智能变电站过程层中心交换机更换及试验方法研究
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
国网福建省电力有限公司电力科学研究院、福建水口发电集团公司的研究人员陈锦山、唐志军、林国栋、何燕玲、李超，在2017年第8期《电气技术》杂志上撰文指出，在已投运智能变电站进行过程层中心交换机更换，涉及该站的运行安全以及停电时间、停电范围的确定，需要研究有效的方法。
通过研究智能站中心交换机的组网模式及承载的业务，研究中心交换机的更换步骤、试验方法及安全措施。所提的方法优化了中心交换机的更换顺序，充分利用更换前的时间开展新交换机的大部分试验项目，大大减少了变电站停电时间及停电范围或者无需停电，且考虑了更换过程中的安全措施，降低了更换过程中的风险。
该方法在某220kV 智能站过程层中心交换机更换中获得了应用，验证了该方法的可行性及有效性。
智能变电站[1]技术的一大特点是“二次设备网络化”，它提高了信息的共享程度和使用效率，但网络化设备的重要性也大大提高。智能站二次设备网络可分为站控层网络和过程层网络。其中过程层网络连接着间隔层设备和过程层设备，承载着需要实时、可靠传输的SV采样报文[2]以及GOOSE[3]报文，实现调度四遥、保护采样、保护跳合闸、失灵联跳、闭锁等重要功能[4]。其中部分SV报文（用于报文分析、故障录波、电量采集等）及部分GOOSE报文（用于失灵联跳、闭锁等）由过程层中心交换机进行传输，因此过程层中心交换机是这些信息传输的关键节点。
我国很多智能站已经运行了6年以上，部分过程层中心交换机也显露出一些缺陷和故障来，需要消缺或者更换。由于过程层中心交换机承载着跨间隔的信息传输，其更换涉及到变电站停电范围、停电时间的确定，试验对象及试验方法的确定，以及安全措施的制定，因此需要研究有效、安全的更换和试验方法。
相比于合并单元[5]、智能终端及保护装置、测控装置来说，目前对于交换机的更换及试验方法的专门研究极少，已发表的研究成果更是鲜见。当前在现场主要的做法一是全站停电进行更换，该做法影响部分用户负荷的转供或停供；二是部分停电进行更换，但其更换方法及停电范围等全靠个人水平发挥，未形成固定、有效的方法，常常无法很好的兼顾效率与安全。
本文通过对智能站中心交换机的组网模式及承载业务的研究，提出了一种中心交换机更换及试验方法，提出了更换步骤、试验方法及安全措施，该方法在某220kV智能变电站过程层中心交换机更换项目中得到了有效验证。
1 智能变电站过程层中心交换机
1.1 智能站过程层通信组网模式
除规定的点对点通信需求外，110kV及以上电压等级智能站按电压等级组过程层网络，网络采用星型拓扑，并根据电压等级高低分为单星型和双星型[6]。另外，根据承载业务的不同，中心交换机组网方式主要有两种[7]，主要区别在于采样值通信是否参与组网。
第一种组网方式是SV不进行组网，部分GOOSE进行组网。采样值以点对点方式从合并单元传送各装置（保护、测控、录波、PMU[8]、电能计量等），如图1所示。
图1 过程层GOOSE网
第二种组网方式是部分SV报文以及部分GOOSE均进行组网，且根据SV报文传输时是否与过程层GOOSE网络共网，可分为SV与GOOSE共网和分网，实践中以共网的方式居多（如图2所示），此时SV与GOOSE报文常以VLAN方式进行隔离且以QoS优先级方式保证重要业务优先通过。
图2 过程层中心交换机GOOSE、SV共网方式
1.2 智能站过程层中心交换机承载业务
对于GOOSE报文而言，根据某省智能变电站二次系统功能回路技术规定，除保护跳闸信号、保护采断路器位置信号等采用点对点方式外，线路收远跳、启动失灵开入、失灵跳相邻开关、主变失灵联跳、主变跳母联母分等信息均采用GOOSE网络方式传输，即需要通过中心交换机。
对于SV而言，在SV与GOOSE共网的情况下，中心交换机还承载着合并单元发往测控装置、网络分析仪、故障录波器的各间隔SV报文，以及发往公用测控装置的母线间隔SV报文。
而对于110kV及以下电压等级的单星型网络，中心交换机承载的是故障录波器或网络分析仪监听的各间隔SV报文及GOOSE报文，无跳闸命令、失灵、联跳等报文。
2 智能变电站中心交换机更换及试验方法
2.1 网络分析
在正式工作开始之前，应获取如下资料：（1）该智能站中心交换机更换前、后的SCD文件[9]。（2）中心交换机更换前、后全站的网络配置、光口分配和VLAN划分资料。（3）拟投入使用的交换机技术说明书、使用说明书、检测报告（若有）等资料。（4）拟退出交换机的配置文件。
分析出现缺陷或故障的网络交换机种类、数量、组网形式、承载的业务类型以及问题严重程度，以便确定更换的顺序、所需采取的安全措施以及更换后的试验内容。若双星型网络两个中心交换机均需要更换时：宜逐个交换机进行更换及试验；宜先退B网交换机，更换并验证无误后，再退A网交换机。由于110kV过程层单星型网络中心交换机不承载失灵、联跳、远跳等重要命令，因此其现场更换时可短时直接退出运行。
2.2 离线试验
为减少变电站停电时间和试验风险，绝大部分的试验项目可以提前、离线进行，包括交换机的单体功能、性能试验，以及端口业务配置及试验。
1）新交换机单体试验
新交换机应有权威机构出具的检验报告，否则应在实验室或现场进行基本功能和性能的检验。性能试验项目包括吞吐量、转发时延、丢帧率、背靠背等；功能试验项目包括VLAN功能、优先级功能、生成树协议、广播、组播、单播风暴抑制、端口镜像、链路汇聚[10]。检验结果应符合文献10等相关规定。
2）新交换机端口配置及检验
新交换机的端口配置，是由交换机厂家根据本智能变电站的网络配置设计文件及SCD文件，进行端口规划、端口启停，VLAN设置，PVID设置，QoS优先级设置，组播功能（常见为GMRP[11]）设置等配置。
对于所做配置，需要通过一定的手段进行检验，方法如下。
（1）全站网络设计及交换机型号未改变的情况
若更换前后全站的网络配置设计未改变（即全站SCD未改变，交换机端口配置设计未改变），并且新、旧交换机为同一厂商同一型号产品，则按照原交换机的配置进行新交换机的配置，甚至可将原交换机的配置文件导入到新交换机中。
配置结束后，可使用人工或比对工具的方法对新、旧配置文件进行比对检验。在确认新、旧交换机配置一致后，原则上无需再通过测试仪进行端口配置检验。否则，按下文所述方法进行端口配置检验。
（2）全站网络设计或交换机型号有改动的情况
当全站网络配置设计或交换机型号有改动时，在根据新的网络配置设计进行新交换机端口配置之后，还需要对这些配置进行检验。所需工具如表1所示。
表1
检验项目及方法如下：
①端口启停情况检验
除调试口外，一般配置成“备用”的端口均要关闭，而承载业务的端口均要启用。端口启停情况的检验接线见图3。
图3 端口启停情况检验方法
对中心交换机配置端口关闭的光发送口，逐个用光功率计进行光功率测试，调整光功率计波长为交换机光口发送光波长（如850 nm），读出此时光功率计的示值。若无可用示值或示值很小（如-60 dBm），即可判断该光口是关闭的。
②业务端口配置检验
检验接线如图4（a）、（b），通过手持式智能站报文测试仪1和测试仪2，分别导入该变电站最新版SCD文件，分别模拟交换机与测试仪所连端口拟承载的SV或GOOSE业务报文的发送和接收，观察接收端能否正确收到发送端所发送业务即可检验新交换机的VLAN、PVID、GMRP等设置是否正确：若收、发端口与设计方案一致且交换机配置正确，则应能正确接收；若收、发端口设置不同vlan或者设置不正确，则应无法正确接收。而对于广播/单播/组播风暴抑制功能设置的测试，可设置测试仪的报文发送模式为对应的风暴模式，判断方法同上。
图4（a）、（b）业务端口配置检验方法
2.3 新交换机现场更换及试验
按照步骤一“网络分析”所确定的更换顺序进行更换，并按照拟退中心交换机所连接装置SV断链、GOOSE断链进行安措[12]制定及执行。应包含这些内容：退出相关间隔SV（需要断开网络连接的）接收软压板；退出相关内容的GOOSE接收和发送软压板。在拆除的过程中，不能误断其他设备的电源、通信线路及二次回路线；所涉及的光纤应做好标记，以便能快速无误地进行恢复。同时应注意不能损坏光纤。若光纤有更新，则应提前贴好标签。
更换交换机后，确保接线无误的情况下，交换机上电，查看各端口的指示灯，应能以正确的速率进行转发。恢复安措时，投入各装置先前退出的SV及GOOSE接收软压板，查看装置是否有通信中断的告警，并查看实际的SV及GOOSE值是否正确。
3 应用实例
本方法在某220kV智能站过程层中心交换机更换工程中进行了应用。通过网络分析，得知需要更换的交换机为双星型组网的220kV母线保护A柜中心交换机1及母线保护B柜中心交换机1，且可以在不停电的情况下轮流更换。以下仅以母线保护A柜中心交换机1（A网）更换为例进行简要说明，其承载的业务及部分配置如表2所示。
表2 220kV母线保护A柜中心交换机1端口连接配置
根据更换顺序分析，在开工许可手续办理下来之前，及时进行新交换机的配置及离线试验。待安全措施（在网络分析步骤时已制定）执行完毕且可以开工后，迅速开展新交换机的现场更换、试验，无误后恢复安措。
4 结论
在某220kV智能站过程层中心交换机更换应用中的结果表明，两台有缺陷的交换机的现场更换时间不足半天，且无需停电、转负荷，还能保证安全。而如果按最慢的方法，现场更换时间将包括转负荷操作时间、新交换机单体检验、新交换机配置及更换、试验，至少需要一至两天时间。
根据所提的方法进行中心交换机的更换和试验，既优化了更换顺序、考虑了安全措施，又在充分试验的基础上缩短了现场更换时间，兼顾了效率和安全。下一步，将研究开发依托本文所提方法的智能站交换机更换辅助决策系统。