智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)防止電氣誤操作功能的實(shí)現(xiàn)

周斌， 梅德冬， 張超

(1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京　211106；2.智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京　211106；3.國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，浙江 杭州　310007)

0　引　言

防止電氣誤操作，簡稱防誤操作，是變電站操作控制的基本要求[1-2]。五防功能是防誤操作的核心功能，即防止誤分、誤合斷路器，防止帶負(fù)荷分、合隔離開關(guān)或手車觸頭，防止帶接地線(接地開關(guān))送電，防止帶電合接地開關(guān)(接地線)，防止誤入帶電間隔的功能[3]。變電站的防誤操作通常由微機(jī)五防系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，五防系統(tǒng)極大地保障了變電站的操作安全，但也存在一定的不足：需要安裝電腦鑰匙、專用編碼鎖具、五防機(jī)等設(shè)備，增加了變電站的設(shè)備種類和數(shù)量；監(jiān)控系統(tǒng)的遙控操作需要和五防系統(tǒng)進(jìn)行通信確認(rèn)，增加了操作時(shí)間；存在“走空程”的情況[4]。

本世紀(jì)初，人們開始研究在變電站監(jiān)控系統(tǒng)站控層監(jiān)控主機(jī)和間隔層測控裝置中實(shí)現(xiàn)防誤操作的方法[5-6]，利用監(jiān)控系統(tǒng)掌握的全站信息進(jìn)行操作的防誤閉鎖，取得一定成績，并在江蘇、廣東等地區(qū)推廣應(yīng)用。常規(guī)變電站監(jiān)控系統(tǒng)通常采用IEC 60870-5-103規(guī)約進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，由于通信規(guī)約和設(shè)備能力的制約，變電站的信息共享和設(shè)備的互操作還存在嚴(yán)重不足，制約了監(jiān)控系統(tǒng)防誤功能的實(shí)現(xiàn)。

隨著IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用和智能變電站的推廣，在智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)防誤操作成為一種高效、易行的方法，特別是IEC 61850定義的GOOSE協(xié)議為變電站間隔層設(shè)備提供了高效的信息交換手段。全站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊化和集成化將是今后的發(fā)展趨勢,在監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)五防閉鎖功能將是當(dāng)前及今后發(fā)展的方向[7]。本文研究在智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)防誤操作的實(shí)現(xiàn)方案，提出了變電站三層防誤閉鎖功能的系統(tǒng)架構(gòu)，研究了IEC 61850關(guān)于防誤閉鎖功能的通信接口，同時(shí)介紹防誤操作規(guī)則的表示方法。

1　系統(tǒng)架構(gòu)

實(shí)現(xiàn)防誤功能的智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖1所示，監(jiān)控系統(tǒng)防誤由站控層、間隔層和過程層三層防誤閉鎖功能組成，為變電站操作提供多級的、綜合的防誤閉鎖。站控層防誤、間隔層防誤和過程層防誤互相獨(dú)立，互相補(bǔ)充，各層防誤功能失效時(shí)不影響其它層的防誤功能，確保變電站的操作安全。

圖1　實(shí)現(xiàn)防誤功能的變電站監(jiān)控系統(tǒng)功能架構(gòu)

1.1　站控層防誤

站控層防誤一般由監(jiān)控主機(jī)實(shí)現(xiàn)，也可以采用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)實(shí)現(xiàn)，將變電站防誤操作的相關(guān)功能模塊嵌入到站控層計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中。它通過站控層網(wǎng)絡(luò)(一般為冗余的雙網(wǎng))，應(yīng)用MMS協(xié)議[8]，采集全站間隔層設(shè)備上送的信息，進(jìn)行防誤邏輯運(yùn)算，防誤范圍包括了全站的斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、網(wǎng)門和接地線等設(shè)備，面向全變電站進(jìn)行全站性和全面性的防誤操作控制。

站控層防誤具備完善的人機(jī)操作界面，以監(jiān)控系統(tǒng)圖形與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，利用內(nèi)嵌的防誤功能模塊，對設(shè)備操作進(jìn)行可靠的防誤閉鎖檢查、預(yù)演和操作票順序執(zhí)行。站控層操作的控制命令經(jīng)過防誤邏輯檢查后方能將控制命令發(fā)至間隔層設(shè)備，如操作不滿足防誤條件，監(jiān)控主機(jī)將閉鎖該項(xiàng)操作并報(bào)警，輸出提示信息。用戶的誤操作會被閉鎖并報(bào)警，報(bào)警會明確提示閉鎖的對象和未滿足的防誤規(guī)則。

監(jiān)控主機(jī)具備獨(dú)立的防誤權(quán)限管理功能，操作權(quán)限可根據(jù)運(yùn)行需求靈活配置，防誤功能退出、操作票編輯、防誤規(guī)則編輯等功能都可設(shè)置獨(dú)立的權(quán)限。

監(jiān)控主機(jī)還能夠正確模擬、生成、執(zhí)行和管理操作票。操作票預(yù)演時(shí)具備防誤規(guī)則校驗(yàn)功能，如未通過校驗(yàn)，則停止預(yù)演并告警。監(jiān)控主機(jī)還可以根據(jù)操作票執(zhí)行步驟依次開放每步電氣操作，操作正確后自動(dòng)閉鎖該設(shè)備，并自動(dòng)開放符合操作條件的下步操作。操作票執(zhí)行過程中如果發(fā)生保護(hù)動(dòng)作、非當(dāng)前操作對象的狀態(tài)改變等情況，造成不滿足操作要求時(shí)，監(jiān)控主機(jī)將實(shí)時(shí)閉鎖，自動(dòng)中止余下未操作步驟并告警。操作票執(zhí)行中止后，開放的電氣操作將被及時(shí)閉鎖。

1.2　間隔層防誤

間隔層防誤通常由間隔層測控裝置實(shí)現(xiàn)。裝置存儲本間隔被控設(shè)備的防誤閉鎖邏輯，采集設(shè)備狀態(tài)信號、動(dòng)作信號等狀態(tài)量信號，采集電壓、電流等電氣量信號，通過以太網(wǎng)，應(yīng)用GOOSE協(xié)議向系統(tǒng)其他設(shè)備發(fā)送信號；同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用GOOSE協(xié)議接收其它間隔裝置發(fā)來的相關(guān)間隔的信號，進(jìn)行被控設(shè)備的防誤閉鎖邏輯判斷。測控裝置防誤閉鎖邏輯包含本間隔的閉鎖條件和跨間隔的相關(guān)閉鎖條件，根據(jù)判斷結(jié)果對設(shè)備的控制操作進(jìn)行防誤閉鎖。

正常工作狀態(tài)下，測控裝置進(jìn)行的所有操作都應(yīng)滿足防誤閉鎖條件，并顯示和上送防誤判斷結(jié)果。當(dāng)不能有效獲取相關(guān)間隔的信息(如由于網(wǎng)絡(luò)中斷等原因)、信號具有無效品質(zhì)、信號處于不確定狀態(tài)(包括置檢修狀態(tài))時(shí)，將判斷校驗(yàn)不通過。

測控裝置還能夠輸出防誤閉鎖接點(diǎn)，該閉鎖接點(diǎn)的作用類似于五防系統(tǒng)中防誤鎖具的作用，它串接于一次設(shè)備的遙控和手動(dòng)操作回路，閉鎖遙控和手動(dòng)操作，如圖2所示。測控裝置可以自動(dòng)進(jìn)行被控對象的防誤邏輯判斷，當(dāng)條件允許時(shí)，合上防誤閉鎖接點(diǎn)，當(dāng)條件不滿足時(shí)，斷開防誤閉鎖接點(diǎn)。在智能變電站中被控對象的操作回來通常位于過程層的智能終端中，測控裝置通過GOOSE協(xié)議和智能終端通信。此時(shí)防誤閉鎖接點(diǎn)一般由智能終端輸出，測控裝置可以通過GOOSE報(bào)文控制智能終端進(jìn)行防誤閉鎖接點(diǎn)的輸出。

測控屏柜通常具有“解鎖/聯(lián)鎖”切換開關(guān)，可以在緊急情況下或檢修時(shí)進(jìn)行解鎖操作，防誤解鎖切換開關(guān)應(yīng)有鑰匙控制。

測控裝置還能夠?qū)⒏骺刂茖ο蟮姆勒`邏輯狀態(tài)和防誤接點(diǎn)的狀態(tài)上送至站控層設(shè)備。為了便于進(jìn)行防誤閉鎖邏輯的校驗(yàn)，測控裝置還支持遠(yuǎn)方置數(shù)功能，被置數(shù)的數(shù)據(jù)具有取代的品質(zhì)，可以參與防誤邏輯運(yùn)算。

1.3　過程層防誤

過程層防誤是變電站防誤體系不可或缺的重要部分，由設(shè)備的單元電氣防誤閉鎖、機(jī)械防誤閉鎖、以及智能終端、防誤鎖具等實(shí)現(xiàn)。設(shè)備的單元電氣閉鎖或機(jī)械閉鎖主要實(shí)現(xiàn)間隔內(nèi)設(shè)備操作的防誤閉鎖。變電站手動(dòng)操作設(shè)備、網(wǎng)門、臨時(shí)接地線等設(shè)備的防誤閉鎖可由防誤電磁鎖具等實(shí)現(xiàn)。監(jiān)控系統(tǒng)可以通過防誤閉鎖接點(diǎn)控制防誤電磁鎖具的操作。防誤電磁鎖具的位置信號可以輸入至監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行監(jiān)視，并可以參與防誤閉鎖邏輯運(yùn)算。

2　IEC 61850通信接口

由于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)并沒有規(guī)范防誤閉鎖功能的實(shí)現(xiàn)，也沒有規(guī)范不同IED間如何進(jìn)行防誤信息交換，為便于不同裝置間共享采集信息，利于互操作，需在IEC 61850基礎(chǔ)上進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化測控裝置的控制接口和防誤功能模型。

斷路器、隔離開關(guān)等一次控制對象通常采用CSWI建模。站控層設(shè)備對間隔層設(shè)備中的CSWI進(jìn)行遙控時(shí)，IEC 61850-7-2[9]中定義的控制類服務(wù)的Check參數(shù)的聯(lián)鎖(interlock)位需置1，表示控制操作需要滿足防誤閉鎖邏輯條件。當(dāng)操作的防誤條件不滿足時(shí)，測控裝置將回復(fù)客戶端錯(cuò)誤原因?yàn)锽locked-by-interlocking的否定響應(yīng)。測控裝置還會判斷自身“解鎖/聯(lián)鎖”位置，當(dāng)裝置在解鎖位置時(shí)不啟動(dòng)防誤閉鎖判斷，處于聯(lián)鎖狀態(tài)時(shí)進(jìn)行防誤閉鎖判斷。

防誤功能采用IEC 61850-7-4[10]中定義的CILO(聯(lián)鎖控制)邏輯節(jié)點(diǎn)建模，CILO抽象了防誤操作的邏輯判別與結(jié)果輸出行為。每個(gè)防誤控制對象都建立一個(gè)對應(yīng)CILO的實(shí)例，CILO的前綴與實(shí)例號與控制對象CSWI保持一致。由于IEC 61850中定義的CILO還不能完全滿足防誤閉鎖功能的需要，我們對其進(jìn)行了擴(kuò)充，增加了LckMod和EnaOp兩個(gè)元素，CILO類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表1。

表1　CILO類結(jié)構(gòu)

圖3　CSWI和CILO在控制操作中的作用示意圖

LckMod反映控制對象的聯(lián)鎖模式，可以是非監(jiān)控防誤、解鎖等方式中的一種。其中非監(jiān)控防誤表示測控裝置不具有防誤閉鎖判斷功能。

EnaOpn用于表示控制對象分閘操作的防誤判別結(jié)果，EnaCls用于表示控制對象合閘操作的防誤判別結(jié)果。

EnaOp對應(yīng)于控制對象的防誤接點(diǎn)，可以接收客戶端的控制，對其控合表示解鎖防誤對象，對其控分表示閉鎖防誤對象?？睾蠒r(shí)需要啟動(dòng)防誤功能判斷，控分時(shí)無條件。

CSWI和CILO在控制操作中的作用如圖3所示。

3　防誤規(guī)則文件

變電站監(jiān)控主機(jī)存儲著全站的防誤閉鎖邏輯，間隔層測控裝置也存儲各自控制對象的防誤閉鎖邏輯。通常變電站進(jìn)行現(xiàn)場工程實(shí)施時(shí)，需要分別輸入防誤邏輯，工程配置的工作量較大，而且容易造成測控裝置和監(jiān)控主機(jī)防誤邏輯的不一致。為便于測控裝置和監(jiān)控主機(jī)實(shí)現(xiàn)防誤閉鎖邏輯的共享，簡化現(xiàn)場配置工作，也利于在不同廠家設(shè)備間共享防誤閉鎖邏輯，我們研究了一套防誤規(guī)則表示方法，定義了防誤規(guī)則文件的格式。

規(guī)則文件主要由兩部分組成：符號字典部分和操作規(guī)則部分。符號字典主要是將防誤規(guī)則中涉及的數(shù)據(jù)進(jìn)行定義，方便在規(guī)則中使用。操作規(guī)則部分是各操作對象控制規(guī)則的排列。

符號字典部分表示如下：

[token dictionary]

desc1=data1’s name

……

descN=dataN’s name

符號字典以關(guān)鍵字[token dictionary]開始，關(guān)鍵字獨(dú)占一行，下面排列多個(gè)符號定義，每條符號定義占據(jù)一行。

desc為數(shù)據(jù)的描述字符串，由數(shù)字和字母組成，通常由數(shù)據(jù)所屬的一次設(shè)備的編號加數(shù)據(jù)屬性構(gòu)成。對于狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，直接用防誤編號表示；對于測量數(shù)據(jù)信息，用互感器編號加通道相別表示，如BB2201Ub；對于控制數(shù)據(jù)對象，用防誤編號加CTRL表示，如5011CTRL。

data’s name為數(shù)據(jù)名稱，它與監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)名稱保持一致，采用IEC 61850數(shù)據(jù)的reference來表示數(shù)據(jù)名稱。reference采用ACSI的表示方式，包含數(shù)據(jù)的功能約束(FC)，控制對象用FCD表示，位置和測量數(shù)據(jù)用FCDA表示。例如，控制對象的數(shù)據(jù)名稱可表示為：CB5011CTRL/QG1CSWI1.Pos[CO]；位置信息的數(shù)據(jù)名稱可表示為：CB5011CTRL/QG1CSWI1.Pos.stVal[ST]；測量信息的數(shù)據(jù)名稱可表示為：CB5011MEAS/Q0MMXU1.PhV.phsA.cVal.mag.f[MX]。

操作規(guī)則部分表示如下：

[operation rules]

operateObject1’s desc{operateType}：logic expression1

……

operateObjectN’s desc{operateType}：logic expressionN

操作規(guī)則以關(guān)鍵字[operation rules]開始，關(guān)鍵字獨(dú)占一行，下面排列多個(gè)操作對象的操作規(guī)則，每條規(guī)則從行的第一列開始，可以占用多行。

operateObject’s desc，操作對象描述，在符號字典中定義。

operateType，操作類型，主要為合操作、分操作類型。

logic expression，邏輯表達(dá)式，由在符號字典中定義的數(shù)據(jù)描述(desc)、常數(shù)和運(yùn)算符組成。對于狀態(tài)量常數(shù)值，統(tǒng)一采用0表示分位，1表示合位。計(jì)算結(jié)果為1表示允許，為0表示不允許。運(yùn)算符定義如下：

“=、>、>=、<、<=”，用于變量數(shù)據(jù)與常數(shù)、變量數(shù)據(jù)與變量數(shù)據(jù)間的比較；“&”，邏輯與，用于BOOL量之間的邏輯與運(yùn)算；“|”，邏輯或，用于BOOL量之間的邏輯或運(yùn)算；“！”，邏輯非，用于BOOL量的取非運(yùn)算；“()”，括弧，用于表達(dá)式中的優(yōu)先級運(yùn)算。

例如，某個(gè)50111隔離開關(guān)的合操作規(guī)則表示如下：

50111CTRL{合操作}：((501117=1)&(5011=1)&(501127=1)&(5117=1)& (5127=1))

該規(guī)則文件的表示方法可以基本滿足變電站防誤邏輯的表達(dá)，利于測控裝置和監(jiān)控主機(jī)的解析和計(jì)算。

4　結(jié)束語

智能變電站大量應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和IEC 61850技術(shù)，可以充分實(shí)現(xiàn)信息共享和設(shè)備的互操作。在智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)中，按站控層、間隔層、過程層設(shè)置防誤閉鎖功能，應(yīng)用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行信息交互，進(jìn)行防誤閉鎖判斷和輸出，實(shí)現(xiàn)防止電氣誤操作，可

以提高操作的可靠性，簡化二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的防誤規(guī)則文件進(jìn)行全站監(jiān)控主機(jī)和測控裝置的防誤規(guī)則統(tǒng)一配置，可以提高不同設(shè)備閉鎖邏輯的準(zhǔn)確性，減少現(xiàn)場配置工作量。

我們已經(jīng)在全國數(shù)十座高壓智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)防止電氣誤操作功能，提高了變電站智能化水平，簡化了變電站的設(shè)備配置和二次回路設(shè)計(jì)，減輕了運(yùn)行維護(hù)工作量，較大地提高了設(shè)備的操作可靠性和操作速度，獲得了良好效果。在智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)防止電氣誤操作功能具有較好的應(yīng)用推廣前景。

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