變電站SCADA 系統(tǒng)在改擴(kuò)建工程中的幾個(gè)典型問題

鐘 磊 徐 天 蘭文光 趙世杰

（國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海201204）

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)和智能變電站技術(shù)的不斷發(fā)展，使得變電站SCADA系統(tǒng)的改擴(kuò)建日益成為常態(tài)。筆者作為長期在一線的廠站端自動(dòng)化系統(tǒng)檢修工作者，就自己常見的擴(kuò)建中存在的問題進(jìn)行了分析，并給出了合理建議。

1 交直流電源混接問題

廠站遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)包括間隔數(shù)量眾多的測控/保測合一裝置以及外回路，而在擴(kuò)建工程中若無對新擴(kuò)回路的專項(xiàng)檢查，很容易在接入時(shí)或投運(yùn)后產(chǎn)生交直流混接或寄生回路，從而對整個(gè)SCADA系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成不利影響。

某220kV站（簡稱J 站）巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)站內(nèi)控制直流一段和直流二段間絕緣為零。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，新增線路測控單元的電源切換模塊（SDC 雙路供電轉(zhuǎn)換器，北京匯達(dá)豐）內(nèi)的自動(dòng)切換回路是導(dǎo)致兩段直流異常并排的原因。

如圖1 所示，直流A、B 路首先進(jìn)入PCB 切換電路，該電路的作用是利用切換開關(guān)選擇輸出至測控裝置的直流電源：共有固定A路、自動(dòng)、固定B 路三種方式。而若該切換電路的工作電源使用A路，則A路失電時(shí)將無法切換，即輸出至測控裝置的電源無法從A路切換到B路，反之亦然。因此PCB切換回路必須同時(shí)接入A、B 兩路，通過整流橋（防止電源接反損壞電路）將兩路獨(dú)立的電源進(jìn)行并聯(lián)，破環(huán)了站內(nèi)控制直流系統(tǒng)獨(dú)立性。

圖1 電源切換模塊電路結(jié)構(gòu)測繪圖

改進(jìn)措施：對于使用SDC切換模塊的測控單元，考慮內(nèi)部穩(wěn)壓電路固定在B 電源上，拉開A 路空開，切換方式置為固定B 路，消除直流耦合條件，同時(shí)不影響DC/DC模塊的穩(wěn)壓功能。

擴(kuò)建工程中圖紙與現(xiàn)場不符的情況在所難免，但在回路接入自動(dòng)化系統(tǒng)等帶電設(shè)備前，對于交直流電源等關(guān)鍵部分，應(yīng)通過專項(xiàng)驗(yàn)收以防引發(fā)全站站控層事故。為此，運(yùn)維單位應(yīng)該針對此問題及時(shí)編制了類似測控裝置及外回路的接入驗(yàn)收規(guī)范，明確了直流獨(dú)立性、交直流嚴(yán)格隔離的技術(shù)要求。

2 61850 站控層網(wǎng)絡(luò)的通訊問題

采用61850 規(guī)約構(gòu)架的站控層網(wǎng)絡(luò)在后期改擴(kuò)建時(shí)，常會(huì)發(fā)生系統(tǒng)與間隔層設(shè)備的通信問題。某1000kV變電站（下簡稱L站）由500kV 站擴(kuò)建而成，投運(yùn)后站內(nèi)突發(fā)大面積間隔層裝置與SCADA系統(tǒng)、保護(hù)信息子站的通訊中斷。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析儀記錄判斷，網(wǎng)絡(luò)上有大量的組播報(bào)文，形成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，造成大面積的裝置通訊中斷。于是變電站人員打開站控層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的“組播抑制”功能，即在不影響網(wǎng)絡(luò)正常報(bào)文的情況下，對網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴進(jìn)行抑制。實(shí)施后未在發(fā)生大規(guī)模通信中斷。

該問題解決后，站內(nèi)CSC-221C（無功投切裝置）出現(xiàn)通信中斷，原因是該裝置的61850 端口達(dá)到了最大連接限制（8 個(gè)），該端口達(dá)到最大連接數(shù)時(shí)存在通信不穩(wěn)定容易中斷的情況。而L 站由于處在擴(kuò)建過程中，CSC-221C 裝置需要與原有500kV 監(jiān)控系統(tǒng)、500kV保信子站、1000kV監(jiān)控系統(tǒng)、1000kV保信子站同時(shí)通信（均雙重化），因此造成通信中斷頻發(fā)。措施：斷開與老后臺連接，釋放連接數(shù)，首先保證其與新后臺和新保信子站的穩(wěn)定可靠通訊。

又如，某220kV 智能變電站（下簡稱D 站）采用南瑞科技NS3000 系統(tǒng)，整個(gè)站控層MMS網(wǎng)絡(luò)呈雙冗余配置，并用光纖以星形方式連接到各測控單元及測保一體裝置。D站啟動(dòng)投運(yùn)后，運(yùn)維員發(fā)現(xiàn)通過后臺遙控操作35kV 保測一體裝置軟壓板時(shí)經(jīng)常操作超時(shí)，但現(xiàn)場巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)裝置面板上顯示軟壓板已成功變位。

通過對遙控過程的報(bào)文的跟蹤捕獲，發(fā)現(xiàn)是遙控軟壓板操作超時(shí)是因?yàn)樽兾贿b信不上送。同時(shí)發(fā)現(xiàn)MMS A網(wǎng)中突然出現(xiàn)B網(wǎng)報(bào)文，該報(bào)文為保測合一裝置（南瑞繼保RCS系列）所發(fā)出。

通過軟件進(jìn)一步對出現(xiàn)變位不上送的保測設(shè)備進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)部分報(bào)告號被異常關(guān)閉。報(bào)告號在后臺系統(tǒng)與保測裝置建立通訊初期會(huì)因?yàn)楹笈_總召而使能，之后保測裝置的遙信、遙測變位均為主動(dòng)上送。由于保測裝置的報(bào)告號被關(guān)閉，因此當(dāng)后臺遙控操作軟壓板執(zhí)行成功后，雖然軟壓板發(fā)生變位，但裝置將不再上送變位信息給后臺，使后臺無法確認(rèn)執(zhí)行成功，最終顯示執(zhí)行超時(shí)。

值得注意的是，南瑞裝置A、B網(wǎng)交叉期間，保護(hù)動(dòng)作信號是無法上送的，事故情況下將意味著監(jiān)控系統(tǒng)告警功能的失靈。

南瑞繼保裝置的通訊接口為HUB 模式（AB 網(wǎng)共用一個(gè)MAC地址），其IED在發(fā)出在ARP 請求后，通訊接口同時(shí)向A/B網(wǎng)所有地址廣播，而南瑞科技基于Linux系統(tǒng)的后臺服務(wù)器在收到A/B網(wǎng)各自ARP 請求報(bào)文后，不判IP 網(wǎng)段，直接將自己的A/B網(wǎng)IP 地址回復(fù)給保護(hù)裝置，如圖2 所示。由于A、B網(wǎng)路由不對稱（通常情況下，B 網(wǎng)路由更快），保護(hù)裝置會(huì)建立起錯(cuò)誤的IP 與MAC 地址關(guān)聯(lián)，即服務(wù)器B網(wǎng)IP 對應(yīng)保護(hù)A網(wǎng)卡MAC地址時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)之前服務(wù)器通過B網(wǎng)發(fā)送請求，保測裝置通過A網(wǎng)向服務(wù)器發(fā)送應(yīng)答的情況（應(yīng)用層報(bào)文，服務(wù)器直接丟棄），保測裝置經(jīng)過一定延時(shí)后關(guān)閉報(bào)告號，重置ARP 緩存。

圖2 AB 網(wǎng)中的ARP 請求回復(fù)報(bào)文

造成該缺陷的主要原因：一是南瑞繼保裝置內(nèi)部的ARP 緩存表老化機(jī)制使得裝置定時(shí)通過自身的HUB進(jìn)行廣播ARP，二是南瑞科技基于Linux的系統(tǒng)在收到錯(cuò)誤ARP 后對IP 網(wǎng)段不做判斷、直接回復(fù)。集成測試時(shí)沒有具備AB網(wǎng)同時(shí)搭建的工程條件，因此未發(fā)現(xiàn)此缺陷。

改進(jìn)措施：對NS3000 后臺服務(wù)器Linux操作系統(tǒng)的ARP 回復(fù)策略進(jìn)行修改，不再進(jìn)行交叉網(wǎng)段的ARP 回復(fù)。

小結(jié)：智能變電站一旦經(jīng)過集成測試，現(xiàn)場調(diào)試中很難發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性能方面的缺陷。即使是部分間隔單體參與的集成測試，也有可能遺留設(shè)計(jì)固有缺陷。同時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)所體現(xiàn)出來的功能性缺陷可能并非由監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件本身或保護(hù)本身引起，而是由并不受雙方專業(yè)控制的硬件驅(qū)動(dòng)或操作系統(tǒng)響應(yīng)機(jī)制造成。

3 測控單元SOE 遙信防抖時(shí)間設(shè)置

變電站SCADA系統(tǒng)的監(jiān)控信息目前分為五大類：事故、異常、變位、越限、告知，其中存在快速返回問題的主要為事故信息，即保護(hù)動(dòng)作信息。為防止二次回路干擾產(chǎn)生遙信抖動(dòng)，導(dǎo)致不必要的頻繁發(fā)信和占用SCADA系統(tǒng)資源，從而影響人員監(jiān)盤和大幅降低系統(tǒng)反應(yīng)能力，一般在測控裝置內(nèi)設(shè)置SOE 遙信的防抖時(shí)間。智能終端的開入則防抖要求為5ms；未作明文規(guī)定的情況下，傳統(tǒng)測控裝置一般取默認(rèn)值（30～50ms），筆者所在地區(qū)220KV 站目前設(shè)為40ms，；如果將防抖延時(shí)放到100ms，可能遺漏快速復(fù)歸的遙信信號，從而誤導(dǎo)事故處理方向。

例如，某500kV 站（以下簡稱S 站）內(nèi)220kV 終端線出口發(fā)生近端故障，本側(cè)距離保護(hù)在11ms 左右出口（故障錄波），43ms 后斷路器快速切除故障，5ms 后保護(hù)立即復(fù)歸；對側(cè)線路因系終端，無保護(hù)動(dòng)作。但本側(cè)站未發(fā)生事故推圖，究其原因，該站內(nèi)事故推圖邏輯為事故總+開關(guān)分位遙信置位的與門構(gòu)成，而事故總為各間隔測控的事故信號構(gòu)成（各間隔相關(guān)保護(hù)動(dòng)作的或邏輯）。由于保護(hù)動(dòng)作接點(diǎn)歷時(shí)48ms，而該站測控裝置按默認(rèn)值SOE 防抖設(shè)為60ms，因此保護(hù)動(dòng)作信號被濾除，事故總信號未發(fā)生。

顯而易見，要保證保護(hù)動(dòng)作遙信可靠接收，SOE 遙信防抖時(shí)間T 應(yīng)小于斷路器滅弧時(shí)間t1 與保護(hù)返回時(shí)間t2 之和。一般而言，220kV以上等級斷路器典型滅弧時(shí)間約40～50ms 左右；故障消失后，保護(hù)內(nèi)的動(dòng)作元件會(huì)立即返回，而保護(hù)跳閘接點(diǎn)則根據(jù)廠家各異，有的隨保護(hù)元件的返回而返回，有的按固有時(shí)間延時(shí)返回，有的則從動(dòng)作開始延展固定時(shí)間后返回（一般超過60ms）；即一般而言，t1+t2 時(shí)間約為60ms 左右。如圖3 所示：保護(hù)跳閘接點(diǎn)閉合t1=49.27ms 后斷路器跳開，故障電流消失。隨后，在t2=19.81ms 后，跳閘接點(diǎn)收回。另外，對于近后備保護(hù)（如開關(guān)保護(hù)或后備距離），還需考慮全線速動(dòng)的主保護(hù)的相對提前動(dòng)作（故障發(fā)生10ms 以內(nèi)動(dòng)作）t3（約20ms）。因此，建議考慮可能快速復(fù)歸的保護(hù)信號的極端動(dòng)作展寬約為t1+t2-t3=40ms。考慮一定裕度，建議防抖時(shí)間不應(yīng)大于25ms。

圖3 斷路器位置輔助觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)序

而事實(shí)上，測控裝置的防抖時(shí)間還有以下作用：（1）避越交流干擾串入直流系統(tǒng)信號抖動(dòng)，這在場地空曠、感應(yīng)電效應(yīng)明顯的500kV站刀閘遙信回路較為常見。誠然，對于交流量串入直流的現(xiàn)象若不設(shè)防抖，能及時(shí)且有效反映設(shè)備隱患，無人值守情況下，極大概率會(huì)導(dǎo)致本地SCADA 系統(tǒng)通信癱瘓，中心站對該站迅速失監(jiān)，因此濾去這種干擾是十分必要的。由于所串入交流為工頻量，遙信的動(dòng)作/復(fù)歸時(shí)間不會(huì)大于7ms，防抖延時(shí)大于10ms 就能夠有效改善；（2）躲過一次設(shè)備觸點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，尤其是操作時(shí)的抖動(dòng)現(xiàn)象。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，只要延時(shí)大于5ms，基本不會(huì)發(fā)生信號抖動(dòng)的問題。綜上所述，建議測控裝置的防抖時(shí)間大于25ms 即可。

4 結(jié)論

變電站SCADA 系統(tǒng)在改擴(kuò)建工程中，往往存在停電狀態(tài)多變，接入設(shè)備種類多樣，配置細(xì)節(jié)復(fù)雜的實(shí)際情況，因此在與站內(nèi)其他公共二次回路、間隔層設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的結(jié)合部，出現(xiàn)各種問題。就筆者所見的改擴(kuò)建中存在的典型問題進(jìn)行了分析總結(jié)，旨在為今后的工程基建及運(yùn)維檢修提供參考。