智能變電站中順序控制的功能分析與實現

谷月雁 司 剛 劉清瑞

（1.天津市電力公司，天津 300010；2.天津市電力公司城西供電分公司，天津 300020；3.上海申瑞電力科技股份有限公司，上海 201615）

1 引言

隨著變電站的數量越來越多，導致對變電站電氣設備的操作越來越頻繁[1]。目前配置綜合自動化系統的變電站，一般都支持上級調度操作、集控站操作、本地操作員站操作、二次設備就地操作的控制方式，但由于設備、技術、管理等方面的限制，只能實現單對象的選擇－返校－執行操作控制方式[2]。這種方式雖然在一定程度上保證了操作的安全性，但勞動強度大、操作過程用時長、操作風險高。隨著變電站操作密度的增加，操作過程中人工干預程度較高，給運行人員帶來了較大壓力，也從一定程度上增加了誤操作的可能，影響了電網的安全運行水平[3]。

順序控制操作能夠有效減少操作時間，減少停電時間，降低經濟損失和對生產生活造成的不便；順序控制操作還能夠有效降低倒閘操作誤操作的概率，從而降低電網事故率，防止大面積停電，避免造成惡劣的社會負面效應[4]。

智能電網的建設大大促進了促進智能變電站的發展，智能變電站采用站控層、間隔層、過程層的三層結構，應用電子式互感器、合并單元、智能一次設備和智能單元等硬件平臺，采用高速以太網、IEC61850通信協議、GOOSE通信機制等先進的技術，為變電站全面實現順序控制提供了強有力的技術手段和基礎設備支撐。因此，國家電網公司頒布的《智能變電站技術導則》中明確規定，把變電站的設備順序控制功能作為智能變電站的基本系統功能之一[5]。

2 變電站順序控制的含義

所謂變電站電氣設備順序控制，是指通過自動化系統的單個操作命令，根據預先規定的操作邏輯和五防閉鎖規則，自動按規則完成一系列斷路器和隔離開關的操作, 最終改變系統運行狀態的過程，從而實現變電站電氣設備從運行、熱備用、冷備用、檢修等各種狀態的自動轉換。變電站的順序控制能幫助操作人員執行復雜的操作任務，將傳統的操作票轉變成任務票, 實現復雜操作單鍵完成，整個操作過程無需額外的人工干預或操作，可以大大提高操作效率和減少誤操作的風險, 最大限度地提高變電站的供電可靠性，也縮短了因人工操作所造成的停電時間，尤其在大規模高電壓變電站中效果特別顯著[6]。

變電站實施順序控制是變電站自動化系統發展的必然趨勢。IEC61850標準的實施為變電站實現順序控制提供了良好的技術平臺。由于 IEC 61850采用了面向對象的數據模型，使得在整個變電站域（domain）內，所有智能電子設備( Intelligent Electronic Device , IED) 節點模型中的任意信息點都有其獨一無二的層次化標準引用名, 通過該信息引用名可以實現所需信息的簡單快速查找與定位，為裝置間信息交互和裝置內部函數調用提供了高效的手段。而通過引用名就可以快速準確地定位到具體的裝置和邏輯節點,獲得該斷路器的當前狀態信息和它的一些標準控制接口。IEC 61850標準中定義的 GOOSE 報文通信模型, 可以代替大量屏間硬接線電信號的交互, 在大大提高裝置間通信靈活性的同時, 也為變電站實現順序控制功能提供了極大的便利[7]。IEC61850標準的應用，徹底避免了傳統變電站自動化系統實現這種功能所要求的屏間錯綜復雜的硬接線以及控制功能死板等弊端，提供了堅實的技術基礎和靈活的實現手段。

3 智能變電站對順序控制操作的要求

國家電網公司頒布的《智能變電站技術導則》在基本系統功能部分提出了對順序控制的功能要求，即：滿足無人值班及區域監控中心站管理模式的要求；可接收和執行監控中心、調度中心和本地自動化系統發出的控制指令，經安全校核正確后，自動完成符合相關運行方式變化要求的設備控制；具備自動生成不同主接線和不同運行方式下典型操作流程的功能；具備投、退保護軟壓板功能；具備急停功能；可配備直觀圖形圖像界面，在站內和遠端實現可視化操作[5]。此外，《110（66）kV～220kV智能變電站設計規范》也對智能變電站的順序控制做了明確要求[8]。

4 變電站電氣設備的狀態、操作與順序控制

變電站電氣設備具有運行、熱備用、冷備用和檢修四種狀態。電氣設備的運行狀態是指斷路器及隔離開關都在合閘位置，電路處于接通狀態（包括變壓器、避雷器、輔助設備如儀表等）。電氣設備的熱備用狀態是指斷路器在斷開位置，而隔離開關仍在合閘位置，其特點是斷路器一經操作即可接通電源。電氣設備的冷備用狀態是指設備的斷路器及隔離開關均在斷開位置，其顯著特點是該設備(如斷路器)與其他帶電部分之間有明顯的斷開點。電氣設備的檢修狀態是指設備的斷路器和隔離開關均已斷開，并采取了必要的安全措施。如檢修設備（如斷路器）兩側均裝設了保護接地線（或合上了接地隔離開關），安裝了臨時遮攔，并懸掛了工作標示牌，該設備即處于檢修狀態。

對改變這些設備狀態的操作進行總結歸納，可以分為以下幾類：斷路器、刀閘的分合操作（包括進線、出線、站用變）；倒母線操作（包括母線分段開關和母聯開關操作）；主變壓器并列運行操作；主變壓器有載調壓開關分接頭調節操作；主變、母線、出線、電容器開關間隔的停送電操作（包括一次設備的運行、熱備用、冷備用、檢修狀態之間的互相轉換）；同期操作；站內其他設備的啟動/停止或投入/退出操作；繼電保護保護裝置的復歸、設備復位、告警確認與清除、定值修改操作；自動電壓無功控制操作等[9]。

所謂的順序控制，即是通過一個控制命令完成電氣設備在上述幾種狀態之間的一系列轉換操作。至于斷路器的分合操作等單對象的控制操作（如出線斷路器由運行狀態轉熱備用狀態），則與傳統變電站綜合自動化的操作近似，無需采用順序控制的操作模式，只要通過監控系統按常規操作完成即可。

5 智能變電站順序控制的軟硬件實現方式

智能變電站的順序控制需要從硬件和軟件兩方面實現。

5.1 硬件平臺

實現順序控制的智能變電站設備必須符合導則的要求，即系統結構分層分布化、一次設備智能化、二次設備網絡化、信息采集數字化。由于采用了IEC 61850標準通信協議和高速工業以太網通信，無論是間隔內的順序控制還是涉及多個間隔或者跨電壓等級的順序控制，均可以通過智能單元內部或智能單元之間的信息交互實現，無需設置專門的順序控制工作站或順序控制單元。具體來說，滿足順序控制的硬件平臺需滿足以下要求。

（1）一次設備。所有納入順序控制操作的一次設備均需要具備電動操作功能，包括斷路器、隔離刀閘、地刀、手車等均要實現電動操作，也就是通過電氣操作可以實現開關、刀閘的分合，手車的推入和拉出等。再者，為了獲得較高的操作正確性和操作成功率，需要一次設備要具有較高的可靠性。

（2）二次設備。完成順序控制的各二次設備即智能組件必須符合 IEC 61850的規定以及智能變電站技術導則的規定，而且必須工作穩定可靠。二次設備是順序控制功能的具體執行者，同時也負責采集一次設備的狀態。所以，二次設備必須能夠根據操作票的邏輯和操作順序正確發出控制命令，也要確保各狀態數據采集準確及時。同時，還要具備一定的容錯機制。對于保護設備來說，要求具有可遠方投退的保護軟壓板并可實現保護定值區的遠方切換。

各智能組件從結構上來看，一般應采用32位及以上的CPU、具有32MB及以上容量的存儲器、支持4個以上的高速工業以太網接口、具備GPS同步對時接口，除具有通用的保護測控功能外，還要采用實時多任務操作系統、符合 IEC61850通信協議標準、支持GOOSE網絡通信機制。

5.2 通信通道及通信規約

與調度主站或集控站的通信通道必須采用高可靠性、高速率的通道，推薦采用光纖通道，站內各層全部采用高速工業以太網通信。通信規約必須采用IEC 61850系列標準（即DL/T 840系列標準）。

5.3 軟件實現

變電站的各種操作都有明確的規則，軟件實現中必須給予充分的重視。對順序控制操作的一般要求是：操作前要首先核對操作員身份和權限，核對設備名稱和編號，操作中遇有事故或異常現象時應停止操作，每操作完一項都應進行標記，全部操作完畢要進行檢查。操作中必須按操作規則中規定的項目依次進行，禁止跳項、漏項、添項[10]。

變電站順序控制的軟件實現分為后臺計算機與智能單元兩個部分。智能單元內部保存所有與本間隔內操作、與本間隔相關的跨間隔跨電壓等級操作所需的操作規則；后臺計算機則保存全部的操作規則。后臺計算機的每次順序控制操作，都先從相關智能單元中讀取操作規則進行比較，如果一致則繼續后續操作，如果不一致則給出報警，提醒操作人員核對操作規則的正確性。操作規則針對每一個操作對象制定，一旦變電站有增容、切改、擴建等變化，須及時修改操作規則。

智能單元內部的順序控制軟件流程如圖1所示。

圖1 智能單元內的順序控制操作軟件流程圖

后臺計算機中順序控制軟件的結構相對簡單，但對安全性要求較高，需要按照國家主管部門的要求配置物理隔離裝置和軟件防火墻。其順序控制概念的軟件流程圖如圖2所示。

圖2 后臺計算機系統中順序控制軟件流程圖

限于篇幅，具體操作規則在此不作贅述。

6 智能變電站順序控制需注意的問題

經過現場的實際運行實踐，筆者認為智能變電站實施順序控制時需要注意以下幾個方面。

（1）必須注意控制源的惟一性。目前無人值班的變電站可以實施操作的控制源除裝置本身外，還有當地計算機、集控站、上級調度等，如果協調不力會產生多源控制的問題。所以，除在操作對象權限的分配上予以注意外，還要具有完備的閉鎖、互鎖機制，確保每一個控制對象在同一時刻只受唯一的控制源控制。

（2）必須十分注意系統的安全與身份認證機制。目前的計算機系統軍采用開放的國際標準、工業標準，在帶來系統互連便利的同時，也使系統面臨著各種攻擊。多數系統已經加裝了物理隔離裝置，與外部系統有了較好的隔離，但來自內部的黑客攻擊、惡意入侵、無意的誤操作等也不能忽視，所以除安裝物理隔離裝置、安裝防火墻軟件外，嚴格的管理制度也同樣重要。

（3）與視頻圖像監控系統的聯動。智能變電站的順序控制功能模塊應該與視頻圖像監控系統實現聯動。也就是說，在進行順序控制操作時，系統應能自動把視頻畫面切換到與操作設備有關的對象上，除系統內部進行邏輯判斷外，操作員也能通過視頻畫面直觀地觀測到設備的當前實際狀態、操作中間的變化狀態、操作結果等，以便出現異常時可隨時對順序控制過程進行干預。

（4）模擬操作仿真預演。為保證順序控制的正確性，必須在正式操作前進行模擬操作仿真預演，以檢驗操作邏輯的準確無誤。

（5）異常處理：①順序控制操作過程中，變電站自動化系統發生事故或異常告警信號時，應自動停止操作；②順序控制操作過程中，變電站設備出現分、合不到位或未滿足操作條件時，應自動停止操作；③順序操作中斷后，若設備狀態未發生改變，則在排除導致順序控制操作停止的因素后，繼續進行順序控制操作；若設備狀態已發生改變，則在排除導致設置控制操作停止的因素后，轉向進行常規操作。

（6）注意順序控制操作的連貫性。變電站順序控制操作是一個全自動的過程，操作過程中不需人工干預。為保證順序控制操作的連貫執行，在編制順序控制操作票時應考慮將整個操作過程可能出現的需人工干預的操作步驟（如：分、合操作機構操作電源空氣開關，拆接臨時接地線等）安排在順序控制操作之前或之后執行，以避免順序控制操作過程的非故障性中斷。

（7）注意順序控制操作票的相對固定性。考慮到安全管理的需要，順序控制操作票一經審核并經測試、驗收合格投入使用后，就不能隨意更改，即使確需修改也要重新測試、驗收并經審批流程審核批準后才能使用。

（8）順序控制操作應能自動適應設備運行方式的變化。順序控制操作應能自動根據間隔設備各元件的實時位置判斷其所處的狀態，并恰當地跳過某些操作步驟（如：某開關間隔原來已在熱備用狀態，則順序控制操作執行到將該間隔由運行狀態轉冷備用狀態時應能判斷該斷路器已在分閘位置，從而跳過執行斷開該斷路器這一步，轉而執行搖出該斷路器手車的操作），從而保證安全、正確、高效地完成整個順序控制操作。

（9）提高順序控制操作的效率。對于過于簡單、不常用、非典型的操作任務不應列入順序控制操作的范圍，一方面避免出現過多的順序控制操作引起混淆以便安全運行管理，另一方面還可以降低由于對運行方式考慮不周在進行非典型操作時所產生的風險。

7 結論

順序控制是智能變電站重要的基本系統功能之一，充分體現了智能變電站的優越性。在具體實施過程中，既需要調度/集控站系統的軟件增加相應的功能模塊，也需要變電站間隔層和過程層智能單元的配合。也就是說，順序控制必須考慮主站、集控站、變電所監控后臺、遠動裝置、和間隔層測控設備內對順序控制操作的全面支持與功能分配，以提高變電站電氣操作的正確性和快速性。

順序控制操作已經在110kV、220kV變電站試點成功，證明這種操作模式完全可以適應更加復雜的電氣接線方式和大型的電氣設備。對于更大規模、更高電壓等級的變電站操作，順序控制的應用效益會更加明顯。

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