基于隔離開關分合操作的變電站倒閘過程順控方法

國網陜西省電力公司建設分公司 馬軍平 國網天津市電力公司 唐繼朋

國網江蘇省電力有限公司南通供電分公司 施 淵 國網江蘇省電力有限公司沛縣供電分公司 李 通

隨著國家電力設備快速發展變化和工業自動化設備水平日益顯著提高，電網設施的管理維護方法和操作運行控制模式，對系統的自動化調整變化越來越復雜頻繁[1]。調度員對每天運行需要的指定參數模擬操作的數量每年也均在逐年增加，這自然也必然對現代化電網基礎設施的正常運行狀態和綜合管理維護水平等，提出了新的技術要求。原有傳統模擬調度操作管理手動操作或微機控制仿真管理模式，不能夠真正滿足模擬調度和操作運行管理等，從管理經驗化到操作邏輯、智能化方面的綜合改進要求[2]。基于符合上述電網正常運行安全要求，本文給出了開關運行過程順序控制的最有效的解決方案。

1 隔離開關操作變電站開關過程的順序控制

1.1 變電站傳統開關結構的優化

變電站傳統方式的開關操作過程較為復雜，步驟煩瑣[3]。根據隔離器上的分區操作發出相應的操作預先準備指令，操作人員逐一填寫準備操作，操作人員需和其監護人配合共同參與檢查準備操作。操作人員審核檢查正確無誤后，由操作調度人發出模擬操作調度指令，操作員再進行操作模擬預演準備操作，模擬和預演的操作順序正確一致后，再開始進行準備實際操作。

所有操作命令都必須事先由操作員主管演示，在由其他操作員重復操作，且每一個操作步驟都必須經過現場檢查和驗證，導致這一過程的操作效率較低[4]。同時，確認設備現場運行異常狀態，存在因誤動進入充電線間隔而造成設備觸電傷人的安全風險，存在引發設備燃燒爆炸、火災并危及現場設備操作及人員安全的風險。

在智能變電站隔離開關分合操作過程中，軟壓板是一種必要且復雜的保護裝置，且各生產廠家對軟壓板規格的定義。如果僅通過人工完成識別，則誤操作和漏操作的概率很高。如果只對系統進行了手動的辨別，則誤操作的和失算操作的概率較高。對于軟壓板操作、信號復位這類簡單的工作，也需要專人到現場就地操作。這樣不僅效率低、成本高，也難以滿足高效調度運行管理的要求[5]。

隔離開關位置雙控結構如圖1所示，其中包括順序控制主機、測控裝置、智能防錯主機以及隔離開關。由順序控制主機發起操作指令，生成操作，并通過站控層網絡將操作指令發送給智能防錯主機；收到操作指令后，智能防錯主機中形成防錯檢查序列，用于對隔離開關位置后續變化的檢查。

圖1 隔離開關位置雙控結構示意圖

第一隔離開關的開閉操作遠程信號，將隔離開關的開關位置，作為第一標準發送給測控裝置，確認部件提供測控裝置的開關位置的第二準則，測控裝置將接收到的第一和第二標準發送給序列控制主機，然后序列控制主機和智能糾錯主機進行錯誤預防驗證。

在切換操作過程中，使用切換過程順序控制程序直接填寫操作中心的任務命令，并同時配合電動托盤控制操作單元接收命令。控制單元在接收檢測到的相關報警指令信息后，自動檢測切換到防錯鎖報警程序，然后可以根據中央隔離開關的自動開合動作情況，進行控制中央開關的電磁開離出或自動進入操作。在此基礎上，通過對距離信號傳感元件和限位開關功能的綜合判斷，開關電路將開始自動并停止保護工作。采用雙“確認”開關功能，實現開關全搖動切換，滿足了程序自動切換開關操作方式的相關技術要求。中央空氣開關的操作調試完成后，智能終端利用開關過程順序控制軟件給出的操作指令，遠程手動操作中央二次空氣開關，在沒有人員干預的情況下完成整個開關操作的編程操作步驟。程序操作電氣裝置與傳統手動工具的比較見表1。

表1 程序操作電氣裝置與傳統手動操作工具的比較

為進一步有效避免視頻切換程序，對站內使用的原始視頻監控和采集系統設備信號產生較大的諧波影響，可適當考慮在原始視頻自動切換的操作控制過程視頻信號中，考慮添加一個含有與視頻切換的順序，或與切換控制的動作等相關信息的視頻采集控制設備組畫面。開關控制切換過程順序控制面板通常需要安裝或者固定在變電站空屏的位置，包括遠動開關控制裝置、遠動開關控制裝置監控裝置、公共開關測控裝置、序列式開關控制裝置監控切換主機、智能開關控制裝置防切換出錯切換主機等。交換過程系統中的序列控制主機、智能防偏錯檢測主機和序列控制測控裝置都接入了控制層的MMS網絡。

程序化設備內各種電氣裝置運行，將徹底取代傳統機械的運行切換方式，不再僅僅需要電氣操作人員和現場維護人員同時在現場設備進行切換或操作，降低了系統運行速度和系統維護成本。程序化系統中，電氣智能化穩定運行保護控制系統，則完全合理設計，避免漏掉各種由于現場人員因素失誤，所引起造成事故的各類人為誤動操作，較大地減少了電氣設備運維人員設備維護工作量，提高維護了整個智能電網設備穩定連續運行期間人員的安全系數。

為避免對站內原始監控設備的影響，可在切換過程中添加與順序控制相關的設備組畫面。序列控制設備在切換過程中的拓撲結構如圖2所示。

圖2 切換過程中序列控制管理拓撲圖

開關過程順序控制面板安裝在變電站空屏位置，包括遠動a裝置、遠動B裝置、公共測控裝置、序列控制監控主機、智能防錯主機。根據圖2中的拓撲結構，在交換過程中放置在序列控制面板上的網絡電纜，分別與站控制層的網絡a、網絡B的交換機相關聯，并同時與調度數據網連接。交換過程中的序列控制主機、智能防錯主機和序列控制測控裝置接入I區站控制層的MMS網絡。

程序化設備的電氣裝置將取代傳統的運行方式，不再需要操作和維護人員在現場進行切換操作，降低了運行和維護成本。程序化電氣運行避免了人為因素造成的誤操作，大大減少了運維人員的工作量，提高了電網運行的安全系數。

1.2 變電站順序控制運行管理流程

變電站順控操作程序與站內一次設備（如斷路器、隔離開關、接地刀等）的自動執行、二次設備軟壓板的遠程開關相關。測量和控制裝置確保了對主要設備位置的準確獲取。在無人值守環境下，無需進行人工干預操作的序列控制操作方案實現成功率性、決策正確性等，往往還取決于一次級設備穩定性和一次二級操作設備運行的可靠性。

變電站順序開關控制系統運行過程的主要一次動作設備，如斷路器、隔離式開關、離地刀等，應采用電動操作機制，并能滿足遠程和本地運行模式的切換。當其處于遠程操作模式時，本地操作應被鎖定，反之亦然。所有高壓設備應根據電力設備工況維護的要求，進行傳動機構、同時開合、輔助觸點等試驗檢查，確保長期良好性能。對于二次設備，英語支持IEC61850通信協議標準的智能元件、保護功能和出口設備應為軟壓板，支持遠程修改整定值和穩定網絡的保護裝置應由順控設備提供支持。根據高壓隔離器各部分的實際材料性能，在有限元模擬模型中設置各部件的材料性能。在工程數據管理系統中可以設置各種材料參數，在工程數據中設置材料參數，可以直接將鋼、銅合金和鋁合金添加到材料庫中，如新型陶瓷材料，設置材料的相對密度、泊松比、楊氏模量比等相關性能，材料性能見表2。

表2 隔離連接器的材料特性

由于隔離器開閉操作測控裝置，或保護測控集成裝置是驅動順序控制命令的最終執行者，因此應從安全保護和工作環境等方面給予充分的保證，以確保正常運行。需要指出的是，由于本階段部分智能變電站試運行中，電子變壓器缺乏運行穩定性，其數據精度也可能影響序列控制操作設備的狀態檢測，在實際工作中應進行嚴格的巡邏防范。

1.3 變電站開關運行過程中順序控制的實現

對于電站設備中的間隔設備來說，應根據設備狀態定義工具定義的狀態建模。通過定義和對各類不同參數的各種海灣設備狀態參數間的自動轉換，可以保證簡單可靠、靈活快速地去自動實現針對各個不同的類型海灣設備，需要進行處理的各種相關業務操作。在對不同間隔的設備狀態信號的自動序列轉換控制過程和控制文件中，可以實現通過在自動序列的轉換和控制過程文件中使用的定義工具，來實現相關參數的提示、遙控開關的操作、固定值區碼的查看和設置，以及控制軟壓板上的開關。

所有上述這些操作控制過程文件，都會直接在操作過程文件中定義，并加載到序列控制執行裝置中，便于后臺監控設備可靠的實現序列控制過程定義操作，并完全自動實現操作中定義的序列控制任務。海灣設備中的相應設備通過操作文件，實現了對海灣設備的順序控制功能。這不僅滿足了新一代綜合自動化專業的配置要求，而且也實現了來自新一代數字變電站不同廠家的設備互連的效果。根據電站間隔列表，顯示和查看序列控制過程所定義的操作，并可以自行定義和實現間隔的操作任務。

在間隔操作定義過程中，可以對序列控制過程中的操作任務進行定義、編輯、修改和刪除。在切換過程中，順序控制設備平臺的建設完成后，需要對順序控制操作設備進行實際測試，以驗證其功能是否滿足要求。切換過程中的順序控制操作過程如圖3所示。

圖3 切換過程順序控制操作流程圖

切換過程中的順序控制操作主要包括用戶權限驗證、檢查當前設備狀態、選擇設備目標狀態、生成順序控制操作、模擬演練、執行正式指令和正確的操作反饋等。

雙輔助觸點位置驗證的方法，能使控制設備上對實際設備位置信號狀態的自動判斷能力更加靈活可靠，有效及時避免了一些由于被控設備位置的實際位置信息，與雙輔助控制觸點的不匹配狀態而容易造成錯誤的失誤操作。順序控制設備位置的應急糾正措施主要是指，設備在實際執行動作過程中，需要改變正確的控制操作方式。與斷路器順序控制執行操作任務相關項目的斷路器，如在斷路器順序自動控制程序執行后，未再達到執行該相關項目時自動跳閘，應進行自動條件適應程序選擇暫停該操作項目或直接跳過此操作，并可以直接選擇進入到下一步檢查斷路器位置，功能可靠性還包括自動順序控制操作異常、暫停報警或完全停止自動操作時提醒手動干預。

目前，變電站開關過程順序控制技術仍處于探索階段，其改造實施、設備使用和日常運維管理在國網和省級公司層面缺乏相關規定。根據110kV云中變電站“開關工序順序控制”改造，供電公司形成了5類，專項驗收操作卡和開關工序順控制操作，總結編制了國家電網供電公司變電站開關工序順序控制設備的使用管理措施，以及國家電網供電公司變電站開關工序順序控制設備的運維管理措施，包括改造建設、切換過程順序控制設備的使用條件和工藝，以及設備運行要求，明確各部件日常運行維護的要點和設備維護的邊界。

在斷路器隔離操作與輔助開關開合操作狀態信號的雙重位置確認，與動作防誤邏輯系統仿真研究實踐中，斷路器機構信號和斷路器輔助開關觸點信息的雙重位置確認信號，與閉合動作狀態信息中的雙重位置確認信息，應是一個包括斷路器在各種不同類型工作電源環境下運行，或使用中不同狀態電路原理信息在內的斷路器主輔關的雙重確認位置標準。采用斷路器機構參數及輔助主開關觸點信息的雙位置信息準則，可考慮作為確定斷路器位置標準時的前兩個較主要參考的位置準則，輔助主開關準則時應考慮到采用于該斷路器設備所在保護電路系統中的短路電壓測量數據，以及短路保護電流的遙測值信息。

如果基于現場遙測所得的現場信息，已完全無法單獨進行實時采集，則可以直接認為由現場實時數字信號顯示信號和現場設備信息反饋信息提供出來的，如現場設備通電位置數據和設備現場自動斷電信息數據等數據。

軸閉合開雙輔助開關準則信號，還可選擇采用軸與軸閉合開的雙隔離輔助開關觸點信號和不同步，或一致開時觸點的開合，或操作的位置信號及指示位置信號。其最上端還可選擇配置或安裝有至少一套基于深度學習算法設計的圖像特征識別終端，以及一套視頻圖像采集分析處理智能終端，以實現切換過程中的序列控制雙確認輔助準則。

隔離開關的開閉和操作，以及采用二次保護裝置保護的軟壓板的雙重確認。以軟壓板信息輸入作為主要工作準則，以硬壓板功能輸入信息輸入作為主要輔助操作準則。以輸入距離保護軟壓板信息輸入為輸入主要操作準則，以輸入距離保護輸入信息輸出作為輸入輔助工作準則。

2 試驗結果的分析

通過利用MATLAB/Simulink的仿真模擬軟件，處理所采集記錄到的變電站電流波形數據，并可以采用快速傅里葉變換算法，采用該變換方法直接計算短路故障產生后變電站第一周期電流波的電壓幅值。當發生短路故障時波形保持固定不變之時，通過直接改變切換電源波形的初始時間階段，分析說明了以上兩種變換算法及其在切換電源的不同時間，初始時間階段波形的切換過程計算中發生的時間順序與控制時間管理誤差。故障信號發生后的第一個時鐘周期，即從0.06～0.08s的大約20ms的時間范圍，記錄不同環境下變電站開關梳相應效果的比較和檢查結果，并隨電源初始階段的變化，5ms數據窗口中快速傅里葉變換與該方法的計算誤差比較見表3。

表3 算法誤差比較

3 結論

序列控制操作是國外比較成熟的技術，目前已廣泛應用于國內換流站，運行多年未出現操作錯誤。由于國家電網公司設備開始開展開關過程順序控制的試點應用，經過試點項目試驗，在變電站實施開關過程順序控制具有技術和經濟優勢，降低了專業人員的工作強度和壓力。由于其智能操作，基本不存在誤操作、誤操作等現象。在未來的變電站運行中，該技術具有較大的發展潛力，其全面的應用可以加快電力生產的智能化和前沿發展。