變電站自動化系統(tǒng)多層面防誤閉鎖方式的研究

徐輝明

（漳州電業(yè)局，福建 漳州 363000）

變電站自動化系統(tǒng)多層面防誤閉鎖方式的研究

徐輝明

（漳州電業(yè)局，福建 漳州 363000）

當(dāng)前變電站自動化系統(tǒng)都不同程度地采用防誤閉鎖，其閉鎖方式和策略各不相同。論文對目前常見的防誤閉鎖方法進(jìn)行了研究，通過對比分析，提出了在變電站自動化系統(tǒng)的多個(gè)控制層面綜合采用多種防誤閉鎖方式的應(yīng)用策略。

變電站自動化；防誤閉鎖；五防系統(tǒng)；多層面；IEC61131

安全生產(chǎn)是電力系統(tǒng)追求的基本目標(biāo)，盡管有著各種預(yù)防控制措施，但是誤操作事故仍然存在。誤操作不僅造成電氣設(shè)備的損壞、電網(wǎng)停電，甚至是帶來人員的傷亡。為此，我國在1990年提出了電氣設(shè)備防誤閉鎖操作的要求，并以法規(guī)形式規(guī)定了電氣防誤的管理、設(shè)計(jì)和使用原則，為有效防止誤操作引發(fā)的人身和重要設(shè)備事故起到了積極的作用。論文論述了如何在變電站自動化系統(tǒng)的不同控制層面上如后臺監(jiān)控系統(tǒng)、測控裝置和集控站系統(tǒng),分別采取不同的防誤閉鎖方式，多層面實(shí)現(xiàn)防誤閉鎖的功能，從而達(dá)到電氣設(shè)備防誤閉鎖的要求，防止誤操作的發(fā)生，保障變電站系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

一、變電站防誤閉鎖原理和實(shí)現(xiàn)方式

變電站內(nèi)通常按照一定規(guī)律安裝布置了斷路器、隔離刀閘、接地刀閘等電氣設(shè)備，這些設(shè)備的不同狀態(tài)影響著電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式，設(shè)備之間存在著相互的邏輯關(guān)系，因此也就只能按照正確的先后順序來操作這些電氣設(shè)備。根據(jù)電力系統(tǒng)多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，我們總結(jié)得出的“五防”就是指：防止誤分合斷路器，防止帶負(fù)荷拉刀閘，防止帶地刀(接地線)合刀閘送電，防止帶電合地刀或掛接地線，防止誤入帶電間隔。變電站自動化系統(tǒng)防誤閉鎖就是采取各種手段，防止電氣設(shè)備的誤操作，最早采用的就是在一次設(shè)備的二次操作回路中設(shè)置電氣防誤閉鎖方法。應(yīng)該說電氣防誤在實(shí)際運(yùn)行中確實(shí)起到了很重要的作用，但是這種方法需要接入大量的二次電纜，接線方式復(fù)雜，容易出錯(cuò)，運(yùn)行維護(hù)困難，加上先天原因，部分設(shè)備存在防誤閉鎖的盲區(qū)。

隨著自動化系統(tǒng)在變電站的應(yīng)用和不斷發(fā)展，防誤閉鎖又有了新的方法。當(dāng)前，面向間隔、面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的分層分布式的自動化系統(tǒng)已成為變電站自動化技術(shù)的發(fā)展主流。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,各種測控裝置都具有以太網(wǎng)絡(luò)接口,可以直接接入站內(nèi)局域網(wǎng)交換機(jī)，與站控層的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信,而不再需要通過通信層的通信控制器與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信。因此,我們可以將傳統(tǒng)分層分布式變電站自動化系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)簡化為兩層：站控層、間隔層。不同的層面完成其相應(yīng)的不同功能，“站控層”主要由計(jì)算機(jī)組成，包括服務(wù)器、工作站等，負(fù)責(zé)對裝置采集上送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲、顯示，完成各種分析、打印等，能夠?qū)﹂g隔層設(shè)備實(shí)施在線組態(tài)、修改定值、在線維護(hù)、操作閉鎖控制等功能，為操作人員提供友好的人機(jī)接口；“間隔層”主要包括保護(hù)裝置、測控裝置、故障錄波等智能電子設(shè)備(IED)，負(fù)責(zé)收集本間隔實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，對一次設(shè)備執(zhí)行保護(hù)控制功能，完成與站控層的網(wǎng)絡(luò)通信。

因?yàn)樽詣踊到y(tǒng)各個(gè)層面自身的特性和完成的功能不同，造就了防誤閉鎖在不同層面實(shí)現(xiàn)的不同方式。在變電站自動化系統(tǒng)中，防誤閉鎖就可以結(jié)合不同的控制層面得到實(shí)現(xiàn)。

二、基于后臺系統(tǒng)的防誤閉鎖

變電站當(dāng)?shù)厮械目刂撇僮髅疃际菑暮笈_系統(tǒng)發(fā)出，我們可以在站控層中安裝后臺防誤系統(tǒng)，每次控制操作開始時(shí)都經(jīng)由后臺防誤系統(tǒng)進(jìn)行閉鎖邏輯規(guī)則的判斷，從而保證控制操作命令的正確性。后臺防誤系統(tǒng)根據(jù)電氣防誤操作的原則設(shè)計(jì)，與監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)通訊，在線監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)，并根據(jù)設(shè)備狀態(tài)和倒閘操作防誤閉鎖的要求，按照閉鎖規(guī)則進(jìn)行判斷，最后才由操作票專家系統(tǒng)生成倒閘操作票，并將操作票傳送到電腦鑰匙。操作員在工作站上進(jìn)行的每一步操作都必須通過防誤閉鎖專家系統(tǒng)的規(guī)則判斷，只有判斷正確后才能將操作命令發(fā)出；如果所要操作的設(shè)備被五防系統(tǒng)判斷為不符合防誤閉鎖要求時(shí)，則本次操作被閉鎖取消。另外，操作員還可以帶上已經(jīng)傳有正確操作票的電腦鑰匙到設(shè)備現(xiàn)場對開關(guān)、刀閘、地刀等進(jìn)行現(xiàn)場對位及操作。

后臺防誤系統(tǒng)主要包括五防主機(jī)、模擬屏（或模擬操作機(jī)）、電腦鑰匙、電編碼鎖、機(jī)械編碼鎖和其他輔助部件。①五防主機(jī)主要完成與站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)通信、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、控制操作防誤、操作票管理等。②模擬操作機(jī)主要完成開關(guān)對位，檢查模擬圖與現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)是否一致；檢驗(yàn)操作票，按操作票內(nèi)容進(jìn)行預(yù)演操作，根據(jù)預(yù)先儲存的規(guī)則對每一項(xiàng)操作進(jìn)行判斷；并將正確的操作票內(nèi)容傳送到電腦鑰匙中以進(jìn)行解鎖、倒閘操作。③電腦鑰匙用于接收模擬操作機(jī)發(fā)來的操作票，然后按照操作票內(nèi)容逐項(xiàng)對編碼鎖進(jìn)行解鎖操作，具備按照操作票逐項(xiàng)解鎖操作、中斷操作、檢修操作和非正常跳步操作，并具有音響提示、操作票瀏覽、操作追憶等功能。④電編碼鎖具有電接點(diǎn)和編碼片，通過接通或斷開電氣控制回路，對電氣設(shè)備操作進(jìn)行閉鎖，主要用于對操作地點(diǎn)不在主控室的開關(guān)、刀閘等設(shè)備的電氣控制回路。操作時(shí)將電腦鑰匙插入電編碼鎖，若兩者的編號一致，則電腦鑰匙內(nèi)部操作回路接通、閉鎖解除，允許進(jìn)行操作。一旦操作人員走錯(cuò)位置，電腦鑰匙將檢測出錯(cuò)誤，操作回路無法接通，閉鎖操作并發(fā)出報(bào)警語音。⑤機(jī)械編碼鎖具有機(jī)械閉鎖和編碼片，通過打開或閉鎖電氣設(shè)備的機(jī)械操作機(jī)構(gòu)，對電氣設(shè)備進(jìn)行閉鎖。主要適用于需要機(jī)械操作的刀閘、地刀、接地線、網(wǎng)門的閉鎖。⑥輔助部件包括閉鎖盒、驗(yàn)電器和接地樁等，主要為了某些特殊位置的防誤需要。

盡管后臺防誤系統(tǒng)具備了模擬邏輯預(yù)演、邏輯閉鎖控制和生成操作票等各種功能，但是該類系統(tǒng)仍然存在不足：首先，系統(tǒng)采用商業(yè)計(jì)算機(jī)，其可靠性無法完全達(dá)到工業(yè)控制要求；其次，遠(yuǎn)方調(diào)度系統(tǒng)大多與總控單元進(jìn)行通信，調(diào)度下發(fā)遙控命令時(shí)要將命令轉(zhuǎn)發(fā)給后臺防誤系統(tǒng)才能進(jìn)行防誤閉鎖判斷，增加了中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，容易因?yàn)橥ㄐ艈栴}影響遠(yuǎn)方調(diào)度命令的執(zhí)行；最后，后臺防誤系統(tǒng)大多采用Windows操作系統(tǒng)，其安全性有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

三、基于測控單元的間隔邏輯閉鎖

現(xiàn)代緊湊型變電站自動化系統(tǒng)已經(jīng)簡化集成為間隔層和站控層兩個(gè)層次，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大多采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，將變電站內(nèi)的線路、主變各側(cè)、主變本體、母線、母聯(lián)、旁路等電氣設(shè)備定義為單獨(dú)的監(jiān)視控制對象，采用獨(dú)立的測控裝置對其進(jìn)行監(jiān)視和控制。測控裝置位于變電站自動化系統(tǒng)的間隔層，負(fù)責(zé)對應(yīng)間隔遙信、遙測信號的采集、處理和控制命令的執(zhí)行。在間隔層測控裝置中實(shí)現(xiàn)防誤操作最突出的優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)時(shí)性，因?yàn)槿颈O(jiān)控信息的數(shù)據(jù)全都來源于測控裝置。在間隔層增加一層防護(hù)措施將會更加安全可靠，可以說，在測控裝置上實(shí)現(xiàn)針對本間隔內(nèi)設(shè)備的防誤閉鎖是一種理想的選擇。目前，一次設(shè)備正在不斷向智能化方向發(fā)展，集成開關(guān)設(shè)備系統(tǒng)智能化的重要表現(xiàn)之一就是實(shí)現(xiàn)間隔內(nèi)五防功能，這也對測控裝置提出了更高的功能要求，在間隔層測控裝置中實(shí)現(xiàn)防誤閉鎖也是未來的發(fā)展趨勢之一。

要在間隔層測控裝置中實(shí)現(xiàn)防誤操作，必須先解決以下問題：（1）如何建立和驗(yàn)證防誤規(guī)則庫；（2）如何配置防誤聯(lián)鎖裝置的信息；（3）如何管理防誤規(guī)則庫。這些問題在防誤后臺系統(tǒng)中都很容易解決，但是對于只有簡單液晶顯示和少量功能按鍵鍵盤的測控裝置就變得比較困難。

目前測控裝置實(shí)現(xiàn)邏輯閉鎖的方法都是采用基于IEC61131標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的閉鎖邏輯軟件，通過安裝在后臺機(jī)的可視化軟件定義本間隔的邏輯閉鎖規(guī)則，經(jīng)過編譯將邏輯閉鎖規(guī)則轉(zhuǎn)換為測控裝置硬件可以直接執(zhí)行的可執(zhí)行代碼，然后下裝到對應(yīng)的測控裝置。間隔層每個(gè)測控裝置的防誤規(guī)則庫正是站控層防誤系統(tǒng)規(guī)則庫的子集，防誤規(guī)則的可執(zhí)行代碼按照遙控通道為索引存儲在裝置的Flash存儲器中。測控裝置在每次進(jìn)行控制操作都要先檢查閉鎖邏輯，只有條件滿足時(shí)才允許執(zhí)行控制，否則就閉鎖控制操作。

測控裝置的防誤閉鎖分為間隔內(nèi)閉鎖和間隔間聯(lián)合閉鎖。以帶有間隔間聯(lián)鎖的遙控為例，其遙控過程為：遙控選擇命令到達(dá)測控裝置；檢查該遙控通道防誤閉鎖軟壓板是否投入，有投入才需要閉鎖邏輯驗(yàn)證，未投入則不需判斷；CPU從Flash存儲器調(diào)取對應(yīng)遙控通道的防誤規(guī)則可執(zhí)行代碼；判斷是否有聯(lián)鎖，如果有聯(lián)鎖則需要先啟動聯(lián)鎖通信，獲取聯(lián)鎖裝置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，沒有則可直接進(jìn)入下一步；利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，按照防誤規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算；根據(jù)運(yùn)算結(jié)果回送遙控返校成功或失敗的信息。

為了滿足系統(tǒng)的要求，提高控制的可靠性，測控裝置的所有模塊器件都要達(dá)到工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)，全部經(jīng)過嚴(yán)格的電磁兼容試驗(yàn)等項(xiàng)目的測試。為了滿足裝置間相互通信獲取連鎖信息的實(shí)時(shí)性要求，若間隔層采用工業(yè)以太網(wǎng)為主的通信方案，則采用UDP協(xié)議而不是TCP協(xié)議。

四、基于集控站（運(yùn)維站）模式的防誤閉鎖系統(tǒng)

隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，110kV及以下電壓等級的變電站大多實(shí)現(xiàn)了無人值守，220kV變電站也開始了無人值守試點(diǎn)工作。為了保證對無人值守變電站的全面有效管理，在電網(wǎng)調(diào)度層和無人值守站之間設(shè)置集控站，以保證電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。最新的發(fā)展趨勢是在地區(qū)級調(diào)度中心設(shè)置調(diào)度監(jiān)控中心，在220kV樞紐變電站設(shè)置運(yùn)維站。運(yùn)維站類似于原有的集控站，除了不需要監(jiān)盤外，仍然負(fù)責(zé)附近所轄變電站的日常維護(hù)、倒閘操作等工作。論文討論的防誤閉鎖系統(tǒng)在集控站模式下和在將來的運(yùn)維站模式下，其主要功能應(yīng)該是沒有差別的，以下統(tǒng)一稱其為集控站防誤閉鎖系統(tǒng)。

目前已經(jīng)投運(yùn)的集控站自動化系統(tǒng)大致可以分為分級管理和集中管理兩種模式：①分級管理模式下變電站向集控站傳送本站的全部監(jiān)控信息，集控站則只向調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)其所需的部分信息；調(diào)度員只向集控站下達(dá)各種操作命令，對變電站的各種控制操作則由集控站完成。②集中控制模式只是在調(diào)度自動化系統(tǒng)的局域網(wǎng)上加裝集控站工作站，變電站的監(jiān)控信息全部直接送往調(diào)度端系統(tǒng)，調(diào)度端系統(tǒng)直接控制變電站。通過比較分析知道，分級管理模式下變電站采用兩級控制，信息流向清晰，可靠性高，是目前的主流方式。在設(shè)計(jì)防誤閉鎖系統(tǒng)，特別是老集控站新增或改造防誤閉鎖系統(tǒng)時(shí)，需要充分考慮如何利用集控站的原有信息資源，無縫地融入集控站自動化系統(tǒng)。

集控站防誤系統(tǒng)主要功能包括五防閉鎖、模擬預(yù)演、操作票管理及五防專家系統(tǒng)。防誤系統(tǒng)完成對各獨(dú)立變電站一次設(shè)備五防閉鎖系統(tǒng)的邏輯判斷，在集控站的模擬操作屏上對下轄變電站的操作任務(wù)進(jìn)行模擬預(yù)演、操作票的檢驗(yàn)，每一步操作都需要通過集控中心五防專家系統(tǒng)的“五防”邏輯判斷，只有判斷正確后才輸出操作程序給監(jiān)控系統(tǒng)，完成遙控操作。同時(shí)可以將操作票傳輸給電腦鑰匙，由操作人員帶著電腦鑰匙到現(xiàn)場對設(shè)備進(jìn)行操作。操作完成后，電腦鑰匙可將操作任務(wù)完成的信息回傳到站內(nèi)五防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和集控站五防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)信息的自動同步刷新。

［1］韓學(xué)軍,姜志臣.基于專家系統(tǒng)的變電站防誤系統(tǒng)［J］.吉林電力，2003，（10）.

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