一种简单的变电站改造联锁互通代理装置实现方法
南京南瑞继保电气有限公司的研究人员刘中泽、熊慕文等，在2018年第12期《电气技术》杂志上撰文指出，IEC 61850的日益普及及稳定运行促进了传统IEC 103站智能化升级改造的需求，改造过程中存在着较长时期新、旧系统并行运行的过渡过程，这期间新、旧系统的测控跨间隔联锁可能存在信号获取不到而导致联锁失败，同样后台监控五防也存在类似跨间隔防误逻辑失败问题。
本文在充分分析变电站改造需求的基础上，借鉴已有方案，挖掘问题本质，提出了联锁互通代理装置及其接入方案。此方案与现有代理装置相比，具有功能齐全、方案完备、配置简单、稳定可靠等特点。实践证明本文的方法是有效的。
近十年来，智能变电站及IEC 61850标准日益普及，并大面积应用于各变电站中，其安全、可靠、稳定运行进一步推动了传统IEC 103变电站及早期不成熟IEC 61850变电站向最新智能变电站的升级改造。
一方面改造升级需求日益迫切，另一方面供电可靠性、操作安全性需求也在提升，变电站的升级改造可能涉及的是全站所有间隔一二次设备的替换工作，越来越多的变电站改造并不能停掉旧变电站并重建新变电站，而需要按间隔逐个停电逐步替换。
在替换的过程中势必存在一定时期的新、旧系统共存的过渡阶段，一般持续几个月甚至几年时间，对这特殊时段的变电站系统，检修人员的日常倒闸维护操作安全性要求更高。另一方面，防误闭锁是我国长期电力运行使用并不断升级的安全操作保障，是变电站安全运行的基本要求，截止目前电力防误先后出现过一次设备机械闭锁、一次设备电气回路闭锁、微机五防闭锁（包含后台五防）、间隔层测控联锁闭锁，目前这4类闭锁仍在广泛并行使用。
其中后两种闭锁主要涉及软件程序操作，通常测控联锁逻辑同后台五防逻辑一致，两者都会涉及不同间隔位置信号参与同一个设备操作防误的规则逻辑中。变电站改造替换过程中，不同间隔的先后改造时间不一致，就会出现跨间隔联锁部分位置信号获取失败，进而导致测控联锁失效、后台五防失效。有效的保证变电站改造过程中新、旧两套系统的后台五防和测控联锁防误正常运行是变电站升级改造中不得不解决的自动化系统及运维方面的核心问题。
鉴于此，部分学者也开始提出了代理装置的思想，如文献[4-6]。文献[4]只考虑了旧系统信号共享至新系统，是单侧的共享，而且其配置是导入全站的SCD文件，解析配置工作复杂化了。文献[6]同样存在文献[1]的单向共享问题，而且其共享数据来源于通过网口镜像解析远动对上的104报文，不仅存在破坏变电站网络安全规范问题嫌疑，而且匹配信号点复杂、信号传递的实时性存在不足。
文献[5]提及了双向桥接的思想，但并没有给出具体的实现方案和配置方法，未明确代理装置所需处理的核心信号，也未提及后台五防的处理方法。总而言之，现有的代理装置通用性欠缺，部分文献并未解决实际需求，整体方案不够完备。
本文提出的联锁互通代理装置，在充分理解改造需求的基础上，抓住所需共享的核心数据信息，简化配置方法，能兼容绝大部分变电站的升级改造场景，具有开发周期短、配置工作少、改造过程中改动小、通用性强等特点。为叙述方便，下文将联锁互通代理装置简称代理装置。
1 改造需求
代理装置的设计需要考虑以下需求。
1）改造过程中，新、旧系统后台同时存在，非跨间隔联锁信号可以在新后台或旧后台各自监视，但参与了测控联锁、后台五防的跨间隔联锁信号需要共享，在改造过程中必须保证完整、实时的联锁信号共享，解决联锁信号的实时共享是代理装置需要处理的核心问题。
2）新、旧两套系统在改造过程中可能存在规约不同或者同为某规约，无论哪侧系统哪种规约，为防止报文干扰、信号冲突，在改造过程中都要隔离两套系统，始终保持两套系统网络独立运行。
3）对未替换的旧系统装置，为确保旧系统运行安全，不允许更改装置配置，并且对新系统侧每投入运行一个新装置，也不允许更改其配置。
4）改造是临时过渡过程，每替换一个间隔改动要小，改造完成代理装置要退出，为此要求代理装置成本低，组网简单，投入/退出方便，运行中要稳定可靠。
2 工作原理
2.1 运行原理图
在实际变电站改造过程中主要存在的改造类型是103旧站向61850新站和61850旧站向61850新站两种类型的工程改造模式。图1为103→61850改造的代理装置运行原理图，假设Y表示所有还未替换的装置，X表示所有已替换的装置，X与Y之间存在联锁信息共享，代理装置运行原理如下：
①在旧系统103侧代理装置需要接收Y发出来的103联锁信号，在新系统61850侧代理装置需要接收X发出来的GOOSE联锁信号；
②代理装置需要将收到103联锁信号（来源Y）转换成GOOSE信号发送到新系统网络，新装置X收取该GOOSE信号并进行自身的联锁判断；
③代理装置也需要将收到的GOOSE联锁信号（来源X）转换成103信号发送到旧系统网络，旧装置Y收取该103信号进行自己的联锁判断；
④对某侧不存在的装置，代理装置不接收其信号，对某侧存在的装置，代理装置不能再模拟发送其联锁信号。
整个过程，代理装置扮演一个收取转发的角色，对于装置X、Y来说所收取的信号完全等同于实际装置发出来的。图2为61850→ 61850改造的代理装置运行原理图，原理类似，本文不再赘述。
图1 103→61850改造
图2 61850→61850改造
2.2 共享联锁信息
代理装置需要来回转发的信号是各间隔测控装置需要向外发送的联锁信息，而对于仅参与某测控装置自身联锁的位置信号（未参与其他装置的联锁），是不需要转发的，所以代理装置需要代理的装置仅仅是需要外发联锁信息的测控装置，无需考虑保护装置和其他未参与联锁的测控装置。
2.3 特殊问题处理
代理装置在收取、转发联锁信号时，需要知晓两侧联锁信号的对应关系，特殊的是：
①存在旧系统103单点信号与新系统侧GOOSE单点或GOOSE双点遥信两种情形兼容对应的问题，代理装置知道映射关系后结合单点、双点标志，对单点直接对应，对双点需在程序内部实时组合成GOOSE双点或拆成103单点；
②在运行过程中还存在装置检修、信号接收断链等品质问题，甚至代理装置本身也可以配置一个检修压板，策略为代理装置收到带有检修品质、断链品质的联锁信号，则不转发该信号到对侧系统；代理装置本身置检修，正常接收两侧联锁信号，转发时统一置上检修品质。
2.4 对上通信问题
以新系统为例，改造过程中，新系统后台五防正常运行需要获取来自新系统已投入的测控装置位置信号以及旧系统有关联的部分测控装置位置信号，以构成完整的五防逻辑，显然在新系统网络中，旧系统的这些信号只有代理装置有接收，故代理装置需要具备对后台通信能力。
调度方面，可参考文献[4]，改造过程中新系统与旧系统的远动装置共同存在，信号在调度处合并，新、旧远动装置的运行与代理装置的存在与否无关，代理装置不需要对上接入远动。
3 具体实现
3.1 组网方法
代理装置同时接入新、旧系统网络，为保证网络的独立性，代理装置使用不同网口接入新旧网络，甚至更严格一点可使用不同板卡的网口或光口分别接入。
图3为本文提出的一个组网实现方案，代理装置的B03（DSP板）接入新系统的站控层网络，收集新系统装置需要外送的联锁信号；同时B05（DSP板）接入旧系统的站控层网络，收集旧系统装置需要外送的联锁信号；经过B01（CPU板）处理，根据装置、信号的映射关系，控制B03、B05分别转发来自B05、B03并转换过的103或GOOSE块信号，与此同时，CPU实时存储了收集到的新旧系统信号，通过CPU板卡不同网口接入新、旧系统网络，上送新、旧系统后台。
综上：B03（B05）负责分别以新（旧）系统侧报文规约形式接收、发送新（旧）系统联锁信号；B01负责处理B03、B05接收的信号，进行处理后再控制B03、B05发送哪些信号以及发送什么值，并负责对后台通信。
图3 代理装置组网方法
3.2 代理装置设计
根据上节分析，代理装置的最低板卡配置只需要电源板、CPU管理板、DSP板（也可以配置开入板），这和普通测控相比，板卡配置是普通测控的子集，而普通测控CPU板本身具备对上通信（103或61850），故所设计的代理装置仅需要在普通测控的基础上重新开发CPU和DSP板的部分应用程序。
代理装置采集到新、旧系统的联锁信号并根据映射关系，控制向对侧系统发送采集到的并转换过的有效联锁信号，其中控制某装置或某GOOSE块联锁信号的接收与本侧该装置是否退出运行有关；控制报文的发送与对侧该装置是否退出有关，还与对侧报文接收品质合理是否有关。
其中联锁信号品质是在运行中实时接收判断的，而装置是否投退可通过投退定值或者开入压板实现，本文采用一组新装置投入定值和一组旧装置退出定值来标记新、旧系统装置投退状态
3.3 配置工具设计
代理装置能够正确接收联锁信号并模拟发送联锁信号，需要知晓新、旧系统参与联锁转发装置的装置信息、信号信息，同时为了调试、监视方便，还需要知晓各装置IEDName、信号名称等，代理装置还需要准确知道新系统和旧系统信号的对应关系。
为提高装置运行效率也为降低出错概率，在投入代理装置前，将复杂的匹配工作放到工具上，通过配置工具生成最简配置表并导入代理装置，减少装置处理耗时。
对103网络报文来说，识别一个开入信号，需要知道装置地址、组号、条目号；对61850 GOOSE信号需要知道所属GOOSE块、FCDA（GOOSE信号引用全名）。所以工具的工作：
①导入：对61850侧，导入需要外发联锁GOOSE块的所有测控装置的GOOSE联锁文本（测控需要外发的联锁GOOSE块也即为代理装置需要接收和发送的GOOSE块）；对103侧，导入需要外发103联锁信号的所有测控装置的103文本；
②配置工作：新、旧两侧装置按顺序排列好，填好103地址、IEDName，进行各信号匹配拉线操作；③导出：装置及信号映射表，GOOSE收发块文本。
代理装置投入运行时，将映射表导入CPU板，代理装置启动后通过解析配置文本知晓所有各装置基本信息，如装置地址、某装置所属的所有GOOSE块、两侧所有信号对应关系等。
4 现场应用
根据本文设计的代理装置及组网方法，在杭州某500kV变电站进行应用，该站需将附近另外一个220kV变电站切割至本500kV变电站。具体改造过程：
①220kV变电站看作旧系统侧，拿到其全站SCD文件，导出需要外送联锁信号的测控装置联锁GOOSE文本；
②500kV变电站看作新系统侧，制作完成切割后的最终新系统的SCD文件，导出需要外送联锁信号的测控装置联锁GOOSE文本；
③将两部分联锁GOOSE文本导入配置工具，按既定顺序排列装置，然后进行信号匹配拉线，生成映射文本、GOOSE收发块文本，分别下载到代理装置B01板、B03/B05板；
④切割前，代理装置所有旧装置退出定值置0，所有新装置投入定值置0，代理装置按图3组网接入后，此时旧系统侧只接收所有测控联锁信息，新系统只发送所有测控联锁信息；
⑤每替换一个间隔，需要修改一对投退定值，即该间隔对应的旧系统装置退出定值由0改为1，该间隔对应的新系统装置投入定值也由0改为1，同时在后台修改与该间隔相关的五防信号来源并进行画面关联修改（位置信号来源于新/旧系统装置还是来源于代理装置）；
⑥每替换一个间隔并修改后，简单测试测控联锁、后台五防是否正常；
⑦替换完所有间隔测控，直接退出代理装置。实际该工程在改造期间，代理装置、测控联锁、后台五防均运行正常，未发生任何问题，这验证了本文方法的有效性。
本文通过分析变电站改造过程联锁互通代理装置需要处理的核心问题，即联锁信号的实时共享是解决测控联锁和后台五防正常工作的前提，设计了代理装置的配置功能及组网方案，显然本文的方法简单、效率高，仅仅用一个装置并以最简配置实现了改造过程中新、旧系统测控联锁和后台防误的稳定运行，而且本文的方法可以通过开发不同厂家的103规约模块，能兼容103→61850、103→103、 61850→61850各种类型的改造工程。
对于很大规模的变电站改造升级场景，如单个代理装置处理能力有限，可以将全站划分成没有联锁耦合的两个部分，将问题转化为投入两个代理装置分别处理“两个”独立系统的改造问题。此外按本文的方案，间隔升级，测控装置并不一定非要一对一替换，可以实现一对多替换（如旧系统的一个测控装置替换为新系统的两个测控装置）。
可以预见本文的方法能兼容绝大部分变电站系统的升级改造工作。美中不足的是，代理装置需要导入的文本是需要外送联锁信号的测控装置文本，对61850侧来说，GOOSE文本并没有差异，需要人为判断哪些装置需要外送联锁信号。