程序化控制在智能化變電站仿真系統中的探索與應用

閆瑞杰，李海香

（山西電力職業技術學院，山西太原030021）

程序化控制在智能化變電站仿真系統中的探索與應用

閆瑞杰，李海香

（山西電力職業技術學院，山西太原030021）

基于IEC 61850標準對程序化控制的過程狀態和操作配置進行建模仿真，設計完成了智能變電站程序化控制各項功能。結合工程實例，探討了智能變電站程序化控制的要素，論述了智能變電站中程序化控制的設備模型和控制過程，并對程序化功能模塊所需仿真系統交互方式進行初步探索，如五防閉鎖系統、程序化操作票、站端操作、可視化系統等。

智能化變電站仿真；IEC61850；程序化控制；操作票

0 引言

隨著變電站內一次、二次設備技術水平的逐步提高，IEC 61850國際標準在智能變電站中的廣泛應用，智能變電站具有了統一的數據基礎平臺，以及智能變電站內許多高級應用技術與功能的不斷探索和試驗點工作的逐步推進與應用，變電站的智能化水平大幅提高，具備了實施程序化控制的條件［1］。

程序化控制也稱為順序控制或程序化操作，智能化變電站程序化控制是指發出整批指令，由系統根據設備狀態信息變化情況判斷每步操作是否到位，確認到位后自動執行下一指令，直至執行完所有指令。實現程序化控制，要求變電站設備狀態信息采集和傳輸及時準確，設備動作執行可靠。變電站內智能設備依據變電站操作票的執行順序符合執行結果校核要求，由站內智能設備代替運行人員操作，自動完成操作票的過程［2］。

1 220kV智能變電站規模

智能變電站的程序化控制有著傳統的運行操作方式不可比擬的優勢：1）操作票的選擇、執行和校驗由變電站系統程序自動完成，可以實現無人值守，達到減員增效的目的；2）通過計算機程序化控制可以減少甚至杜絕人為誤操作；3）提高智能化水平，縮短電網從事故情況下的恢復到正常狀態的時間，精簡管理流程，提升運行效率。因此程序化控制是智能化變電站發展的必然選擇［3-4］。

目前國內只有少數的智能化變電站實現了真正意義上程序化控制，即使已經運行了程序化控制的智能化變電站大多數還是采用人工操作方式，并沒有真正采用程序化控制，因此研究一套包含程序化控制的智能化變電站仿真系統以供現場人員學習、使用、熟悉程序化控制具有廣闊的應用前景。下面以開發區220 kV智能變電站為例來闡述。

開發區220 kV智能變電站為本期建設兩臺220 kV三卷變壓器的系統變電站，220 kV母線接線形式為雙母線接線，110 kV母線接線形式為雙母線接線，出線規模：220 kV規劃出線8回，本期4回；110 kV規劃出線10回，本期4回。無功配置：規劃3×4×10 MVar電容器，本期2×4×10 MVar電容器。

2 實現智能變電站程序化控制的要素

2.1 一次設備

要求參與程序化控制的一次設備包括斷路器隔離開關、接地開關、斷路器手車、主變分接頭等均需配備電動操作機構以實現遙控電動操作。

一次設備需具有很高的可靠性。實現程序化控制，需要綜合考慮操作的成功率和操作的正確性兩個方面。操作的正確性涉及到整個變電站的安全可靠運行，需要特別關注。電氣一次設備輔助觸點位置與一次主設備實際位置的嚴格對應，并且可靠耐用，是保證程序化控制正確性和操作成功率的關鍵因素［5］。

2.2 二次設備

要求參與變電站程序化控制的二次設備穩定、可靠運行。一方面能夠按照程序化操作票的操作順序正確發出控制信號，同時確保一次設備狀態的采集準確無誤（包括運行設備的狀態參數實施采集與統計）。

需具備一定的容錯措施。由于國內主流一次設備仍存在一定的不可靠因素，二次設備在設計過程中就需要考慮到一次設備發生異常時的情況，具備一定的容錯措施，確保當一次設備返回的狀態信息與一次設備的實際狀態不一致時不出現誤操作。當程序化控制校驗出錯時可提供人工急停干預。

保護設備實現保護功能的自動投退。在變電站內實施程序化控制過程中需要保護設備能夠提供與硬壓板相對應的軟壓板，通過軟壓板的遠方投退達到投退保護功能的目的［5］。

2.3 監控通信系統

具備完善的軟件系統。軟件系統應具有成熟的實時多任務操作系統和完整的自診斷程序，軟件系統的功能可靠性、兼容性及界面友好性等指標滿足系統要求，軟件支持用戶開發新功能，開發后的軟件能在線裝入系統。如可視化的操作界面，可在程序化控制時實時查看主接線上設備的實時變位情況。

在后續研究中，可進一步分別研究減少和增加指標個數的情況，并以此為基礎探究樣本數量對模型適應能力和泛化能力的影響，找出模型各項能力均達到較高水平時的指標和樣本要求。進一步探討指標體系構建也是一個重要的研究內容。

具備程序化控制模塊。變電站程序化控制功能由變電站自動化系統中的程序化控制程序或模塊實現，因此，監控系統必須配置程序化控制系統或操作模塊，通信協議具備保護定值的傳輸和修改功能。

具備與微機五防系統通信功能。監控系統必須是一個開放系統，可通過相應的通信接口與微機五防系統進行通信，實現程序化控制與微機五防的聯鎖功能，為了避免發生誤操作事故，程序化控制的每一步操作都必須具備完善的邏輯防誤閉鎖功能，保證程序化控制的安全性。變電站一、二次設備達到了上述的條件后就具備了實施程序化控制的基礎，一般情況下，常規的綜合自動化變電站和智能化變電站都能實現程序化控制，智能變電站一、二次設備的自動化水平更高，實施程序化控制的條件更加成熟，應用的程度和范圍更深、更廣。

2.4 輔助設備

具備硬件聯動功能。智能變電站程序化控制功能還需有與視頻聯動的功能，即當對斷路器、隔離開關等一次設備進行操作時，系統會立即向視頻監控系統發出聯動信號，確保監控攝像頭切換到被操作設備上，實現控制操作的實時監視，同時還可通過視頻信號進行分析，判斷開關是否動作到位等。

具備軟件報文互通功能。由于視頻信息流量大，且與電網主設備的運行工況沒有直接聯系，當前的視頻監控系統均是獨立設置，且具有獨立的信息傳輸通道。由于系統獨立，兩者之間信息交互存在困難，在此，需要視頻監控系統通過站控層網絡接收后臺監控每次順序控制執行單步操作時的GOOSE報文，視頻監控系統根據GOOSE報文的解析獲取被操作設備的信息，進而實現監控攝像頭的自動切換，確保操作控制的實時監視。

3 程序化控制的仿真實現

3.1 設備模型建立

以不同電壓等級、規模、接線形式的變電站實際設備參數建立設備數據庫，并通過自主研發的建模工具調取該設備數據庫，并以圖元的方式建立拓撲關系，繪制變電站一次接線圖，組成相應的設備模型數據庫，確定設備的設備名稱、設備ID等，并以此數據庫搭建仿真平臺，為仿真系統潮流計算及設備的狀態參數等提供基礎。

3.2 間隔狀態模型

通過仿真平臺定義了不同設備的分合狀態，對于同一間隔中任意一種設備對應分合狀態組合均可定義為一種間隔狀態。在仿真系統中對于同一個間隔的不同設備，按位操作的方式對其定義數值，如圖1，開馬281間隔，定義本間隔所有設備的狀態：在合閘狀態時，281斷路器的值為1，281-南隔離開關值為2，281-北隔離開關值為4，281-1隔離開關值為8，281-北0接地開關值為16，281-10接地開關值為32，281-線0接地開關值為64，在分閘狀態的設備的狀態值全為零，同時將不同設備狀態的值進行累加定義成間隔狀態公式M，根據不同的M值定義成間隔的不同狀態，如本間隔的設備全部在分閘位置，M的值為零，定義成冷備用態，以此類推，可以定義南母運行態、北母運行態、南母熱備用態、北母熱備用態、開關檢修態、線路檢修態、開關及線路檢修態。

圖1 220kV開馬281間隔

3.3 后臺監控系統模型

仿真系統中程序化控制模型通過仿真平臺獲取設備的運行信息模型，并通過監控系統獲取一次設備的實時分合狀態。通過對實時數據的獲取，可以校驗判斷當前程序化控制任務的初始化狀態是否與操作票任務的設備狀態一致，以確保系統設備狀態滿足程序化操作票的初始執行條件。

3.4 五防邏輯閉鎖

不論是傳統變電站還是智能變電站，為保障設備操作的可靠性，均要關聯五防閉鎖邏輯。仿真系統中程序化控制時，按照變電站標準的五防邏輯自主研發五防邏輯計算公式和邏輯條件，并采集全站各種信息量進行任意表達式的運算，以形成邏輯控制條件，在執行順控操作票的過程中，系統的每一步操作都嚴格按照設定的控制條件進行校驗。通過對程序化控制的模塊化設計，在執行順控操作票時仿真系統自動與相應的模型進行關聯，對操作時的五防邏輯進行判斷并反饋五防邏輯判斷結果。

3.5 操作票編寫

程序化操作票分為典型操作票和非典型操作票，其中非典型操作票又分為單間隔操作票和組合操作票。典型操作票根據一些特殊任務或固定的多間隔操作任務而編制的操作票，直接選取調用即可完成。針對單一間隔預先編制好的各種典型操作票，正常操作時不需新編制，直接選取調用即可完成。涉及多間隔的典型操作票的組合，操作人員需根據實際操作任務，將原先已定義好的單間隔典型操作票進行選擇、組合，生成一個臨時的新操作票，需重新編制、下發。非典型操作票是根據實際運行中遇到的不同情況，進行的非固化操作。

仿真系統通過自主研發的順控操作票編寫工具，對程序化控制操作票的內容通過可視化的配置工具來實現，按照現場變電站標準的五防邏輯和五防操作票規范術語制作程序化操作票。如圖2，以一次票為例，仿真系統中在程序化操作票編輯工具界面中定義了順控票的票名，順控票的文件名、設備起始狀態、設備完成態；同時在操作票的內容中定義了操作票的執行編號、操作類型（檢查、執行）、出錯處理（立即停止該操作票、繼續執行該操作票、等待人工干預）、超時時間（如設備狀態不滿足條件是操作時間超過設定時間，則彈出提示進行人工干預）、間隔時間（指滿足操作票條件，執行操作票時每一操作的時間間隔）等，人性化的完成順控操作票的編寫。

3.6 站端操作過程

變電站監控系統根據操作任務調取相應的程序化操作票進行程序化控制。在仿真系統中執行程序化控制的過程中，為了確保每一步操作的安全性及可靠性，系統將嚴格按照操作票執行條件的定義進行相關操作條件的校驗，并且在每一步操作執行完成后也按照操作票定義的檢查項進行校驗，如果檢驗條件滿足，系統將繼續執行下一步操作；反之系統根據操作票定義的防誤程序彈出提示“終止”、“忽略”、“人工干預”等對話框供運行人員選擇。

同時，在程序化控制執行前，系統在變電站監控系統中嵌入的程序化控制模塊還提供了操作票預演功能，可以在執行操作票前對此操作票的條件進行校驗。

另外，仿真系統通過OpenGL，VC等工具研發了虛擬三維場景，并開發了對場景內一次、二次設備的監視功能。在智能變電站程序化控制執行過程中可以通過三維場景遙視系統對斷路器、隔離、接地開關等一次設備進行監視，判斷設備是否分合到位，以保證設備操作的可靠性。達到現場視頻監控系統與后臺監控有效聯動的真實模擬。隨著仿真系統模擬庫的不斷完善，還可以對變電站輔助環境進行仿真監測、包括火災報警信息、安防信息等，并能遠程實現空調、風機等的控制。程序化控制流程見圖3。

智能變電站要求支持調控一體化、設備檢修專業化和運行維護一體化，并全面支持調度技術支持系統的功能需求。根據調度技術支持系統的功能結構，“實時監控與預警”、“調度管理”、“調度計劃”三大類功能的實現與變電站上送的信息及實現的功能密切相關，調控一體化的實現，要求變電站的信息在站內進行預處理，實現分布式狀態估計、告警信息分類處理、遠程瀏覽等功能；為全面實現狀態檢修、變電站設置全面的狀態監測系統、包括一次設備、二次設備、輔助設備等。

隨著智能變電站無人值守的全面開展，為使其更好地適應電網的發展，服務于電網生產和運行。仿真系統應該留有擴展功能，不僅具有程序化控制功能，還要逐漸升級，拓展到支撐經濟運行與優化控制、站控控制等高級功能。

圖3 程序化控制流程

4 結語

結合智能變電站的技術發展趨勢以及監控系統推廣應用的現狀，以后臺監控系統為平臺開展了程序化控制功能模塊化研究，重點在于對程序化控制的操作內容和操作流程進行仿真設計，建立程序化控制功能的狀態模型和設備模型，并討論了程序化控制功能模塊化所涉及的信息交互的實現方式，解決了模塊化設計中存在的信息交互方式的問題，希望能夠推動智能變電站的標準化、模塊化建設，進一步提高全站系統功能的通用性、可擴展性，提高全站的智能化水平。

以IEC61850規約為基礎的程序化控制仿真系統，為變電站內的運維人員熟悉和使用程序化控制提供了培訓平臺，對于提高智能變電站運維人員的應用程序化控制系統的技術水平具有重大促進作用。

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Exploration and Application on Sequential Control in Smart Substation Simulation System

Process status and operating configuration which is controlled by programs are modelled and simulated based on IEC 61850.Procedural control of smart substations is designed.Combined with engineering examples，the procedural control elements of smart substations are discussed，the equipment model and operating procedures are expounded，and the interactive mode of simulating system which is needed by procedural function modules if explored preliminarily，such as five protect and locking system，sequence operation list，stand side control，visualization system etc.

smart substation simulation；IEC61850；sequential control；ticket operation list

TM76

：B

：1007－9904（2014）03－0059－04

2014-04-25

閆瑞杰（1978—），男，講師，主要從事自動控制、儀表和通信方面的教學與研究。