基于節點重要度的過程層網絡交換機運維研究

錢兵，陳鵬，殷懷統，朱建艾，朱美芬，華寶樺，范成剛，黃金順

（云南電網有限責任公司文山供電局，云南 文山 663000）

0 前言

繼電保護是電網安全運行的第一道防線，各類型的保護裝置需要在電網或設備出現故障時快速動作出口，對故障進行最小范圍的切除[1]。隨著科技的不斷進步，電網智能化成為趨勢，智能變電站作為智能電網重要組成部分，做好智能變電站的運維管理工作至關重要。

過程層設備是智能變電站“三層兩網”[2]結構的最底層設備，其主要負責采集一次設備的開關量信息，以GOOSE通信方式上送給保護、測控等二次設備，并收和處理保護、測控裝置下發的GOOSE命令，對斷路器、隔離刀閘和接地刀閘等一次設備進行分合操作，過程層網絡負責連接過程層設備及間隔層設備，實現信息的交互傳輸。過程層網絡的正常運行與否，關系著保護裝置、安穩裝置及測控裝置下發的命令能否執行到位，一旦過程層網絡元件發生故障，將會導致斷路器不能按要求動作出口，造成故障不能及時切除，危及電網的安全穩定運行。

本文應用節點重要度評估方法對過程層網絡進行分析，并提出相應的運維措施。

1 智能變電站結構分析

1.1 概述

本文分析對象遵循南方電網500 kV智能變電站通用設計，采用“直采網跳”的組網方案[3]，即采用常規電流互感器、電壓互感器實現電流量、電壓量的采集；通過斷路器加智能終端的方式實現一次設備智能化。根據IEC61850標準[4]，智能變電站網絡由站控層、間隔層和過程層組成。站控層網絡為站控層設備和間隔層設備之間網絡，過程層網絡為過程層和間隔層之間網絡，其拓撲結構如圖1所示“三層兩網”結構。

圖1 智能變電站網絡拓撲圖

1）站控層設備：主要包括監控主機、智能原遠動機、智能錄波器管理單元、站控層交換機等；

2）間隔層設備：主要包括保護裝置、測控裝置、安穩裝置、智能故障錄波器等；

3）過程層設備：主要包括智能終端；

4）站控層網絡：站控層設備與間隔層設備之間的通信網，采用MMS通信協議；

5）過程層網絡：過程層設備與間隔層設備之間的通信網，A、B網均采用雙星型結構[5]。

1.2 過程層網絡分析

與常規變電站相比，智能變電站減少了二次電纜，使用大量的光纖、交換機組成過程層網絡[6]，統計在運變電站的交換機數量，如表1所示，可知交換機在智能變電站中起著舉足輕重的作用，交換機發生故障時，將會對過程層網絡結構產生影響，導致信息交互路徑中斷[7]。

表1 在運變電站交換機數量統計表

目前大部分智能變電站過程層采用雙星型拓撲結構，其可靠性高[8]，時延小。以某500 kV智能變電站為例，解析SCD文件[9]，可繪制各個電壓等級的過程層網絡結構，圖2、圖3分別是500 kV、220 kV部分過程層A網的拓撲結構。

圖2 500kV第一串過程層A網拓撲結構

圖3 220kV部分過程層A網拓撲結構

2 節點重要度分析

2.1 連通度

拓撲網絡中，任意兩個節點之間都有一定的跳數，把與相同節點i具有相同跳數的點叫做跳面節點。通過把節點與節點之間的關系轉化為不同跳面之間的關系，從而簡化了網絡。節點連通度的計算公式如下：

其中，Z01表示節點i到跳數為1的跳面節點間的連通性，即為Zi1。Zm(m+1)表示第m跳到第m+1跳跳面間的連通性。Zm(m+1)的計算方法如下式：

其中，lm為兩個跳面之間的連接鏈路數，nm表示跳面m上的節點數量，N為網絡中所有節點的數量。

2.2 節點重要度

節點重要度的計算公式如下：

其中，Zi是節點i的節點重要度，m為距離節點i最遠的跳面節點的跳數，Zij為節點i到第j跳跳面的連通性。

通過（1）、（2）、（3）三公式，可以算得網絡拓撲中，任意一點的節點重要度。

2.3 網絡連通度

假設網絡拓撲G的節點總數為n，刪除k個節點后，用Gk表示網絡，網絡連通度為LT(k)，計算公式如下：

其中，ltk(i,j)表示刪除k個節點后，網絡中節點i和節點j的節點連通度。

其中，TS(t)為節點i和節點j之間第t條路徑（多條路徑都經過同一中間節點時，僅取最小跳數的路徑）的跳數；q為節點i和節點j之間不相交的路徑的個數。

2.4 500kV案例計算

根據上述節點重要度分析的方法，對500 kV智能變電站500 kV及220 kV過程層網絡拓撲結構進行分析。

以500 kV第一串過程層A1網為例，根據圖2，可將其拓撲結構簡化為圖4（a）所示。圖中共有22個設備，其中圓形代表交換機，矩形代表IED，各設備名稱對應關系如表2所示。

表2 設備名稱表

圖4 500 kV第一串過程層A1網簡化算例圖

則根據公式（1）（2）（3），可計算出圖4（a）中各節點的重要度：

可知，節點3和節點2重要度最高，根據公式（4）（5）可知網絡連通度為：

LT(0)=95.08

若節點3和節點2故障，則網絡拓撲結構如圖4（b）所示，此時的網絡連通度為：

LT(2)=9.5

網絡連通度嚴重下降，可以認為此時的網絡結構已經瓦解。

2.5 220 kV案例計算

根據圖3可得220 kV部分過程層A1網簡化算例圖，如圖5（a）所示，各設備名稱對應關系如表3所示。

表3 設備名稱表

圖5 220 kV部分過程層A1網簡化算例圖

則根據公式（1）（2）（3），可計算出圖5（a）中各節點的重要度：

可知，節點2和節點3重要度最高，根據公式（4）（5）可知網絡連通度為：

若節點2和節點3故障，則網絡拓撲結構如圖5（b）所示，網絡連通度為：

LT(2)=0

此時網絡結構已經瓦解。

2.6 計算結果分析

1）節點故障對網絡結構的影響。網絡拓撲結構中，重要度低的節點故障后影響范圍小，重要度越高的節點故障后對網絡的影響越大，重要度最高的節點故障后將會導致網絡連通度大幅下降，甚至造成網絡結構直接瓦解。

2）交換機故障對運行設備的影響。500 kV部分，保護設備與斷路器智能終端接入不同間隔交換機，當間隔交換機一出現故障時，線路保護、斷路器保護、測控裝置與智能終端、母線保護、安穩裝置之間的信息鏈路中斷；當間隔交換機二出現故障時，線路保護、斷路器保護、母線保護、安穩裝置、測控裝置與智能終端之間的信息鏈路中斷；當中心交換機故障時，母線保護、安穩裝置與線路保護、斷路器保護、測控裝置、智能終端之間的信息鏈路中斷。220 kV部分，線路保護與斷路器智能終端接入同一個交換機，間隔交換機故障時，線路保護、母線保護、斷路器智能終端之間的信息鏈路中斷；當中心交換機故障時，母線保護到線路保護、斷路器智能終端的信息鏈路中斷，線路保護與斷路器智能終端之間的通信無影響。

綜上分析，過程層網絡中的交換機故障時，會對過程層網絡結構造成破壞性影響，導致保護設備、智能終端、測控裝置、安穩裝置之間的信息傳遞中斷，使設備功能失效。

3 運維方案及建議

3.1 差異化運維

根據節點重要度計算結果，對不同重要度的交換機開展差異化維護，對于故障后會導致網絡瓦解的重要度較高的交換機，須提高維護頻次，防止其故障導致過程層網絡崩潰，其他重要度低的節點可根據現場工作情況調整維護頻次。

3.2 優化交換機運行環境

過程層交換機發熱嚴重[10]，特別是中心交換機，其數據吞吐量較大，應合理設計屏柜，確保散熱良好，并保持合格的溫濕度環境，多臺交換機共組一面屏柜時，一面屏不應超過6臺交換機。

3.3 優化過程層組網結構

將線路保護、斷路器保護及斷路器智能終端接入同一個間隔交換機，縮短三者之間的信息交互路徑，且中心交換機故障也不影響其信息交互。將母線保護接入靠近間隔交換機的中心交換機，縮短母線保護的與其他保護設備的信息交互路徑，提高設備運行可靠性。

3.4 交換機光口交叉錯位使用

如圖6所示，按照預留備用接口宜不少于交換機接口總數20%的原則，將交換機的光口交叉錯位使用，以方便后續交換機日常運維、消缺檢修拔插方便，降低作業風險，如圖6所示。

圖6 交換機光口交叉錯位配置示意圖

3.5 降低N-1運行風險

雙回線間隔、雙臺主變組網時，其保護設備、智能終端應接入不同間隔交換機，降低雙回線、雙臺主變的N-1運行風險。

3.6 優化交換機電源配置

智能變電站過程層中A1網與A2網、B1網與B2網配置完全相同，應按A1、B1網交換機取自同一段直流母線供電，A2、B2網交換機取自另一段直流母線供電的原則配置，即使有一段直流母線故障，也不影響A網或B網的信息傳輸，以提高過程層網絡的運行可靠性。

4 結束語

交換機在過程層網絡中起著傳輸、分配信息的重要作用，交換機故障時，會造成過程層網絡連通度大幅下降，甚至導致網絡瓦解，使保護設備、智能終端、安穩裝置、測控裝置之間的信息交互路徑中斷。本文基于網絡節點重要分析了交換機對過程層網絡的重要性，并從現場運維、優化組網結構及調整交換機配置等多方面提出措施建議，以提高交換機的運行可靠性，保證過程層網絡的正常運行。