申 濤，鄒 暉，金春輝

(國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，浙江 杭州 310000)

基于虛擬測(cè)控的變電站自動(dòng)化改造技術(shù)

申 濤，鄒 暉，金春輝

(國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，浙江 杭州 310000)

目前很多老舊傳統(tǒng)變電站正在進(jìn)行智能化改造，改造需要按照停電計(jì)劃一步一步開(kāi)展。在改造過(guò)程中，已改造的系統(tǒng)和未改造的系統(tǒng)是相互獨(dú)立，且內(nèi)部采用不同的通信規(guī)約，故無(wú)法直接通信。而在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，間隔層和站控層的閉鎖邏輯很多都跨間隔，存在新、老系統(tǒng)信息缺失、聯(lián)閉鎖邏輯不完整等問(wèn)題，為此提出了一種基于虛擬測(cè)控的變電站自動(dòng)化改造技術(shù)。在新的自動(dòng)化系統(tǒng)中安裝虛擬測(cè)控裝置，模擬新系統(tǒng)的實(shí)體測(cè)控裝置運(yùn)行，被模擬的間隔實(shí)際位于舊的自動(dòng)化系統(tǒng)，為未改造間隔。該技術(shù)解決了變電站智能化改造過(guò)程中新、老系統(tǒng)的過(guò)渡難題，保證了改造過(guò)程中聯(lián)閉鎖、新監(jiān)控后臺(tái)及調(diào)度監(jiān)控端信息數(shù)據(jù)的完整性。結(jié)合某變電站自動(dòng)化改造實(shí)施過(guò)程，重點(diǎn)介紹了虛擬測(cè)控技術(shù)在變電站自動(dòng)化設(shè)備改造過(guò)程中的應(yīng)用，以及改造過(guò)程中的注意事項(xiàng)，對(duì)其他變電站的智能化改造具有一定的借鑒意義。

電力系統(tǒng); 變電站； 監(jiān)控系統(tǒng)； 交換機(jī)； 虛擬測(cè)控； 智能控制

0 引言

在電力系統(tǒng)自動(dòng)化應(yīng)用中，測(cè)控裝置作為實(shí)現(xiàn)測(cè)量和控制功能的前端二次設(shè)備，包含模擬量采集、信號(hào)量采集及控制量輸出等基礎(chǔ)輸入輸出模塊，以及交流量計(jì)算、分合閘、有載調(diào)壓控制和間隔五防聯(lián)閉鎖等模塊[1]。220 kV及以上電壓等級(jí)變電站通常配置單套測(cè)控裝置，測(cè)控裝置之間存在水平通信。

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)全站智能化改造需按照停電計(jì)劃一步一步開(kāi)展，智能化改造將對(duì)原有自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行整體更換。新通信規(guī)約體系(IEC 61850)與原有監(jiān)控系統(tǒng)不兼容，造成了過(guò)渡階段監(jiān)控系統(tǒng)的整體性要求與逐間隔改造的矛盾[2-3]。在改造過(guò)程中，已改造系統(tǒng)和未改造系統(tǒng)相互獨(dú)立，兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部采用不同的通信規(guī)約，故無(wú)法直接通信。而在自動(dòng)化系統(tǒng)中，間隔層和站控層閉鎖邏輯很多都是跨間隔。如何將未改造間隔的信息傳送給已改造的新系統(tǒng)，以保證新、舊系統(tǒng)站控層和間隔層聯(lián)閉鎖的完整性，以及新監(jiān)控后臺(tái)、調(diào)度監(jiān)控端數(shù)據(jù)的完整性、實(shí)時(shí)性，是改造過(guò)程中面臨的一個(gè)大問(wèn)題。

本文主要研究一種基于虛擬測(cè)控的變電站自動(dòng)化改造新、舊系統(tǒng)過(guò)渡方法，解決傳統(tǒng)變電站智能化改造過(guò)程中遇到的聯(lián)閉鎖信息不全、監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)不完整等難題。

1 變電站智能化改造技術(shù)難題

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的通信體系采用分層、面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)，將變電站自動(dòng)化通信體系從邏輯上和物理上分為三層:站控層、間隔層、過(guò)程層[4]。變電站自動(dòng)化系統(tǒng)改造期間，已改造間隔和未改造間隔屬于兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)采取的通信規(guī)約不同，無(wú)法水平通信，存在以下幾方面的問(wèn)題。

①一次設(shè)備倒閘操作的間隔層和站控層閉鎖條件信息不全[5]，無(wú)法正常操作。220 kV系統(tǒng)接線(xiàn)示意圖如圖1所示。例如，220 kV系統(tǒng)部分按照 “先改母設(shè)，再改間隔” 原則，輪停母線(xiàn)，先改造220 kV正、副母設(shè)(圖1中的兩個(gè)虛線(xiàn)框部分)，將改造的母線(xiàn)設(shè)備接入新測(cè)控裝置，未改造的間隔1～間隔7仍在舊系統(tǒng)中。在舊自動(dòng)化系統(tǒng)中，站控層及間隔層均無(wú)法獲取母線(xiàn)測(cè)控的信息，導(dǎo)致間隔1～間隔7的母線(xiàn)側(cè)閘刀1G、2G無(wú)法操作。在新自動(dòng)化系統(tǒng)中，新系統(tǒng)無(wú)法獲取間隔1～間隔7的母線(xiàn)側(cè)閘刀1G、2G位置信息，母線(xiàn)設(shè)備1GD、2GD無(wú)法操作。

圖1 220 kV系統(tǒng)接線(xiàn)示意圖

②改造期間，新后臺(tái)只能監(jiān)控到已經(jīng)改造的部分，舊后臺(tái)只能監(jiān)控到未改造的部分，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員需要監(jiān)控兩套監(jiān)控系統(tǒng)，工作量大。

③調(diào)度端從新、舊兩臺(tái)遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)分別接收數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行合成得到全站數(shù)據(jù)。改造階段比較多，調(diào)度信息表數(shù)據(jù)庫(kù)修改變動(dòng)大，容易出錯(cuò)。

2 虛擬測(cè)控原理

虛擬測(cè)控裝置屬于間隔層二次設(shè)備，每臺(tái)虛擬測(cè)控裝置可在線(xiàn)運(yùn)行1～20 臺(tái)虛擬測(cè)控裝置。虛擬測(cè)控裝置完成與實(shí)測(cè)控裝置一致的功能，性能指標(biāo)滿(mǎn)足測(cè)控裝置規(guī)范的要求，配置參數(shù)和方法與實(shí)體測(cè)控裝置相似，具有獨(dú)立的運(yùn)行維護(hù)界面和投退軟壓板功能。虛擬測(cè)控安裝在新的自動(dòng)化系統(tǒng)中，模擬新系統(tǒng)的實(shí)體測(cè)控裝置運(yùn)行，被模擬的間隔實(shí)際位于舊的自動(dòng)化系統(tǒng)，為未改造間隔。虛擬測(cè)控可以虛擬所有廠(chǎng)家測(cè)控，并接入整個(gè)變電站的監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)與過(guò)程層和站控層的數(shù)據(jù)交互。

虛擬測(cè)控系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。裝置分為兩部分:①采集箱，用來(lái)接收104報(bào)文；②管理主機(jī)，用來(lái)處理104報(bào)文并管理虛擬測(cè)控進(jìn)程。兩者之間通過(guò)高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線(xiàn)(peripheral component interconnect express,PCIE)線(xiàn)進(jìn)行通信。

圖2 虛擬測(cè)控系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2中，MMS為通信制造報(bào)文(manufacturing message specification)。

早期投運(yùn)的變電站均為常規(guī)變電站，間隔層設(shè)備采用網(wǎng)絡(luò)103通信協(xié)議，不同廠(chǎng)家對(duì)規(guī)約的理解和應(yīng)用存在差異，造成各家的協(xié)議不一致，缺乏互操作性，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性差[5-7]。而調(diào)度104報(bào)文的格式比較統(tǒng)一，所以與從站控層交換機(jī)獲取報(bào)文相比，從調(diào)度交換機(jī)獲取和解析104報(bào)文比較容易，使得虛擬測(cè)控更具有通用性。

3 虛擬測(cè)控在智能化改造中的應(yīng)用

虛擬測(cè)控裝置從舊裝置的104報(bào)文中獲取所有間隔的開(kāi)關(guān)、閘刀、地刀位置、線(xiàn)路電壓、電流信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成GOOSE聯(lián)閉鎖信號(hào)及MMS信號(hào)，并發(fā)送給新測(cè)控裝置及新監(jiān)控后臺(tái)，以保證新測(cè)控、新后臺(tái)及調(diào)度端數(shù)據(jù)的完整性。

虛擬測(cè)控系統(tǒng)裝置在變電站自動(dòng)化改造中的應(yīng)用如圖3所示。虛擬測(cè)控裝置采集箱通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接至老的調(diào)度交換機(jī)鏡像口，獲取舊遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)發(fā)送的遙測(cè)和遙信104報(bào)文，并將接收到的所有104報(bào)文通過(guò)PCIE線(xiàn)轉(zhuǎn)給虛擬測(cè)控的管理主機(jī)。管理主機(jī)是一臺(tái)運(yùn)行LINUX系統(tǒng)的裝置。系統(tǒng)主要包括104處理模塊、虛擬測(cè)控模塊和管理模塊。104處理模塊用來(lái)解析104報(bào)文，并將解析得到的GOOSE、MMS報(bào)文發(fā)送至新系統(tǒng)的站控層交換機(jī)。

圖3 虛擬測(cè)控系統(tǒng)裝置應(yīng)用示意圖

3.1 虛擬測(cè)控裝置的安裝

虛擬測(cè)控裝置的輸入端通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接至老的調(diào)度交換機(jī)鏡像口，輸出端通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接至已改造自動(dòng)化系統(tǒng)的站控層交換機(jī)。虛擬測(cè)控的104報(bào)文處理模塊將收到的104報(bào)文根據(jù)調(diào)度信息轉(zhuǎn)發(fā)表進(jìn)行解析，并將解析結(jié)果按照間隔分別送給對(duì)應(yīng)的虛擬測(cè)控模塊。改造后的新實(shí)體測(cè)控裝置遵循IEC 61850通信標(biāo)準(zhǔn)。IEC 61850是一種基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的變電站自動(dòng)化唯一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，使得不同廠(chǎng)家的設(shè)備可以互相操作、無(wú)縫連接。

虛擬測(cè)控與實(shí)體測(cè)控通信方式如圖4所示。

圖4 虛擬測(cè)控與實(shí)體測(cè)控通信方式示意圖

虛擬測(cè)控模擬新系統(tǒng)的實(shí)體測(cè)控運(yùn)行，其輸出遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)。每一個(gè)虛擬測(cè)控都可以實(shí)現(xiàn)與站控層61850通信，并且可以發(fā)送實(shí)體測(cè)控訂閱的站控層GOOSE報(bào)文。

3.2 虛擬測(cè)控裝置的配置

虛擬測(cè)控裝置發(fā)送的每個(gè)間隔閘刀的GOOSE、MMS信號(hào)不僅僅是單純的位置信號(hào)，而是與新系統(tǒng)的測(cè)控裝置具有一致的MMS數(shù)據(jù)集、GOOSE數(shù)據(jù)集、間隔邏輯地址、間隔IEDname等屬性。虛擬測(cè)控裝置能真實(shí)模擬一臺(tái)基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)控裝置發(fā)出的MMS、GOOSE信號(hào)。其中，GOOSE發(fā)送的是聯(lián)閉鎖信號(hào)，MMS發(fā)送的是位置信號(hào)。虛測(cè)控之間相互獨(dú)立，互不影響；虛測(cè)控裝置具有友好的人機(jī)管理界面，可單獨(dú)啟動(dòng)關(guān)閉，可增加、刪減虛測(cè)控裝置，可以進(jìn)行啟動(dòng)/重啟/關(guān)閉虛測(cè)控等操作，同時(shí)還可以檢查MMS服務(wù)是否正常。

3.3 虛擬測(cè)控裝置的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

自動(dòng)化系統(tǒng)改造原則為“先改母設(shè)，再改間隔”。輪停母線(xiàn)，改造相關(guān)的母線(xiàn)地刀、壓變等母線(xiàn)設(shè)備，接入新測(cè)控裝置。為了保證舊測(cè)控之間的聯(lián)閉鎖邏輯完整，已完成改造的母線(xiàn)地刀(220 kV母線(xiàn)地刀、110 kV母線(xiàn)地刀等)依然要接入舊母設(shè)測(cè)控，為舊系統(tǒng)的邏輯閉鎖提供位置判據(jù)。各電壓等級(jí)的母設(shè)測(cè)控裝置需要保留至本電壓等級(jí)所有間隔全部改造完成后方可退出。

以220 kV電壓等級(jí)為例:先改造220 kV母線(xiàn)地刀及壓變，接入新測(cè)控，并將新母線(xiàn)地刀的位置接點(diǎn)接入舊母設(shè)測(cè)控裝置，上傳給舊監(jiān)控后臺(tái)，作為未改造設(shè)備所需的聯(lián)閉鎖信號(hào)。舊系統(tǒng)中由于保留了母線(xiàn)設(shè)備的接點(diǎn)信息，所以一次設(shè)備的閉鎖邏輯信息完整，仍然可以操作。虛擬測(cè)控裝置從舊系統(tǒng)中獲取未改造設(shè)備的間隔1～7位置信號(hào)(即有GOOSE信號(hào)，也有MMS信號(hào))，發(fā)送給新測(cè)控裝置，作為新系統(tǒng)中所需的聯(lián)閉鎖信號(hào)和位置信號(hào)。已經(jīng)改造的間隔在新系統(tǒng)中操作，未改造間隔在舊系統(tǒng)中操作，告警信號(hào)及潮流情況只需要在新后臺(tái)監(jiān)視。

具體改造過(guò)程如下。

①工程人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，將采集箱和管理主機(jī)通過(guò)PCIE線(xiàn)進(jìn)行連接。上電時(shí)，應(yīng)保證采集箱不晚于管理主機(jī)上電。

②根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，修改虛擬測(cè)控系統(tǒng)裝置管理主機(jī)的網(wǎng)口IP，保證和站新控層A/B網(wǎng)的網(wǎng)段一致。

③根據(jù)需要模擬的測(cè)控裝置的具體情況，配置system.xml(系統(tǒng)配置文件，包含運(yùn)行在虛擬測(cè)控系統(tǒng)裝置上所有虛測(cè)控的IEDName、編號(hào)、IP和啟動(dòng)方式等)，并在/root/ManagerDeploy/bin對(duì)應(yīng)編號(hào)的文件夾下放置對(duì)應(yīng)測(cè)控裝置的mmsstartup.cfg(mms使能配置文件)、ICD模型文件。

④根據(jù)全站的調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)表，配置104解析文件，用來(lái)從104報(bào)文中提取所需要的位置及模擬量信息。

⑤根據(jù)全站的變電站配置文件(substation configuration description,SCD)生成對(duì)應(yīng)測(cè)控裝置的站控層GOOSE配置文件，將文件名改為stgoose.cfg并放到對(duì)應(yīng)編號(hào)智能設(shè)備(intelligent electronic device,IED)的目錄下。

⑥在調(diào)度交換機(jī)上配置遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)發(fā)送104報(bào)文的端口鏡像，并將此鏡像口和虛擬測(cè)控系統(tǒng)的采集箱端口進(jìn)行連接，保證虛擬測(cè)控可以收到104報(bào)文。

⑦通過(guò)虛擬測(cè)控系統(tǒng)管理軟件啟動(dòng)全站所有對(duì)應(yīng)的虛擬測(cè)控裝置，新后臺(tái)及調(diào)度端可以收到全站的完整信息。新舊系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)，檢查遙測(cè)、遙信數(shù)據(jù)是否正常。

⑧進(jìn)行相關(guān)調(diào)試工作。新實(shí)體測(cè)控裝置進(jìn)行調(diào)試，不接入新的監(jiān)控系統(tǒng)；對(duì)應(yīng)的虛擬測(cè)控接入新的監(jiān)控系統(tǒng)，并保持需要被替代的原實(shí)體測(cè)控裝置接入原監(jiān)控系統(tǒng)，保證104報(bào)文的正常。當(dāng)新的實(shí)體測(cè)控裝置調(diào)試完畢后，接入新的監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)虛擬測(cè)控退出，并將原實(shí)體測(cè)控裝置退出原監(jiān)控系統(tǒng)。

⑨待全站自動(dòng)化改造完畢，所有虛擬測(cè)控裝置的投退軟壓板均已退出，整個(gè)過(guò)渡系統(tǒng)拆除。

⑩新系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，改造結(jié)束。

本文提出的方案簡(jiǎn)化了變電站的通信網(wǎng)絡(luò)，明顯縮短了常規(guī)變電站智能化改造的時(shí)間，保障了系統(tǒng)新舊系統(tǒng)站控層和間隔層閉鎖邏輯及新系統(tǒng)信息的完整性；成功解決了新舊系統(tǒng)切換、新設(shè)備調(diào)試驗(yàn)證、五防閉鎖規(guī)則的驗(yàn)證、配置管理等難題。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著變電站自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，設(shè)備逐年老化，缺陷發(fā)生率高，難以滿(mǎn)足電網(wǎng)正常、安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求，給運(yùn)行帶來(lái)安全隱患[8-10]，無(wú)法滿(mǎn)足電網(wǎng)監(jiān)控和調(diào)控一體化系統(tǒng)對(duì)于變電站遠(yuǎn)方控制和遠(yuǎn)方監(jiān)視的要求。為解決上述問(wèn)題，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)全站智能化改造正在逐步展開(kāi)。

本文提供的變電站智能化改造過(guò)程中新、舊系統(tǒng)的過(guò)渡方法，用于解決在智能化改造過(guò)程中產(chǎn)生的聯(lián)閉鎖問(wèn)題，及新監(jiān)控后臺(tái)、調(diào)度監(jiān)控端數(shù)據(jù)完整性問(wèn)題。改造全過(guò)程新系統(tǒng)可以監(jiān)視到全站完整設(shè)備信息。該方法已在500 kV變電站自動(dòng)化改造過(guò)程中成功應(yīng)用，可為變電站智能化改造提供參考。

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Technology Retrofit Based on Virtual Measurement and Control for Substation Automation

SHEN Tao,ZOU Hui,JIN Chunhui

(State Grid Zhejiang Maintenance Company,Hangzhou 310000,China)

At present,many old traditional substations are undergoing intelligent retrofit; this must be implemented step by step in accordance with the power outage plan.In the process of retrofit,the system has been retrofitted and the system has not been retrofitted are two independent systems using different communication protocol,so these systems cannot directly communicate.In the automation system of substation,many blocking logics of interval layer and station control layer are acrossing the interval; this causes information loss of the new system and old system,and the interlocking logic imcomplete.The retrofit technology based on virtual measurement and control for substation automation is researched,the virtual measurement and control is installed in new automation system,to emulate the operation of entity measurement and control device of new system,while the emulated interval is actually located in the old automation system as the interval not being retrofitted,This technology resolves the difficulty of transition for new and old systems in the intelligent retrofit process,and ensure the integrity of information data of inter-blocking,new monitoring background and dispatch monitoring.Combining with the implementation process of certain substation,the application of virtual measurement and control technology in automation retrofit process of substation,and the cautions in retrofit process are introduced emphatically; these provide certain reference significance for intelligent retrofit of other substations.

Power system; Substation; Monitoring system; Interchanger; Virtual measurement and control; Intelligent control

申濤(1982—)，男，碩士，工程師，主要從事電站自動(dòng)化系統(tǒng)及繼電保護(hù)方向的研究。E-mail:shentao0505@163.com。

TH-39;TP27

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705008

修改稿收到日期:2017-01-15