智能變電站站控層在線防誤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔣宏圖，袁 越，程 偉

（1.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.上海思源弘瑞自動(dòng)化有限公司，上海 201108）

0 引言

五防是指防止電力系統(tǒng)倒閘操作中經(jīng)常發(fā)生的5種誤操作事故，即誤分合斷路器、帶負(fù)荷拉合隔離刀閘、帶接地刀（接地線）合隔離刀閘、帶電合接地刀（掛接地線）以及誤入帶電間隔。

微機(jī)五防系統(tǒng)在變電站自動(dòng)化中應(yīng)用廣泛，在電網(wǎng)的倒閘操作中發(fā)揮了重要的作用。所有新建的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，均需要設(shè)置五防系統(tǒng)。目前，一體化五防逐漸替代微機(jī)五防[1]，但五防閉鎖校驗(yàn)仍基于規(guī)則邏輯實(shí)現(xiàn)，這種方式的五防系統(tǒng)有以下缺點(diǎn)：

a.都是通過預(yù)先直接定義具體設(shè)備間的操作閉鎖關(guān)系實(shí)現(xiàn)；閉鎖邏輯靈活性差，當(dāng)出現(xiàn)一些特殊操作或意外情況，正常的閉鎖邏輯可能就不再適用，而不得不退出五防，造成一定的安全隱患；

b.設(shè)備正常運(yùn)行與檢修模式的五防邏輯通常不同，需要有2套或以上預(yù)先定義的閉鎖邏輯來回切換，操作不便，易出錯(cuò)；

c.當(dāng)設(shè)備變動(dòng)或變電站改擴(kuò)建時(shí)，受影響的閉鎖邏輯需要重寫，且需要重新驗(yàn)證，維護(hù)工作量大；

d.當(dāng)變電站一次設(shè)備很多時(shí)，編寫五防規(guī)則工作量大。

為避免規(guī)則編寫工作量大及易出錯(cuò)的問題，文獻(xiàn)[2]描述了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)閉鎖規(guī)則，文獻(xiàn)[3-4]論述了基于單線圖拓?fù)涞囊?guī)則代替繼電器邏輯來實(shí)現(xiàn)閉鎖操作，文獻(xiàn)[5-6]提出基于變電站一次接線圖導(dǎo)出閉鎖規(guī)則的方法，文獻(xiàn)[7]提出基于變電站配置描述（SCD）[8]模型文件，采用專家系統(tǒng)導(dǎo)出閉鎖規(guī)則的方法，文獻(xiàn)[9]提出“基于GOOSE的變電站在線式五防系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)”，解決的是電腦鑰匙上送操作結(jié)果的“離線”問題，本質(zhì)還是基于規(guī)則邏輯的五防。文獻(xiàn)[10]研究了EMS中基于拓?fù)湮宸赖姆椒?。但是，基于變電站的拓?fù)湮宸姥芯恳恢笔强瞻住?/p>

高壓設(shè)備應(yīng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電氣誤操作邏輯判斷[11]。分析智能變電站的技術(shù)特點(diǎn)[12-15]，本文利用全站模型SCD文件，構(gòu)建靜態(tài)拓?fù)潢P(guān)系，基于設(shè)備類型防誤元規(guī)則實(shí)現(xiàn)拓?fù)浞勒`；基于拓?fù)渑c基于規(guī)則邏輯的防誤閉鎖主輔模式協(xié)調(diào)使用，實(shí)現(xiàn)站控層在線防誤操作。

1 智能變電站全站模型SCD

IEC61850建立了變電站配置描述語言SCL（Substation Configuration description Language）對(duì)象模型[8]，如圖1所示。該模型用SCD文件描述。SCD文件基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言（XML），由系統(tǒng)配置器SCT（System Configuration Tool）[8]生成和維護(hù)。

圖1 SCL對(duì)象模型Fig.1 Model of SCL object

SCD模型文件包含以下信息。

a.變電站模型：描述了變電站、電壓等級(jí)、間隔、一次設(shè)備、子設(shè)備、連接節(jié)點(diǎn)之間的層次關(guān)系、拓?fù)溥B接關(guān)系。

b.IED模型：以邏輯節(jié)點(diǎn)（LN）形式表述的功能及其與物理裝置IED的關(guān)系，以及邏輯節(jié)點(diǎn)與一次設(shè)備的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

c.通信系統(tǒng)模型：描述了訪問點(diǎn)（AccessPoint）、子網(wǎng)（Subnetwork）等，及其與物理裝置的連接關(guān)系。

基于IEC61850的智能變電站，具有全站統(tǒng)一模型SCD。SCD是變電站模型之源，站控層各個(gè)應(yīng)用都可以基于此模型建設(shè)，也是上級(jí)調(diào)度模型之源和源端維護(hù)之源[11]。

2 拓?fù)淠Ｐ徒⒓巴負(fù)渌惴?/h2>

2.1 傳統(tǒng)拓?fù)渖煞椒?/h3>

目前，系統(tǒng)拓?fù)浞治瞿Ｐ蚚16-17]通?；贗EC61970 CIM模型構(gòu)建，由圖、模、庫一體化平臺(tái)根據(jù)一次接線圖繪制過程中圖元的連接關(guān)系自動(dòng)生成元件、端點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)，并分別為它們編號(hào)，由此電力網(wǎng)絡(luò)模型就簡(jiǎn)化成了由拓?fù)涔?jié)點(diǎn)和元件組成的網(wǎng)絡(luò)形式。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是拓?fù)淠Ｐ妥詣?dòng)生成，效率高；缺點(diǎn)是對(duì)繪圖工具的依賴性強(qiáng)，維護(hù)工作量較大，拓?fù)湓乇硎竞痛鎯?chǔ)方法沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，兼容性較差。

2.2 拓?fù)淠Ｐ偷臉?gòu)建

基于智能變電站，本文設(shè)計(jì)由SCD文件直接構(gòu)建拓?fù)潢P(guān)系。

分析SCD文件中的變電站規(guī)范描述（SSD）部分，讀取全站所有一次設(shè)備的主要信息。在SCD文件中一次設(shè)備之間的連接關(guān)系通過端點(diǎn)（Terminal）和連接點(diǎn)（ConnectivityNode）表示，每個(gè)導(dǎo)電設(shè)備（ConductingEquipment）包含1個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)，每個(gè)端點(diǎn)連到一個(gè)連接點(diǎn)上。讀取SCD文件中端點(diǎn)和連接點(diǎn)信息即形成一次設(shè)備的連接關(guān)系。設(shè)計(jì)2張表存放端點(diǎn)信息和連接點(diǎn)信息：端點(diǎn)表包含的屬性有端點(diǎn)名、所屬設(shè)備、所連接的連接點(diǎn)名，見表1；連接點(diǎn)表包含的屬性有連接點(diǎn)名、連接點(diǎn)路徑，見表2。

拓?fù)潢P(guān)系抽象為頂點(diǎn)集和邊集構(gòu)成的圖論模型，根據(jù)需要設(shè)計(jì)頂點(diǎn)和邊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將實(shí)體信息中的設(shè)備映射成邊，連接點(diǎn)映射成頂點(diǎn)。數(shù)學(xué)模型中的邊有且只有2個(gè)端點(diǎn)，所以需要對(duì)不符合“邊”模型的設(shè)備進(jìn)行歸一化處理，將單端設(shè)備、多端設(shè)備進(jìn)行等效處理統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為雙端設(shè)備模型。

表1 端點(diǎn)信息Tab.1 Information of Terminals

表2 連接點(diǎn)信息Tab.2 Information of ConnectivityNodes

2.3 歸一化處理

變電站一次設(shè)備從功能上可以分為2類：零阻抗電氣元件，用于切斷或隔離電荷，有分、合2種狀態(tài)，稱作開關(guān)設(shè)備，如斷路器、隔離刀閘等；非零阻抗電氣元件，沒有分、合狀態(tài)，稱作非開關(guān)設(shè)備，如電壓互感器、變壓器、線路等。開關(guān)設(shè)備在連接關(guān)系表示中都有2個(gè)端點(diǎn)，即Term1和 Term2，稱為雙端設(shè)備，而非開關(guān)設(shè)備的端點(diǎn)個(gè)數(shù)是根據(jù)其功能確定的，不一定為2個(gè)，稱為非雙端設(shè)備，如線路、電容器、電壓互感器等屬于終端設(shè)備，只有1個(gè)端點(diǎn)；兩圈變壓器有2個(gè)端點(diǎn)；三圈變壓器有3個(gè)端點(diǎn)；母線有多個(gè)端點(diǎn)，端點(diǎn)個(gè)數(shù)取決于其上所連接的支路個(gè)數(shù)。

進(jìn)行拓?fù)淠Ｐ陀成鋾r(shí)要求所有一次設(shè)備都為雙端設(shè)備，即有且只有2個(gè)端點(diǎn)。在不改變現(xiàn)有連接關(guān)系的前提下將非雙端設(shè)備模型轉(zhuǎn)化成雙端設(shè)備模型。

2.3.1 單端設(shè)備的處理

針對(duì)單端設(shè)備虛擬1個(gè)端點(diǎn)使之成為雙端設(shè)備，然后虛擬1個(gè)連接點(diǎn)，將虛擬端點(diǎn)關(guān)聯(lián)到該虛擬連接點(diǎn)上。虛擬端點(diǎn)和虛擬連接點(diǎn)僅用作順利建立拓?fù)淠Ｐ秃洼o助計(jì)算，實(shí)時(shí)拓?fù)溆?jì)算時(shí)并不賦予其實(shí)際意義。

以表1中的進(jìn)線1為例，它是單端設(shè)備，只有1個(gè)端點(diǎn)Term1。首先為進(jìn)線1增加一個(gè)端點(diǎn)Term2，創(chuàng)建一個(gè)虛擬連接點(diǎn)N_Virtual，把Term2連接到N_Virtual上。處理后表1中對(duì)應(yīng)增加一條記錄如下：Term2，進(jìn)線1，N_Virtual。同時(shí)在表2中增加一條記錄如下：n，N_Virtual，測(cè)試站／500kV-1／進(jìn)線 1／N_Virtual。其中，n=k＋1，k為表2中的最后1個(gè)序號(hào)。

2.3.2 多端設(shè)備的處理

以三圈變壓器處理為例，把變壓器分解成3個(gè)獨(dú)立設(shè)備，分別為該變壓器的每個(gè)繞組先后增加1個(gè)虛擬端點(diǎn)和1個(gè)虛擬連接點(diǎn)，并將虛擬端點(diǎn)連接到上述虛擬連接點(diǎn)。假設(shè)某三圈變的端點(diǎn)和連接點(diǎn)分別如表3、4所示，分別為該變壓器的每個(gè)繞組增加一個(gè)虛擬端點(diǎn)，然后增加一個(gè)虛擬連接點(diǎn)，命名為N_Transformer1，并將該端點(diǎn)連接到N_Transformer1上，經(jīng)過處理后的變壓器端點(diǎn)表和連接點(diǎn)見表5、6。

表3 三圈變壓器的端點(diǎn)Tab.3 Terminals of three-winding transformer

表4 三圈變壓器的連接點(diǎn)Tab.4 ConnectivityNodes of three-winding transformer

表5 三圈變壓器增加的虛擬端點(diǎn)Tab.5 Virtual Terminals added to three-winding transformer

表6 三圈變壓器增加的虛擬連接點(diǎn)Tab.6 Virtual ConnectivityNodes added to three-winding transformer

上述處理既維護(hù)了變壓器在拓?fù)淠Ｐ椭械膶?shí)際意義，又解決了雙端建模的問題。

2.3.3 母線處理

母線的作用是匯集和分配電荷，在物理上它將多條支路連接在一起，而在拓?fù)淠Ｐ椭幸矝]有將其看作一次設(shè)備，而是將其視為一個(gè)連接點(diǎn)（僅在拓?fù)浞治鲋羞@樣處理，其他應(yīng)用未必如此）。因此無需處理母線設(shè)備，將其作為連接點(diǎn)添加到連接點(diǎn)表即可。

經(jīng)過歸一化處理后，設(shè)備和連接點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖論中的頂點(diǎn)集和邊集，將它們以數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)文件的形式存儲(chǔ)起來，就完成了拓?fù)浣５臏?zhǔn)備工作。

2.4 實(shí)時(shí)拓?fù)浞椒?/h3>

實(shí)際拓?fù)浣r(shí)將頂點(diǎn)和邊的數(shù)據(jù)讀入，并分別進(jìn)行編號(hào)，然后根據(jù)連接關(guān)系構(gòu)造鄰接矩陣形成靜態(tài)拓?fù)淠Ｐ?。從監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)庫中采集開關(guān)、刀閘等設(shè)備的狀態(tài)，狀態(tài)取值0或1，其中0表示該邊不存在，1表示該邊存在。過濾靜態(tài)拓?fù)淠Ｐ椭械泥徑泳仃囍胁淮嬖诘倪?，得到新的鄰接矩陣，該矩陣描述了各設(shè)備之間的動(dòng)態(tài)連接關(guān)系，即實(shí)時(shí)拓?fù)潢P(guān)系。

實(shí)時(shí)拓?fù)鋱D中相互連通的電氣設(shè)備所組成的集合稱為電氣島，電氣島可分為電源島（島內(nèi)存在發(fā)電機(jī)或等效電源）、接地島（島內(nèi)存在接地點(diǎn)）、負(fù)載島（島內(nèi)存在負(fù)載點(diǎn)）、復(fù)合島（同時(shí)具備2種電氣島的特征，如一個(gè)島上既有接地點(diǎn)又有負(fù)載，則該復(fù)合島既是接地島又是負(fù)載島）等不同類型。分析一個(gè)設(shè)備各個(gè)端點(diǎn)所處的島便可以知道該設(shè)備的帶電狀態(tài)。

采用SCD模型文件構(gòu)建拓?fù)潢P(guān)系，數(shù)據(jù)來源標(biāo)準(zhǔn)、直接，符合基于智能變電站開放和共享的特性及源端維護(hù)思想。同時(shí)，與傳統(tǒng)方法相比省去了成圖的中間過程，信息更準(zhǔn)確，維護(hù)更簡(jiǎn)單。

3 拓?fù)浞勒`的實(shí)現(xiàn)

3.1 防誤元規(guī)則

有了實(shí)時(shí)拓?fù)涞碾姎鈲u分析結(jié)果，還必須基于設(shè)備類型的元規(guī)則進(jìn)行五防閉鎖校驗(yàn)，元規(guī)則如下。

a.開關(guān)沒有五防元規(guī)則。

b.隔離刀閘的五防元規(guī)則。

合規(guī)則：隔離刀閘一端處于接地島上，另一端處于電源島上時(shí)，不允許合操作；隔離刀閘一端處于負(fù)載島上，另一端處于電源島上時(shí)，不允許合操作。

分規(guī)則：假定該隔離刀閘已經(jīng)分開，重新拓?fù)浜笕绻欢颂幱谪?fù)載島上，另一端處于電源島上時(shí)，不允許分操作。

例外情況：刀閘兩側(cè)經(jīng)站內(nèi)其他閉合的開關(guān)、刀閘連接為一個(gè)導(dǎo)通回路時(shí)（即分合刀閘之前兩側(cè)是等電位的），允許分操作。

c.接地刀（接地線）的五防元規(guī)則。

合規(guī)則：假定所有開關(guān)都合上，如果接地刀的非地端處于電源島上，則不允許合接地刀（掛接地線）。

接地刀（接地線）無分規(guī)則。

3.2 拓?fù)浞勒`的過程

電氣島的劃分不需要在整站范圍內(nèi)進(jìn)行，根據(jù)元規(guī)則的描述可知，只需判別待操作設(shè)備兩端點(diǎn)所處的電氣島性質(zhì)即可。過程如下：

a.從監(jiān)控后臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中獲取設(shè)備狀態(tài)，更新到動(dòng)態(tài)拓?fù)鋱D上，形成反映實(shí)時(shí)連接關(guān)系拓?fù)鋱D；

b.在實(shí)時(shí)拓?fù)鋱D上分別以待操作設(shè)備兩端點(diǎn)為起點(diǎn)向兩側(cè)搜索，搜索的結(jié)果為2個(gè)節(jié)點(diǎn)集合，每個(gè)節(jié)點(diǎn)集合即為1個(gè)電氣島；

c.遍歷電氣島上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)屬性確定該電氣島的屬性，例如電氣島上有電源則為電源島；

d.根據(jù)待操作設(shè)備類型匹配元規(guī)則，例如某設(shè)備為隔離刀閘，且兩端分別處于電源島和負(fù)載島上，則該設(shè)備不能進(jìn)行分合操作。

3.3 拓?fù)浞勒`效果舉例

如圖2所示，假如進(jìn)線1間隔處于運(yùn)行狀態(tài)，開關(guān)5001由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)損壞而不能正常分閘，需要對(duì)其進(jìn)行檢修，常規(guī)做法是將線路對(duì)端開關(guān)拉開使進(jìn)線I處于失電狀態(tài)，與之相連的1段母線也失電，然后將50012和50011拉開，再將5001D2和5001D1合上，才能對(duì)故障的開關(guān)5001進(jìn)行檢修。

圖2 典型110kV進(jìn)線間隔Fig.2 Typical 110kV line bay

對(duì)于傳統(tǒng)的五防規(guī)則閉鎖而言，開關(guān)、刀閘之間是有嚴(yán)格的操作閉鎖邏輯的。不管該間隔是否帶電，拉開刀閘50011或50012時(shí)，都會(huì)先判斷開關(guān)5001是否已分開。假如此時(shí)開關(guān)5001未分開，則不允許拉開刀閘50011或50012，除非特殊解鎖，而解鎖后會(huì)造成防誤空白，帶來一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 實(shí)時(shí)拓?fù)鋱DFig.3 Real-time topology

而基于元規(guī)則的拓?fù)浞勒`是基于設(shè)備操作前后的帶電狀況分析來判斷的，無需防誤解鎖。實(shí)時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示（虛線表示該設(shè)備處于分位）。以50012為例，分別以50012兩端點(diǎn) N0、N1為起點(diǎn)向兩側(cè)搜索得2個(gè)節(jié)點(diǎn)集合，分別記為島1和島2；島1包含的節(jié)點(diǎn)為N0、N_Virtual；島 2包含的節(jié)點(diǎn)為 N1、N2、L0。 島 1內(nèi)的節(jié)點(diǎn)N_Virtual本來是電源點(diǎn)，但由于對(duì)端開關(guān)拉開導(dǎo)致其失電，因此島1不是電源島，島2內(nèi)的3個(gè)節(jié)點(diǎn)都不是電源點(diǎn)，因此島2也不是電源島，即50012兩端都不位于電源島，因此不會(huì)違反隔離刀閘的分規(guī)則，可以直接操作。拓?fù)浞勒`無需解鎖就能操作，體現(xiàn)了拓?fù)浞勒`的智能性。

4 在線防誤的實(shí)現(xiàn)

4.1 主輔雙引擎

變電站防誤閉鎖是電力網(wǎng)絡(luò)基層的防誤系統(tǒng)，與調(diào)度主站防誤系統(tǒng)不同，它面對(duì)的閉鎖對(duì)象更為復(fù)雜多樣，不但包括一次設(shè)備、二次設(shè)備，甚至包括網(wǎng)門、柜門等非電設(shè)備。因此單純的拓?fù)浞勒`并不能完全滿足變電站防誤閉鎖的要求。

在線防誤系統(tǒng)同時(shí)具備基于拓?fù)浜突谝?guī)則邏輯的防誤閉鎖，2種防誤閉鎖方法分別由2個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)，也稱為2個(gè)防誤閉鎖引擎，以主輔模式運(yùn)行。

以基于拓?fù)涞姆勒`閉鎖引擎為主，實(shí)現(xiàn)拓?fù)湓O(shè)備的防誤；以基于規(guī)則邏輯的防誤閉鎖引擎為輔，實(shí)現(xiàn)非拓?fù)湓O(shè)備的防誤。這種方式規(guī)則邏輯數(shù)量很少，功能上后者是前者的補(bǔ)充。

4.2 其他幾個(gè)問題的處理

五防中的“防止誤分合斷路器”和“防止誤入帶電間隔”需結(jié)合操作票實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)根據(jù)模擬操作的操作序列順序開放閉鎖來防止誤操作。系統(tǒng)還提供電腦鑰匙接入功能，以實(shí)現(xiàn)就地操作時(shí)的防誤。

遠(yuǎn)動(dòng)五防的實(shí)現(xiàn)如下：遠(yuǎn)動(dòng)通信服務(wù)器與后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)都屬于站控層，都能夠采集全站IED的數(shù)據(jù)；通過軟件技術(shù)的處理，站內(nèi)拓?fù)浯鏋槲募?，遠(yuǎn)動(dòng)的拓?fù)渌惴ā⒃?guī)則、常規(guī)規(guī)則邏輯都可與監(jiān)控系統(tǒng)共用。遠(yuǎn)動(dòng)與后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的防誤閉鎖功能達(dá)到代碼一套、算法一套、防誤效果一樣，僅部署不同而已。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

湖南長(zhǎng)沙110kV曾家沖智能變電站是國(guó)家電網(wǎng)公司首批試點(diǎn)的智能變電站，其I期投運(yùn)的設(shè)備有：主變1臺(tái)，110kV進(jìn)線2回，10kV出線12回，無功補(bǔ)償電容器組2組；110kV電氣主接線采用擴(kuò)大內(nèi)橋接線，10kV采用單母線接線方式。該站的五防閉鎖系統(tǒng)，除了有少量接地線、網(wǎng)門、柜門的規(guī)則邏輯之外，無其他設(shè)備的規(guī)則邏輯，體現(xiàn)了拓?fù)浞勒`的簡(jiǎn)便性。該站于2010年底投運(yùn)，是本文設(shè)計(jì)的一個(gè)成功案例。

6 結(jié)語

完全基于規(guī)則邏輯的防誤閉鎖具有諸多的缺點(diǎn)。結(jié)合國(guó)家電網(wǎng)公司《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》的要求，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了站控層在線防誤。

SCD模型文件描述了智能變電站的一、二次模型信息，利用SCD中的SSD部分構(gòu)建靜態(tài)拓?fù)潢P(guān)系，具有數(shù)據(jù)源標(biāo)準(zhǔn)、維護(hù)簡(jiǎn)單、便于集成共享的特點(diǎn)。

構(gòu)建拓?fù)潢P(guān)系時(shí)，本文采用了圖論模型，對(duì)非雙端設(shè)備采用歸一化的處理。在基于設(shè)備類型元規(guī)則的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了拓?fù)浞勒`。

在線防誤同時(shí)具備基于拓?fù)浜突谝?guī)則邏輯的防誤閉鎖引擎，它們以主輔模式運(yùn)行，基于規(guī)則的邏輯引擎作為補(bǔ)充。

實(shí)際運(yùn)行表明，上述設(shè)計(jì)的在線防誤閉鎖克服了完全基于規(guī)則邏輯的缺點(diǎn)，并且運(yùn)行可靠，維護(hù)簡(jiǎn)單。