一種智能集控型區(qū)域防誤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

莊毅，陳建泉，馬洪德

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司云浮供電局，廣東 云浮 527300；2.廣州華立科技職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 511325）

1 前言

隨著變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用，各地電力企業(yè)開始大力推廣無(wú)人值守和少人值守的變電站，建設(shè)集中控制型、跨區(qū)域的變電站防誤閉鎖系統(tǒng)，以提升電網(wǎng)運(yùn)行的自動(dòng)化水平。防誤閉鎖系統(tǒng)，作為防止誤操作的重要裝置，是確保變電站乃至電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。集控型區(qū)域防誤閉鎖系統(tǒng)由同一集控中心的操巡隊(duì)操控多個(gè)變電站設(shè)備，能夠跨變電站、跨區(qū)域采集設(shè)備數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方調(diào)控。但由于變電站數(shù)量較多且操作人員對(duì)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)缺乏了解，容易出現(xiàn)倒閘誤操作。因此，電力企業(yè)開始對(duì)集控主站、集控子站和集控中心設(shè)計(jì)新型集控型區(qū)域防誤閉鎖系統(tǒng)。

為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從控制系統(tǒng)、通訊技術(shù)、算法革新等方面對(duì)集控型區(qū)域防誤閉鎖系統(tǒng)開展大量研究。劉故帥等人采用了圖像采集模塊、邊緣分析終端、5G通信技術(shù)和云邊協(xié)同平臺(tái)，設(shè)計(jì)了變電站多維度場(chǎng)景管控系統(tǒng)；李新海等人從人工巡檢的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出了微環(huán)境下基于ZigBee+網(wǎng)線+光纖綜合通信技術(shù)的智能控制系統(tǒng)；鄭翔等人設(shè)計(jì)了基于電力通用服務(wù)協(xié)議的自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)維管理控制系統(tǒng)，能夠自動(dòng)核對(duì)遠(yuǎn)方終端單元信息和自動(dòng)生成季度測(cè)試報(bào)告；鄭俊翔等人提出了一種基于語(yǔ)義分析的電網(wǎng)調(diào)度操作票智能校核方法，能夠智能校核操作票內(nèi)容，進(jìn)一步保證了變電站操作安全性；阮黎翔等人基于角色的訪問(wèn)控制權(quán)限管理模型，提出了基于角色的權(quán)限訪問(wèn)技術(shù)，從變電站操作通訊方面加強(qiáng)安全防護(hù)，提升電力設(shè)備遠(yuǎn)方操控的可控性；魏偉明等人設(shè)計(jì)了一套標(biāo)識(shí)牌識(shí)別文字算法，用于識(shí)別和提示誤操作行為，降低了變電站操作人員誤操作的概率；Cai 等人采用實(shí)時(shí)標(biāo)識(shí)牌圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)操作人員是否進(jìn)入錯(cuò)誤隔間進(jìn)行識(shí)別，能夠減少操作人員誤操作事故；Lai 等人研制了采用手機(jī)APP 操控的智能安全裝置，防止變電站誤操作的發(fā)生。但大部分研究均是從某個(gè)角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行革新升級(jí)，缺少對(duì)系統(tǒng)整體的完善與升級(jí)。

為此，本文對(duì)集控型區(qū)域防誤閉鎖系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析，提出一種智能集控型區(qū)域變電站防誤系統(tǒng)，以GPRS 通信技術(shù)為基礎(chǔ)，配置系統(tǒng)軟件、硬件和設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能，并在同一集控中心的關(guān)聯(lián)變電站中開展測(cè)試，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域調(diào)控操作和數(shù)據(jù)集中管理。

2 集控型區(qū)域防誤閉鎖系統(tǒng)需求分析

傳統(tǒng)單站防誤閉鎖系統(tǒng)只能對(duì)一個(gè)變電站內(nèi)的設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)控、采集、模擬與操作，不能匯總來(lái)自周邊變電站的設(shè)備信息。各變電站的防誤系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，變電站間存在嚴(yán)重的信息孤立現(xiàn)象，采用同一傳輸線的變電站的資源和信號(hào)無(wú)法及時(shí)共享，容易導(dǎo)致變電站間跨區(qū)域帶地刀合閘、帶地線等惡性事故的發(fā)生。

集控型區(qū)域防誤閉鎖系統(tǒng)，能夠共享站間信息，實(shí)現(xiàn)跨變電站、跨區(qū)域管理。各子站防誤任務(wù)均由上級(jí)集控中心統(tǒng)一監(jiān)控、調(diào)度，進(jìn)行遠(yuǎn)程解閉鎖和集中監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守或少人值守，降低人力資源與管理資源的投入。集控型區(qū)域防誤閉鎖系統(tǒng)需求如下。

（1）多級(jí)防誤。通過(guò)集控中心終端防誤閉鎖系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)包括授權(quán)管理層、獨(dú)立控制權(quán)層、仿真預(yù)演層、真實(shí)邏輯層和閉鎖元件層的多級(jí)防誤，防止誤操作的發(fā)生。同時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)⑹芸刈诱镜臄?shù)據(jù)多點(diǎn)回傳至主站，使得授權(quán)用戶可以多點(diǎn)開票，完善各變電站間的閉鎖方案。

（2）網(wǎng)絡(luò)保障。集控型區(qū)域防誤閉鎖系統(tǒng)需要為下屬變電站提供開票服務(wù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，要能保證系統(tǒng)可離線完成操作并自動(dòng)恢復(fù)數(shù)據(jù)，隨后還能將所有操作數(shù)據(jù)再次上傳到服務(wù)器，確保整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致性。

（3）信息聯(lián)絡(luò)。通過(guò)實(shí)施接地線與運(yùn)行工程師、檢修工程師、防誤閉鎖主機(jī)、智能化系統(tǒng)之間的信息聯(lián)絡(luò)，能即時(shí)監(jiān)控地線開合狀態(tài)，并參與防誤閉鎖校核，有效防止“當(dāng)對(duì)有聯(lián)絡(luò)關(guān)系的變電站設(shè)備進(jìn)行開合閘操作時(shí)，本側(cè)帶負(fù)載而對(duì)側(cè)掛接電線合地刀、本側(cè)有接電線接電刀而對(duì)側(cè)合刀閘等不良事件”的產(chǎn)生，從而提高供電系統(tǒng)的安全性，保證供電系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 集控型區(qū)域防誤閉鎖系統(tǒng)工作原理

集控型區(qū)域防誤閉鎖系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器（client/server，C/S）的軟件架構(gòu)。其中，主站服務(wù)器負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理下轄各受控子站的防誤數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行有效審核和監(jiān)督；受控子站的系統(tǒng)作為客戶端，可以從監(jiān)控系統(tǒng)中獲取實(shí)時(shí)遙信和虛遙信，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至集控站，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。通過(guò)接收集控中心發(fā)出的操作票，可以實(shí)現(xiàn)“手拉手”線路的開票、接票和回傳等功能，能夠避免本側(cè)掛接地線時(shí)對(duì)側(cè)合刀閘、本側(cè)帶載運(yùn)行時(shí)對(duì)側(cè)掛接地線等嚴(yán)重操作事故。

系統(tǒng)可以在集控中心、操巡隊(duì)和子站進(jìn)行模擬開票。在模擬開票時(shí)，變電站運(yùn)維人員需要通過(guò)身份授權(quán)認(rèn)證并上傳至管理系統(tǒng)，然后在管理系統(tǒng)中執(zhí)行仿真作業(yè)。管理系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所規(guī)定的防誤閉鎖操作規(guī)則，智能判定每項(xiàng)操作。當(dāng)操作準(zhǔn)確且滿足規(guī)則時(shí)，可以繼續(xù)執(zhí)行，否則，需要重新執(zhí)行，以確保安全性和準(zhǔn)確性。此外，操作系統(tǒng)還可發(fā)出人工語(yǔ)音來(lái)提醒操作人員及時(shí)更正錯(cuò)誤操作項(xiàng)。

模擬操作結(jié)束后，變電站運(yùn)維人員可選擇在集控中心將操作票指令傳至電腦鑰匙并攜帶鑰匙至受控子站現(xiàn)場(chǎng)直接就地操作，也可選擇將操作票傳至操巡隊(duì)或受控子站的當(dāng)?shù)剡\(yùn)維人員，并通過(guò)通訊適配器傳至電腦鑰匙進(jìn)行就地操作。在倒閘操作過(guò)程中，變電站運(yùn)維人員使用電腦鑰匙開啟設(shè)備編碼鎖，隨后設(shè)備將根據(jù)編碼頭核驗(yàn)操作對(duì)象。當(dāng)操作對(duì)象走錯(cuò)間隔或誤操作時(shí)，鎖具將強(qiáng)制閉鎖，防止運(yùn)維人員繼續(xù)操作，同時(shí)電腦鑰匙會(huì)發(fā)出警報(bào)，提示誤操作；當(dāng)操作對(duì)象準(zhǔn)確時(shí)，開啟鎖具完成相應(yīng)的倒閘操作。若設(shè)備已連接監(jiān)控系統(tǒng)，則系統(tǒng)可直接從監(jiān)控后臺(tái)發(fā)送關(guān)閉命令實(shí)現(xiàn)閉鎖。

4 集控型區(qū)域防誤閉鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 網(wǎng)絡(luò)搭建

變電站的設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)具有數(shù)量大、變化頻率高的特點(diǎn)?；贕PRS 通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)模塊能夠進(jìn)行高頻率的低速率數(shù)據(jù)傳輸和短暫的大數(shù)據(jù)傳輸，符合變電站傳輸數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。因此，本系統(tǒng)采用GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行變電站與集控中心的組網(wǎng)。GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)模塊支持WEB 服務(wù)及http 協(xié)議，本系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)以報(bào)文數(shù)據(jù)包的形式傳輸給集控中心，每次傳輸都需要集控?cái)?shù)據(jù)中心應(yīng)答。當(dāng)未接收到集控中心的應(yīng)答時(shí)，則超時(shí)發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)包，直至接收到應(yīng)答，以此保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。由于變電站設(shè)備較多，需要在每個(gè)采集裝置中安裝一個(gè)GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)模塊，實(shí)時(shí)傳輸設(shè)備狀態(tài)至集控中心，實(shí)現(xiàn)集控中心的實(shí)時(shí)同步。

除上述操作外，該系統(tǒng)還需要與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商制定分配IP 地址協(xié)議。GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)模塊分配動(dòng)態(tài)IP 地址并傳輸至變電站本站路由器，防止數(shù)據(jù)被篡改。路由器再以固定IP 地址將數(shù)據(jù)傳輸給集控中心，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的安全性與穩(wěn)定性。GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)模塊還能夠?qū)崟r(shí)與服務(wù)器連接，并接收服務(wù)器采集指令。例如，當(dāng)子站需要維護(hù)時(shí)，集控中心可以發(fā)送指令，允許該子站修改數(shù)據(jù)，禁止與該子站有電氣聯(lián)系的其他子站修改數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)閉鎖，在完成維護(hù)后及時(shí)解除閉鎖。

GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)模塊除了能接收指令外，還能夠接收服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)包。當(dāng)子站數(shù)據(jù)變化時(shí)，服務(wù)器將更新后的數(shù)據(jù)發(fā)送至其他子站，實(shí)現(xiàn)主站子站數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步更新。組網(wǎng)流程圖如圖1 所示。

圖1 變電站組網(wǎng)流程圖

4.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

集控型區(qū)域防誤閉鎖系統(tǒng)可通過(guò)監(jiān)測(cè)裝置采集受控子站一次設(shè)備的狀態(tài)信息，并能夠通過(guò)防誤閉鎖邏輯演練模擬操作內(nèi)容來(lái)確保安全作業(yè)。此外，該系統(tǒng)還可以對(duì)區(qū)域內(nèi)任一變電站的操作內(nèi)容進(jìn)行邏輯預(yù)演判斷，并可將任務(wù)操作指令信息傳輸至電腦鑰匙，工作人員可持電腦鑰匙對(duì)區(qū)域內(nèi)受控子站進(jìn)行倒閘操作。操作完成后，受控子站可以將任務(wù)執(zhí)行情況信息發(fā)送至受控站防誤閉鎖主機(jī)，同時(shí)也可以將其傳送至主站集控中心，以順利完成作業(yè)目標(biāo)。其閉鎖指令如下。

（1）全站閉鎖。當(dāng)任意防誤主機(jī)進(jìn)行邏輯預(yù)演時(shí)全站閉鎖，待預(yù)演結(jié)束后，取消閉鎖狀態(tài)。

（2）操作閉鎖。邏輯預(yù)演結(jié)束后，電腦鑰匙操作信息回傳前，操作設(shè)備閉鎖。

（3）關(guān)聯(lián)閉鎖。在防誤閉鎖邏輯規(guī)則中，與擬操作閉鎖設(shè)備相關(guān)聯(lián)的設(shè)備均閉鎖。

（4）站間防誤閉鎖。實(shí)現(xiàn)變電站之間聯(lián)絡(luò)線上設(shè)備的規(guī)則校驗(yàn)，將區(qū)域內(nèi)不同變電站間的設(shè)備狀態(tài)和閉鎖規(guī)則邏輯統(tǒng)一考慮，進(jìn)行區(qū)域防誤邏輯判斷。

4.2.1 集控中心遙控操作模式

利用集控中心的防誤閉鎖工作站和監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站開關(guān)設(shè)備的遠(yuǎn)程操作。根據(jù)集控中心任務(wù)，防誤閉鎖工作站對(duì)擬操作的設(shè)備進(jìn)行防誤閉鎖演練，并按照防誤閉鎖邏輯判斷，發(fā)出解鎖指令。監(jiān)控系統(tǒng)按照這一指令實(shí)施作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)遙控。針對(duì)整個(gè)操作任務(wù)，反復(fù)執(zhí)行上述動(dòng)作，直至結(jié)束。一旦出現(xiàn)緊急情況，即可使用授權(quán)方式緊急解鎖，以確保安全。

4.2.2 操巡隊(duì)遙控操作模式

變電站工作人員接收到集控中心的遙控操作任務(wù)指令后，會(huì)在操巡隊(duì)的防誤閉鎖主機(jī)對(duì)變電站內(nèi)擬進(jìn)行開斷操作的設(shè)備進(jìn)行防誤邏輯模擬演練，然后根據(jù)防誤閉鎖邏輯判斷，發(fā)送解鎖命令。操巡隊(duì)的監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)這一命令，按照預(yù)定的步驟實(shí)施遙控。針對(duì)全部操作任務(wù)，反復(fù)執(zhí)行上述動(dòng)作，直至結(jié)束。一旦出現(xiàn)緊急情況，與集控中心遙控操作模式相同，即可通過(guò)授權(quán)方式緊急解鎖，以確保設(shè)備安全。

4.2.3 受控站遙控操作模式

運(yùn)行人員接到操作任務(wù)時(shí)，在受控站的防誤系統(tǒng)主機(jī)上，對(duì)站內(nèi)擬開斷的設(shè)備進(jìn)行防誤閉鎖模擬演練，并開具操作票。當(dāng)涉及隔離開關(guān)或斷路器操作時(shí)，受控站防誤主機(jī)向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出解鎖申請(qǐng)，監(jiān)控系統(tǒng)依照預(yù)先設(shè)定的程序執(zhí)行操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，并在任務(wù)結(jié)束前持續(xù)重復(fù)上述操作。一旦發(fā)生緊急情況，與集控中心遙控操作模式相同。

4.2.4 各級(jí)就地操作模式

為了確保手動(dòng)控制的刀閘、地刀、臨時(shí)地線、網(wǎng)（柜）門等機(jī)械設(shè)備的安全，選用機(jī)械編碼鎖和電氣編碼鎖，并配備閉鎖配件進(jìn)行閉鎖。在各防誤層（集控中心、操巡隊(duì)、受控子站）內(nèi)，可以先完成模擬動(dòng)作演練，再將經(jīng)過(guò)防誤閉鎖校驗(yàn)的操作票發(fā)送至電腦鑰匙。操作人員利用電腦鑰匙到場(chǎng)內(nèi)完成倒閘操作，執(zhí)行完成后，將操作結(jié)果及時(shí)上傳回防誤系統(tǒng)主機(jī)，以確保設(shè)備的安全性和可靠性。

4.2.5 檢修操作模式

操作人員通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行模擬演練，生成檢修工作票，在現(xiàn)場(chǎng)使用電腦鑰匙對(duì)設(shè)備解鎖。防誤閉鎖系統(tǒng)解除檢修票涉及相關(guān)設(shè)備控制回路的限制，并在電腦鑰匙歸還后再次鎖定控制回路。

5 工程應(yīng)用

采用本文所設(shè)計(jì)的集控型區(qū)域防誤閉鎖系統(tǒng)在廣東云浮供電局進(jìn)行應(yīng)用。具體案例如下：通過(guò)操作界面對(duì)兩個(gè)變電站進(jìn)行站間操作，新建任務(wù)為“110kV 共創(chuàng)線由冷備用轉(zhuǎn)熱備用”。其中，變電站1 的初始狀態(tài)為12140 地刀斷開，變電站2 的初始狀態(tài)為12140 地刀接地，執(zhí)行操作為“閉合變電站1 的12140 刀閘”。系統(tǒng)邏輯判斷結(jié)果為：“帶地線合閘，不允許操作”，輸出的邏輯判斷結(jié)果界面圖如圖2 所示。

圖2 防誤邏輯判斷結(jié)果

應(yīng)用結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠集成各站點(diǎn)的終端數(shù)據(jù)并進(jìn)行邏輯判斷，有效防止了站間設(shè)備誤操作的發(fā)生，保證了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本系統(tǒng)能夠有效支持面向各站點(diǎn)終端數(shù)據(jù)的集成，面向應(yīng)用操作與用戶管理的集成，從而保障系統(tǒng)成功實(shí)施與可靠運(yùn)行。

（1）多層防誤操作。系統(tǒng)具有完善的多層防線（權(quán)限管理層、唯一操作權(quán)層、模擬預(yù)演層、實(shí)時(shí)邏輯層、閉鎖元件層），以防范誤操作的發(fā)生。

（2）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)恢復(fù)。在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障的情況下，可獨(dú)立完成各自的操作，在斷網(wǎng)期間完成的所有操作數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后能夠自動(dòng)上傳至服務(wù)器，以保證整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。

（3）數(shù)據(jù)共享統(tǒng)一。系統(tǒng)能夠?yàn)槠渌到y(tǒng)提供所需要的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，同時(shí)能夠與其他系統(tǒng)對(duì)接，取得設(shè)備的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。此外，系統(tǒng)還能夠通過(guò)集控中心服務(wù)器訪問(wèn)所有下轄子站防誤操作的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，以確保信息可靠且唯一。

6 結(jié)語(yǔ)

變電站智能集控型區(qū)域防誤系統(tǒng)結(jié)合客戶端/服務(wù)器(C/S)結(jié)構(gòu)，通過(guò)GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)區(qū)域聯(lián)絡(luò)，設(shè)計(jì)集控中心遙控操作模式、操巡隊(duì)遙控操作模式、受控站遙控操作模式、各級(jí)就地操作模式和檢修操作模式，主站可以在遠(yuǎn)端集中調(diào)度、控制、監(jiān)控防誤子站。系統(tǒng)可以避免一定的誤操作事故，通過(guò)集中監(jiān)控減少電網(wǎng)企業(yè)的人力成本，推動(dòng)了無(wú)人值守或少人值守變電站發(fā)展，極大地提高了電力生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。