基于虚拟测控的变电站自动化改造技术

申 涛，邹 晖，金春辉

(国网浙江省电力公司检修分公司，浙江 杭州 310000)

基于虚拟测控的变电站自动化改造技术

申 涛，邹 晖，金春辉

(国网浙江省电力公司检修分公司，浙江 杭州 310000)

目前很多老旧传统变电站正在进行智能化改造，改造需要按照停电计划一步一步开展。在改造过程中，已改造的系统和未改造的系统是相互独立，且内部采用不同的通信规约，故无法直接通信。而在变电站自动化系统中，间隔层和站控层的闭锁逻辑很多都跨间隔，存在新、老系统信息缺失、联闭锁逻辑不完整等问题，为此提出了一种基于虚拟测控的变电站自动化改造技术。在新的自动化系统中安装虚拟测控装置，模拟新系统的实体测控装置运行，被模拟的间隔实际位于旧的自动化系统，为未改造间隔。该技术解决了变电站智能化改造过程中新、老系统的过渡难题，保证了改造过程中联闭锁、新监控后台及调度监控端信息数据的完整性。结合某变电站自动化改造实施过程，重点介绍了虚拟测控技术在变电站自动化设备改造过程中的应用，以及改造过程中的注意事项，对其他变电站的智能化改造具有一定的借鉴意义。

电力系统; 变电站； 监控系统； 交换机； 虚拟测控； 智能控制

0 引言

在电力系统自动化应用中，测控装置作为实现测量和控制功能的前端二次设备，包含模拟量采集、信号量采集及控制量输出等基础输入输出模块，以及交流量计算、分合闸、有载调压控制和间隔五防联闭锁等模块[1]。220 kV及以上电压等级变电站通常配置单套测控装置，测控装置之间存在水平通信。

变电站自动化系统全站智能化改造需按照停电计划一步一步开展，智能化改造将对原有自动化系统进行整体更换。新通信规约体系(IEC 61850)与原有监控系统不兼容，造成了过渡阶段监控系统的整体性要求与逐间隔改造的矛盾[2-3]。在改造过程中，已改造系统和未改造系统相互独立，两个系统内部采用不同的通信规约，故无法直接通信。而在自动化系统中，间隔层和站控层闭锁逻辑很多都是跨间隔。如何将未改造间隔的信息传送给已改造的新系统，以保证新、旧系统站控层和间隔层联闭锁的完整性，以及新监控后台、调度监控端数据的完整性、实时性，是改造过程中面临的一个大问题。

本文主要研究一种基于虚拟测控的变电站自动化改造新、旧系统过渡方法，解决传统变电站智能化改造过程中遇到的联闭锁信息不全、监控系统数据不完整等难题。

1 变电站智能化改造技术难题

变电站自动化系统的通信体系采用分层、面向对象建模技术，将变电站自动化通信体系从逻辑上和物理上分为三层:站控层、间隔层、过程层[4]。变电站自动化系统改造期间，已改造间隔和未改造间隔属于两个独立系统，两个系统采取的通信规约不同，无法水平通信，存在以下几方面的问题。

①一次设备倒闸操作的间隔层和站控层闭锁条件信息不全[5]，无法正常操作。220 kV系统接线示意图如图1所示。例如，220 kV系统部分按照 “先改母设，再改间隔” 原则，轮停母线，先改造220 kV正、副母设(图1中的两个虚线框部分)，将改造的母线设备接入新测控装置，未改造的间隔1～间隔7仍在旧系统中。在旧自动化系统中，站控层及间隔层均无法获取母线测控的信息，导致间隔1～间隔7的母线侧闸刀1G、2G无法操作。在新自动化系统中，新系统无法获取间隔1～间隔7的母线侧闸刀1G、2G位置信息，母线设备1GD、2GD无法操作。

图1 220 kV系统接线示意图

②改造期间，新后台只能监控到已经改造的部分，旧后台只能监控到未改造的部分，现场运维人员需要监控两套监控系统，工作量大。

③调度端从新、旧两台远动机分别接收数据，然后进行合成得到全站数据。改造阶段比较多，调度信息表数据库修改变动大，容易出错。

2 虚拟测控原理

虚拟测控装置属于间隔层二次设备，每台虚拟测控装置可在线运行1～20 台虚拟测控装置。虚拟测控装置完成与实测控装置一致的功能，性能指标满足测控装置规范的要求，配置参数和方法与实体测控装置相似，具有独立的运行维护界面和投退软压板功能。虚拟测控安装在新的自动化系统中，模拟新系统的实体测控装置运行，被模拟的间隔实际位于旧的自动化系统，为未改造间隔。虚拟测控可以虚拟所有厂家测控，并接入整个变电站的监控系统中，实现与过程层和站控层的数据交互。

虚拟测控系统装置结构如图2所示。装置分为两部分:①采集箱，用来接收104报文；②管理主机，用来处理104报文并管理虚拟测控进程。两者之间通过高速串行计算机扩展总线(peripheral component interconnect express,PCIE)线进行通信。

图2 虚拟测控系统装置结构图

图2中，MMS为通信制造报文(manufacturing message specification)。

早期投运的变电站均为常规变电站，间隔层设备采用网络103通信协议，不同厂家对规约的理解和应用存在差异，造成各家的协议不一致，缺乏互操作性，系统的可扩展性差[5-7]。而调度104报文的格式比较统一，所以与从站控层交换机获取报文相比，从调度交换机获取和解析104报文比较容易，使得虚拟测控更具有通用性。

3 虚拟测控在智能化改造中的应用

虚拟测控装置从旧装置的104报文中获取所有间隔的开关、闸刀、地刀位置、线路电压、电流信号，将其转换成GOOSE联闭锁信号及MMS信号，并发送给新测控装置及新监控后台，以保证新测控、新后台及调度端数据的完整性。

虚拟测控系统装置在变电站自动化改造中的应用如图3所示。虚拟测控装置采集箱通过网线连接至老的调度交换机镜像口，获取旧远动机发送的遥测和遥信104报文，并将接收到的所有104报文通过PCIE线转给虚拟测控的管理主机。管理主机是一台运行LINUX系统的装置。系统主要包括104处理模块、虚拟测控模块和管理模块。104处理模块用来解析104报文，并将解析得到的GOOSE、MMS报文发送至新系统的站控层交换机。

图3 虚拟测控系统装置应用示意图

3.1 虚拟测控装置的安装

虚拟测控装置的输入端通过网线连接至老的调度交换机镜像口，输出端通过网线连接至已改造自动化系统的站控层交换机。虚拟测控的104报文处理模块将收到的104报文根据调度信息转发表进行解析，并将解析结果按照间隔分别送给对应的虚拟测控模块。改造后的新实体测控装置遵循IEC 61850通信标准。IEC 61850是一种基于通用网络通信平台的变电站自动化唯一国际标准，使得不同厂家的设备可以互相操作、无缝连接。

虚拟测控与实体测控通信方式如图4所示。

图4 虚拟测控与实体测控通信方式示意图

虚拟测控模拟新系统的实体测控运行，其输出遵循IEC 61850标准。每一个虚拟测控都可以实现与站控层61850通信，并且可以发送实体测控订阅的站控层GOOSE报文。

3.2 虚拟测控装置的配置

虚拟测控装置发送的每个间隔闸刀的GOOSE、MMS信号不仅仅是单纯的位置信号，而是与新系统的测控装置具有一致的MMS数据集、GOOSE数据集、间隔逻辑地址、间隔IEDname等属性。虚拟测控装置能真实模拟一台基于IEC 61850标准的测控装置发出的MMS、GOOSE信号。其中，GOOSE发送的是联闭锁信号，MMS发送的是位置信号。虚测控之间相互独立，互不影响；虚测控装置具有友好的人机管理界面，可单独启动关闭，可增加、删减虚测控装置，可以进行启动/重启/关闭虚测控等操作，同时还可以检查MMS服务是否正常。

3.3 虚拟测控装置的现场应用

自动化系统改造原则为“先改母设，再改间隔”。轮停母线，改造相关的母线地刀、压变等母线设备，接入新测控装置。为了保证旧测控之间的联闭锁逻辑完整，已完成改造的母线地刀(220 kV母线地刀、110 kV母线地刀等)依然要接入旧母设测控，为旧系统的逻辑闭锁提供位置判据。各电压等级的母设测控装置需要保留至本电压等级所有间隔全部改造完成后方可退出。

以220 kV电压等级为例:先改造220 kV母线地刀及压变，接入新测控，并将新母线地刀的位置接点接入旧母设测控装置，上传给旧监控后台，作为未改造设备所需的联闭锁信号。旧系统中由于保留了母线设备的接点信息，所以一次设备的闭锁逻辑信息完整，仍然可以操作。虚拟测控装置从旧系统中获取未改造设备的间隔1～7位置信号(即有GOOSE信号，也有MMS信号)，发送给新测控装置，作为新系统中所需的联闭锁信号和位置信号。已经改造的间隔在新系统中操作，未改造间隔在旧系统中操作，告警信号及潮流情况只需要在新后台监视。

具体改造过程如下。

①工程人员到达现场后，将采集箱和管理主机通过PCIE线进行连接。上电时，应保证采集箱不晚于管理主机上电。

②根据现场实际情况，修改虚拟测控系统装置管理主机的网口IP，保证和站新控层A/B网的网段一致。

③根据需要模拟的测控装置的具体情况，配置system.xml(系统配置文件，包含运行在虚拟测控系统装置上所有虚测控的IEDName、编号、IP和启动方式等)，并在/root/ManagerDeploy/bin对应编号的文件夹下放置对应测控装置的mmsstartup.cfg(mms使能配置文件)、ICD模型文件。

④根据全站的调度转发表，配置104解析文件，用来从104报文中提取所需要的位置及模拟量信息。

⑤根据全站的变电站配置文件(substation configuration description,SCD)生成对应测控装置的站控层GOOSE配置文件，将文件名改为stgoose.cfg并放到对应编号智能设备(intelligent electronic device,IED)的目录下。

⑥在调度交换机上配置远动机发送104报文的端口镜像，并将此镜像口和虚拟测控系统的采集箱端口进行连接，保证虚拟测控可以收到104报文。

⑦通过虚拟测控系统管理软件启动全站所有对应的虚拟测控装置，新后台及调度端可以收到全站的完整信息。新旧系统进行比对，检查遥测、遥信数据是否正常。

⑧进行相关调试工作。新实体测控装置进行调试，不接入新的监控系统；对应的虚拟测控接入新的监控系统，并保持需要被替代的原实体测控装置接入原监控系统，保证104报文的正常。当新的实体测控装置调试完毕后，接入新的监控系统，对应虚拟测控退出，并将原实体测控装置退出原监控系统。

⑨待全站自动化改造完毕，所有虚拟测控装置的投退软压板均已退出，整个过渡系统拆除。

⑩新系统独立运行，改造结束。

本文提出的方案简化了变电站的通信网络，明显缩短了常规变电站智能化改造的时间，保障了系统新旧系统站控层和间隔层闭锁逻辑及新系统信息的完整性；成功解决了新旧系统切换、新设备调试验证、五防闭锁规则的验证、配置管理等难题。

4 结束语

随着变电站自动化设备运行年限的增长，设备逐年老化，缺陷发生率高，难以满足电网正常、安全、稳定运行的要求，给运行带来安全隐患[8-10]，无法满足电网监控和调控一体化系统对于变电站远方控制和远方监视的要求。为解决上述问题，变电站自动化系统全站智能化改造正在逐步展开。

本文提供的变电站智能化改造过程中新、旧系统的过渡方法，用于解决在智能化改造过程中产生的联闭锁问题，及新监控后台、调度监控端数据完整性问题。改造全过程新系统可以监视到全站完整设备信息。该方法已在500 kV变电站自动化改造过程中成功应用，可为变电站智能化改造提供参考。

[1] 蒋正威,杜奇伟,刘永新，等.智能变电站集群测控系统的研究及应用[J].电力科学与工程,2014,30(11): 27-30.

[2] 丁峰,陆承宇,阮黎翔，等.变电站监控系统智能化改造过渡方式研究[J].浙江电力,2015(6): 20-23.

[3] 钟炜,黄贵凤,刘琦.变电站综合自动化系统改造过程优化[J].电气技术,2015(7):129-131.

[4] 陈宏,黄国方,陈金猛，等.基于IEC 61850的变电站二次系统工程调试与质量控制[J].电力建设,2012(9):15-19.

[5] 陆剑云,苏和,张云飞.500 kV某变电站监控系统改造实例分析[J].华东电力,2014,42(12): 2655-2658.

[6] 霍建彬,吴国沛,黄欣.运行中的500 kV变电站综合自动化系统改造[J].电力系统保护与控制,2011,38(6):133-136,145.

[7] 郝长端,刘钰,陈树果.智能变电站网络通信异常的分析[J].电气技术,2016(9): 135-138.

[8] 李海娟,白杨,郭伟，等.变电站综合自动化改造项目风险识别与分类[J].电工技术,2015(6): 182-183.

[9] 朱姝.电站综合自动化监控系统的研究[D].南昌:南昌大学,2011.

[10]吕赢想,刘毅,刘乃杰.500 kV 双龙变电站监控系统的升级改造[J].浙江电力,2012(2): 13-15.

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

申涛(1982—)，男，硕士，工程师，主要从事电站自动化系统及继电保护方向的研究。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