10kV保護測控裝置通信中斷故障分析及處理

摘要：通過分析110 kV某變電站10 kV保護測控裝置頻繁出現(xiàn)通信中斷故障的情況，探討了交換機延時和丟包的原因，并提出了相應(yīng)的整改建議，為防范類似事故的發(fā)生提供了參考。

關(guān)鍵詞：變電站;通信中斷;交換機

0 引言

目前我國仍有許多變電站的10 kV保護測控裝置采用單網(wǎng)架構(gòu)與后臺機、遠動裝置進行通信，存在架構(gòu)薄弱、抗風(fēng)險能力差等問題，容易出現(xiàn)通信中斷的情況。通信中斷屬緊急缺陷，一旦發(fā)生調(diào)度將失去對該設(shè)備的監(jiān)視和控制，需立即處理。

1 事故概況

110 kV某變電站2019年4月—9月，10 kV I段母線上的間隔包括：#1接地變兼站用變、分段500、嘉大線F9、康居甲線F4、農(nóng)村線F8、市委線F6、下市線F10，均出現(xiàn)了5次以上的通信中斷故障，用電所線F7、鋼廠甲線F1出現(xiàn)了1次通信中斷故障。該通信中斷信號均可以通過重啟保護測控裝置復(fù)歸，且裝置沒有其他異常信號。現(xiàn)場10 kV線路及分段間隔保護測控裝置均為國電南自的PSL 641，10 kV接地變兼站用變的裝置為國電南自的PST 646。10 kV I段間隔的交換機是在2018年7月更換的華為S5500交換機。

2 事故分析

2.1? ? 初步分析處理

所有出現(xiàn)通信中斷故障的保護測控裝置均為10 kV I段間隔裝置，且10 kV II段間隔的裝置為同期投運的設(shè)備，并未出現(xiàn)類似情況，故初步判斷為連接10 kV I段間隔裝置的交換機出現(xiàn)了問題。該站網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1所示。

該華為S5500交換機更換不久，運行8個月即出現(xiàn)硬件損壞的可能性不大，懷疑是軟件配置不正確或與其他交換機通信存在異常。在2019年8月將該交換機更換為之前型號的寶訊科技BX-5024交換機，仍會發(fā)生通信中斷的故障。

再次檢查站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)狀況、裝置狀況，并咨詢廠家該類裝置發(fā)送通信中斷信號的原理后，考慮是站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不合理，10 kV I段間隔裝置的通信報文經(jīng)多級交換機后未能傳輸至遠動機及后臺機。

2.2? ? 交換機轉(zhuǎn)發(fā)延時分析

目前變電站的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，同時使用《遠動設(shè)備及系統(tǒng) 第5部分傳輸規(guī)約 第103篇：繼電保護設(shè)備信息接口配套標(biāo)準(zhǔn)》（DL/T 667—1999），間隔層設(shè)備通過交換機與站控層以太網(wǎng)連接。在這樣的情況下，交換機傳輸?shù)难訒r主要來自于隊列延時、交換延時、存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時，站內(nèi)通信線路延時可以忽略。其中存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時為交換機接收一幀完整報文后再將其發(fā)送出去所需要的時間，所以這個延時與被發(fā)送幀的長度成正比，與交換機的端口速率成反比。理論上，單臺百兆交換機輕載運行時，1 518 B為最大的數(shù)據(jù)幀長度，取較大的交換延時7 μs計算，其轉(zhuǎn)發(fā)延時為：L1 518 Byte=（12 208 bit/100 Mbps）+7 μs=129 μs。

重載運行時，可能存在所有裝置都在同一時刻向同一交換機發(fā)送1個最大長度數(shù)據(jù)幀的情況，此時需要考慮隊列延時。隊列延時是當(dāng)以太網(wǎng)中出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀沖突時，交換機通過隊列和存儲轉(zhuǎn)發(fā)的機制解決沖突。未配置數(shù)據(jù)優(yōu)先級時，數(shù)據(jù)幀需要在隊列中依次排隊等待發(fā)送，同時以太網(wǎng)要求發(fā)送幀間隔最小為96 bit。在該110 kV站中，10 kV I段間隔的交換機連接了11個保護測控裝置，則延時為：

L1max=（12 208 bit×11/100 Mbps）+96 bit×10+7 μs=2.31 ms

在該110 kV站中，10 kV I段間隔的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過5個交換機才能發(fā)送至后臺機和遠動機，此處不考慮在10 kV II段間隔交換機和110 kV間隔交換機處其他來源數(shù)據(jù)造成的隊列延時，由于交換機在收到第一個報文后就可以直接開始轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，所以第一臺交換機之后也不需要考慮隊列延時，即經(jīng)過5臺交換機的延時為：

L5max=（12 208 bit×11/100 Mbps）+96 bit×10+7 μs+

[（12 208 bit/100 Mbps）+7 μs]×4=2.83 ms

毫秒級的延時對于其他信號的傳輸會造成一定影響，但是由于國電南自PSL 641裝置為不間斷發(fā)送通信報文，后臺Eyewin2.0軟件90 s收不到通信報文則發(fā)通信中斷報警，遠動PSX600U裝置180 s收不到通信報文則發(fā)通信中斷報警，如果只是交換延時問題不會導(dǎo)致頻繁的通信中斷告警，故考慮在該110 kV站的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下交換機可能還存在大量丟包的情況。

2.3? ? 交換機丟包分析

2.3.1? ? 強電磁干擾

由于10 kV I段間隔交換機和10 kV II段間隔交換機直接放置于10 kV高壓室的開關(guān)柜內(nèi)，在高壓電氣設(shè)備運行的情況下，交換機會受到較強的電磁干擾[1]。特別是分合斷路器時產(chǎn)生變化的電壓電流、電氣設(shè)備發(fā)生故障而產(chǎn)生的極大短時電流以及高壓電氣設(shè)備本身存在的電磁場，都會對交換機發(fā)送的數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生影響，導(dǎo)致報文中的一些字段出錯，在校驗時認(rèn)為整幀報文錯誤，從而出現(xiàn)丟包情況。

2.3.2? ? 網(wǎng)絡(luò)堵塞

110 kV間隔交換機和遠動后臺交換機由于其需要承擔(dān)站內(nèi)所有數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù)，當(dāng)大量裝置同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，容易在該處形成網(wǎng)絡(luò)堵塞。TCP協(xié)議下的數(shù)據(jù)傳輸采用隊列管理的方式，即數(shù)據(jù)幀需要在隊列中依次排隊等待發(fā)送，此時數(shù)據(jù)被儲存于交換機的內(nèi)存中，如果用于緩存的內(nèi)存被使用完，之后傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包將不再被接收，即出現(xiàn)丟包情況。

2.3.3? ? 交換機雙工不匹配

交換機具備的自適應(yīng)能力是通過檢測從對端收到信號的時間間隔來計算對端的傳輸速率，從而與對端傳輸速率保持一致[2]。但是自適應(yīng)能力無法協(xié)商雙工狀態(tài)，也就是在未使用自動協(xié)商功能時，無法保證兩端雙工狀態(tài)一致，容易出現(xiàn)兩端雙工不匹配導(dǎo)致丟包的情況。

3 整改措施

（1）檢查該110 kV站內(nèi)交換機的配置情況，發(fā)現(xiàn)10 kV I段間隔交換機級聯(lián)口未進行自動協(xié)商配置。更改交換機的配置，使得站內(nèi)交換機配置一致。（2）將10 kV I段間隔交換機采用光纜直連至主控室交換機，主控室交換機用網(wǎng)線直連至遠動后臺交換機，更改后的網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖2所示。改動后，10 kV保護測控裝置的數(shù)據(jù)經(jīng)過3層交換機即可以發(fā)送至后臺機和遠動機，可以避免10 kV II段間隔交換機和110 kV間隔交換機出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞的情況，并改善可能存在的網(wǎng)絡(luò)延時問題。

4 結(jié)語

隨著自動化技術(shù)不斷發(fā)展，保障站內(nèi)設(shè)備的正常通信越來越重要，在常規(guī)變電站中，自動化設(shè)備維護配置的相關(guān)技術(shù)規(guī)范不夠細致。通過本次事故的分析處理，筆者認(rèn)為站內(nèi)自動化設(shè)備的配置應(yīng)有完整的記錄;變電站內(nèi)交換機層級應(yīng)當(dāng)在4級以內(nèi);交換機應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一放置在屏柜內(nèi)，并在日常巡視時做好維護工作，這樣能使設(shè)備運行更穩(wěn)定，確保電網(wǎng)穩(wěn)定運行。

[參考文獻]

[1] 劉筱萍，楊貴，彭安，等.配網(wǎng)自動化交換機研制[J].計算技術(shù)與自動化，2018，37（1）：60-64.

[2] 張宜愛，王輝，劉曉良.自協(xié)商問題導(dǎo)致局域網(wǎng)電路丟包故障分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012（29）：54.

收稿日期：2020-03-05

作者簡介：張奕昭（1994—），男，廣東人，助理工程師，從事電網(wǎng)繼電保護及變電站綜合自動化工作。