程序化控制在智能化變電站仿真系統(tǒng)中的探索與應(yīng)用

閆瑞杰，李海香

（山西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西太原030021）

程序化控制在智能化變電站仿真系統(tǒng)中的探索與應(yīng)用

閆瑞杰，李海香

（山西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西太原030021）

基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)對程序化控制的過程狀態(tài)和操作配置進(jìn)行建模仿真，設(shè)計(jì)完成了智能變電站程序化控制各項(xiàng)功能。結(jié)合工程實(shí)例，探討了智能變電站程序化控制的要素，論述了智能變電站中程序化控制的設(shè)備模型和控制過程，并對程序化功能模塊所需仿真系統(tǒng)交互方式進(jìn)行初步探索，如五防閉鎖系統(tǒng)、程序化操作票、站端操作、可視化系統(tǒng)等。

智能化變電站仿真；IEC61850；程序化控制；操作票

0 引言

隨著變電站內(nèi)一次、二次設(shè)備技術(shù)水平的逐步提高，IEC 61850國際標(biāo)準(zhǔn)在智能變電站中的廣泛應(yīng)用，智能變電站具有了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺，以及智能變電站內(nèi)許多高級應(yīng)用技術(shù)與功能的不斷探索和試驗(yàn)點(diǎn)工作的逐步推進(jìn)與應(yīng)用，變電站的智能化水平大幅提高，具備了實(shí)施程序化控制的條件［1］。

程序化控制也稱為順序控制或程序化操作，智能化變電站程序化控制是指發(fā)出整批指令，由系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備狀態(tài)信息變化情況判斷每步操作是否到位，確認(rèn)到位后自動執(zhí)行下一指令，直至執(zhí)行完所有指令。實(shí)現(xiàn)程序化控制，要求變電站設(shè)備狀態(tài)信息采集和傳輸及時準(zhǔn)確，設(shè)備動作執(zhí)行可靠。變電站內(nèi)智能設(shè)備依據(jù)變電站操作票的執(zhí)行順序符合執(zhí)行結(jié)果校核要求，由站內(nèi)智能設(shè)備代替運(yùn)行人員操作，自動完成操作票的過程［2］。

1 220kV智能變電站規(guī)模

智能變電站的程序化控制有著傳統(tǒng)的運(yùn)行操作方式不可比擬的優(yōu)勢：1）操作票的選擇、執(zhí)行和校驗(yàn)由變電站系統(tǒng)程序自動完成，可以實(shí)現(xiàn)無人值守，達(dá)到減員增效的目的；2）通過計(jì)算機(jī)程序化控制可以減少甚至杜絕人為誤操作；3）提高智能化水平，縮短電網(wǎng)從事故情況下的恢復(fù)到正常狀態(tài)的時間，精簡管理流程，提升運(yùn)行效率。因此程序化控制是智能化變電站發(fā)展的必然選擇［3-4］。

目前國內(nèi)只有少數(shù)的智能化變電站實(shí)現(xiàn)了真正意義上程序化控制，即使已經(jīng)運(yùn)行了程序化控制的智能化變電站大多數(shù)還是采用人工操作方式，并沒有真正采用程序化控制，因此研究一套包含程序化控制的智能化變電站仿真系統(tǒng)以供現(xiàn)場人員學(xué)習(xí)、使用、熟悉程序化控制具有廣闊的應(yīng)用前景。下面以開發(fā)區(qū)220 kV智能變電站為例來闡述。

開發(fā)區(qū)220 kV智能變電站為本期建設(shè)兩臺220 kV三卷變壓器的系統(tǒng)變電站，220 kV母線接線形式為雙母線接線，110 kV母線接線形式為雙母線接線，出線規(guī)模：220 kV規(guī)劃出線8回，本期4回；110 kV規(guī)劃出線10回，本期4回。無功配置：規(guī)劃3×4×10 MVar電容器，本期2×4×10 MVar電容器。

2 實(shí)現(xiàn)智能變電站程序化控制的要素

2.1 一次設(shè)備

要求參與程序化控制的一次設(shè)備包括斷路器隔離開關(guān)、接地開關(guān)、斷路器手車、主變分接頭等均需配備電動操作機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)遙控電動操作。

一次設(shè)備需具有很高的可靠性。實(shí)現(xiàn)程序化控制，需要綜合考慮操作的成功率和操作的正確性兩個方面。操作的正確性涉及到整個變電站的安全可靠運(yùn)行，需要特別關(guān)注。電氣一次設(shè)備輔助觸點(diǎn)位置與一次主設(shè)備實(shí)際位置的嚴(yán)格對應(yīng)，并且可靠耐用，是保證程序化控制正確性和操作成功率的關(guān)鍵因素［5］。

2.2 二次設(shè)備

要求參與變電站程序化控制的二次設(shè)備穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。一方面能夠按照程序化操作票的操作順序正確發(fā)出控制信號，同時確保一次設(shè)備狀態(tài)的采集準(zhǔn)確無誤（包括運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)實(shí)施采集與統(tǒng)計(jì)）。

需具備一定的容錯措施。由于國內(nèi)主流一次設(shè)備仍存在一定的不可靠因素，二次設(shè)備在設(shè)計(jì)過程中就需要考慮到一次設(shè)備發(fā)生異常時的情況，具備一定的容錯措施，確保當(dāng)一次設(shè)備返回的狀態(tài)信息與一次設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)不一致時不出現(xiàn)誤操作。當(dāng)程序化控制校驗(yàn)出錯時可提供人工急停干預(yù)。

保護(hù)設(shè)備實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的自動投退。在變電站內(nèi)實(shí)施程序化控制過程中需要保護(hù)設(shè)備能夠提供與硬壓板相對應(yīng)的軟壓板，通過軟壓板的遠(yuǎn)方投退達(dá)到投退保護(hù)功能的目的［5］。

2.3 監(jiān)控通信系統(tǒng)

具備完善的軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)應(yīng)具有成熟的實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)和完整的自診斷程序，軟件系統(tǒng)的功能可靠性、兼容性及界面友好性等指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求，軟件支持用戶開發(fā)新功能，開發(fā)后的軟件能在線裝入系統(tǒng)。如可視化的操作界面，可在程序化控制時實(shí)時查看主接線上設(shè)備的實(shí)時變位情況。

在后續(xù)研究中，可進(jìn)一步分別研究減少和增加指標(biāo)個數(shù)的情況，并以此為基礎(chǔ)探究樣本數(shù)量對模型適應(yīng)能力和泛化能力的影響，找出模型各項(xiàng)能力均達(dá)到較高水平時的指標(biāo)和樣本要求。進(jìn)一步探討指標(biāo)體系構(gòu)建也是一個重要的研究內(nèi)容。

具備程序化控制模塊。變電站程序化控制功能由變電站自動化系統(tǒng)中的程序化控制程序或模塊實(shí)現(xiàn)，因此，監(jiān)控系統(tǒng)必須配置程序化控制系統(tǒng)或操作模塊，通信協(xié)議具備保護(hù)定值的傳輸和修改功能。

具備與微機(jī)五防系統(tǒng)通信功能。監(jiān)控系統(tǒng)必須是一個開放系統(tǒng)，可通過相應(yīng)的通信接口與微機(jī)五防系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)程序化控制與微機(jī)五防的聯(lián)鎖功能，為了避免發(fā)生誤操作事故，程序化控制的每一步操作都必須具備完善的邏輯防誤閉鎖功能，保證程序化控制的安全性。變電站一、二次設(shè)備達(dá)到了上述的條件后就具備了實(shí)施程序化控制的基礎(chǔ)，一般情況下，常規(guī)的綜合自動化變電站和智能化變電站都能實(shí)現(xiàn)程序化控制，智能變電站一、二次設(shè)備的自動化水平更高，實(shí)施程序化控制的條件更加成熟，應(yīng)用的程度和范圍更深、更廣。

2.4 輔助設(shè)備

具備硬件聯(lián)動功能。智能變電站程序化控制功能還需有與視頻聯(lián)動的功能，即當(dāng)對斷路器、隔離開關(guān)等一次設(shè)備進(jìn)行操作時，系統(tǒng)會立即向視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出聯(lián)動信號，確保監(jiān)控?cái)z像頭切換到被操作設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)控制操作的實(shí)時監(jiān)視，同時還可通過視頻信號進(jìn)行分析，判斷開關(guān)是否動作到位等。

具備軟件報(bào)文互通功能。由于視頻信息流量大，且與電網(wǎng)主設(shè)備的運(yùn)行工況沒有直接聯(lián)系，當(dāng)前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)均是獨(dú)立設(shè)置，且具有獨(dú)立的信息傳輸通道。由于系統(tǒng)獨(dú)立，兩者之間信息交互存在困難，在此，需要視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過站控層網(wǎng)絡(luò)接收后臺監(jiān)控每次順序控制執(zhí)行單步操作時的GOOSE報(bào)文，視頻監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)GOOSE報(bào)文的解析獲取被操作設(shè)備的信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)z像頭的自動切換，確保操作控制的實(shí)時監(jiān)視。

3 程序化控制的仿真實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)備模型建立

以不同電壓等級、規(guī)模、接線形式的變電站實(shí)際設(shè)備參數(shù)建立設(shè)備數(shù)據(jù)庫，并通過自主研發(fā)的建模工具調(diào)取該設(shè)備數(shù)據(jù)庫，并以圖元的方式建立拓?fù)潢P(guān)系，繪制變電站一次接線圖，組成相應(yīng)的設(shè)備模型數(shù)據(jù)庫，確定設(shè)備的設(shè)備名稱、設(shè)備ID等，并以此數(shù)據(jù)庫搭建仿真平臺，為仿真系統(tǒng)潮流計(jì)算及設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)等提供基礎(chǔ)。

3.2 間隔狀態(tài)模型

通過仿真平臺定義了不同設(shè)備的分合狀態(tài)，對于同一間隔中任意一種設(shè)備對應(yīng)分合狀態(tài)組合均可定義為一種間隔狀態(tài)。在仿真系統(tǒng)中對于同一個間隔的不同設(shè)備，按位操作的方式對其定義數(shù)值，如圖1，開馬281間隔，定義本間隔所有設(shè)備的狀態(tài)：在合閘狀態(tài)時，281斷路器的值為1，281-南隔離開關(guān)值為2，281-北隔離開關(guān)值為4，281-1隔離開關(guān)值為8，281-北0接地開關(guān)值為16，281-10接地開關(guān)值為32，281-線0接地開關(guān)值為64，在分閘狀態(tài)的設(shè)備的狀態(tài)值全為零，同時將不同設(shè)備狀態(tài)的值進(jìn)行累加定義成間隔狀態(tài)公式M，根據(jù)不同的M值定義成間隔的不同狀態(tài)，如本間隔的設(shè)備全部在分閘位置，M的值為零，定義成冷備用態(tài)，以此類推，可以定義南母運(yùn)行態(tài)、北母運(yùn)行態(tài)、南母熱備用態(tài)、北母熱備用態(tài)、開關(guān)檢修態(tài)、線路檢修態(tài)、開關(guān)及線路檢修態(tài)。

圖1 220kV開馬281間隔

3.3 后臺監(jiān)控系統(tǒng)模型

仿真系統(tǒng)中程序化控制模型通過仿真平臺獲取設(shè)備的運(yùn)行信息模型，并通過監(jiān)控系統(tǒng)獲取一次設(shè)備的實(shí)時分合狀態(tài)。通過對實(shí)時數(shù)據(jù)的獲取，可以校驗(yàn)判斷當(dāng)前程序化控制任務(wù)的初始化狀態(tài)是否與操作票任務(wù)的設(shè)備狀態(tài)一致，以確保系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)滿足程序化操作票的初始執(zhí)行條件。

3.4 五防邏輯閉鎖

不論是傳統(tǒng)變電站還是智能變電站，為保障設(shè)備操作的可靠性，均要關(guān)聯(lián)五防閉鎖邏輯。仿真系統(tǒng)中程序化控制時，按照變電站標(biāo)準(zhǔn)的五防邏輯自主研發(fā)五防邏輯計(jì)算公式和邏輯條件，并采集全站各種信息量進(jìn)行任意表達(dá)式的運(yùn)算，以形成邏輯控制條件，在執(zhí)行順控操作票的過程中，系統(tǒng)的每一步操作都嚴(yán)格按照設(shè)定的控制條件進(jìn)行校驗(yàn)。通過對程序化控制的模塊化設(shè)計(jì)，在執(zhí)行順控操作票時仿真系統(tǒng)自動與相應(yīng)的模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，對操作時的五防邏輯進(jìn)行判斷并反饋五防邏輯判斷結(jié)果。

3.5 操作票編寫

程序化操作票分為典型操作票和非典型操作票，其中非典型操作票又分為單間隔操作票和組合操作票。典型操作票根據(jù)一些特殊任務(wù)或固定的多間隔操作任務(wù)而編制的操作票，直接選取調(diào)用即可完成。針對單一間隔預(yù)先編制好的各種典型操作票，正常操作時不需新編制，直接選取調(diào)用即可完成。涉及多間隔的典型操作票的組合，操作人員需根據(jù)實(shí)際操作任務(wù)，將原先已定義好的單間隔典型操作票進(jìn)行選擇、組合，生成一個臨時的新操作票，需重新編制、下發(fā)。非典型操作票是根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中遇到的不同情況，進(jìn)行的非固化操作。

仿真系統(tǒng)通過自主研發(fā)的順控操作票編寫工具，對程序化控制操作票的內(nèi)容通過可視化的配置工具來實(shí)現(xiàn)，按照現(xiàn)場變電站標(biāo)準(zhǔn)的五防邏輯和五防操作票規(guī)范術(shù)語制作程序化操作票。如圖2，以一次票為例，仿真系統(tǒng)中在程序化操作票編輯工具界面中定義了順控票的票名，順控票的文件名、設(shè)備起始狀態(tài)、設(shè)備完成態(tài)；同時在操作票的內(nèi)容中定義了操作票的執(zhí)行編號、操作類型（檢查、執(zhí)行）、出錯處理（立即停止該操作票、繼續(xù)執(zhí)行該操作票、等待人工干預(yù)）、超時時間（如設(shè)備狀態(tài)不滿足條件是操作時間超過設(shè)定時間，則彈出提示進(jìn)行人工干預(yù)）、間隔時間（指滿足操作票條件，執(zhí)行操作票時每一操作的時間間隔）等，人性化的完成順控操作票的編寫。

3.6 站端操作過程

變電站監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)操作任務(wù)調(diào)取相應(yīng)的程序化操作票進(jìn)行程序化控制。在仿真系統(tǒng)中執(zhí)行程序化控制的過程中，為了確保每一步操作的安全性及可靠性，系統(tǒng)將嚴(yán)格按照操作票執(zhí)行條件的定義進(jìn)行相關(guān)操作條件的校驗(yàn)，并且在每一步操作執(zhí)行完成后也按照操作票定義的檢查項(xiàng)進(jìn)行校驗(yàn)，如果檢驗(yàn)條件滿足，系統(tǒng)將繼續(xù)執(zhí)行下一步操作；反之系統(tǒng)根據(jù)操作票定義的防誤程序彈出提示“終止”、“忽略”、“人工干預(yù)”等對話框供運(yùn)行人員選擇。

同時，在程序化控制執(zhí)行前，系統(tǒng)在變電站監(jiān)控系統(tǒng)中嵌入的程序化控制模塊還提供了操作票預(yù)演功能，可以在執(zhí)行操作票前對此操作票的條件進(jìn)行校驗(yàn)。

另外，仿真系統(tǒng)通過OpenGL，VC等工具研發(fā)了虛擬三維場景，并開發(fā)了對場景內(nèi)一次、二次設(shè)備的監(jiān)視功能。在智能變電站程序化控制執(zhí)行過程中可以通過三維場景遙視系統(tǒng)對斷路器、隔離、接地開關(guān)等一次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視，判斷設(shè)備是否分合到位，以保證設(shè)備操作的可靠性。達(dá)到現(xiàn)場視頻監(jiān)控系統(tǒng)與后臺監(jiān)控有效聯(lián)動的真實(shí)模擬。隨著仿真系統(tǒng)模擬庫的不斷完善，還可以對變電站輔助環(huán)境進(jìn)行仿真監(jiān)測、包括火災(zāi)報(bào)警信息、安防信息等，并能遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)空調(diào)、風(fēng)機(jī)等的控制。程序化控制流程見圖3。

智能變電站要求支持調(diào)控一體化、設(shè)備檢修專業(yè)化和運(yùn)行維護(hù)一體化，并全面支持調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)的功能需求。根據(jù)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，“實(shí)時監(jiān)控與預(yù)警”、“調(diào)度管理”、“調(diào)度計(jì)劃”三大類功能的實(shí)現(xiàn)與變電站上送的信息及實(shí)現(xiàn)的功能密切相關(guān)，調(diào)控一體化的實(shí)現(xiàn)，要求變電站的信息在站內(nèi)進(jìn)行預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)分布式狀態(tài)估計(jì)、告警信息分類處理、遠(yuǎn)程瀏覽等功能；為全面實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修、變電站設(shè)置全面的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、包括一次設(shè)備、二次設(shè)備、輔助設(shè)備等。

隨著智能變電站無人值守的全面開展，為使其更好地適應(yīng)電網(wǎng)的發(fā)展，服務(wù)于電網(wǎng)生產(chǎn)和運(yùn)行。仿真系統(tǒng)應(yīng)該留有擴(kuò)展功能，不僅具有程序化控制功能，還要逐漸升級，拓展到支撐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與優(yōu)化控制、站控控制等高級功能。

圖3 程序化控制流程

4 結(jié)語

結(jié)合智能變電站的技術(shù)發(fā)展趨勢以及監(jiān)控系統(tǒng)推廣應(yīng)用的現(xiàn)狀，以后臺監(jiān)控系統(tǒng)為平臺開展了程序化控制功能模塊化研究，重點(diǎn)在于對程序化控制的操作內(nèi)容和操作流程進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，建立程序化控制功能的狀態(tài)模型和設(shè)備模型，并討論了程序化控制功能模塊化所涉及的信息交互的實(shí)現(xiàn)方式，解決了模塊化設(shè)計(jì)中存在的信息交互方式的問題，希望能夠推動智能變電站的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化建設(shè)，進(jìn)一步提高全站系統(tǒng)功能的通用性、可擴(kuò)展性，提高全站的智能化水平。

以IEC61850規(guī)約為基礎(chǔ)的程序化控制仿真系統(tǒng)，為變電站內(nèi)的運(yùn)維人員熟悉和使用程序化控制提供了培訓(xùn)平臺，對于提高智能變電站運(yùn)維人員的應(yīng)用程序化控制系統(tǒng)的技術(shù)水平具有重大促進(jìn)作用。

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Exploration and Application on Sequential Control in Smart Substation Simulation System

Process status and operating configuration which is controlled by programs are modelled and simulated based on IEC 61850.Procedural control of smart substations is designed.Combined with engineering examples，the procedural control elements of smart substations are discussed，the equipment model and operating procedures are expounded，and the interactive mode of simulating system which is needed by procedural function modules if explored preliminarily，such as five protect and locking system，sequence operation list，stand side control，visualization system etc.

smart substation simulation；IEC61850；sequential control；ticket operation list

TM76

：B

：1007－9904（2014）03－0059－04

2014-04-25

閆瑞杰（1978—），男，講師，主要從事自動控制、儀表和通信方面的教學(xué)與研究。