500 千伏变电站进口测控装置改造方案研究

张淦锋、刘威、单金华、吴承福、刘畅

  国网浙江省电力有限公司超高压分公司，浙江 杭州 310000

摘要

为配合解决500千伏变电站在实际运行中遇到的进口测控装置故障影响范围广、过程层配置文件复杂和装置可靠性下降等问题,按“三间隔适度集成,双套冗余配置”方案,设计了一种适用于500千伏变电站的进口测控装置改造。该装置运用测控功能自愈、闭锁、全站系统配置描述(SCD)解耦、高可靠无缝冗余(HSR)环网通信和环网节点状态监视等关键技术,完成相应间隔的测量、控制和联闭锁功能。应用于500千伏变电站的进口测控装置改造通过了多项检测试验。试验结果表明:应用于500千伏变电站的进口测控装置改造通过与就地模块通信,能实现多个间隔的集中测量控制功能。该研究可满足500千伏变电站运行测控需求。

关键词：500千伏变电站；进口测控装置；测控功能；就地模块通信

自国家电网公司推广建设新一代智能变电站以来,智能变电站向系统集成化、结构合理化、装备先进化、经济适用化、能源节约环保化等方向发展。智能变电站在近几年的实际运行中也暴露了一些问题和不足。经调研分析,许继、南瑞等主流厂商按“两层一网”原则重新设计了智能变电站技术框架,取消了合并单元、智能终端、过程层交换机等设备及过程层网络,开展一、二次设备同体设计,进行新型数字化远端就地模块、配套接口装置、集成式测控和站控主机研制,以实现高可靠无缝冗余环网数字化通信。基于500千伏变电站的测控装置产品,国内目前还处于概念和技术框架阶段,国外也没有相关研究机构开展研究和开发工作。本文论述的进口测控装置改造研制是二次设备功能优化和技术发展融合的重要一环。本文通过对采用冗余配置进口测控装置改造的自愈功能、闭锁功能、全站系统配置描述解耦、环网节点状态监视和内部逻辑可视化等关键技术的研究和探索,为解决当前智能变电站存的问题和不足提供了新的思路和方法。

1 进口测控装置改造系统结构

500千伏变电站中的进口测控装置改造采用室内布置,安装在控制室屏柜内,按“三间隔适度集成,双套冗余配置”方案设计。每个间隔与16个就地模块通信,装置上的集成接口模块通过IEC 61850通信协议与各间隔HSR环网进行通信。

系统架构中包含监控主机、工程师工作站、进口测控装置改造、HSR光纤环和数字化就地模块等。进口测控装置改造面向(串、母线、主变等)电气设备单元多间隔集成,通过数字化就地模块或电缆与一次设备连接,可完成相应间隔的测量、控制和联闭锁功能。监控主机负责采集来自测控装置等二次设备的各类数据,实现站内二次设备的运行状态监视、操作与控制、防误闭锁和一键顺控等功能。工程师工作站可完成智能变电站二次设备回路监视、内部逻辑可视化展示和二次设备软件在线管控、网络装载等功能。不同间隔的就地化模块可通过HSR光纤环,为进口测控装置改造上传开关量、模拟量等一次设备数字化信息,并能精确执行测控装置下发的控制命令。

进口测控装置改造对上接入站控层网络与监控系统通信,对下接入各间隔HSR光纤环,与就地模块通信。进口测控装置改造获取的数据除了用于本装置外,还能以点对点方式发送至同步相量测量装置和集中计量装置。

2 关键技术研究

2.1基于状态感知的测控功能自愈

500千伏变电站中的进口测控装置改造采用基于状态感知的双套冗余配置。该技术使测控装置能够按运行情况自动选择功能状态良好的装置作为主运行设备,避免因固定选择的主设备装置运行故障而影响电力运维,有效保障了测控功能可靠性。双套冗余配置的进口测控装置改造具备运行、备用、故障和检修这4种实时工作状态。进口测控装置改造可以根据当前工作状态和设备故障程度,依托站控层和过程层面向通用对象的变电站事件通信网络,采用专有信息模型进行通信交互,实现状态感知和冗余切换。进口测控装置改造冗余切换原则如图1所示。冗余切换原则分为通信正常交互机制、数据筛选及控制响应、通信异常处理机制和运行状态异常切换机制。①通信正常交互机制:双套冗余配置的进口测控装置改造平行监视,通过站控层GOOSE报文交互工作状态信息,同时相互监视心跳信息。②数据筛选及控制响应:站控层设备根据进口测控装置改造主备状态进行数据筛选和控制命令转发。就地化模块根据进口测控装置改造主备状态响应控制命令。③通信异常处理机制:当处于备用状态的进口测控装置改造接收不到另一套进口测控装置改造的心跳报文时,需要借助过程层GOOSE报文判别另一套进口测控装置改造的运行状态。④运行状态异常切换机制:当处于运行状态的进口测控装置改造发送异常时,另一套进口测控装置改造如果处于备用状态且状态更优,则进行切换;如果没有更优状态或没有备用状态则维持现状,不进行切换。

图 1 集成式测控装置冗余切换原则

2.2环网节点状态监视

HSR的环形网络拓扑结构适用于进口测控装置改造与数字化就地模块组成的过程层环形通信网络。当环形通信网络出现单个线路中断或某个设备通信故障时,环形网路能够自动选择另一条链路进行通信,使网络切换零延时、设备间通信干扰小、可靠性大幅提升。HSR环网结构如图2所示。

图 2 HSR 环网结构

2.3闭锁

500千伏变电站技术框架下,进口测控装置改造功能有了新的改变。因站控主机的设置涉及耦合和集中功能,原来由测控装置完成的逻辑闭锁功能将上移至站控主机。

图 5 可视化配置闭锁逻辑

由图5可知,站控主机可视化界面根据测控装置提供的数据和状态搭建闭锁逻辑图。若双点遥信1为分且双点遥信2为合,或单点遥信1为分,或UA>100 V时,则刀闸1合允许执行。测控装置可依据站控主机回送信息获得刀闸1闭锁逻辑结果,并将后续逻辑状态(刀闸1合操作结果)和相关数据上传至站控主机展示界面,以达到动态仿真监测的目的。

2. 4 SCD 解耦

目前,普通智能站使用单一SCD文件描述全站配置,涵盖全部信息模型、智能电子设备的实例化配置、通信参数及虚端子连线,数字信息高度耦合,直接关系到继电保护及测控装置的正常运行,影响范围广。SCD文件的任意改动,均需重新导出全站设备的装置配置文件。以扩建1个间隔为例,需导入扩建设备的模型文件配置生成新的SCD文件。由于无法保证原有设备CID与新导出CID文件的一致性,会造成设备运行风险。

500千伏变电站中的进口测控装置改造把模型分为站控层和过程层,通过在可视化页面中定义虚拟接收链路和接收端子,形成单装置的CID文件。该文件包括完整的GOOSE/SV发送数据集和接收数据集、发送和接收端子模型。将需要进行发送/接收关联的单装置CID文件进行汇总,形成最小集的SCD,再把汇总后的CID文件进行发送/接收端子拉线,导出目的单装置CID文件放进各个装置。

以单个IED设备为单位的SCD建模方案,颠覆了传统SCD文件管理全站配置模型的方式。该方案解决了单一IED设备模型文件变化影响全站配置文件的问题,实现了单个IED设备独立配置、测试和管理,提高了智能变电站二次设备配置的可靠性,降低了因错误配置导致不正确动作的风险。

3 进口测控装置改造功能验证

为了检验进口测控装置改造能否达到技术要求,本文研究、开发了一套装置样机,并在样机上进行功能验证。

3.1硬件架构

进口测控装置改造硬件平台采用基于XILINX公司推出的双核+FPGA处理器ZYNQ 7000系列,主频率为667 MHz,集成度较高。外围主要芯片包括2片DDR、1片NORFLASH、1片NANDFLASH、1片SD卡及2片AD芯片。ZYNQ 7000系列低功耗处理器功能完善、性能强大、功耗低,可以满足进口测控装置改造应用需求,且接入间隔数量不少于3个。进口测控装置改造硬件平台系统架构如图7所示。

图 7 进口测控装置改造硬件平台系统架构图

进口测控装置改造采用“单通信CPU+单逻辑CPU+单NPI”模式。通信CPU实现人机管理及站控层通信功能,逻辑CPU完成数据计算及逻辑判别。机箱结构统一采用4U全封闭机箱,开入、开出板卡采用智能I/O模式,板卡与CPU间采用CAN网总线通信;面板组件采用智能液晶,通信CPU使用以太网通信,面板信号灯通过软件进行控制。

3.2软件设计

进口测控装置改造软件平台采用Nucleus PLUS实时操作系统,实现单网卡同时运行多个IP、单装置同时运行多个通信配置文件。该平台采用基于高速总线的板间数据共享技术,实现板间数据可靠、安全、实时的共享访问;利用嵌入式软件海量存储技术,实现进口测控装置改造大容量数据存储;通过多模块重定位技术,基于嵌入式软件平台的多模块独立编译、自动加载,实现功能模块在装置板卡上的动态集成和灵活部署。

3.3样机功能验证

500千伏变电站的测控功能是当前探索性提出的新技术。基于该技术所研发的进口测控装置改造的检验并无可参照的检验标准,因此样机在进行内测和中试测试时仅能参考同类二次设备的相关标准。进口测控装置改造样机可用搭建好的检测系统对遥测、遥信、遥控、遥调、人机交互、MMS站控层通信、双机切换、闭锁、环网链路等功能进行详细检测。测控功能检测结果如表1所示。

表 1 测控功能检测结果

进口测控装置改造样机检测系统由位于站控层的监控主机或MMS客户端仿真工具、间隔层的A/B套进口测控装置改造、HSR光纤环、一次设备开关量就地模块、模拟量就地模块、变压器模块等构成。检测系统网络架构如图8所示。

图 8 检测系统网络架构图

经验证:进口测控装置改造的遥测、遥信、遥调和遥控等功能均满足同类二次设备的国家标准、行业标准和企业标准要求;升级后的闭锁功能可顺利实现本间隔和跨间隔逻辑闭锁及强制解锁等功能;双机切换设计不仅符合冗余切换原则,且在双网切换时无数据丢失;装置上环网链路模块在数据信息正确交互的同时,还可解析所有其他模块A、B端口的通信链路状态、APPID、接收帧数、当前延时、最小延时和最大延时等。由测试结果可知,进口测控装置改造结构合理、网络通信稳定、结果准确有效,达到了预期设计要求。

4 结论

应用于500千伏变电站的进口测控装置改造依据IEC 61850标准通信协议,坚持向高度智能化、数字化、信息化方向发展,可简化系统网络架构、减少设备数量、实现测控功能自愈;通过就地安装的采集模块,可实现数据就地化采集、网络化传输,提高了系统可靠性,提升了运维便捷性。该研究为500千伏变电站的应用和推广奠定了良好的技术基础。

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