智能變電站中順序控制的功能分析與實(shí)現(xiàn)

谷月雁 司 剛 劉清瑞

（1.天津市電力公司，天津 300010；2.天津市電力公司城西供電分公司，天津 300020；3.上海申瑞電力科技股份有限公司，上海 201615）

1 引言

隨著變電站的數(shù)量越來越多，導(dǎo)致對(duì)變電站電氣設(shè)備的操作越來越頻繁[1]。目前配置綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的變電站，一般都支持上級(jí)調(diào)度操作、集控站操作、本地操作員站操作、二次設(shè)備就地操作的控制方式，但由于設(shè)備、技術(shù)、管理等方面的限制，只能實(shí)現(xiàn)單對(duì)象的選擇－返校－執(zhí)行操作控制方式[2]。這種方式雖然在一定程度上保證了操作的安全性，但勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作過程用時(shí)長、操作風(fēng)險(xiǎn)高。隨著變電站操作密度的增加，操作過程中人工干預(yù)程度較高，給運(yùn)行人員帶來了較大壓力，也從一定程度上增加了誤操作的可能，影響了電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平[3]。

順序控制操作能夠有效減少操作時(shí)間，減少停電時(shí)間，降低經(jīng)濟(jì)損失和對(duì)生產(chǎn)生活造成的不便；順序控制操作還能夠有效降低倒閘操作誤操作的概率，從而降低電網(wǎng)事故率，防止大面積停電，避免造成惡劣的社會(huì)負(fù)面效應(yīng)[4]。

智能電網(wǎng)的建設(shè)大大促進(jìn)了促進(jìn)智能變電站的發(fā)展，智能變電站采用站控層、間隔層、過程層的三層結(jié)構(gòu)，應(yīng)用電子式互感器、合并單元、智能一次設(shè)備和智能單元等硬件平臺(tái)，采用高速以太網(wǎng)、IEC61850通信協(xié)議、GOOSE通信機(jī)制等先進(jìn)的技術(shù)，為變電站全面實(shí)現(xiàn)順序控制提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段和基礎(chǔ)設(shè)備支撐。因此，國家電網(wǎng)公司頒布的《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》中明確規(guī)定，把變電站的設(shè)備順序控制功能作為智能變電站的基本系統(tǒng)功能之一[5]。

2 變電站順序控制的含義

所謂變電站電氣設(shè)備順序控制，是指通過自動(dòng)化系統(tǒng)的單個(gè)操作命令，根據(jù)預(yù)先規(guī)定的操作邏輯和五防閉鎖規(guī)則，自動(dòng)按規(guī)則完成一系列斷路器和隔離開關(guān)的操作, 最終改變系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的過程，從而實(shí)現(xiàn)變電站電氣設(shè)備從運(yùn)行、熱備用、冷備用、檢修等各種狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。變電站的順序控制能幫助操作人員執(zhí)行復(fù)雜的操作任務(wù)，將傳統(tǒng)的操作票轉(zhuǎn)變成任務(wù)票, 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜操作單鍵完成，整個(gè)操作過程無需額外的人工干預(yù)或操作，可以大大提高操作效率和減少誤操作的風(fēng)險(xiǎn), 最大限度地提高變電站的供電可靠性，也縮短了因人工操作所造成的停電時(shí)間，尤其在大規(guī)模高電壓變電站中效果特別顯著[6]。

變電站實(shí)施順序控制是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施為變電站實(shí)現(xiàn)順序控制提供了良好的技術(shù)平臺(tái)。由于 IEC 61850采用了面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型，使得在整個(gè)變電站域（domain）內(nèi)，所有智能電子設(shè)備( Intelligent Electronic Device , IED) 節(jié)點(diǎn)模型中的任意信息點(diǎn)都有其獨(dú)一無二的層次化標(biāo)準(zhǔn)引用名, 通過該信息引用名可以實(shí)現(xiàn)所需信息的簡單快速查找與定位，為裝置間信息交互和裝置內(nèi)部函數(shù)調(diào)用提供了高效的手段。而通過引用名就可以快速準(zhǔn)確地定位到具體的裝置和邏輯節(jié)點(diǎn),獲得該斷路器的當(dāng)前狀態(tài)信息和它的一些標(biāo)準(zhǔn)控制接口。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中定義的 GOOSE 報(bào)文通信模型, 可以代替大量屏間硬接線電信號(hào)的交互, 在大大提高裝置間通信靈活性的同時(shí), 也為變電站實(shí)現(xiàn)順序控制功能提供了極大的便利[7]。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，徹底避免了傳統(tǒng)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這種功能所要求的屏間錯(cuò)綜復(fù)雜的硬接線以及控制功能死板等弊端，提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)和靈活的實(shí)現(xiàn)手段。

3 智能變電站對(duì)順序控制操作的要求

國家電網(wǎng)公司頒布的《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》在基本系統(tǒng)功能部分提出了對(duì)順序控制的功能要求，即：滿足無人值班及區(qū)域監(jiān)控中心站管理模式的要求；可接收和執(zhí)行監(jiān)控中心、調(diào)度中心和本地自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，經(jīng)安全校核正確后，自動(dòng)完成符合相關(guān)運(yùn)行方式變化要求的設(shè)備控制；具備自動(dòng)生成不同主接線和不同運(yùn)行方式下典型操作流程的功能；具備投、退保護(hù)軟壓板功能；具備急停功能；可配備直觀圖形圖像界面，在站內(nèi)和遠(yuǎn)端實(shí)現(xiàn)可視化操作[5]。此外，《110（66）kV～220kV智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》也對(duì)智能變電站的順序控制做了明確要求[8]。

4 變電站電氣設(shè)備的狀態(tài)、操作與順序控制

變電站電氣設(shè)備具有運(yùn)行、熱備用、冷備用和檢修四種狀態(tài)。電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是指斷路器及隔離開關(guān)都在合閘位置，電路處于接通狀態(tài)（包括變壓器、避雷器、輔助設(shè)備如儀表等）。電氣設(shè)備的熱備用狀態(tài)是指斷路器在斷開位置，而隔離開關(guān)仍在合閘位置，其特點(diǎn)是斷路器一經(jīng)操作即可接通電源。電氣設(shè)備的冷備用狀態(tài)是指設(shè)備的斷路器及隔離開關(guān)均在斷開位置，其顯著特點(diǎn)是該設(shè)備(如斷路器)與其他帶電部分之間有明顯的斷開點(diǎn)。電氣設(shè)備的檢修狀態(tài)是指設(shè)備的斷路器和隔離開關(guān)均已斷開，并采取了必要的安全措施。如檢修設(shè)備（如斷路器）兩側(cè)均裝設(shè)了保護(hù)接地線（或合上了接地隔離開關(guān)），安裝了臨時(shí)遮攔，并懸掛了工作標(biāo)示牌，該設(shè)備即處于檢修狀態(tài)。

對(duì)改變這些設(shè)備狀態(tài)的操作進(jìn)行總結(jié)歸納，可以分為以下幾類：斷路器、刀閘的分合操作（包括進(jìn)線、出線、站用變）；倒母線操作（包括母線分段開關(guān)和母聯(lián)開關(guān)操作）；主變壓器并列運(yùn)行操作；主變壓器有載調(diào)壓開關(guān)分接頭調(diào)節(jié)操作；主變、母線、出線、電容器開關(guān)間隔的停送電操作（包括一次設(shè)備的運(yùn)行、熱備用、冷備用、檢修狀態(tài)之間的互相轉(zhuǎn)換）；同期操作；站內(nèi)其他設(shè)備的啟動(dòng)/停止或投入/退出操作；繼電保護(hù)保護(hù)裝置的復(fù)歸、設(shè)備復(fù)位、告警確認(rèn)與清除、定值修改操作；自動(dòng)電壓無功控制操作等[9]。

所謂的順序控制，即是通過一個(gè)控制命令完成電氣設(shè)備在上述幾種狀態(tài)之間的一系列轉(zhuǎn)換操作。至于斷路器的分合操作等單對(duì)象的控制操作（如出線斷路器由運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)熱備用狀態(tài)），則與傳統(tǒng)變電站綜合自動(dòng)化的操作近似，無需采用順序控制的操作模式，只要通過監(jiān)控系統(tǒng)按常規(guī)操作完成即可。

5 智能變電站順序控制的軟硬件實(shí)現(xiàn)方式

智能變電站的順序控制需要從硬件和軟件兩方面實(shí)現(xiàn)。

5.1 硬件平臺(tái)

實(shí)現(xiàn)順序控制的智能變電站設(shè)備必須符合導(dǎo)則的要求，即系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分層分布化、一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、信息采集數(shù)字化。由于采用了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議和高速工業(yè)以太網(wǎng)通信，無論是間隔內(nèi)的順序控制還是涉及多個(gè)間隔或者跨電壓等級(jí)的順序控制，均可以通過智能單元內(nèi)部或智能單元之間的信息交互實(shí)現(xiàn)，無需設(shè)置專門的順序控制工作站或順序控制單元。具體來說，滿足順序控制的硬件平臺(tái)需滿足以下要求。

（1）一次設(shè)備。所有納入順序控制操作的一次設(shè)備均需要具備電動(dòng)操作功能，包括斷路器、隔離刀閘、地刀、手車等均要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)操作，也就是通過電氣操作可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)、刀閘的分合，手車的推入和拉出等。再者，為了獲得較高的操作正確性和操作成功率，需要一次設(shè)備要具有較高的可靠性。

（2）二次設(shè)備。完成順序控制的各二次設(shè)備即智能組件必須符合 IEC 61850的規(guī)定以及智能變電站技術(shù)導(dǎo)則的規(guī)定，而且必須工作穩(wěn)定可靠。二次設(shè)備是順序控制功能的具體執(zhí)行者，同時(shí)也負(fù)責(zé)采集一次設(shè)備的狀態(tài)。所以，二次設(shè)備必須能夠根據(jù)操作票的邏輯和操作順序正確發(fā)出控制命令，也要確保各狀態(tài)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確及時(shí)。同時(shí)，還要具備一定的容錯(cuò)機(jī)制。對(duì)于保護(hù)設(shè)備來說，要求具有可遠(yuǎn)方投退的保護(hù)軟壓板并可實(shí)現(xiàn)保護(hù)定值區(qū)的遠(yuǎn)方切換。

各智能組件從結(jié)構(gòu)上來看，一般應(yīng)采用32位及以上的CPU、具有32MB及以上容量的存儲(chǔ)器、支持4個(gè)以上的高速工業(yè)以太網(wǎng)接口、具備GPS同步對(duì)時(shí)接口，除具有通用的保護(hù)測控功能外，還要采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)、符合 IEC61850通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、支持GOOSE網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制。

5.2 通信通道及通信規(guī)約

與調(diào)度主站或集控站的通信通道必須采用高可靠性、高速率的通道，推薦采用光纖通道，站內(nèi)各層全部采用高速工業(yè)以太網(wǎng)通信。通信規(guī)約必須采用IEC 61850系列標(biāo)準(zhǔn)（即DL/T 840系列標(biāo)準(zhǔn)）。

5.3 軟件實(shí)現(xiàn)

變電站的各種操作都有明確的規(guī)則，軟件實(shí)現(xiàn)中必須給予充分的重視。對(duì)順序控制操作的一般要求是：操作前要首先核對(duì)操作員身份和權(quán)限，核對(duì)設(shè)備名稱和編號(hào)，操作中遇有事故或異?，F(xiàn)象時(shí)應(yīng)停止操作，每操作完一項(xiàng)都應(yīng)進(jìn)行標(biāo)記，全部操作完畢要進(jìn)行檢查。操作中必須按操作規(guī)則中規(guī)定的項(xiàng)目依次進(jìn)行，禁止跳項(xiàng)、漏項(xiàng)、添項(xiàng)[10]。

變電站順序控制的軟件實(shí)現(xiàn)分為后臺(tái)計(jì)算機(jī)與智能單元兩個(gè)部分。智能單元內(nèi)部保存所有與本間隔內(nèi)操作、與本間隔相關(guān)的跨間隔跨電壓等級(jí)操作所需的操作規(guī)則；后臺(tái)計(jì)算機(jī)則保存全部的操作規(guī)則。后臺(tái)計(jì)算機(jī)的每次順序控制操作，都先從相關(guān)智能單元中讀取操作規(guī)則進(jìn)行比較，如果一致則繼續(xù)后續(xù)操作，如果不一致則給出報(bào)警，提醒操作人員核對(duì)操作規(guī)則的正確性。操作規(guī)則針對(duì)每一個(gè)操作對(duì)象制定，一旦變電站有增容、切改、擴(kuò)建等變化，須及時(shí)修改操作規(guī)則。

智能單元內(nèi)部的順序控制軟件流程如圖1所示。

圖1 智能單元內(nèi)的順序控制操作軟件流程圖

后臺(tái)計(jì)算機(jī)中順序控制軟件的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，但對(duì)安全性要求較高，需要按照國家主管部門的要求配置物理隔離裝置和軟件防火墻。其順序控制概念的軟件流程圖如圖2所示。

圖2 后臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中順序控制軟件流程圖

限于篇幅，具體操作規(guī)則在此不作贅述。

6 智能變電站順序控制需注意的問題

經(jīng)過現(xiàn)場的實(shí)際運(yùn)行實(shí)踐，筆者認(rèn)為智能變電站實(shí)施順序控制時(shí)需要注意以下幾個(gè)方面。

（1）必須注意控制源的惟一性。目前無人值班的變電站可以實(shí)施操作的控制源除裝置本身外，還有當(dāng)?shù)赜?jì)算機(jī)、集控站、上級(jí)調(diào)度等，如果協(xié)調(diào)不力會(huì)產(chǎn)生多源控制的問題。所以，除在操作對(duì)象權(quán)限的分配上予以注意外，還要具有完備的閉鎖、互鎖機(jī)制，確保每一個(gè)控制對(duì)象在同一時(shí)刻只受唯一的控制源控制。

（2）必須十分注意系統(tǒng)的安全與身份認(rèn)證機(jī)制。目前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軍采用開放的國際標(biāo)準(zhǔn)、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在帶來系統(tǒng)互連便利的同時(shí)，也使系統(tǒng)面臨著各種攻擊。多數(shù)系統(tǒng)已經(jīng)加裝了物理隔離裝置，與外部系統(tǒng)有了較好的隔離，但來自內(nèi)部的黑客攻擊、惡意入侵、無意的誤操作等也不能忽視，所以除安裝物理隔離裝置、安裝防火墻軟件外，嚴(yán)格的管理制度也同樣重要。

（3）與視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。智能變電站的順序控制功能模塊應(yīng)該與視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。也就是說，在進(jìn)行順序控制操作時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)把視頻畫面切換到與操作設(shè)備有關(guān)的對(duì)象上，除系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行邏輯判斷外，操作員也能通過視頻畫面直觀地觀測到設(shè)備的當(dāng)前實(shí)際狀態(tài)、操作中間的變化狀態(tài)、操作結(jié)果等，以便出現(xiàn)異常時(shí)可隨時(shí)對(duì)順序控制過程進(jìn)行干預(yù)。

（4）模擬操作仿真預(yù)演。為保證順序控制的正確性，必須在正式操作前進(jìn)行模擬操作仿真預(yù)演，以檢驗(yàn)操作邏輯的準(zhǔn)確無誤。

（5）異常處理：①順序控制操作過程中，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)生事故或異常告警信號(hào)時(shí)，應(yīng)自動(dòng)停止操作；②順序控制操作過程中，變電站設(shè)備出現(xiàn)分、合不到位或未滿足操作條件時(shí)，應(yīng)自動(dòng)停止操作；③順序操作中斷后，若設(shè)備狀態(tài)未發(fā)生改變，則在排除導(dǎo)致順序控制操作停止的因素后，繼續(xù)進(jìn)行順序控制操作；若設(shè)備狀態(tài)已發(fā)生改變，則在排除導(dǎo)致設(shè)置控制操作停止的因素后，轉(zhuǎn)向進(jìn)行常規(guī)操作。

（6）注意順序控制操作的連貫性。變電站順序控制操作是一個(gè)全自動(dòng)的過程，操作過程中不需人工干預(yù)。為保證順序控制操作的連貫執(zhí)行，在編制順序控制操作票時(shí)應(yīng)考慮將整個(gè)操作過程可能出現(xiàn)的需人工干預(yù)的操作步驟（如：分、合操作機(jī)構(gòu)操作電源空氣開關(guān)，拆接臨時(shí)接地線等）安排在順序控制操作之前或之后執(zhí)行，以避免順序控制操作過程的非故障性中斷。

（7）注意順序控制操作票的相對(duì)固定性?？紤]到安全管理的需要，順序控制操作票一經(jīng)審核并經(jīng)測試、驗(yàn)收合格投入使用后，就不能隨意更改，即使確需修改也要重新測試、驗(yàn)收并經(jīng)審批流程審核批準(zhǔn)后才能使用。

（8）順序控制操作應(yīng)能自動(dòng)適應(yīng)設(shè)備運(yùn)行方式的變化。順序控制操作應(yīng)能自動(dòng)根據(jù)間隔設(shè)備各元件的實(shí)時(shí)位置判斷其所處的狀態(tài)，并恰當(dāng)?shù)靥^某些操作步驟（如：某開關(guān)間隔原來已在熱備用狀態(tài)，則順序控制操作執(zhí)行到將該間隔由運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)冷備用狀態(tài)時(shí)應(yīng)能判斷該斷路器已在分閘位置，從而跳過執(zhí)行斷開該斷路器這一步，轉(zhuǎn)而執(zhí)行搖出該斷路器手車的操作），從而保證安全、正確、高效地完成整個(gè)順序控制操作。

（9）提高順序控制操作的效率。對(duì)于過于簡單、不常用、非典型的操作任務(wù)不應(yīng)列入順序控制操作的范圍，一方面避免出現(xiàn)過多的順序控制操作引起混淆以便安全運(yùn)行管理，另一方面還可以降低由于對(duì)運(yùn)行方式考慮不周在進(jìn)行非典型操作時(shí)所產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

7 結(jié)論

順序控制是智能變電站重要的基本系統(tǒng)功能之一，充分體現(xiàn)了智能變電站的優(yōu)越性。在具體實(shí)施過程中，既需要調(diào)度/集控站系統(tǒng)的軟件增加相應(yīng)的功能模塊，也需要變電站間隔層和過程層智能單元的配合。也就是說，順序控制必須考慮主站、集控站、變電所監(jiān)控后臺(tái)、遠(yuǎn)動(dòng)裝置、和間隔層測控設(shè)備內(nèi)對(duì)順序控制操作的全面支持與功能分配，以提高變電站電氣操作的正確性和快速性。

順序控制操作已經(jīng)在110kV、220kV變電站試點(diǎn)成功，證明這種操作模式完全可以適應(yīng)更加復(fù)雜的電氣接線方式和大型的電氣設(shè)備。對(duì)于更大規(guī)模、更高電壓等級(jí)的變電站操作，順序控制的應(yīng)用效益會(huì)更加明顯。

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