劉永鋼　熊慕文　尹 凱　陳桂友　朱何榮（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京　211102）

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智能變電站雙測控方案優(yōu)化設(shè)計

劉永鋼熊慕文尹 凱陳桂友朱何榮
（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211102）

摘要智能化變電站測控裝置雙重化配置以后，監(jiān)控信息冗余的同時帶來了異源數(shù)據(jù)的辨識選擇和遙控對象惟一性的問題，本文分析了現(xiàn)有雙測控配置方案的優(yōu)缺點，提出了一種由監(jiān)控系統(tǒng)自主選擇主機并根據(jù)雙機實時運行狀況自動切換主備機的策略，本文對雙測控的實施方案進(jìn)行了闡述，提出了一種間隔層測控裝置不停電檢修的運維方式，適合智能變電站無人值守的趨勢。

關(guān)鍵詞：智能變電站；測控裝置；雙重化配置；主備機切換

Optimization of Dual Bay Control Unit Configuration in Smart Substation

Liu Yonggang Xiong Muwen Yin Kai Chen Guiyou Zhu Herong
（NR Electric Co.， Ltd， Nanjing 211102）

Abstract With dual configuration of Bay Control Unit（BCU）in smart substation， the monitoring system has became redundant and reliable， but also bring the problem of different data selection and uniqueness for control object. This paper analyzes the advantages and disadvantages of present dual configuration schemes. The strategy of automatic selecting the host by monitoring system according to dual BCU’s real-time running state and automatic switching of the master-slave machine is proposed. In this paper， the implementation scheme of dual BCU is described and operation mode of BCU maintenance without power cut is provides， which is a trend in smart substation.

Keywords：smart substation; bay control unit; dual configuration; master-salve switch

智能變電站是堅強智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐。隨著我國智能變電站的推廣建設(shè)，站內(nèi)一次設(shè)備信號的采集、測量、控制和監(jiān)測的可靠性要求越來越高。作為變電站內(nèi)信息監(jiān)視和控制的主要實現(xiàn)環(huán)節(jié)，測控裝置的配置方案對監(jiān)控系統(tǒng)可靠性起著關(guān)鍵性的作用。國內(nèi)110kV及以下的數(shù)字化變電站中采取保護(hù)單套配置，測控功能由一套獨立的測控或者保護(hù)測控一體化裝置來實現(xiàn)。為了提高監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和冗余性，220kV及以上電壓等級的數(shù)字化變電站，繼電保護(hù)設(shè)備及與之相關(guān)的設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)等按照雙重化的原則進(jìn)行配置[1]，從而引入了測控雙重化配置的概念。

測控裝置雙重化配置具有功能獨立、聯(lián)閉鎖可靠性高等特點，可以提高監(jiān)控系統(tǒng)的冗余性以及防誤操作的安全性，當(dāng)裝置出現(xiàn)N－1系統(tǒng)故障時能夠不影響系統(tǒng)的正常運行；但測控雙重化配置也帶來了數(shù)據(jù)源與控制源不惟一的問題[2]，監(jiān)控系統(tǒng)需要對上送的數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識和篩選，一定程度上增加了監(jiān)控系統(tǒng)的復(fù)雜度和運維出錯的可能性。

本文對現(xiàn)階段實施的多種雙測控方案的優(yōu)缺點進(jìn)行了總結(jié)，提出了一種監(jiān)控系統(tǒng)自主選擇主機，并根據(jù)雙機的實時運行狀態(tài)自動切換主備機的方案。此方案既有效解決了冗余配置方案中數(shù)據(jù)源和控制源不惟一的難題，同時提供了一種測控裝置檢修不影響系統(tǒng)運行的機制，提高了監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和易維護(hù)性。此方案適合無人值守智能站的運行和維護(hù)，具備可推廣性及可復(fù)制性。

1　智能變電站雙測控配置結(jié)構(gòu)

按照國網(wǎng)公司Q/GDW 161—2013的設(shè)計規(guī)范，220kV及以上的智能變電站中主要的保護(hù)裝置雙重化配置，相應(yīng)地過程層和間隔層設(shè)備均需要雙套配置。具體到智能變電站內(nèi)三層兩網(wǎng)的架構(gòu)體系來說，過程層和站控層網(wǎng)絡(luò)分為A、B雙網(wǎng)；過程層的合并單元、智能終端分別雙套采集一次設(shè)備的信息，間隔層的保護(hù)、測控裝置雙重化配置對下接入過程層A、B網(wǎng)，對上接入監(jiān)控系統(tǒng)雙MMS網(wǎng)[3]。因此雙測控配置實際上對應(yīng)的是智能變電站內(nèi)整個三層兩網(wǎng)的雙重化結(jié)構(gòu)。

1.1智能變電站二次系統(tǒng)雙重化配置結(jié)構(gòu)

在220kV及以上的智能變電站中，采用雙重化配置的三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 智能變電站二次系統(tǒng)雙重化配置結(jié)構(gòu)

1）過程層設(shè)備：配置雙套獨立的合并單元，分別采集電子式互感器的兩路二次轉(zhuǎn)換器（A/D采樣回路），并輸出IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SV采樣報文至過程層SV交換機上，保護(hù)裝置也可以通過點對點的方式直接接入。配置雙套獨立的智能終端，分別獨立采集對應(yīng)間隔的一次設(shè)備（如斷路器、刀閘等）的信息并實現(xiàn)對其控制功能。雙重配置的保護(hù)或者測控裝置的跳閘、合閘回路與2套智能終端的動作線圈一一對應(yīng)，各自獨立。智能終端與間隔層裝置通過IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的GOOSE（面向通用對象的變電站事件）協(xié)議以組網(wǎng)或者點對點的方式進(jìn)行信息交互。

2）過程層網(wǎng)絡(luò)：過程層網(wǎng)絡(luò)是過程層和間隔層設(shè)備信息交互的橋梁。220kV以上的智能變電站一般采用過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)和過程層SV網(wǎng)絡(luò)相互獨立、雙重化配置的結(jié)構(gòu)。當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)運行異常時不應(yīng)影響另一個網(wǎng)絡(luò)的正常運行，正常情況下雙網(wǎng)獨立運行，構(gòu)成冗余配置。

3）間隔層設(shè)備：繼電保護(hù)裝置的雙重化配置原則，包括保護(hù)裝置以及保護(hù)配合回路（電子式互感器、合并單元、智能終端、過程層交換機、跳閘線圈等）的雙重化。雙重化配置的保護(hù)裝置及其回路之間完全獨立，沒有直接的電氣聯(lián)系。相應(yīng)地測控裝置也應(yīng)雙重化配置，對下接入過程層網(wǎng)絡(luò)的A、B網(wǎng)并采集上送合并單元、智能終端的開關(guān)量和模擬量信號。雙重化配置的測控裝置功能上各自獨立，具備完整的測量、控制以及聯(lián)閉鎖功能，分別進(jìn)行聯(lián)鎖計算并將各自的聯(lián)閉鎖狀態(tài)發(fā)以GOOSE的形式給智能終端。對于獨立的控制回路，兩套裝置的閉鎖輸出接點接入各自的回路中互不影響；對于共用的控制回路，將兩套測控的聯(lián)閉鎖節(jié)點并接，以提高控制的成功率。

4）站控層網(wǎng)絡(luò)：站控層MMS網(wǎng)絡(luò)采用雙重化配置，間隔層設(shè)備應(yīng)提供2個以太網(wǎng)口分別連至MMS A網(wǎng)與MMS B網(wǎng)。

5）監(jiān)控系統(tǒng)：監(jiān)控后臺服務(wù)器和遠(yuǎn)動裝置是智能變電站一體化信息平臺的核心，對整個變電站安全運行起著至關(guān)重要的作用。采用冗余配置的2臺監(jiān)控后臺的數(shù)據(jù)庫定時或者自動同步，當(dāng)一臺監(jiān)控后臺癱瘓或者退出運行時，另一臺監(jiān)控后臺能自動啟動并正常運行，提高監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

綜上所述，智能變電站二次系統(tǒng)的雙重化配置提高了站內(nèi)監(jiān)控信息的冗余度和可靠性，當(dāng)站內(nèi)裝置發(fā)生N－1故障時仍然有備用系統(tǒng)可以正常工作，提高了系統(tǒng)的可靠性。

1.2測控雙重化配置帶來的問題

鑒于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的GOOSE和SV服務(wù)協(xié)議，數(shù)字化變電站中采用光纖傳輸突破了常規(guī)站內(nèi)電纜和節(jié)點的限制，信號的傳輸呈現(xiàn)幾何級的增長。據(jù)統(tǒng)計智能變電站內(nèi)一個110kV間隔測控裝置所采集的過程層開關(guān)量信號、告警信息、模擬量信號等多達(dá)三四百個，雙重化配置之后上送到站控層的監(jiān)視信號翻倍，全站所有的信號總計將達(dá)到數(shù)萬個之多。如此之多的信號勢必會增加監(jiān)控系統(tǒng)處理信息的復(fù)雜度，給運維人員也帶來困惑。

同時對于同一個監(jiān)視對象而言，采用雙重化配置帶來了信息識別和篩選的困難。數(shù)字化站內(nèi)A、B兩套過程層設(shè)備如果上送的信息（如開關(guān)位置）不一致或者品質(zhì)有差異，對于監(jiān)控系統(tǒng)而言必須在兩個異源信號之間進(jìn)行辨識，增加了數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度和出錯的概率。對于異源數(shù)據(jù)的選擇切換，目前沒有一種簡單可靠的切換機制來保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，且無論對測控裝置或者監(jiān)控后臺而言都將耗費非常多的軟硬件資源。

對于站內(nèi)調(diào)度或者監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)遙控命令而言，雙重化的配置導(dǎo)致需要選定惟一的控制源。當(dāng)測控裝置的運行狀態(tài)發(fā)生改變后，控制源的切換也給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來挑戰(zhàn)，控制源的不惟一性降低了遙控的成功率。

1.3現(xiàn)階段主流的雙測控方案

現(xiàn)階段國內(nèi)多數(shù)的二次設(shè)備制造廠家均提出了各自的雙測控實施方案，比較主流的實施方案如下：

1）采取“虛點映射”的策略[4]實現(xiàn)站內(nèi)監(jiān)控數(shù)據(jù)和控制方向的“二取一”。這種方案需要監(jiān)控系統(tǒng)建立兩套測控采集的實時數(shù)據(jù)與某個虛點的對應(yīng)關(guān)系，且虛點跟實點數(shù)據(jù)之間要實時交換。為此監(jiān)控后臺必須增加一套實時的判斷邏輯并維護(hù)多張采集實點與虛點的隱射關(guān)系表，無疑增加了后臺的處理復(fù)雜度。同時當(dāng)裝置主備切換時也帶來了遙控對象不確定、數(shù)據(jù)隱射關(guān)系更改的問題。

2）兩套測控之間通過硬開入交互通信，實現(xiàn)自動切換。這種方案兩臺測控之間通過外部開入交換實時運行狀態(tài)，并根據(jù)一定的規(guī)則進(jìn)行主備機自動切換。實際運行過程中當(dāng)采集的對方運行狀態(tài)不可靠或者雙機之間通信異常時，可能導(dǎo)致主備機誤判。同時雙機實時交互通信，對兩套裝置的獨立運行也提出了挑戰(zhàn)。

3）監(jiān)控系統(tǒng)或者遠(yuǎn)動裝置通過手動設(shè)置軟壓板的方式，實現(xiàn)主備機的切換。此方案中測控裝置設(shè)置“主機軟壓板”，監(jiān)控后臺根據(jù)測控裝置軟壓板的值來選定主機，且通過遙控軟壓板的方式來切換主備機。主備機的切換需要監(jiān)控后臺或者遠(yuǎn)動人為操作參與，增加了出錯的可能性，且不利于變電站的無人值守。

綜上所述，目前的雙測控實現(xiàn)方案中，在面臨雙數(shù)據(jù)源選擇和監(jiān)控對象的惟一選擇時，都沒有很完美的解決安全性和易操作性的問題。同時增加了監(jiān)控系統(tǒng)邏輯處理的復(fù)雜度，帶來了主備機切換的不穩(wěn)定性，難以適應(yīng)無人值守的需求。

2　雙測控配置方案優(yōu)化設(shè)計

雙重化配置的兩套測控裝置，采取對下雙主、對上主備的工作方式。對下雙主是指兩個測控裝置在功能上（測量、控制、聯(lián)閉鎖）上完全獨立；測控裝置不作主備機邏輯判斷，之間無任何信息交互。對上主備是指站控層設(shè)備（遠(yuǎn)動和后臺）通過特定的規(guī)則自動選擇主測控裝置，實現(xiàn)測控功能的熱備用。

2.1測控裝置

兩套測控裝置分別對下接入過程層A、B網(wǎng)，其中第一套測控裝置接入第一套合并單元、智能終端，用于采集A套合并單元的模擬量，A套智能終端的開關(guān)量；第二套測控對稱接入第二套過程層設(shè)備信息。

將測控裝置采集的數(shù)據(jù)分為兩類：

1）私有信息：測控裝置本身獨有，以及衍生出的二級信號組成，主要包括所接入的合并單元或者智能終端的GOOSE通信鏈路狀態(tài)、功能壓板信號、測控裝置本身的告警信息、運行狀態(tài)以及邏輯閉鎖信號等，這類信息能夠完整地表征該測控裝置所處的運行狀態(tài)。

2）公共信息：能夠反映變電站一次設(shè)備當(dāng)前運行狀態(tài)的信息，包括電壓、電流、功率、開關(guān)刀閘位置等，這類信息能夠完整地表征變電站運行的狀態(tài)且數(shù)據(jù)具有惟一性。

測試裝置具體實施方案如下：

1）兩套測控裝置在功能（測量、控制、聯(lián)閉鎖等）上完全獨立，不作主備機邏輯判斷。

2）兩臺測控均可響應(yīng)手控操作，測控屏上設(shè)置兩個手合、手分把手，緊急情況下可以選擇任何一臺裝置去手動操作。

3）對于聯(lián)閉鎖信息，兩臺測控裝置分別進(jìn)行聯(lián)鎖計算，并將各自的聯(lián)鎖狀態(tài)通過GOOSE發(fā)送給A、B兩套智能終端。短語獨立的控制回路，閉鎖接點接入各自的回路中互不影響；對于公用的控制回路則將兩個閉鎖接點并聯(lián)，以保證控制的成功率。當(dāng)智能終端和測控裝置通信中斷時，智能終端的聯(lián)閉鎖接點應(yīng)自動復(fù)位。

2.2監(jiān)控后臺

1）監(jiān)視方向：主備測控裝置均和后臺通信。對于公共信息，由監(jiān)控后臺對相應(yīng)的點進(jìn)行配置，取主測控的公共信息進(jìn)行顯示；對于私有信息，由監(jiān)控后臺二取二進(jìn)行顯示。

對于公共信息中出現(xiàn)兩套采集的信息不一致的情況，由監(jiān)控后臺進(jìn)行不一致告警，提示運行人員對一次設(shè)備和二次設(shè)備進(jìn)行檢查。

2）控制方向：監(jiān)控后臺默認(rèn)將遙控命令下發(fā)到主測控裝置上。當(dāng)現(xiàn)場運維需要特殊處理時（如主機運行正常，但聯(lián)鎖不滿足或者需要操作備機），允許運行人員在遙控界面使用備機進(jìn)行遙控。

2.3遠(yuǎn)動裝置

1）監(jiān)視方向：主備測控裝置均和遠(yuǎn)動通信。對于公共信息，由遠(yuǎn)動裝置對相應(yīng)的點進(jìn)行配置，取主測控的公共信息上送主站；對于私有信息，由遠(yuǎn)動裝置二取二進(jìn)行顯示。

2）控制方向：監(jiān)控后臺默認(rèn)將遙控命令下發(fā)到主測控裝置上。

3　雙測控裝置主備機切換方案

智能變電站未來的趨勢是無人值守，因此雙測控配置方案中對于主備機的選擇和切換關(guān)系到運行和維護(hù)的準(zhǔn)確性和安全性。本方案中主備機的選擇和切換實現(xiàn)規(guī)則如下。

3.1主備機選擇

監(jiān)控后臺或者遠(yuǎn)動裝置基于以下規(guī)則自動選擇主測控裝置：1）非檢修狀態(tài)、通信正常的測控裝置選擇為主機。2）如果A、B兩套測控裝置上述兩個條件都滿足或者都不滿足，默認(rèn)選擇A套裝置作為主機。

上述規(guī)則中，雙測控裝置的A、B套定義由現(xiàn)場工程組態(tài)時決定，如可以按照IP地址大小的原則實施。

3.2主備機切換

假設(shè)A機地址為1，B機地址為2，則默認(rèn)選取A機為主機。系統(tǒng)正常運行過程中主備機切換如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)運行過程中主備機切換示意圖

系統(tǒng)運維定檢過程中主備機切換如圖3所示。

圖3 測控裝置檢修時主備機切換示意圖

本方案中主備機的選取以及切換主動權(quán)均由監(jiān)控后臺或者遠(yuǎn)動裝置根據(jù)測控裝置實際的運行狀態(tài)判定，測控裝置本身不需要進(jìn)行邏輯處理。雙機之間獨立運行，沒有任何電氣上的連接。實際運行過程中監(jiān)控系統(tǒng)只需取主機監(jiān)測信息作為一次設(shè)備相關(guān)信息的展示，當(dāng)雙機采集的信息不一致時由監(jiān)控后臺產(chǎn)生信息不一致告警，提示運行人員進(jìn)行故障排查。監(jiān)視方向上實現(xiàn)了信息的冗余配置，監(jiān)控系統(tǒng)切換選擇主備機邏輯簡單可靠?？刂品较蛏鲜冀K保持將遙控命令下發(fā)到主機測控上，保證操作對象的嚴(yán)格惟一性，也可以通過備機測控實現(xiàn)緊急操作，提高了遙控的成功率。

當(dāng)運維過程中需要對間隔層測控裝置檢修時，后臺監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)運行狀態(tài)自動切換主備機。即裝置投檢修后自動由主機降為備機運行狀態(tài)，而原先的備機則同步升級為主機運行狀態(tài)。這種方案可以保證始終有一臺測控裝置正常運行，且檢修開始和結(jié)束時主備機切換均不需要人工干預(yù)，而由監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)實時運行狀態(tài)自動切換。為此提供了一種測控裝置不停電檢修的完美方案，適合無人值守站的運維模式。

4　結(jié)論

本文從智能變電站測控裝置雙重化配置結(jié)構(gòu)入手，分析雙重化配置帶來的優(yōu)勢和需要解決的問題。針對目前國內(nèi)主流雙測控配置方案的優(yōu)缺點進(jìn)行分析總結(jié)，在此基礎(chǔ)上提出了一種由監(jiān)控系統(tǒng)自主選擇主機并根據(jù)雙機實時運行狀況自動切換主備機的策略。本文提出的雙測控優(yōu)化方案即充分發(fā)揮了冗余配置的優(yōu)勢，又解決了異源數(shù)據(jù)辨識選擇和控制對象的惟一性；同時提供了一種間隔層測控裝置不停電檢修的模式，適合智能變電站無人值守的運維趨勢。本方案已經(jīng)在廣東電網(wǎng)220kV茂名廣場變成功實施，具有良好的推廣意義。

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劉永鋼（1984-），男，山西平遙人，工程師，從事變電站自動化系統(tǒng)、數(shù)字化變電站系統(tǒng)研發(fā)工作。

作者簡介