù)切換，導致主機間短時存在兩個連接回路，引起網(wǎng)絡(luò)沖突，通訊失敗。

在交換式局域網(wǎng)中，交換機在邏輯上不允許存在環(huán)路。如果存在環(huán)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(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，將導致廣播包在環(huán)路內(nèi)無窮循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)，這就是廣播風暴（網(wǎng)絡(luò)風暴）。江陵站和鵝城站在物理結(jié)構(gòu)上存在環(huán)路，交換機間通過Spanning Tree協(xié)議（生成樹協(xié)議）在邏輯上防止環(huán)路的產(chǎn)生，通過一定的算法實現(xiàn)路徑冗余，即使物理上存在環(huán)路，Spanning Tree協(xié)議也會將對應(yīng)的交換機端口置為阻塞狀態(tài)，阻斷環(huán)路，將環(huán)路網(wǎng)絡(luò)修正為無環(huán)路的樹型網(wǎng)絡(luò)，從而避免報文在環(huán)路網(wǎng)絡(luò)中的增生和無限循環(huán)。

2.2 對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改進的建議

SCADA網(wǎng)絡(luò)在2007年大修改造后形成的物理上“日”型，邏輯上“H”型結(jié)構(gòu)雖將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大大簡化而有效防止環(huán)網(wǎng)，但物理上仍然存在環(huán)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(huán)路的可能性。交換機產(chǎn)生環(huán)路，如果保證運行Spanning Tree協(xié)議的前提下，優(yōu)點很明顯，鏈路冗余。江陵站和鵝城站通過配備兩個網(wǎng)卡，已經(jīng)保證了鏈路的冗余性，在此基礎(chǔ)上，在交換機間仍然設(shè)置環(huán)路，缺點很明顯，容易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風暴。鑒于2005年的網(wǎng)絡(luò)風暴根本原因為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中環(huán)路較多，建議將COM1A/1B（和COM2A/2B）間物理連接的網(wǎng)線（圖1鏈路網(wǎng)線1/2）斷開，完全杜絕環(huán)路的出現(xiàn)，將交換機自動切換改為手動實現(xiàn)。將COM1A/1B（或COM2A/2B）之間的連接網(wǎng)線（圖1鏈路網(wǎng)線1/2）做好標記，若設(shè)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(wǎng)線取消，物理上和邏輯上均為“H”型結(jié)構(gòu)，COM1A/1B（和COM2A/2B）間物理連接的網(wǎng)線斷開后，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)依然為冗余的雙系統(tǒng)，A、B系統(tǒng)完全獨立，只通過一根網(wǎng)線相連，容錯方式改為網(wǎng)卡容錯，在發(fā)生故障時，能在主機網(wǎng)卡處直接進行快速切換，不需要經(jīng)過交換機迂回，系統(tǒng)能在最短的時間內(nèi)恢復(fù)正常。因此，宜華、葛南直流工程從未發(fā)生過因交換機故障引起的網(wǎng)絡(luò)沖突，這種優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與江城直流工程現(xiàn)今的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比較，結(jié)構(gòu)更簡單，系統(tǒng)更穩(wěn)定，同時可靠性不會降低。

3 光電轉(zhuǎn)換器亞健康狀態(tài)

3.1 光電轉(zhuǎn)換器亞健康狀態(tài)分析及處理

2015年6月22日，鵝城站光電轉(zhuǎn)換器亞健康故障導致2號繼電器室完全沒有現(xiàn)場主機的狀態(tài)，而且交流場對應(yīng)的開關(guān)沒有狀態(tài)顯示，檢查發(fā)現(xiàn)交換機上送至控制樓信號對應(yīng)1x端口黃綠燈交替閃爍。通過檢查分析發(fā)現(xiàn)，當前網(wǎng)絡(luò)容錯方式為交換機容錯方式，在光電轉(zhuǎn)換器時好時壞（亞健康狀態(tài)）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(zhuǎn)換器后恢復(fù)正常。

3.2 網(wǎng)絡(luò)容錯方式比較

在2009年軟件升級中，對控保主機網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的容錯方式進行了修改。將Team的故障容錯方式由Adapter Fault Tolerance（網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)狀對兩種容錯方式進行了分析。

在網(wǎng)絡(luò)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(yīng)可以快速切換通過網(wǎng)卡B經(jīng)COM1B交換機與服務(wù)器系統(tǒng)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(wǎng)卡A通訊，但需要由COM1A經(jīng)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(wǎng)線時，則鏈路完全中斷，系統(tǒng)能通過B路正常通訊。

3.3 光電轉(zhuǎn)換器優(yōu)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(zhuǎn)換器和光纖連接兩臺交換機。在其它換流站光電轉(zhuǎn)換器也出現(xiàn)過類似故障，現(xiàn)用光電轉(zhuǎn)換器已經(jīng)過一次換型，考慮到光電轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性，目前可以考慮取消光電轉(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 交換機結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后比較Fig.2 Comparison of switch structure optimization before and after

除了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的簡化和性能上的穩(wěn)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(jiān)測光纖的性能，如果某處光纖發(fā)生故障，它會迅速地發(fā)出報告并采取相應(yīng)的措施，并且將此處的業(yè)務(wù)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(yōu)點如下：

（1）使用及維護成本低于目前光電轉(zhuǎn)換器配合交換機的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成本；

（2）省去大量光電轉(zhuǎn)換器和樓層有源節(jié)點，大大降低網(wǎng)絡(luò)維護管理成本；

（3）省去一次光電轉(zhuǎn)換過程，減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)延時，提高網(wǎng)絡(luò)實時性；

（4）省去大量物理連接，簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少故障點，顯著提高網(wǎng)絡(luò)可靠性；

（5）顯著節(jié)約機房機架空間，降低成本。

4 結(jié)語

為了滿足智能電網(wǎng)可觀性強，即借助信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實時監(jiān)控電力系統(tǒng)各節(jié)點信息的要求[4]，從進一步提高換流站監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性角度考慮，本文在統(tǒng)計分析超高壓直流輸電工程換流站監(jiān)控系統(tǒng)典型故障的基礎(chǔ)上，發(fā)掘站監(jiān)控系統(tǒng)潛在不足，并在此基礎(chǔ)上有針對性地提出了完善和優(yōu)化站監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案和措施，能夠促進換流站監(jiān)控系統(tǒng)向智能化發(fā)展，最終滿足智能化發(fā)展的要求。

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[1]黃全權(quán).2020年建成統(tǒng)一的“堅強智能電網(wǎng)”[J].國家電網(wǎng),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(guī)換流站智能化建設(shè)[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(jiān)控系統(tǒng)性能提升技術(shù) [J].電工技術(shù),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(wǎng)信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)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.