智能牽引變電所五防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙洋洋，王 牣，于 洋

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智能牽引變電所五防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙洋洋，王 牣，于 洋

防誤閉鎖系統(tǒng)是變電所防止誤操作的重要保證。傳統(tǒng)牽引變電所主要依靠電氣閉鎖結(jié)合電壓繼電器等防止隔離開(kāi)關(guān)和電動(dòng)接地刀閘的誤操作，存在信息共享困難和設(shè)備間互操作不便等問(wèn)題。本文依據(jù)智能牽引變電所的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出智能牽引變電所基于站控層、過(guò)程層、間隔層的防誤閉鎖構(gòu)架。

智能牽引變電所；IEC61850；防誤閉鎖；GOOSE；五防

0 引言

我國(guó)目前的牽引變電所主要采用綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱綜自系統(tǒng)），自動(dòng)完成變電所參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備保護(hù)及監(jiān)控等功能。但傳統(tǒng)綜自系統(tǒng)存在設(shè)備之間互操作性差、二次設(shè)備間的信息難以共享、施工周期長(zhǎng)、施工費(fèi)用高等缺點(diǎn)。IEC61850規(guī)約和高速以太網(wǎng)、在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)字化智能變電所的建設(shè)提供了技術(shù)支撐，數(shù)字化智能變電所是未來(lái)牽引變電所發(fā)展方向，是鐵路智能化的重要組成部分。

目前在電力系統(tǒng)變電站中常用的是微機(jī)防誤閉鎖系統(tǒng)，由五防主機(jī)、電腦鑰匙、模擬屏、編碼鎖等組成?！秶?guó)家電網(wǎng)公司防止電氣誤操作安全管理規(guī)定》定義“五防”為：①防止誤分、誤合斷路器；②防止帶負(fù)荷分、合隔離開(kāi)關(guān)；③防止帶電掛（合）接地線（接地刀閘）；④防止帶接地線合斷路器；⑤防止誤入帶電間隔[2]。早期建設(shè)的鐵路中五防系統(tǒng)應(yīng)用較少，主要依靠電氣閉鎖等方式防止電氣誤操作，缺少對(duì)帶電掛接地線、帶地線合閘等誤操作的閉鎖。五防系統(tǒng)在電力系統(tǒng)上應(yīng)用的成熟經(jīng)驗(yàn)為鐵路牽引變電所防誤操作明確了方向[1]。

五防系統(tǒng)很大程度上保障了變電所的安全，但也存在如下問(wèn)題：需要電腦鑰匙和專用的密碼鎖具，增加了變電所設(shè)備的維護(hù)工作量；倒閘前的模擬操作、五防解鎖增加了倒閘的操作時(shí)間；存在“走空程”的現(xiàn)象[3]。文獻(xiàn)[4]提出了通過(guò)實(shí)時(shí)返回現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)量信息的方式防止“走空程”現(xiàn)象的發(fā)生；文獻(xiàn)[5]提出了通過(guò)在線式五防取消電腦鑰匙這一操作的解決方案。

本文對(duì)智能牽引變電所的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)、過(guò)程層設(shè)備的智能化配置方案以及站控層和間隔層的組網(wǎng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并基于現(xiàn)有的調(diào)度檢修流程，給出智能牽引變電所遠(yuǎn)方調(diào)度、站控層、間隔層、過(guò)程層五防系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。

1 智能牽引變電所結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

相比傳統(tǒng)牽引變電所，智能牽引變電所主要由一次設(shè)備智能組件和二次保護(hù)測(cè)控裝置組成，完成所內(nèi)數(shù)據(jù)采集、測(cè)控保護(hù)及執(zhí)行遠(yuǎn)端調(diào)度命令等功能。智能牽引變電所采用具有數(shù)字化通信接口的一次智能設(shè)備，通過(guò)IEC61850規(guī)約完成信息的建模和設(shè)備間的互操作，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備代替電纜完成控制。根據(jù)IEC61850體系，智能牽引變電所在結(jié)構(gòu)上可以劃分為3層：站控層、間隔層和過(guò)程層。系統(tǒng)組網(wǎng)如圖1所示。

圖1 智能牽引變電所組網(wǎng)圖

1.1 過(guò)程層智能化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)牽引變電所的一次設(shè)備與二次設(shè)備通過(guò)電纜連接。牽引變電所過(guò)程層的智能化可通過(guò)2種方式實(shí)現(xiàn)：一種是采用全智能一次設(shè)備；另一種是對(duì)傳統(tǒng)一次設(shè)備進(jìn)行改造，采用“一次設(shè)備本體+智能組件”的方式，使一次設(shè)備具有數(shù)字化接口，與保護(hù)測(cè)控裝置之間采用光纜通信[6]。一次設(shè)備智能組件主要包括牽引變壓器智能組件、電流電壓互感器合并單元以及斷路器等電動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)備智能單元等。

過(guò)程層包括變壓器、隔離開(kāi)關(guān)、互感器、接地刀閘、本體組件、合并單元、智能終端、合并智能終端、電壓MU（合并智能單元）等設(shè)備。高壓側(cè)采用電子式互感器，低壓側(cè)采用常規(guī)27.5 kV電磁式互感器和智能組件完成數(shù)字化接口功能；本體組件用于牽引變壓器的本體電氣量采集和控制；合并智能單元用于27.5 kV側(cè)饋線電壓、電流采集以及斷路器、電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)的接入和控制；電壓MU用于采集母線電壓，并通過(guò)發(fā)送FT3到其他合并智能單元實(shí)現(xiàn)電壓共享；合并單元用于接入牽引變壓器高壓側(cè)電流和電壓；智能單元主要用于牽引變壓器高壓側(cè)斷路器、電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)、電動(dòng)接地刀閘等開(kāi)關(guān)的控制。過(guò)程層設(shè)備智能化連接如圖2所示。

圖3為智能單元原理圖。智能單元完成對(duì)斷路器的控制，同時(shí)采集開(kāi)關(guān)開(kāi)入量。其中DSP負(fù)責(zé)GOOSE通信，智能開(kāi)入插件采集斷路器、刀閘等一次設(shè)備的開(kāi)關(guān)信息，然后通過(guò)DSP發(fā)送給保護(hù)測(cè)控裝置，保護(hù)測(cè)控裝置通過(guò)GOOSE發(fā)送分合閘命令給智能開(kāi)出插件驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的出口繼電器。

圖2 過(guò)程層設(shè)備智能化連接

圖3 智能單元原理

1.2 間隔層設(shè)計(jì)

間隔層主要完成變電所的保護(hù)、測(cè)量、控制和自動(dòng)化功能，按照間隔布置，主要由主變保護(hù)測(cè)控裝置、饋線保護(hù)測(cè)控裝置、并補(bǔ)保護(hù)裝置、故障測(cè)控裝置以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成。過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)連接智能一次設(shè)備和保護(hù)測(cè)控裝置，傳輸采樣值（SV）、GOOSE等信息。過(guò)程層電子式互感器或合并智能單元發(fā)送符合IEC61850-9-2的采樣值，間隔層保護(hù)測(cè)控裝置接收采樣值（SV）用于保護(hù)和測(cè)量，保護(hù)采用“直采直跳”模式，通過(guò)GOOSE發(fā)送分合閘命令。間隔層網(wǎng)絡(luò)采用光纖雙環(huán)自愈網(wǎng)，支持過(guò)程層點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式和網(wǎng)絡(luò)方式，支持光纖雙環(huán)自愈網(wǎng)絡(luò)和雙星形網(wǎng)絡(luò)。其中光纖環(huán)網(wǎng)具有自愈功能，平時(shí)主環(huán)工作，備環(huán)處于備份狀態(tài)，當(dāng)環(huán)上某處發(fā)生故障時(shí)，其相鄰節(jié)點(diǎn)的主環(huán)、備環(huán)自動(dòng)環(huán)回，使通信網(wǎng)絡(luò)仍保持暢通，故障點(diǎn)恢復(fù)后，備環(huán)回到備份狀態(tài)，極大地提高了光纖通信的可靠性。間隔層裝置功能如圖4所示。

圖4 間隔層裝置功能

1.3 站控層設(shè)計(jì)

站控層設(shè)備包括后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)通信單元、GPS對(duì)時(shí)裝置，支持IRIG-B碼、IEC61588、秒脈沖SNTP等對(duì)時(shí)方式。當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)支持集中組屏、設(shè)備分散安裝等各種模式，支持星形網(wǎng)絡(luò)和光纖環(huán)網(wǎng)等不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。站控層網(wǎng)絡(luò)連接站控層設(shè)備和間隔層的保護(hù)測(cè)控裝置，采用100 M以太網(wǎng)和IEC61850規(guī)約通信。

2 智能牽引變電所五防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

《國(guó)家電網(wǎng)公司防止電氣誤操作安全管理規(guī)定》要求：凡是有可能引起誤操作的高壓電氣設(shè)備，都應(yīng)該裝有防誤裝置和相應(yīng)的電氣防誤閉鎖回路；操作功能按照遠(yuǎn)方操作，站控層、間隔層、過(guò)程層分層考慮，無(wú)論設(shè)備在哪一層控制操作，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和選擇切換開(kāi)關(guān)的狀態(tài)都應(yīng)該具備防誤閉鎖功能，且要閉鎖所有電動(dòng)和手動(dòng)設(shè)備，涵蓋斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀閘以及臨時(shí)接地線、網(wǎng)（柜）門等；防誤閉鎖要覆蓋整個(gè)變電站運(yùn)行、操作、檢修等環(huán)節(jié)[7]。智能牽引變電所采用在線式五防系統(tǒng)，完成站控層、間隔層、過(guò)程層的電動(dòng)和手動(dòng)設(shè)備的防誤閉鎖，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 智能牽引變電所在線式五防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 站控層防誤

牽引變電所內(nèi)通過(guò)監(jiān)控主機(jī)或獨(dú)立五防主機(jī)完成站控層防誤。在線式五防系統(tǒng)將防誤閉鎖模塊嵌入后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，共用一套實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)站控層網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)采集全站間隔層IED設(shè)備上送的信息以及智能五防鎖具采集的地線樁、網(wǎng)門閉鎖信息，進(jìn)行防誤邏輯運(yùn)算，并與數(shù)據(jù)庫(kù)中儲(chǔ)存的五防閉鎖邏輯進(jìn)行比對(duì)。站控層防誤閉鎖范圍覆蓋隔離開(kāi)關(guān)、接地刀閘、網(wǎng)門和臨時(shí)接地線等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)站控層的全面防誤閉鎖。

監(jiān)控主機(jī)具備基本的權(quán)限管理功能，可以靈活地修改運(yùn)行人員、檢修人員等的操作權(quán)限；可以退出防誤閉鎖功能、編輯操作票、編輯防誤閉鎖規(guī)則等。操作票預(yù)演時(shí)可以進(jìn)行防誤閉鎖規(guī)則校驗(yàn)，如不滿足校驗(yàn)要求，系統(tǒng)終止操作并給出報(bào)警。

站控層防誤采用基于“主接線+知識(shí)庫(kù)+推理機(jī)”的方法，完成防誤閉鎖邏輯的推理判斷。

2.2 間隔層防誤

間隔層主要由間隔層測(cè)控裝置實(shí)現(xiàn)本間隔的閉鎖和相關(guān)間隔的聯(lián)鎖。間隔層裝置儲(chǔ)存本層的防誤閉鎖邏輯，通過(guò)實(shí)時(shí)采集設(shè)備狀態(tài)信息、電壓/電流模擬量信號(hào)，經(jīng)高速以太網(wǎng)應(yīng)用GOOSE協(xié)議接收其他間隔的信號(hào)及向其他間隔發(fā)送信號(hào)，進(jìn)行設(shè)備的防誤邏輯判斷。當(dāng)出現(xiàn)GOOSE斷鏈、信號(hào)狀態(tài)不確定等情況時(shí)，防誤判斷校驗(yàn)將無(wú)法通過(guò)。

間隔層五防主要通過(guò)邏輯表達(dá)式編輯器編輯閉鎖邏輯，并將閉鎖邏輯生成XML文件，下載到相關(guān)間隔保護(hù)測(cè)控裝置的CPU內(nèi)。由工具軟件配置好判斷閉鎖所需模擬量和狀態(tài)量信息的SCD文件，并導(dǎo)入到CPU內(nèi)，共同實(shí)現(xiàn)間隔層的防誤閉鎖功能。間隔層閉鎖流程如圖6所示。

2.3 過(guò)程層防誤

過(guò)程層防誤通常由防誤鎖具、設(shè)備的單元電氣閉鎖、機(jī)械閉鎖等共同實(shí)現(xiàn)。其中設(shè)備的單元電氣閉鎖和機(jī)械閉鎖實(shí)現(xiàn)間隔內(nèi)設(shè)備操作的防誤閉鎖。牽引變電所中的手動(dòng)操作設(shè)備、臨時(shí)接地線、網(wǎng)門等采用在線式防誤電磁鎖具實(shí)現(xiàn)電磁閉鎖，其鎖具的位置信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)，并參與防誤邏輯運(yùn)算。在站控層后臺(tái)監(jiān)控中對(duì)應(yīng)設(shè)置掛接、拆除模擬地線監(jiān)控功能，保證操作與監(jiān)控狀態(tài)一致。

地線樁平時(shí)由閉鎖裝置閉鎖，當(dāng)接到站控層遙控開(kāi)出命令時(shí)，由間隔層裝置驅(qū)動(dòng)繼電器工作，經(jīng)時(shí)間繼電器延時(shí)后地線閉鎖電磁鎖解鎖，此時(shí)可以掛接地線。當(dāng)檢修等動(dòng)作完成后，遙控閉鎖地線樁。為保證地線閉鎖信號(hào)的實(shí)時(shí)上傳以及站控層發(fā)出開(kāi)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)地線解除閉鎖等功能，硬件模塊需完成信號(hào)的開(kāi)入、開(kāi)出以及通信功能，同時(shí)需配置電源模塊，所采用的芯片需選用工業(yè)級(jí)芯片以應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的電磁環(huán)境。其實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。

圖6 間隔層閉鎖流程

圖7 閉鎖裝置整體流程

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

鑒于實(shí)際條件，利用模擬試驗(yàn)儀器搭建試驗(yàn)平臺(tái)，采用模擬斷路器模擬實(shí)際斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、刀閘等設(shè)備，采用數(shù)字化繼保儀給出來(lái)自電壓互感器和電流互感器的電壓和電流等模擬量。

以隔離開(kāi)關(guān)2111為例，針對(duì)其分合閉鎖邏輯，通過(guò)閉鎖邏輯表達(dá)式編輯器編輯其閉鎖邏輯生成的閉鎖XML文件，如圖8所示，“1”表示分閘，“2”表示合閘。

圖8 隔離開(kāi)關(guān)2111閉鎖XML文件

模擬操作界面如圖9所示，當(dāng)211斷路器處于合位時(shí)，點(diǎn)擊2111對(duì)其執(zhí)行模擬分閘操作，系統(tǒng)依據(jù)內(nèi)部存儲(chǔ)的五防閉鎖規(guī)則對(duì)該步操作進(jìn)行判斷，提示該操作不符合五防規(guī)則，拒絕執(zhí)行該操作。

圖9 模擬操作

當(dāng)未經(jīng)過(guò)站控層而直接通過(guò)間隔層判斷時(shí)，保護(hù)測(cè)控裝置依據(jù)事先配置好的閉鎖邏輯對(duì)2111隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行分閘操作，根據(jù)目前211斷路器的位置和T線、F線母線電壓對(duì)2111開(kāi)關(guān)的分閘操作進(jìn)行邏輯判斷，并執(zhí)行閉鎖。當(dāng)211斷路器處于分位時(shí)允許執(zhí)行2111合操作，當(dāng)211斷路器處于合位時(shí)，禁止執(zhí)行2111隔離開(kāi)關(guān)合操作，成功防止誤操作，其結(jié)果如圖10所示。

圖10 操作結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

IEC61850規(guī)約的推出、通信技術(shù)以及在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展給鐵路牽引供電系統(tǒng)提供了由傳統(tǒng)綜合自動(dòng)化到數(shù)字化、智能化跨越的機(jī)會(huì)，充分實(shí)現(xiàn)信息共享和設(shè)備的互操作。目前鐵路牽引供電系統(tǒng)仍然主要以傳統(tǒng)綜合自動(dòng)化變電所為主，但數(shù)字化、智能化變電站給鐵路牽引供電系統(tǒng)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，智能牽引變電所五防保護(hù)系統(tǒng)將更好地保障鐵路供電的安全性和穩(wěn)定性。

[1] 陳紀(jì)綱，王思文. 智能防誤操作系統(tǒng)在客運(yùn)專線牽引變電所的應(yīng)用[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014，58（5）：121-123.

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The miss locking protection system is an important guarantee to protect against the miss operation of substation. The traditional traction substation mainly relies on the electrical locking combined with voltage relay for protection against the miss operation of disconnectors and motor operated earthing blades, this will induce to difficulties in information sharing and inconvenient inter-operation between equipment. On the basis of design of network grouping structure for intelligent traction substation, the paper puts forward the station control level, process level and bay level based miss locking protection structure.

Intelligent traction substation; IEC61850; miss locking protection; GOOSE; five-protection

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.004

U224.9

B

1007-936X(2018)05-0011-05

2018-02-26

趙洋洋，于 洋.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生；

王 牣.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，教授。