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摘要：通过对500kV罗洞变电站监控系统升级改造工程实例进行分析，阐述了变电站由传统监控模式改造为综合自动化系统的工作思路，并对罗洞变电站综合自动化改造中遇到的间隔层闭锁处理方式、远动双机无缝切换方式等难点进行分析，给出了罗洞变电站具体改造方案和一些现场技术问题处理方法。
关键词：间隔层联闭锁；双机无缝切换；综合自动化改造
作者简介：刘毅（1978-），男，广东台山人，佛山供电局电力调度通信中心，工程师。（广东 佛山 528000）
中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）15-0248-03
500kV罗洞站是佛山骨干的变电站，有6串500kV开关、8条500kV线路（其中4条是从梧州、贺州过来500kV西电东送线路，分别是梧罗1线、梧罗2线、贺罗1线、贺罗2线）、4台主变压器。全站共有96个一次间隔。因罗洞站在电网中的位置重要，南网总调和广东中调、佛山地调对该站的关注度非常高，对变电站站内值班监控系统易操作、易维护、可靠性等都提出了较高的要求，尤其是对各级调度远传遥信、遥测量的实时性要求。
罗洞变电站原监控系统是1998年上线运行的南瑞科技BSJ2200监控系统，新监控系统采用南京中德公司的NSC2000综合自动化系统，如何更有效率、更好、更安全地进行新旧系统过渡，满足安全稳定运行要求，是本次综自改造的重点。
一、罗洞变电站监控系统现状
500千伏罗洞站是20世纪90年代初投入运行的变电所，由于当时技术的局限性，采用的是一种介于传统计算机监控系统和变电站自动化系统之间的集中选控方式的监控系统，由韩国金星公司提供设备。该系统包括集中监视屏（S/V）、直接控制屏及辅助继电器屏（C/P）、选控台（C/D）和计算机数据处理系统（DPS），原系统采用交流采样，变送器及大量中间继电器，为了实现隔离开关、接地刀闸的防误闭锁，在（C/P）屏中采用大量中间继电器的辅助接点彼此串联，实现闭锁逻辑，为了实现3/2断路器合闸时同期电压“近区优先”的原则，同样采用大量继电器相互闭锁，致使屏内接线十分复杂，特别经过后期多次扩建，使得二次设备接线较混乱。自变电所投运以来，虽然该系统运行情况比较稳定，但二次屏柜结构臃肿接线复杂，继电器损坏后国内没有替代产品，后期经过多次扩建及不规范改造也给变电站的运行维护带来很大困难。经过多次改造多次后，网络构造如图1所示。
变电站采用三层结构，LCU作为前置机，负责转发测控装置采集的数据，前置机与测控单元之间采用F-NET总线连接，前置机与当地监控、远动机之间采用10M以太网进行连接。使用该种网络拓扑方式，前置机与测控单元之间采用连接，现场总线取代以往现场仪表广泛使用的4mA～20mA标准模拟信号传输方式比较先进的传输模拟，属于相对先进的通讯模式，但对于这次罗洞站综自改造的信息量来说传输速度是不够的。表1是几种总线方式和以太网络速率比较的结果。
表1 总线方式和以太网络速率比较
总线名称 LonWork Profibu CAN 100M以太网
速率 300bps至15Mbps 96～12kbps 1 Mbps以内 100Mbps
最大传输距离 1.25M时为130m 12kbps时为1000m 1Mbps/40m
（双绞线） 100m
从表中数据可以看出，假如不改变通讯方式，仍然使用现场总线，目前最好的方式是LONWORK网，但是速率也只能15Mbps，而使用百兆以上以太网比现场总线速度和传输距离都优秀，现场总线在传送开关位置、刀闸位置、保护动作等信号情况下可适用，但对于目前为了分析方便增加了各种各样告警信号，对增加测控装置之间通讯功能，实现部分相互闭锁功能及间隔层五防的要求来说，现场总线的传输速率远远不能满足需要。
根据罗洞站的一次设备需要，选用100M及以上的以太网作为通讯连接介质。满足该功能后，前置机这一级也可以去掉，因为100M以上以太网完全能满足需要，为保证罗洞站数据上送的速度符合自动化验收要求。更采用千兆以太网和百兆以太网级联的方式进行网络通讯方式，使用三组百兆以太网各负责各自的电压等级，因为罗洞站有三种电压等级，因此三组百兆以太网分别为500kV以太网交换机、220kV以太网交换机、35kV以太网交换机。那么根据这种方案得出的结构如图2所示。
另外，还有增加保护通讯、与直流屏通讯装置等智能装置通讯的功能，通过接入管理机实现。
为了验证该种方式网络实时性满足要求，可根据网络互联设备测试RFC2544标准进行数据吞吐率、延时、背靠背等标准要求性能测试：丢包率、数据吞吐率、延时、背靠背。
二、测控装置的改造
这次改造测控装置采用原装西门子6MD系列测控，测控在网络中的数据可以有4种流向：测控装置与后台系统的数据交换；测控装置与远动机系统的数据交换；测控装置与测控装置之间的数据交换；双机之间的数据交换。以上4种数据交换相互独立、互不影响。
从第一种和第二种方式的数据交换可以看出测控装置与后台机和远动机的数据交换是独立的，而传统的系统通常都需要一台前置机。依靠前置机，测控装置的数据才能分别与后台和远动的数据进行交换。这样做的好处就是省去了传统变电站中的前置机，不会因为前置机的失效而使当地后台和调度系统同时失去数据。传统的系统也没有第三种数据交换方式。这主要是为了便于实现间隔层联闭锁。
测控与测控装置间的通讯功能方便实现间隔层闭锁，通常的五防联闭锁都是在站控层依靠前置机、后台机或五防机做逻辑实现，或者在设备层设计回路用继电器方式来实现。前一种方式无法保证在间隔层操作设备时能实现联闭锁，后一种方式回路复杂，不容易修改且容易因继电器问题无法操作。比较这两种方式，如果在间隔层实现联闭锁就不存在上述问题了。目前，变电站都采用分散式的系统结构，每个间隔都采用独立的测控装置，本间隔的测控装置一般是不采集其他间隔信息的。而通常的五防联闭锁逻辑跟多个间隔有关，比如合母线刀闸必须要求与该母线连接的所有线路的刀闸均在分位才可以操作。 NSC系统中由于每台测控装置都使用网络的通信方式，通过在每台装置的通讯软件中增加装置相互通讯的软件，使装置能够互相进行直接通讯，再利用装置的逻辑编辑模块实现了间隔层的防误操作联闭锁。
图3是间隔层设备实现防误操作的逻辑图，通过通讯获得需要实现逻辑的其他装置采得的信息即外部闭锁条件，和本间隔自己采得的信息即是某设备的操作允许条件。如果条件允许，则对该设备进行控制操作就可顺利完成；若条件不满足，则不允许控制出口，相当于防误操作闭锁。在判断外部条件时由于是通过通讯获取的信息，必须判断本装置与采集该信息的装置是否通讯正常，否则视为该信息无效，逻辑闭锁不允许控制出口。为了保证由于这种因通讯闭锁或其他正常闭锁而需要操作的情况，装置提供一把防误操作钥匙，以便解锁。
另外，测控与测控装置间的通讯方式能解决近区优先的方式处理，因为能采集旁边测控的刀闸位置装置，那么可通过判断刀闸位置判断同期应取哪部分电压，以第四串开关5041、5042、5043三个开关的同期方式来分析：
（1）对5041来讲：同期的对侧电压取1M的电压。本侧可有三种选择：当梧罗1线50416合位，则取梧罗1线电压；若50416分位，而罗北乙线50436合位，则取罗北乙线电压；若50416和50436均为分位，则取2M电压。
（2）对5042来讲：同期的对侧电压有两种选择，若罗北乙线50436合位，则取罗北乙线电压；若罗北乙线50436分位，取2M的电压。本侧可有两种选择：当梧罗1线50416合位，则取梧罗1线电压；若50416分位，则取1M电压。
（3）对5043来讲：同期的对侧电压取2M的电压。本侧可有三种选择：若罗北乙线50436合位，则取罗北乙线电压；若50436分位，且50416合位，则取梧罗1线电压；若50416分位，50436分位，则取1M电压。
三、远动机系统的改造
1.远动机改造
各级调度对罗洞站内上送数据要求越来越高，远动机除了必须使用双机保证通道不中断外，如何保证改造过程中远动机上送数据不跳变成为改造一个比较关键的部分。常见的远动机改造方式有三种：
新旧远动机同时运行，在改造的过程中将旧远动机逐渐迁移至新远动机中。调度主站数据库需要增加1个新厂站。
新旧远动机同时运行，旧远动机接入新远动机转发上调度，通道完全在新远动机接入，调度主站数据库不变。
新旧远动机同时运行，旧远动机接入新远动机转发上调度，但旧远动机有通道接入调度，同时新远动机也有通道接入调度，调度主站需要增加新厂站。
比较三种远动机改造方式，第一种改造方式只需要新增一个数据库，每修改一个间隔，将新间隔移入新数据库投入使用，但是这种方式对于调度来说无疑增加了工作量，同时由于由于改造时间长，新旧数据库容易造成混乱。而第三种改造方式同样也是这样。因此罗洞站尝试采用第二种改造方式。
为确保第二种方式上送数据正确，在旧远动机接入新远动机时必须将数据库核对一遍，以保证转发库正确。而在这种模式下需注意的一点就是在新远动机切机的过程中，除了观察通道是否通讯收发报文正常情况下，还需要留意旧远动机转发新远动机的报文是否收发正常，因此使用这种模式必须使用专门的罗洞站该在切机流程：先下装#1远动机，检查通道数据是否正常，与各级调度核对数据，待数据核对正确后，下装#2远动机，检查通道数据是否正常，与各级调度核对数据。
2.远动机双机模式的选择
远动机与各级调度的通信方式可以配置为独立运行或互备方式。如果为互备方式，则同一时间只有一台机与调度进行通信，通过双机之间的通信告诉另外一台机的相应信息。如果一定时间内无法收到调度系统的通信报文，则认为通信中断，切换到另外一台机。
如果为独立方式，则双机分别与调度系统的不同通道进行通信，不进行切换，选择的权利在调度系统。
对于同一个调度有多个通道，则可以配置独立和互备两种方式。如果配置为互备，则只有一个通道接收和发送数据，其他不接收和发送任何报文。当一定时间内收不到报文判断通信中断后，向其他通道切换。
如果配置为独立，则各个通道独立接收和发送报文，没有什么切换关系，独立运行。
地调DNP串口通讯方式，远动机设置为双机独立方式，地调任一通道下发数据后远动机就会回答相应的报文。哪一个通道为主通道由调度决定。
主备式远动机的优点是所有通道运行在主机中，当主机发生故障时可自动切换到备机运行，中德公司6MD2000远动机双机互备的判断是复用系统的A、B网络进行处理的。如果系统的A、B网由于交换机断电或其他异常情况就会造成双机互备通信失效，鉴于罗洞站远动机的重要性，远动机间配备一串口相互通讯进行双机互备的备用判断方式。双机双主的方式，通道全部问数据，而远动机均回答数据，数据量传输大，但是只要在远动机性能允许下可以使用该方式，同时该方式有其好处，可以均分远动机负荷，不至于负荷集中于一台远动机中，使两台机CPU负荷率保持在正常的范围内，不容易造成机器死机。鉴于罗洞站的特性，地调数据量大，中调、总调数据量相对小，在地调通道模式采用主备，中调、总调采用双主的模式，即地调通道切换权限在远动机，中调、总调切换权限在调度，如图4至图6所示：
四、系统性能测试
为考验NSC系统的综合性能，广东中试所曾针对该系统进行过极限雪崩试验。任选20台测控装置，每台接入20个遥信点，每秒钟对这400个点进行2次变位，持续10秒钟，共产生8000个遥信变位信号，系统准确快速收到所有信号，不多也不丢失一个信号，同时SOE分辨率在正负1毫秒内。同样的试验持续到10分钟发生368000个信号，系统收到270000个信号，收到信号达到70%以上。同时系统CPU负荷率在30%以下。
五、结语
本文针对罗洞变电站自动化存在的问题进行分析，通过改造将问题消除，并对改造的方法进行了分析探讨，改造顺利完成并通过验收，通过一年以上的巩固期安全运行证明新系统可靠，稳定运行。
（责任编辑：王祝萍）
关键词：间隔层联闭锁；双机无缝切换；综合自动化改造
作者简介：刘毅（1978-），男，广东台山人，佛山供电局电力调度通信中心，工程师。（广东 佛山 528000）
中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）15-0248-03
500kV罗洞站是佛山骨干的变电站，有6串500kV开关、8条500kV线路（其中4条是从梧州、贺州过来500kV西电东送线路，分别是梧罗1线、梧罗2线、贺罗1线、贺罗2线）、4台主变压器。全站共有96个一次间隔。因罗洞站在电网中的位置重要，南网总调和广东中调、佛山地调对该站的关注度非常高，对变电站站内值班监控系统易操作、易维护、可靠性等都提出了较高的要求，尤其是对各级调度远传遥信、遥测量的实时性要求。
罗洞变电站原监控系统是1998年上线运行的南瑞科技BSJ2200监控系统，新监控系统采用南京中德公司的NSC2000综合自动化系统，如何更有效率、更好、更安全地进行新旧系统过渡，满足安全稳定运行要求，是本次综自改造的重点。
一、罗洞变电站监控系统现状
500千伏罗洞站是20世纪90年代初投入运行的变电所，由于当时技术的局限性，采用的是一种介于传统计算机监控系统和变电站自动化系统之间的集中选控方式的监控系统，由韩国金星公司提供设备。该系统包括集中监视屏（S/V）、直接控制屏及辅助继电器屏（C/P）、选控台（C/D）和计算机数据处理系统（DPS），原系统采用交流采样，变送器及大量中间继电器，为了实现隔离开关、接地刀闸的防误闭锁，在（C/P）屏中采用大量中间继电器的辅助接点彼此串联，实现闭锁逻辑，为了实现3/2断路器合闸时同期电压“近区优先”的原则，同样采用大量继电器相互闭锁，致使屏内接线十分复杂，特别经过后期多次扩建，使得二次设备接线较混乱。自变电所投运以来，虽然该系统运行情况比较稳定，但二次屏柜结构臃肿接线复杂，继电器损坏后国内没有替代产品，后期经过多次扩建及不规范改造也给变电站的运行维护带来很大困难。经过多次改造多次后，网络构造如图1所示。
变电站采用三层结构，LCU作为前置机，负责转发测控装置采集的数据，前置机与测控单元之间采用F-NET总线连接，前置机与当地监控、远动机之间采用10M以太网进行连接。使用该种网络拓扑方式，前置机与测控单元之间采用连接，现场总线取代以往现场仪表广泛使用的4mA～20mA标准模拟信号传输方式比较先进的传输模拟，属于相对先进的通讯模式，但对于这次罗洞站综自改造的信息量来说传输速度是不够的。表1是几种总线方式和以太网络速率比较的结果。
表1 总线方式和以太网络速率比较
总线名称 LonWork Profibu CAN 100M以太网
速率 300bps至15Mbps 96～12kbps 1 Mbps以内 100Mbps
最大传输距离 1.25M时为130m 12kbps时为1000m 1Mbps/40m
（双绞线） 100m
从表中数据可以看出，假如不改变通讯方式，仍然使用现场总线，目前最好的方式是LONWORK网，但是速率也只能15Mbps，而使用百兆以上以太网比现场总线速度和传输距离都优秀，现场总线在传送开关位置、刀闸位置、保护动作等信号情况下可适用，但对于目前为了分析方便增加了各种各样告警信号，对增加测控装置之间通讯功能，实现部分相互闭锁功能及间隔层五防的要求来说，现场总线的传输速率远远不能满足需要。
根据罗洞站的一次设备需要，选用100M及以上的以太网作为通讯连接介质。满足该功能后，前置机这一级也可以去掉，因为100M以上以太网完全能满足需要，为保证罗洞站数据上送的速度符合自动化验收要求。更采用千兆以太网和百兆以太网级联的方式进行网络通讯方式，使用三组百兆以太网各负责各自的电压等级，因为罗洞站有三种电压等级，因此三组百兆以太网分别为500kV以太网交换机、220kV以太网交换机、35kV以太网交换机。那么根据这种方案得出的结构如图2所示。
另外，还有增加保护通讯、与直流屏通讯装置等智能装置通讯的功能，通过接入管理机实现。
为了验证该种方式网络实时性满足要求，可根据网络互联设备测试RFC2544标准进行数据吞吐率、延时、背靠背等标准要求性能测试：丢包率、数据吞吐率、延时、背靠背。
二、测控装置的改造
这次改造测控装置采用原装西门子6MD系列测控，测控在网络中的数据可以有4种流向：测控装置与后台系统的数据交换；测控装置与远动机系统的数据交换；测控装置与测控装置之间的数据交换；双机之间的数据交换。以上4种数据交换相互独立、互不影响。
从第一种和第二种方式的数据交换可以看出测控装置与后台机和远动机的数据交换是独立的，而传统的系统通常都需要一台前置机。依靠前置机，测控装置的数据才能分别与后台和远动的数据进行交换。这样做的好处就是省去了传统变电站中的前置机，不会因为前置机的失效而使当地后台和调度系统同时失去数据。传统的系统也没有第三种数据交换方式。这主要是为了便于实现间隔层联闭锁。
测控与测控装置间的通讯功能方便实现间隔层闭锁，通常的五防联闭锁都是在站控层依靠前置机、后台机或五防机做逻辑实现，或者在设备层设计回路用继电器方式来实现。前一种方式无法保证在间隔层操作设备时能实现联闭锁，后一种方式回路复杂，不容易修改且容易因继电器问题无法操作。比较这两种方式，如果在间隔层实现联闭锁就不存在上述问题了。目前，变电站都采用分散式的系统结构，每个间隔都采用独立的测控装置，本间隔的测控装置一般是不采集其他间隔信息的。而通常的五防联闭锁逻辑跟多个间隔有关，比如合母线刀闸必须要求与该母线连接的所有线路的刀闸均在分位才可以操作。 NSC系统中由于每台测控装置都使用网络的通信方式，通过在每台装置的通讯软件中增加装置相互通讯的软件，使装置能够互相进行直接通讯，再利用装置的逻辑编辑模块实现了间隔层的防误操作联闭锁。
图3是间隔层设备实现防误操作的逻辑图，通过通讯获得需要实现逻辑的其他装置采得的信息即外部闭锁条件，和本间隔自己采得的信息即是某设备的操作允许条件。如果条件允许，则对该设备进行控制操作就可顺利完成；若条件不满足，则不允许控制出口，相当于防误操作闭锁。在判断外部条件时由于是通过通讯获取的信息，必须判断本装置与采集该信息的装置是否通讯正常，否则视为该信息无效，逻辑闭锁不允许控制出口。为了保证由于这种因通讯闭锁或其他正常闭锁而需要操作的情况，装置提供一把防误操作钥匙，以便解锁。
另外，测控与测控装置间的通讯方式能解决近区优先的方式处理，因为能采集旁边测控的刀闸位置装置，那么可通过判断刀闸位置判断同期应取哪部分电压，以第四串开关5041、5042、5043三个开关的同期方式来分析：
（1）对5041来讲：同期的对侧电压取1M的电压。本侧可有三种选择：当梧罗1线50416合位，则取梧罗1线电压；若50416分位，而罗北乙线50436合位，则取罗北乙线电压；若50416和50436均为分位，则取2M电压。
（2）对5042来讲：同期的对侧电压有两种选择，若罗北乙线50436合位，则取罗北乙线电压；若罗北乙线50436分位，取2M的电压。本侧可有两种选择：当梧罗1线50416合位，则取梧罗1线电压；若50416分位，则取1M电压。
（3）对5043来讲：同期的对侧电压取2M的电压。本侧可有三种选择：若罗北乙线50436合位，则取罗北乙线电压；若50436分位，且50416合位，则取梧罗1线电压；若50416分位，50436分位，则取1M电压。
三、远动机系统的改造
1.远动机改造
各级调度对罗洞站内上送数据要求越来越高，远动机除了必须使用双机保证通道不中断外，如何保证改造过程中远动机上送数据不跳变成为改造一个比较关键的部分。常见的远动机改造方式有三种：
新旧远动机同时运行，在改造的过程中将旧远动机逐渐迁移至新远动机中。调度主站数据库需要增加1个新厂站。
新旧远动机同时运行，旧远动机接入新远动机转发上调度，通道完全在新远动机接入，调度主站数据库不变。
新旧远动机同时运行，旧远动机接入新远动机转发上调度，但旧远动机有通道接入调度，同时新远动机也有通道接入调度，调度主站需要增加新厂站。
比较三种远动机改造方式，第一种改造方式只需要新增一个数据库，每修改一个间隔，将新间隔移入新数据库投入使用，但是这种方式对于调度来说无疑增加了工作量，同时由于由于改造时间长，新旧数据库容易造成混乱。而第三种改造方式同样也是这样。因此罗洞站尝试采用第二种改造方式。
为确保第二种方式上送数据正确，在旧远动机接入新远动机时必须将数据库核对一遍，以保证转发库正确。而在这种模式下需注意的一点就是在新远动机切机的过程中，除了观察通道是否通讯收发报文正常情况下，还需要留意旧远动机转发新远动机的报文是否收发正常，因此使用这种模式必须使用专门的罗洞站该在切机流程：先下装#1远动机，检查通道数据是否正常，与各级调度核对数据，待数据核对正确后，下装#2远动机，检查通道数据是否正常，与各级调度核对数据。
2.远动机双机模式的选择
远动机与各级调度的通信方式可以配置为独立运行或互备方式。如果为互备方式，则同一时间只有一台机与调度进行通信，通过双机之间的通信告诉另外一台机的相应信息。如果一定时间内无法收到调度系统的通信报文，则认为通信中断，切换到另外一台机。
如果为独立方式，则双机分别与调度系统的不同通道进行通信，不进行切换，选择的权利在调度系统。
对于同一个调度有多个通道，则可以配置独立和互备两种方式。如果配置为互备，则只有一个通道接收和发送数据，其他不接收和发送任何报文。当一定时间内收不到报文判断通信中断后，向其他通道切换。
如果配置为独立，则各个通道独立接收和发送报文，没有什么切换关系，独立运行。
地调DNP串口通讯方式，远动机设置为双机独立方式，地调任一通道下发数据后远动机就会回答相应的报文。哪一个通道为主通道由调度决定。
主备式远动机的优点是所有通道运行在主机中，当主机发生故障时可自动切换到备机运行，中德公司6MD2000远动机双机互备的判断是复用系统的A、B网络进行处理的。如果系统的A、B网由于交换机断电或其他异常情况就会造成双机互备通信失效，鉴于罗洞站远动机的重要性，远动机间配备一串口相互通讯进行双机互备的备用判断方式。双机双主的方式，通道全部问数据，而远动机均回答数据，数据量传输大，但是只要在远动机性能允许下可以使用该方式，同时该方式有其好处，可以均分远动机负荷，不至于负荷集中于一台远动机中，使两台机CPU负荷率保持在正常的范围内，不容易造成机器死机。鉴于罗洞站的特性，地调数据量大，中调、总调数据量相对小，在地调通道模式采用主备，中调、总调采用双主的模式，即地调通道切换权限在远动机，中调、总调切换权限在调度，如图4至图6所示：
四、系统性能测试
为考验NSC系统的综合性能，广东中试所曾针对该系统进行过极限雪崩试验。任选20台测控装置，每台接入20个遥信点，每秒钟对这400个点进行2次变位，持续10秒钟，共产生8000个遥信变位信号，系统准确快速收到所有信号，不多也不丢失一个信号，同时SOE分辨率在正负1毫秒内。同样的试验持续到10分钟发生368000个信号，系统收到270000个信号，收到信号达到70%以上。同时系统CPU负荷率在30%以下。
五、结语
本文针对罗洞变电站自动化存在的问题进行分析，通过改造将问题消除，并对改造的方法进行了分析探讨，改造顺利完成并通过验收，通过一年以上的巩固期安全运行证明新系统可靠，稳定运行。
（责任编辑：王祝萍）