變電站自動化系統多層面防誤閉鎖方式的研究

徐輝明

（漳州電業局，福建 漳州 363000）

變電站自動化系統多層面防誤閉鎖方式的研究

徐輝明

（漳州電業局，福建 漳州 363000）

當前變電站自動化系統都不同程度地采用防誤閉鎖，其閉鎖方式和策略各不相同。論文對目前常見的防誤閉鎖方法進行了研究，通過對比分析，提出了在變電站自動化系統的多個控制層面綜合采用多種防誤閉鎖方式的應用策略。

變電站自動化；防誤閉鎖；五防系統；多層面；IEC61131

安全生產是電力系統追求的基本目標，盡管有著各種預防控制措施，但是誤操作事故仍然存在。誤操作不僅造成電氣設備的損壞、電網停電，甚至是帶來人員的傷亡。為此，我國在1990年提出了電氣設備防誤閉鎖操作的要求，并以法規形式規定了電氣防誤的管理、設計和使用原則，為有效防止誤操作引發的人身和重要設備事故起到了積極的作用。論文論述了如何在變電站自動化系統的不同控制層面上如后臺監控系統、測控裝置和集控站系統,分別采取不同的防誤閉鎖方式，多層面實現防誤閉鎖的功能，從而達到電氣設備防誤閉鎖的要求，防止誤操作的發生，保障變電站系統的可靠運行。

一、變電站防誤閉鎖原理和實現方式

變電站內通常按照一定規律安裝布置了斷路器、隔離刀閘、接地刀閘等電氣設備，這些設備的不同狀態影響著電力系統的運行方式，設備之間存在著相互的邏輯關系，因此也就只能按照正確的先后順序來操作這些電氣設備。根據電力系統多年的運行經驗，我們總結得出的“五防”就是指：防止誤分合斷路器，防止帶負荷拉刀閘，防止帶地刀(接地線)合刀閘送電，防止帶電合地刀或掛接地線，防止誤入帶電間隔。變電站自動化系統防誤閉鎖就是采取各種手段，防止電氣設備的誤操作，最早采用的就是在一次設備的二次操作回路中設置電氣防誤閉鎖方法。應該說電氣防誤在實際運行中確實起到了很重要的作用，但是這種方法需要接入大量的二次電纜，接線方式復雜，容易出錯，運行維護困難，加上先天原因，部分設備存在防誤閉鎖的盲區。

隨著自動化系統在變電站的應用和不斷發展，防誤閉鎖又有了新的方法。當前，面向間隔、面向對象設計的分層分布式的自動化系統已成為變電站自動化技術的發展主流。隨著計算機網絡技術的發展,各種測控裝置都具有以太網絡接口,可以直接接入站內局域網交換機，與站控層的計算機監控系統進行通信,而不再需要通過通信層的通信控制器與計算機監控系統通信。因此,我們可以將傳統分層分布式變電站自動化系統的三層結構簡化為兩層：站控層、間隔層。不同的層面完成其相應的不同功能，“站控層”主要由計算機組成，包括服務器、工作站等，負責對裝置采集上送的數據進行處理、存儲、顯示，完成各種分析、打印等，能夠對間隔層設備實施在線組態、修改定值、在線維護、操作閉鎖控制等功能，為操作人員提供友好的人機接口；“間隔層”主要包括保護裝置、測控裝置、故障錄波等智能電子設備(IED)，負責收集本間隔實時數據信息，對一次設備執行保護控制功能，完成與站控層的網絡通信。

因為自動化系統各個層面自身的特性和完成的功能不同，造就了防誤閉鎖在不同層面實現的不同方式。在變電站自動化系統中，防誤閉鎖就可以結合不同的控制層面得到實現。

二、基于后臺系統的防誤閉鎖

變電站當地所有的控制操作命令都是從后臺系統發出，我們可以在站控層中安裝后臺防誤系統，每次控制操作開始時都經由后臺防誤系統進行閉鎖邏輯規則的判斷，從而保證控制操作命令的正確性。后臺防誤系統根據電氣防誤操作的原則設計，與監控系統實時通訊，在線監測現場設備的狀態，并根據設備狀態和倒閘操作防誤閉鎖的要求，按照閉鎖規則進行判斷，最后才由操作票專家系統生成倒閘操作票，并將操作票傳送到電腦鑰匙。操作員在工作站上進行的每一步操作都必須通過防誤閉鎖專家系統的規則判斷，只有判斷正確后才能將操作命令發出；如果所要操作的設備被五防系統判斷為不符合防誤閉鎖要求時，則本次操作被閉鎖取消。另外，操作員還可以帶上已經傳有正確操作票的電腦鑰匙到設備現場對開關、刀閘、地刀等進行現場對位及操作。

后臺防誤系統主要包括五防主機、模擬屏（或模擬操作機）、電腦鑰匙、電編碼鎖、機械編碼鎖和其他輔助部件。①五防主機主要完成與站內監控系統通信、實時數據采集、控制操作防誤、操作票管理等。②模擬操作機主要完成開關對位，檢查模擬圖與現場設備狀態是否一致；檢驗操作票，按操作票內容進行預演操作，根據預先儲存的規則對每一項操作進行判斷；并將正確的操作票內容傳送到電腦鑰匙中以進行解鎖、倒閘操作。③電腦鑰匙用于接收模擬操作機發來的操作票，然后按照操作票內容逐項對編碼鎖進行解鎖操作，具備按照操作票逐項解鎖操作、中斷操作、檢修操作和非正常跳步操作，并具有音響提示、操作票瀏覽、操作追憶等功能。④電編碼鎖具有電接點和編碼片，通過接通或斷開電氣控制回路，對電氣設備操作進行閉鎖，主要用于對操作地點不在主控室的開關、刀閘等設備的電氣控制回路。操作時將電腦鑰匙插入電編碼鎖，若兩者的編號一致，則電腦鑰匙內部操作回路接通、閉鎖解除，允許進行操作。一旦操作人員走錯位置，電腦鑰匙將檢測出錯誤，操作回路無法接通，閉鎖操作并發出報警語音。⑤機械編碼鎖具有機械閉鎖和編碼片，通過打開或閉鎖電氣設備的機械操作機構，對電氣設備進行閉鎖。主要適用于需要機械操作的刀閘、地刀、接地線、網門的閉鎖。⑥輔助部件包括閉鎖盒、驗電器和接地樁等，主要為了某些特殊位置的防誤需要。

盡管后臺防誤系統具備了模擬邏輯預演、邏輯閉鎖控制和生成操作票等各種功能，但是該類系統仍然存在不足：首先，系統采用商業計算機，其可靠性無法完全達到工業控制要求；其次，遠方調度系統大多與總控單元進行通信，調度下發遙控命令時要將命令轉發給后臺防誤系統才能進行防誤閉鎖判斷，增加了中間轉換環節，容易因為通信問題影響遠方調度命令的執行；最后，后臺防誤系統大多采用Windows操作系統，其安全性有待進一步加強。

三、基于測控單元的間隔邏輯閉鎖

現代緊湊型變電站自動化系統已經簡化集成為間隔層和站控層兩個層次，系統的設計大多采用面向對象的設計方法，將變電站內的線路、主變各側、主變本體、母線、母聯、旁路等電氣設備定義為單獨的監視控制對象，采用獨立的測控裝置對其進行監視和控制。測控裝置位于變電站自動化系統的間隔層，負責對應間隔遙信、遙測信號的采集、處理和控制命令的執行。在間隔層測控裝置中實現防誤操作最突出的優點就是實時性，因為全站監控信息的數據全都來源于測控裝置。在間隔層增加一層防護措施將會更加安全可靠，可以說，在測控裝置上實現針對本間隔內設備的防誤閉鎖是一種理想的選擇。目前，一次設備正在不斷向智能化方向發展，集成開關設備系統智能化的重要表現之一就是實現間隔內五防功能，這也對測控裝置提出了更高的功能要求，在間隔層測控裝置中實現防誤閉鎖也是未來的發展趨勢之一。

要在間隔層測控裝置中實現防誤操作，必須先解決以下問題：（1）如何建立和驗證防誤規則庫；（2）如何配置防誤聯鎖裝置的信息；（3）如何管理防誤規則庫。這些問題在防誤后臺系統中都很容易解決，但是對于只有簡單液晶顯示和少量功能按鍵鍵盤的測控裝置就變得比較困難。

目前測控裝置實現邏輯閉鎖的方法都是采用基于IEC61131標準開發的閉鎖邏輯軟件，通過安裝在后臺機的可視化軟件定義本間隔的邏輯閉鎖規則，經過編譯將邏輯閉鎖規則轉換為測控裝置硬件可以直接執行的可執行代碼，然后下裝到對應的測控裝置。間隔層每個測控裝置的防誤規則庫正是站控層防誤系統規則庫的子集，防誤規則的可執行代碼按照遙控通道為索引存儲在裝置的Flash存儲器中。測控裝置在每次進行控制操作都要先檢查閉鎖邏輯，只有條件滿足時才允許執行控制，否則就閉鎖控制操作。

測控裝置的防誤閉鎖分為間隔內閉鎖和間隔間聯合閉鎖。以帶有間隔間聯鎖的遙控為例，其遙控過程為：遙控選擇命令到達測控裝置；檢查該遙控通道防誤閉鎖軟壓板是否投入，有投入才需要閉鎖邏輯驗證，未投入則不需判斷；CPU從Flash存儲器調取對應遙控通道的防誤規則可執行代碼；判斷是否有聯鎖，如果有聯鎖則需要先啟動聯鎖通信，獲取聯鎖裝置的實時數據，沒有則可直接進入下一步；利用實時數據，按照防誤規則進行運算；根據運算結果回送遙控返校成功或失敗的信息。

為了滿足系統的要求，提高控制的可靠性，測控裝置的所有模塊器件都要達到工業控制標準，全部經過嚴格的電磁兼容試驗等項目的測試。為了滿足裝置間相互通信獲取連鎖信息的實時性要求，若間隔層采用工業以太網為主的通信方案，則采用UDP協議而不是TCP協議。

四、基于集控站（運維站）模式的防誤閉鎖系統

隨著自動化技術的不斷發展和完善，110kV及以下電壓等級的變電站大多實現了無人值守，220kV變電站也開始了無人值守試點工作。為了保證對無人值守變電站的全面有效管理，在電網調度層和無人值守站之間設置集控站，以保證電網的安全可靠運行。最新的發展趨勢是在地區級調度中心設置調度監控中心，在220kV樞紐變電站設置運維站。運維站類似于原有的集控站，除了不需要監盤外，仍然負責附近所轄變電站的日常維護、倒閘操作等工作。論文討論的防誤閉鎖系統在集控站模式下和在將來的運維站模式下，其主要功能應該是沒有差別的，以下統一稱其為集控站防誤閉鎖系統。

目前已經投運的集控站自動化系統大致可以分為分級管理和集中管理兩種模式：①分級管理模式下變電站向集控站傳送本站的全部監控信息，集控站則只向調度轉發其所需的部分信息；調度員只向集控站下達各種操作命令，對變電站的各種控制操作則由集控站完成。②集中控制模式只是在調度自動化系統的局域網上加裝集控站工作站，變電站的監控信息全部直接送往調度端系統，調度端系統直接控制變電站。通過比較分析知道，分級管理模式下變電站采用兩級控制，信息流向清晰，可靠性高，是目前的主流方式。在設計防誤閉鎖系統，特別是老集控站新增或改造防誤閉鎖系統時，需要充分考慮如何利用集控站的原有信息資源，無縫地融入集控站自動化系統。

集控站防誤系統主要功能包括五防閉鎖、模擬預演、操作票管理及五防專家系統。防誤系統完成對各獨立變電站一次設備五防閉鎖系統的邏輯判斷，在集控站的模擬操作屏上對下轄變電站的操作任務進行模擬預演、操作票的檢驗，每一步操作都需要通過集控中心五防專家系統的“五防”邏輯判斷，只有判斷正確后才輸出操作程序給監控系統，完成遙控操作。同時可以將操作票傳輸給電腦鑰匙，由操作人員帶著電腦鑰匙到現場對設備進行操作。操作完成后，電腦鑰匙可將操作任務完成的信息回傳到站內五防系統、監控系統和集控站五防系統、監控系統，實現各系統信息的自動同步刷新。

［1］韓學軍,姜志臣.基于專家系統的變電站防誤系統［J］.吉林電力，2003，（10）.

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1673-0046（2010）12-0168-02