基于节点重要度的过程层网络交换机运维研究

钱兵，陈鹏，殷怀统，朱建艾，朱美芬，华宝桦，范成刚，黄金顺

（云南电网有限责任公司文山供电局，云南 文山 663000）

0 前言

继电保护是电网安全运行的第一道防线，各类型的保护装置需要在电网或设备出现故障时快速动作出口，对故障进行最小范围的切除[1]。随着科技的不断进步，电网智能化成为趋势，智能变电站作为智能电网重要组成部分，做好智能变电站的运维管理工作至关重要。

过程层设备是智能变电站“三层两网”[2]结构的最底层设备，其主要负责采集一次设备的开关量信息，以GOOSE通信方式上送给保护、测控等二次设备，并收和处理保护、测控装置下发的GOOSE命令，对断路器、隔离刀闸和接地刀闸等一次设备进行分合操作，过程层网络负责连接过程层设备及间隔层设备，实现信息的交互传输。过程层网络的正常运行与否，关系着保护装置、安稳装置及测控装置下发的命令能否执行到位，一旦过程层网络元件发生故障，将会导致断路器不能按要求动作出口，造成故障不能及时切除，危及电网的安全稳定运行。

本文应用节点重要度评估方法对过程层网络进行分析，并提出相应的运维措施。

1 智能变电站结构分析

1.1 概述

本文分析对象遵循南方电网500 kV智能变电站通用设计，采用“直采网跳”的组网方案[3]，即采用常规电流互感器、电压互感器实现电流量、电压量的采集；通过断路器加智能终端的方式实现一次设备智能化。根据IEC61850标准[4]，智能变电站网络由站控层、间隔层和过程层组成。站控层网络为站控层设备和间隔层设备之间网络，过程层网络为过程层和间隔层之间网络，其拓扑结构如图1所示“三层两网”结构。

图1 智能变电站网络拓扑图

1）站控层设备：主要包括监控主机、智能原远动机、智能录波器管理单元、站控层交换机等；

2）间隔层设备：主要包括保护装置、测控装置、安稳装置、智能故障录波器等；

3）过程层设备：主要包括智能终端；

4）站控层网络：站控层设备与间隔层设备之间的通信网，采用MMS通信协议；

5）过程层网络：过程层设备与间隔层设备之间的通信网，A、B网均采用双星型结构[5]。

1.2 过程层网络分析

与常规变电站相比，智能变电站减少了二次电缆，使用大量的光纤、交换机组成过程层网络[6]，统计在运变电站的交换机数量，如表1所示，可知交换机在智能变电站中起着举足轻重的作用，交换机发生故障时，将会对过程层网络结构产生影响，导致信息交互路径中断[7]。

表1 在运变电站交换机数量统计表

目前大部分智能变电站过程层采用双星型拓扑结构，其可靠性高[8]，时延小。以某500 kV智能变电站为例，解析SCD文件[9]，可绘制各个电压等级的过程层网络结构，图2、图3分别是500 kV、220 kV部分过程层A网的拓扑结构。

图2 500kV第一串过程层A网拓扑结构

图3 220kV部分过程层A网拓扑结构

2 节点重要度分析

2.1 连通度

拓扑网络中，任意两个节点之间都有一定的跳数，把与相同节点i具有相同跳数的点叫做跳面节点。通过把节点与节点之间的关系转化为不同跳面之间的关系，从而简化了网络。节点连通度的计算公式如下：

其中，Z01表示节点i到跳数为1的跳面节点间的连通性，即为Zi1。Zm(m+1)表示第m跳到第m+1跳跳面间的连通性。Zm(m+1)的计算方法如下式：

其中，lm为两个跳面之间的连接链路数，nm表示跳面m上的节点数量，N为网络中所有节点的数量。

2.2 节点重要度

节点重要度的计算公式如下：

其中，Zi是节点i的节点重要度，m为距离节点i最远的跳面节点的跳数，Zij为节点i到第j跳跳面的连通性。

通过（1）、（2）、（3）三公式，可以算得网络拓扑中，任意一点的节点重要度。

2.3 网络连通度

假设网络拓扑G的节点总数为n，删除k个节点后，用Gk表示网络，网络连通度为LT(k)，计算公式如下：

其中，ltk(i,j)表示删除k个节点后，网络中节点i和节点j的节点连通度。

其中，TS(t)为节点i和节点j之间第t条路径（多条路径都经过同一中间节点时，仅取最小跳数的路径）的跳数；q为节点i和节点j之间不相交的路径的个数。

2.4 500kV案例计算

根据上述节点重要度分析的方法，对500 kV智能变电站500 kV及220 kV过程层网络拓扑结构进行分析。

以500 kV第一串过程层A1网为例，根据图2，可将其拓扑结构简化为图4（a）所示。图中共有22个设备，其中圆形代表交换机，矩形代表IED，各设备名称对应关系如表2所示。

表2 设备名称表

图4 500 kV第一串过程层A1网简化算例图

则根据公式（1）（2）（3），可计算出图4（a）中各节点的重要度：

可知，节点3和节点2重要度最高，根据公式（4）（5）可知网络连通度为：

LT(0)=95.08

若节点3和节点2故障，则网络拓扑结构如图4（b）所示，此时的网络连通度为：

LT(2)=9.5

网络连通度严重下降，可以认为此时的网络结构已经瓦解。

2.5 220 kV案例计算

根据图3可得220 kV部分过程层A1网简化算例图，如图5（a）所示，各设备名称对应关系如表3所示。

表3 设备名称表

图5 220 kV部分过程层A1网简化算例图

则根据公式（1）（2）（3），可计算出图5（a）中各节点的重要度：

可知，节点2和节点3重要度最高，根据公式（4）（5）可知网络连通度为：

若节点2和节点3故障，则网络拓扑结构如图5（b）所示，网络连通度为：

LT(2)=0

此时网络结构已经瓦解。

2.6 计算结果分析

1）节点故障对网络结构的影响。网络拓扑结构中，重要度低的节点故障后影响范围小，重要度越高的节点故障后对网络的影响越大，重要度最高的节点故障后将会导致网络连通度大幅下降，甚至造成网络结构直接瓦解。

2）交换机故障对运行设备的影响。500 kV部分，保护设备与断路器智能终端接入不同间隔交换机，当间隔交换机一出现故障时，线路保护、断路器保护、测控装置与智能终端、母线保护、安稳装置之间的信息链路中断；当间隔交换机二出现故障时，线路保护、断路器保护、母线保护、安稳装置、测控装置与智能终端之间的信息链路中断；当中心交换机故障时，母线保护、安稳装置与线路保护、断路器保护、测控装置、智能终端之间的信息链路中断。220 kV部分，线路保护与断路器智能终端接入同一个交换机，间隔交换机故障时，线路保护、母线保护、断路器智能终端之间的信息链路中断；当中心交换机故障时，母线保护到线路保护、断路器智能终端的信息链路中断，线路保护与断路器智能终端之间的通信无影响。

综上分析，过程层网络中的交换机故障时，会对过程层网络结构造成破坏性影响，导致保护设备、智能终端、测控装置、安稳装置之间的信息传递中断，使设备功能失效。

3 运维方案及建议

3.1 差异化运维

根据节点重要度计算结果，对不同重要度的交换机开展差异化维护，对于故障后会导致网络瓦解的重要度较高的交换机，须提高维护频次，防止其故障导致过程层网络崩溃，其他重要度低的节点可根据现场工作情况调整维护频次。

3.2 优化交换机运行环境

过程层交换机发热严重[10]，特别是中心交换机，其数据吞吐量较大，应合理设计屏柜，确保散热良好，并保持合格的温湿度环境，多台交换机共组一面屏柜时，一面屏不应超过6台交换机。

3.3 优化过程层组网结构

将线路保护、断路器保护及断路器智能终端接入同一个间隔交换机，缩短三者之间的信息交互路径，且中心交换机故障也不影响其信息交互。将母线保护接入靠近间隔交换机的中心交换机，缩短母线保护的与其他保护设备的信息交互路径，提高设备运行可靠性。

3.4 交换机光口交叉错位使用

如图6所示，按照预留备用接口宜不少于交换机接口总数20%的原则，将交换机的光口交叉错位使用，以方便后续交换机日常运维、消缺检修拔插方便，降低作业风险，如图6所示。

图6 交换机光口交叉错位配置示意图

3.5 降低N-1运行风险

双回线间隔、双台主变组网时，其保护设备、智能终端应接入不同间隔交换机，降低双回线、双台主变的N-1运行风险。

3.6 优化交换机电源配置

智能变电站过程层中A1网与A2网、B1网与B2网配置完全相同，应按A1、B1网交换机取自同一段直流母线供电，A2、B2网交换机取自另一段直流母线供电的原则配置，即使有一段直流母线故障，也不影响A网或B网的信息传输，以提高过程层网络的运行可靠性。

4 结束语

交换机在过程层网络中起着传输、分配信息的重要作用，交换机故障时，会造成过程层网络连通度大幅下降，甚至导致网络瓦解，使保护设备、智能终端、安稳装置、测控装置之间的信息交互路径中断。本文基于网络节点重要分析了交换机对过程层网络的重要性，并从现场运维、优化组网结构及调整交换机配置等多方面提出措施建议，以提高交换机的运行可靠性，保证过程层网络的正常运行。