摘要：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。本文所提出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，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。
关键词：智能变电站；过程层；中心交换机；更换；试验
智能变电站[1]技术的一大特点是“二次设备网络化”，其提高了信息的共享程度和使用效率，使网络化设备的重要性提高。可将智能站二次设备网络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是：①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；②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还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。
1）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
2）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、起动失灵开入、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：①逐个交换机进行更换及试验；②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、端口起停，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。所需工具见表1。
表1 配置检验工具
检验项目及方法如下。
1）端口起停情况检验
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。端口起停情况的检验接线如图3所示。
图3 端口起停情况检验方法
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850nm），读出此时光功率计的示值。若无可用示值或示值很小（如-60dBm），则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所示，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。
（a）业务未跨级联交换机传送的情况
（b）业务跨级联交换机传送的情况
图4 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见表2。
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1～2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。
