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浅谈智能变电站双测控方案优化设计论文
摘要：智能化变电站测控装置双重化配置以后，监控信息冗余的同时带来了异源数据的辨识选择和遥控对象惟一性的问题，本文分析了现有双测控配置方案的优缺点，提出了一种由监控系统自主选择主机并根据双机实时运行状况自动切换主备机的策略，本文对双测控的实施方案进行了阐述，提出了一种间隔层测控装置不停电检修的运维方式，适合智能变电站无人值守的趋势。
关键词：智能变电站；测控装置；双重化配置；主备机切换
智能变电站是坚强智能电网的重要基础和支撑。随着我国智能变电站的推广建设，站内一次设备信号的采集、测量、控制和监测的可靠性要求越来越高。作为变电站内信息监视和控制的主要实现环节，测控装置的配置方案对监控系统可靠性起着关键性的作用。国内110kV及以下的数字化变电站中采取保护单套配置，测控功能由一套独立的测控或者保护测控一体化装置来实现。为了提高监控系统的可靠性和冗余性，220kV及以上电压等级的数字化变电站，继电保护设备及与之相关的设备、网络等按照双重化的原则进行配置[1]，从而引入了测控双重化配置的概念。测控装置双重化配置具有功能独立、联闭锁可靠性高等特点，可以提高监控系统的冗余性以及防误操作的安全性，当装置出现N1系统故障时能够不影响系统的正常运行；但测控双重化配置也带来了数据源与控制源不惟一的问题[2]，监控系统需要对上送的数据进行辨识和筛选，一定程度上增加了监控系统的复杂度和运维出错的可能性。本文对现阶段实施的多种双测控方案的优缺点进行了总结，提出了一种监控系统自主选择主机，并根据双机的实时运行状态自动切换主备机的方案。此方案既有效解决了冗余配置方案中数据源和控制源不惟一的难题，同时提供了一种测控装置检修不影响系统运行的机制，提高了监控系统的可靠性和易维护性。此方案适合无人值守智能站的运行和维护，具备可推广性及可复制性。
1智能变电站双测控配置结构
按照国网公司Q/GDW161—2013的设计规范，220kV及以上的智能变电站中主要的保护装置双重化配置，相应地过程层和间隔层设备均需要双套配置。具体到智能变电站内三层两网的架构体系来说，过程层和站控层网络分为A、B双网；过程层的合并单元、智能终端分别双套采集一次设备的信息，间隔层的保护、测控装置双重化配置对下接入过程层A、B网，对上接入监控系统双MMS网[3]。因此双测控配置实际上对应的是智能变电站内整个三层两网的双重化结构。
1.1智能变电站二次系统双重化配置结构
在220kV及以上的智能变电站中，采用双重化配置的三层两网结构。1）过程层设备：配置双套独立的合并单元，分别采集电子式互感器的两路二次转换器（A/D采样回路），并输出IEC61850-9-2标准规定的SV采样报文至过程层SV交换机上，保护装置也可以通过点对点的方式直接接入。配置双套独立的智能终端，分别独立采集对应间隔的一次设备（如断路器、刀闸等）的信息并实现对其控制功能。双重配置的保护或者测控装置的跳闸、合闸回路与2套智能终端的动作线圈一一对应，各自独立。智能终端与间隔层装置通过IEC61850标准规定的GOOSE（面向通用对象的变电站事件）协议以组网或者点对点的方式进行信息交互。2）过程层网络：过程层网络是过程层和间隔层设备信息交互的桥梁。220kV以上的智能变电站一般采用过程层GOOSE网络和过程层SV网络相互独立、双重化配置的结构。当一个网络运行异常时不应影响另一个网络的正常运行，正常情况下双网独立运行，构成冗余配置。3）间隔层设备：继电保护装置的双重化配置原则，包括保护装置以及保护配合回路（电子式互感器、合并单元、智能终端、过程层交换机、跳闸线圈等）的双重化。双重化配置的保护装置及其回路之间完全独立，没有直接的电气联系。相应地测控装置也应双重化配置，对下接入过程层网络的A、B网并采集上送合并单元、智能终端的开关量和模拟量信号。双重化配置的测控装置功能上各自独立，具备完整的测量、控制以及联闭锁功能，分别进行联锁计算并将各自的联闭锁状态发以GOOSE的形式给智能终端。对于独立的控制回路，两套装置的闭锁输出接点接入各自的回路中互不影响；对于共用的控制回路，将两套测控的联闭锁节点并接，以提高控制的成功率。4）站控层网络：站控层MMS网络采用双重化配置，间隔层设备应提供2个以太网口分别连至MMSA网与MMSB网。5）监控系统：监控后台服务器和远动装置是智能变电站一体化信息平台的核心，对整个变电站安全运行起着至关重要的作用。采用冗余配置的2台监控后台的数据库定时或者自动同步，当一台监控后台瘫痪或者退出运行时，另一台监控后台能自动启动并正常运行，提高监控系统的可靠性。综上所述，智能变电站二次系统的双重化配置提高了站内监控信息的冗余度和可靠性，当站内装置发生N1故障时仍然有备用系统可以正常工作，提高了系统的可靠性。
1.2测控双重化配置带来的问题
鉴于IEC61850标准中规定的GOOSE和SV服务协议，数字化变电站中采用光纤传输突破了常规站内电缆和节点的限制，信号的传输呈现几何级的增长。据统计智能变电站内一个110kV间隔测控装置所采集的过程层开关量信号、告警信息、模拟量信号等多达三四百个，双重化配置之后上送到站控层的监视信号翻倍，全站所有的信号总计将达到数万个之多。如此之多的信号势必会增加监控系统处理信息的复杂度，给运维人员也带来困惑。同时对于同一个监视对象而言，采用双重化配置带来了信息识别和筛选的困难。数字化站内A、B两套过程层设备如果上送的信息（如开关位置）不一致或者品质有差异，对于监控系统而言必须在两个异源信号之间进行辨识，增加了数据处理的复杂度和出错的概率。对于异源数据的选择切换，目前没有一种简单可靠的切换机制来保证数据的准确性，且无论对测控装置或者监控后台而言都将耗费非常多的软硬件资源。对于站内调度或者监控系统下发遥控命令而言，双重化的配置导致需要选定惟一的控制源。当测控装置的运行状态发生改变后，控制源的切换也给系统的稳定性带来挑战，控制源的不惟一性降低了遥控的成功率。
1.3现阶段主流的双测控方案
现阶段国内多数的二次设备制造厂家均提出了各自的双测控实施方案，比较主流的实施方案如下：1）采取“虚点映射”的策略[4]实现站内监控数据和控制方向的“二取一”。这种方案需要监控系统建立两套测控采集的实时数据与某个虚点的对应关系，且虚点跟实点数据之间要实时交换。为此监控后台必须增加一套实时的判断逻辑并维护多张采集实点与虚点的隐射关系表，无疑增加了后台的处理复杂度。同时当装置主备切换时也带来了遥控对象不确定、数据隐射关系更改的问题。2）两套测控之间通过硬开入交互通信，实现自动切换。这种方案两台测控之间通过外部开入交换实时运行状态，并根据一定的规则进行主备机自动切换。实际运行过程中当采集的对方运行状态不可靠或者双机之间通信异常时，可能导致主备机误判。同时双机实时交互通信，对两套装置的独立运行也提出了挑战。3）监控系统或者远动装置通过手动设置软压板的方式，实现主备机的切换。此方案中测控装置设置“主机软压板”，监控后台根据测控装置软压板的值来选定主机，且通过遥控软压板的方式来切换主备机。主备机的切换需要监控后台或者远动人为操作参与，增加了出错的可能性，且不利于变电站的无人值守。综上所述，目前的双测控实现方案中，在面临双数据源选择和监控对象的惟一选择时，都没有很完美的解决安全性和易操作性的问题。同时增加了监控系统逻辑处理的复杂度，带来了主备机切换的不稳定性，难以适应无人值守的需求。
2双测控配置方案优化设计
双重化配置的两套测控装置，采取对下双主、对上主备的工作方式。对下双主是指两个测控装置在功能上（测量、控制、联闭锁）上完全独立；测控装置不作主备机逻辑判断，之间无任何信息交互。对上主备是指站控层设备（远动和后台）通过特定的规则自动选择主测控装置，实现测控功能的热备用。
2.1测控装置
两套测控装置分别对下接入过程层A、B网，其中第一套测控装置接入第一套合并单元、智能终端，用于采集A套合并单元的模拟量，A套智能终端的开关量；第二套测控对称接入第二套过程层设备信息。将测控装置采集的数据分为两类：1）私有信息：测控装置本身独有，以及衍生出的二级信号组成，主要包括所接入的合并单元或者智能终端的GOOSE通信链路状态、功能压板信号、测控装置本身的告警信息、运行状态以及逻辑闭锁信号等，这类信息能够完整地表征该测控装置所处的运行状态。2）公共信息：能够反映变电站一次设备当前运行状态的信息，包括电压、电流、功率、开关刀闸位置等，这类信息能够完整地表征变电站运行的状态且数据具有惟一性。测试装置具体实施方案如下：1）两套测控装置在功能（测量、控制、联闭锁等）上完全独立，不作主备机逻辑判断。2）两台测控均可响应手控操作，测控屏上设置两个手合、手分把手，紧急情况下可以选择任何一台装置去手动操作。3）对于联闭锁信息，两台测控装置分别进行联锁计算，并将各自的联锁状态通过GOOSE发送给A、B两套智能终端。短语独立的控制回路，闭锁接点接入各自的回路中互不影响；对于公用的控制回路则将两个闭锁接点并联，以保证控制的成功率。当智能终端和测控装置通信中断时，智能终端的联闭锁接点应自动复位。
2.2监控后台
1）监视方向：主备测控装置均和后台通信。对于公共信息，由监控后台对相应的点进行配置，取主测控的公共信息进行显示；对于私有信息，由监控后台二取二进行显示。对于公共信息中出现两套采集的信息不一致的情况，由监控后台进行不一致告警，提示运行人员对一次设备和二次设备进行检查。2）控制方向：监控后台默认将遥控命令下发到主测控装置上。当现场运维需要特殊处理时（如主机运行正常，但联锁不满足或者需要操作备机），允许运行人员在遥控界面使用备机进行遥控。
2.3远动装置
1）监视方向：主备测控装置均和远动通信。对于公共信息，由远动装置对相应的点进行配置，取主测控的公共信息上送主站；对于私有信息，由远动装置二取二进行显示。2）控制方向：监控后台默认将遥控命令下发到主测控装置上。
3双测控装置主备机切换方案
智能变电站未来的趋势是无人值守，因此双测控配置方案中对于主备机的选择和切换关系到运行和维护的准确性和安全性。本方案中主备机的选择和切换实现规则如下。
3.1主备机选择
监控后台或者远动装置基于以下规则自动选择主测控装置：1）非检修状态、通信正常的测控装置选择为主机。2）如果A、B两套测控装置上述两个条件都满足或者都不满足，默认选择A套装置作为主机。上述规则中，双测控装置的A、B套定义由现场工程组态时决定，如可以按照IP地址大小的原则实施。
3.2主备机切换
假设A机地址为1，B机地址为2，则默认选取A机为主机。当运维过程中需要对间隔层测控装置检修时，后台监控系统可以根据运行状态自动切换主备机。即装置投检修后自动由主机降为备机运行状态，而原先的备机则同步升级为主机运行状态。这种方案可以保证始终有一台测控装置正常运行，且检修开始和结束时主备机切换均不需要人工干预，而由监控系统根据实时运行状态自动切换。为此提供了一种测控装置不停电检修的完美方案，适合无人值守站的运维模式。
4结论
本文从智能变电站测控装置双重化配置结构入手，分析双重化配置带来的优势和需要解决的问题。针对目前国内主流双测控配置方案的优缺点进行分析总结，在此基础上提出了一种由监控系统自主选择主机并根据双机实时运行状况自动切换主备机的策略。本文提出的双测控优化方案即充分发挥了冗余配置的优势，又解决了异源数据辨识选择和控制对象的惟一性；同时提供了一种间隔层测控装置不停电检修的模式，适合智能变电站无人值守的运维趋势。本方案已经在广东电网220kV茂名广场变成功实施，具有良好的推广意义。
参考文献：
[1]彭志强,张小易,高磊,等.智能变电站二次系统双重化配置技术应用分析[J].江苏电机工程,2013,32(5):38-41.
[2]胡绍谦,熊慕文,王文龙.数字化变电站双测控实现方案探讨[J].广东电力,2011,24(10):45-47,83.
[3]Q/GDW161—2013.线路保护及辅助装置标准化设计规范[S].
[4]钟华兵,王志林,房萍,等.变电站自动化系统支持双测控的实现方法[J].现代电力,2010,27(3):13-15.
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