超高压直流换流站监控系统典型故障分析及优化研究

吴 倩，吴 聪，王 浩，向官腾，刘瑞勇

（国网湖北省电力有限公司检修公司，湖北 武汉 430050）

0 引言

2009年，国家电网公司提出了中国未来十年的电网规划，即加快建设以特高压电网为骨干网架，促进能源基地的集约化开发，加快各级电网协调发展，构建具有信息化、自动化、互动化特征的、统一的坚强智能电网[1]。作为换流站的基础信息平台，站监控系统担负着对外与电网信息中心通讯，对内实现设备数据上传、状态监测、运行控制的职责。统一坚强智能电网的规划，换流站监控系统无疑将面临更为严峻的考验。

1 直流换流站监控系统概述

换流站监控系统是直流输电系统中非常重要的组成部分之一，其通过SCADA（Station Control and Data Acquisition）网络、远动工作站、站监控服务器、直流线路故障定位装置等子系统和模块的协同作用，实现直流输电系统的状态监视、交流系统的运行控制、系统信号传输以及数据的采集和处理[2]。运行过程中，站监控系统同时对数千个数字信号和模拟信号进行监测，并实时进行对比分析，对于重要信号的状态变化，实时进行跟踪和记录，以便于需要时进行现场重现和故障分析。

站监控系统的重要性要求其必须具备高可靠性，站监控系统重要的子系统、网络、远方控制接口均采用了冗余体系结构，在物理上实现了实时备用，并且备用的双系统间进行了有效隔离，降低了单通道或单硬件故障情况下引发严重故障的可能性。换流站监控系统采用先进的网络通信技术统一组网并实现信息共享，站控层与间隔层设备间通过站控层LAN（Local Area Network）网络设备连接完成电气设备的信息传输[3]。

超高压直流换流站要建立一个强大、稳定、迅速的通讯信息网络，换流站中传送信息的站监控SCADA网络，必须要保证网络稳定性，能够准确快速地搜集分析实时数据和信息,并且具有快速反应能力。

鹅城站曾在2005年投运初期因网络故障引起全站控制系统瘫痪，导致双极闭锁。针对网络结构上的缺陷，江陵站和鹅城站在2007年对SCADA网络进行了改造。网络结构由物理环网过多的复杂结构改进为简洁的物理上“日”字型、逻辑上“H”型结构（图1链路网线1、2为物理连接，逻辑上不通，通讯异常时逻辑上自动接通），改造后的网络拓扑结构如图1所示。

图1 网络结构拓扑图Fig.1 Network topology diagram

继电器室每台控保主机两块绑定为Team的网卡分别连接COM1A和COM1B两个子交换机，再通过主交换机A1、A2、A3、B1、B2、B3与服务器、以及其他控保主机实现网络通讯。

经简化后的网络结构虽然能有效地防止环网，但是在实际运行中仍可以进一步优化，以下选取两个典型事例进行分析。

2 交换机瞬时故障引起Intouch界面状态更新异常

2.1 交换机瞬时故障分析及处理

2016年2月15日，江陵站Intouch界面（后台监视界面）状态更新异常，控保主机显示为灰色不明状态，交流场、滤波场状态栏变成紫色，ACP（AC Control Protection）、AFP（AC Filter Protection）主机对应电压电流、开关状态均不更新，事件记录除PCP（Pole Control Protection）极控主机外其它主机均不更新。

经逐步排查，发现站控A系统交换机A2瞬时工作异常，交换机端口通断状态发生瞬时循环变化，使得COM1A/1B之间物理连接的网线（图1链路网线1）通断不断切换，造成交换机循环往复切换，导致主机间短时存在两个连接回路，引起网络冲突，通讯失败。

在交换式局域网中，交换机在逻辑上不允许存在环路。如果存在环路，一但有广播流量，交换机会向除接收端口外的所有端口转发数据包，将导致广播包在环路内无穷循环转发，这就是广播风暴（网络风暴）。江陵站和鹅城站在物理结构上存在环路，交换机间通过Spanning Tree协议（生成树协议）在逻辑上防止环路的产生，通过一定的算法实现路径冗余，即使物理上存在环路，Spanning Tree协议也会将对应的交换机端口置为阻塞状态，阻断环路，将环路网络修正为无环路的树型网络，从而避免报文在环路网络中的增生和无限循环。

2.2 对网络结构改进的建议

SCADA网络在2007年大修改造后形成的物理上“日”型，逻辑上“H”型结构虽将网络结构大大简化而有效防止环网，但物理上仍然存在环路，在交换机的瞬时异常等故障下，仍可能在COM1A/1B（或COM2A/2B）之间通断变换的过程中，有短时引起1个逻辑环路的可能性。交换机产生环路，如果保证运行Spanning Tree协议的前提下，优点很明显，链路冗余。江陵站和鹅城站通过配备两个网卡，已经保证了链路的冗余性，在此基础上，在交换机间仍然设置环路，缺点很明显，容易产生网络风暴。鉴于2005年的网络风暴根本原因为网络结构中环路较多，建议将COM1A/1B（和COM2A/2B）间物理连接的网线（图1链路网线1/2）断开，完全杜绝环路的出现，将交换机自动切换改为手动实现。将COM1A/1B（或COM2A/2B）之间的连接网线（图1链路网线1/2）做好标记，若设备异常时在手动连接，紧急情况由运行人员与检修人员沟通后手动连接。

在宜华、葛南直流工程中，已将COM1A/1B（和COM2A/2B）间物理连接的网线取消，物理上和逻辑上均为“H”型结构，COM1A/1B（和COM2A/2B）间物理连接的网线断开后，网络结构依然为冗余的双系统，A、B系统完全独立，只通过一根网线相连，容错方式改为网卡容错，在发生故障时，能在主机网卡处直接进行快速切换，不需要经过交换机迂回，系统能在最短的时间内恢复正常。因此，宜华、葛南直流工程从未发生过因交换机故障引起的网络冲突，这种优化后的网络结构与江城直流工程现今的网络结构相比较，结构更简单，系统更稳定，同时可靠性不会降低。

3 光电转换器亚健康状态

3.1 光电转换器亚健康状态分析及处理

2015年6月22日，鹅城站光电转换器亚健康故障导致2号继电器室完全没有现场主机的状态，而且交流场对应的开关没有状态显示，检查发现交换机上送至控制楼信号对应1x端口黄绿灯交替闪烁。通过检查分析发现，当前网络容错方式为交换机容错方式，在光电转换器时好时坏（亚健康状态）的情况下，通讯链路时通时断，引起交换机频繁切换导致A、B路均不通，更换光电转换器后恢复正常。

3.2 网络容错方式比较

在2009年软件升级中，对控保主机网络参数的容错方式进行了修改。将Team的故障容错方式由Adapter Fault Tolerance（网络适配器故障容错）改为Switch Fault Tolerance（交换机故障容错），以下针对鹅城站现状对两种容错方式进行了分析。

在网络适配器容错（AFT）方式下，若ACP1A通过COM1A交换机通讯的通道故障后，应可以快速切换通过网卡B经COM1B交换机与服务器系统通讯。而在交换机容错（SFT）方式下，若ACP1A通过COM1A交换机通讯的通道故障时，仍由网卡A通讯，但需要由COM1A经COM1B迂回通讯，此时需要时间较长。而故障时通道时通时断，在交换机间频繁切换时则会导致A、B路均不通。但拔下A端口网线时，则链路完全中断，系统能通过B路正常通讯。

3.3 光电转换器优化建议

江陵站和鹅城站继电器室COM(Communication)柜至控制楼SCM(Station Control and Monitoring)柜距离较远，采用的2950系列交换机不具有光口，使用光电转换器和光纤连接两台交换机。在其它换流站光电转换器也出现过类似故障，现用光电转换器已经过一次换型，考虑到光电转换器的稳定性，目前可以考虑取消光电转换器，建议使用带光口的交换机，即全光交换机，可以大大提高网络稳定性，优化前后的结构如图2所示。

图2 交换机结构优化前后比较Fig.2 Comparison of switch structure optimization before and after

除了网络结构上的简化和性能上的稳定之外，全光交换机在光层都具有智能模块，所以实际上它们还可以自动监测光纤的性能，如果某处光纤发生故障，它会迅速地发出报告并采取相应的措施，并且将此处的业务交换到周边的通路上去。

全光交换机在换流站新建工程中已广泛使用，其优点如下：

（1）使用及维护成本低于目前光电转换器配合交换机的网络结构成本；

（2）省去大量光电转换器和楼层有源节点，大大降低网络维护管理成本；

（3）省去一次光电转换过程，减少数据转发延时，提高网络实时性；

（4）省去大量物理连接，简化网络结构，减少故障点，显著提高网络可靠性；

（5）显著节约机房机架空间，降低成本。

4 结语

为了满足智能电网可观性强，即借助信息网络技术，实时监控电力系统各节点信息的要求[4]，从进一步提高换流站监控系统的稳定性角度考虑，本文在统计分析超高压直流输电工程换流站监控系统典型故障的基础上，发掘站监控系统潜在不足，并在此基础上有针对性地提出了完善和优化站监控系统的解决方案和措施，能够促进换流站监控系统向智能化发展，最终满足智能化发展的要求。

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[1]黄全权.2020年建成统一的“坚强智能电网”[J].国家电网,2009(6)：29.HUANG Quanquan.2020 built a unified“Strong Smart Grid”[J].State Grid Corporation of China,2009(6)：29.

［2］郑映斌,黄晨,刘会鹏,等.±500 kV常规换流站智能化建设[J].湖南电力,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］郑家松,陈晓捷,林国新,等.大容量柔性直流换流站计算机监控系统性能提升技术 [J].电工技术,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］曹军威,万宇鑫,涂国煜,等.智能电网信息系统体系结构研究[J].计算机学报,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.