基于虛擬測控的變電站自動化改造技術

申 濤，鄒 暉，金春輝

(國網浙江省電力公司檢修分公司，浙江 杭州 310000)

基于虛擬測控的變電站自動化改造技術

申 濤，鄒 暉，金春輝

(國網浙江省電力公司檢修分公司，浙江 杭州 310000)

目前很多老舊傳統變電站正在進行智能化改造，改造需要按照停電計劃一步一步開展。在改造過程中，已改造的系統和未改造的系統是相互獨立，且內部采用不同的通信規約，故無法直接通信。而在變電站自動化系統中，間隔層和站控層的閉鎖邏輯很多都跨間隔，存在新、老系統信息缺失、聯閉鎖邏輯不完整等問題，為此提出了一種基于虛擬測控的變電站自動化改造技術。在新的自動化系統中安裝虛擬測控裝置，模擬新系統的實體測控裝置運行，被模擬的間隔實際位于舊的自動化系統，為未改造間隔。該技術解決了變電站智能化改造過程中新、老系統的過渡難題，保證了改造過程中聯閉鎖、新監控后臺及調度監控端信息數據的完整性。結合某變電站自動化改造實施過程，重點介紹了虛擬測控技術在變電站自動化設備改造過程中的應用，以及改造過程中的注意事項，對其他變電站的智能化改造具有一定的借鑒意義。

電力系統; 變電站； 監控系統； 交換機； 虛擬測控； 智能控制

0 引言

在電力系統自動化應用中，測控裝置作為實現測量和控制功能的前端二次設備，包含模擬量采集、信號量采集及控制量輸出等基礎輸入輸出模塊，以及交流量計算、分合閘、有載調壓控制和間隔五防聯閉鎖等模塊[1]。220 kV及以上電壓等級變電站通常配置單套測控裝置，測控裝置之間存在水平通信。

變電站自動化系統全站智能化改造需按照停電計劃一步一步開展，智能化改造將對原有自動化系統進行整體更換。新通信規約體系(IEC 61850)與原有監控系統不兼容，造成了過渡階段監控系統的整體性要求與逐間隔改造的矛盾[2-3]。在改造過程中，已改造系統和未改造系統相互獨立，兩個系統內部采用不同的通信規約，故無法直接通信。而在自動化系統中，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，以保證新、舊系統站控層和間隔層聯閉鎖的完整性，以及新監控后臺、調度監控端數據的完整性、實時性，是改造過程中面臨的一個大問題。

本文主要研究一種基于虛擬測控的變電站自動化改造新、舊系統過渡方法，解決傳統變電站智能化改造過程中遇到的聯閉鎖信息不全、監控系統數據不完整等難題。

1 變電站智能化改造技術難題

變電站自動化系統的通信體系采用分層、面向對象建模技術，將變電站自動化通信體系從邏輯上和物理上分為三層:站控層、間隔層、過程層[4]。變電站自動化系統改造期間，已改造間隔和未改造間隔屬于兩個獨立系統，兩個系統采取的通信規約不同，無法水平通信，存在以下幾方面的問題。

①一次設備倒閘操作的間隔層和站控層閉鎖條件信息不全[5]，無法正常操作。220 kV系統接線示意圖如圖1所示。例如，220 kV系統部分按照 “先改母設，再改間隔” 原則，輪停母線，先改造220 kV正、副母設(圖1中的兩個虛線框部分)，將改造的母線設備接入新測控裝置，未改造的間隔1～間隔7仍在舊系統中。在舊自動化系統中，站控層及間隔層均無法獲取母線測控的信息，導致間隔1～間隔7的母線側閘刀1G、2G無法操作。在新自動化系統中，新系統無法獲取間隔1～間隔7的母線側閘刀1G、2G位置信息，母線設備1GD、2GD無法操作。

圖1 220 kV系統接線示意圖

②改造期間，新后臺只能監控到已經改造的部分，舊后臺只能監控到未改造的部分，現場運維人員需要監控兩套監控系統，工作量大。

③調度端從新、舊兩臺遠動機分別接收數據，然后進行合成得到全站數據。改造階段比較多，調度信息表數據庫修改變動大，容易出錯。

2 虛擬測控原理

虛擬測控裝置屬于間隔層二次設備，每臺虛擬測控裝置可在線運行1～20 臺虛擬測控裝置。虛擬測控裝置完成與實測控裝置一致的功能，性能指標滿足測控裝置規范的要求，配置參數和方法與實體測控裝置相似，具有獨立的運行維護界面和投退軟壓板功能。虛擬測控安裝在新的自動化系統中，模擬新系統的實體測控裝置運行，被模擬的間隔實際位于舊的自動化系統，為未改造間隔。虛擬測控可以虛擬所有廠家測控，并接入整個變電站的監控系統中，實現與過程層和站控層的數據交互。

虛擬測控系統裝置結構如圖2所示。裝置分為兩部分:①采集箱，用來接收104報文；②管理主機，用來處理104報文并管理虛擬測控進程。兩者之間通過高速串行計算機擴展總線(peripheral component interconnect express,PCIE)線進行通信。

圖2 虛擬測控系統裝置結構圖

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

早期投運的變電站均為常規變電站，間隔層設備采用網絡103通信協議，不同廠家對規約的理解和應用存在差異，造成各家的協議不一致，缺乏互操作性，系統的可擴展性差[5-7]。而調度104報文的格式比較統一，所以與從站控層交換機獲取報文相比，從調度交換機獲取和解析104報文比較容易，使得虛擬測控更具有通用性。

3 虛擬測控在智能化改造中的應用

虛擬測控裝置從舊裝置的104報文中獲取所有間隔的開關、閘刀、地刀位置、線路電壓、電流信號，將其轉換成GOOSE聯閉鎖信號及MMS信號，并發送給新測控裝置及新監控后臺，以保證新測控、新后臺及調度端數據的完整性。

虛擬測控系統裝置在變電站自動化改造中的應用如圖3所示。虛擬測控裝置采集箱通過網線連接至老的調度交換機鏡像口，獲取舊遠動機發送的遙測和遙信104報文，并將接收到的所有104報文通過PCIE線轉給虛擬測控的管理主機。管理主機是一臺運行LINUX系統的裝置。系統主要包括104處理模塊、虛擬測控模塊和管理模塊。104處理模塊用來解析104報文，并將解析得到的GOOSE、MMS報文發送至新系統的站控層交換機。

圖3 虛擬測控系統裝置應用示意圖

3.1 虛擬測控裝置的安裝

虛擬測控裝置的輸入端通過網線連接至老的調度交換機鏡像口，輸出端通過網線連接至已改造自動化系統的站控層交換機。虛擬測控的104報文處理模塊將收到的104報文根據調度信息轉發表進行解析，并將解析結果按照間隔分別送給對應的虛擬測控模塊。改造后的新實體測控裝置遵循IEC 61850通信標準。IEC 61850是一種基于通用網絡通信平臺的變電站自動化唯一國際標準，使得不同廠家的設備可以互相操作、無縫連接。

虛擬測控與實體測控通信方式如圖4所示。

圖4 虛擬測控與實體測控通信方式示意圖

虛擬測控模擬新系統的實體測控運行，其輸出遵循IEC 61850標準。每一個虛擬測控都可以實現與站控層61850通信，并且可以發送實體測控訂閱的站控層GOOSE報文。

3.2 虛擬測控裝置的配置

虛擬測控裝置發送的每個間隔閘刀的GOOSE、MMS信號不僅僅是單純的位置信號，而是與新系統的測控裝置具有一致的MMS數據集、GOOSE數據集、間隔邏輯地址、間隔IEDname等屬性。虛擬測控裝置能真實模擬一臺基于IEC 61850標準的測控裝置發出的MMS、GOOSE信號。其中，GOOSE發送的是聯閉鎖信號，MMS發送的是位置信號。虛測控之間相互獨立，互不影響；虛測控裝置具有友好的人機管理界面，可單獨啟動關閉，可增加、刪減虛測控裝置，可以進行啟動/重啟/關閉虛測控等操作，同時還可以檢查MMS服務是否正常。

3.3 虛擬測控裝置的現場應用

自動化系統改造原則為“先改母設，再改間隔”。輪停母線，改造相關的母線地刀、壓變等母線設備，接入新測控裝置。為了保證舊測控之間的聯閉鎖邏輯完整，已完成改造的母線地刀(220 kV母線地刀、110 kV母線地刀等)依然要接入舊母設測控，為舊系統的邏輯閉鎖提供位置判據。各電壓等級的母設測控裝置需要保留至本電壓等級所有間隔全部改造完成后方可退出。

以220 kV電壓等級為例:先改造220 kV母線地刀及壓變，接入新測控，并將新母線地刀的位置接點接入舊母設測控裝置，上傳給舊監控后臺，作為未改造設備所需的聯閉鎖信號。舊系統中由于保留了母線設備的接點信息，所以一次設備的閉鎖邏輯信息完整，仍然可以操作。虛擬測控裝置從舊系統中獲取未改造設備的間隔1～7位置信號(即有GOOSE信號，也有MMS信號)，發送給新測控裝置，作為新系統中所需的聯閉鎖信號和位置信號。已經改造的間隔在新系統中操作，未改造間隔在舊系統中操作，告警信號及潮流情況只需要在新后臺監視。

具體改造過程如下。

①工程人員到達現場后，將采集箱和管理主機通過PCIE線進行連接。上電時，應保證采集箱不晚于管理主機上電。

②根據現場實際情況，修改虛擬測控系統裝置管理主機的網口IP，保證和站新控層A/B網的網段一致。

③根據需要模擬的測控裝置的具體情況，配置system.xml(系統配置文件，包含運行在虛擬測控系統裝置上所有虛測控的IEDName、編號、IP和啟動方式等)，并在/root/ManagerDeploy/bin對應編號的文件夾下放置對應測控裝置的mmsstartup.cfg(mms使能配置文件)、ICD模型文件。

④根據全站的調度轉發表，配置104解析文件，用來從104報文中提取所需要的位置及模擬量信息。

⑤根據全站的變電站配置文件(substation configuration description,SCD)生成對應測控裝置的站控層GOOSE配置文件，將文件名改為stgoose.cfg并放到對應編號智能設備(intelligent electronic device,IED)的目錄下。

⑥在調度交換機上配置遠動機發送104報文的端口鏡像，并將此鏡像口和虛擬測控系統的采集箱端口進行連接，保證虛擬測控可以收到104報文。

⑦通過虛擬測控系統管理軟件啟動全站所有對應的虛擬測控裝置，新后臺及調度端可以收到全站的完整信息。新舊系統進行比對，檢查遙測、遙信數據是否正常。

⑧進行相關調試工作。新實體測控裝置進行調試，不接入新的監控系統；對應的虛擬測控接入新的監控系統，并保持需要被替代的原實體測控裝置接入原監控系統，保證104報文的正常。當新的實體測控裝置調試完畢后，接入新的監控系統，對應虛擬測控退出，并將原實體測控裝置退出原監控系統。

⑨待全站自動化改造完畢，所有虛擬測控裝置的投退軟壓板均已退出，整個過渡系統拆除。

⑩新系統獨立運行，改造結束。

本文提出的方案簡化了變電站的通信網絡，明顯縮短了常規變電站智能化改造的時間，保障了系統新舊系統站控層和間隔層閉鎖邏輯及新系統信息的完整性；成功解決了新舊系統切換、新設備調試驗證、五防閉鎖規則的驗證、配置管理等難題。

4 結束語

隨著變電站自動化設備運行年限的增長，設備逐年老化，缺陷發生率高，難以滿足電網正常、安全、穩定運行的要求，給運行帶來安全隱患[8-10]，無法滿足電網監控和調控一體化系統對于變電站遠方控制和遠方監視的要求。為解決上述問題，變電站自動化系統全站智能化改造正在逐步展開。

本文提供的變電站智能化改造過程中新、舊系統的過渡方法，用于解決在智能化改造過程中產生的聯閉鎖問題，及新監控后臺、調度監控端數據完整性問題。改造全過程新系統可以監視到全站完整設備信息。該方法已在500 kV變電站自動化改造過程中成功應用，可為變電站智能化改造提供參考。

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[3] 鐘煒,黃貴鳳,劉琦.變電站綜合自動化系統改造過程優化[J].電氣技術,2015(7):129-131.

[4] 陳宏,黃國方,陳金猛，等.基于IEC 61850的變電站二次系統工程調試與質量控制[J].電力建設,2012(9):15-19.

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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，主要從事電站自動化系統及繼電保護方向的研究。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