智能變電站過程層智能鎖具的研究

張朋良

(珠海優(yōu)特電力科技股份有限公司，廣東 珠海 519000)

1 引言

自2009年國家電網(wǎng)公司提出建設(shè)統(tǒng)一堅強的智能電網(wǎng)戰(zhàn)略發(fā)展目標以來，2010年“十二五規(guī)劃”中又將智能電網(wǎng)的建設(shè)作為國家的發(fā)展策略。作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，近幾年，智能變電站的建設(shè)已經(jīng)從理論研究階段、試點階段進入到實質(zhì)性的推廣應用階段，“十二五”將新建智能變電站5100座，改造1000座，智能變電站是變電站技術(shù)的發(fā)展方向［1］。

隨著智能變電站相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，電子式互感器、合并單元、保護測控裝置、監(jiān)控系統(tǒng)等一二次設(shè)備技術(shù)均取得了長足的進步，但在變電站安全運行中起到重要保障作用的微機防誤閉鎖系統(tǒng)，其技術(shù)的發(fā)展還存在一定的差距［2－4］。雖然闡述了在智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)中采用軟邏輯實現(xiàn)防誤閉鎖的方法，但無法實現(xiàn)防誤操作強制閉鎖的要求［5］;本文首先分析了智能變電站防誤閉鎖系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及功能，進而在此基礎(chǔ)上對智能變電站過程層智能鎖具進行了研究，包括常規(guī)變電站鎖具存在的問題、智能鎖具的技術(shù)要求、設(shè)計原則及其建模方法。

2 智能變電站防誤閉鎖系統(tǒng)

從變電站防誤閉鎖的全面性和強制性出發(fā)，國家電網(wǎng)公司在《智能變電站防誤閉鎖系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》［6］中明確提出智能變電站防誤閉鎖系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)一樣按三層構(gòu)建，遵循IEC61850標準，整體結(jié)構(gòu)分為站控層、間隔層和過程層，實現(xiàn)智能變電站防誤閉鎖的強制性和全面性要求，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。站控層的防誤工作站實現(xiàn)全站電氣防誤操作的功能，對運行人員的電氣設(shè)備操作步驟進行監(jiān)測、判斷和分析，以確定該操作是否正確;間隔層的智能防誤電子裝置加強全站的防誤，在站控層無法正常工作時，智能防誤電子裝置能根據(jù)全站狀態(tài)對各間隔斷路器和開關(guān)進行邏輯聯(lián)鎖;過程層由智能化鎖具構(gòu)成，對過程層一次設(shè)備進行強制閉鎖。

站控層防誤工作站可以單獨設(shè)置，也可以作為監(jiān)控工作站的一個子系統(tǒng)，隨著智能變電站的技術(shù)日益成熟，智能變電站設(shè)計時按無人值班站考慮，設(shè)備操作多數(shù)為集控或調(diào)度端的遠方操作，設(shè)備就地操作的概率越來越小，只有在檢修時才會在防誤工作站開票、模擬預演并用電腦鑰匙操作，所以站控層防誤工作站的功能與常規(guī)變電站相比越來越弱化。

圖1 智能變電站防誤閉鎖系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

智能防誤電子裝置是智能變電站防誤系統(tǒng)的核心，智能變電站所有設(shè)備的操作必須經(jīng)過智能防誤電子裝置的實時防誤邏輯判斷，包括來自監(jiān)控中心、調(diào)度中心和本地自動化系統(tǒng)的順控操作。其數(shù)據(jù)輸入包括全站一次和二次設(shè)備的狀態(tài)量、各間隔的遙測量以及來自監(jiān)控中心、調(diào)度中心和本地自動化系統(tǒng)的解閉鎖控制命令。狀態(tài)量和遙測量分別通過站控層GOOSE和MMS從間隔層的測控裝置獲取;解閉鎖命令由遠方設(shè)備通過站控層GOOSE通信對智能防誤電子裝置GOOSE控制塊的接收緩沖區(qū)寫服務(wù)完成。

智能鎖具面向間隔設(shè)計，完成單間隔內(nèi)斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘/臨時接地線、網(wǎng)門等設(shè)備的手動及遠方操作的強制閉鎖功能，能實時反映閉鎖對象的閉鎖狀態(tài);智能鎖具內(nèi)置單間隔內(nèi)的閉鎖邏輯，在站控層、過程網(wǎng)絡(luò)失效的情況下能自動的完成本間隔內(nèi)設(shè)備操作的防誤邏輯判斷。對斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘操作的閉鎖通過在操作回路中串聯(lián)智能鎖具閉鎖接點的方式實現(xiàn)，對臨時接地線、網(wǎng)門的閉鎖通過智能鎖具閉鎖接點控制電磁鎖的方式實現(xiàn)。

組網(wǎng)方面，站控層防誤工作站和間隔層智能防誤電子裝置接入智能變電站綜合自動化系統(tǒng)站控層網(wǎng)絡(luò)，達到與智能變電站綜合自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的共享，與綜合自動化系統(tǒng)實時交互防誤閉鎖信息。間隔層的智能防誤電子裝置與過程層的智能鎖具既可以單獨組成GOOSE網(wǎng)，也可以接入智能變電站綜合自動化系統(tǒng)過程層GOOSE網(wǎng)，智能鎖具一方面接收智能防誤電子裝置的解閉鎖命令，另一方面將綜合自動化系統(tǒng)不能采集的網(wǎng)門、地線等閉鎖狀態(tài)上傳給智能防誤電子裝置;從冗余設(shè)計的角度考慮，智能鎖具也能采集本間隔內(nèi)斷路器、刀閘的狀態(tài)，保證在站控層、過程層網(wǎng)絡(luò)失效時能自動完成本間隔的防誤邏輯判斷功能。

3 常規(guī)變電站鎖具存在的問題

(1)鎖具種類多

針對不同的應用場合設(shè)計了不同的鎖具，比如對斷路器、電動刀閘等電氣操作回路的閉鎖采用電編碼鎖;對網(wǎng)門、端子箱、臨時接地線、刀閘的就地操作機構(gòu)等設(shè)備的閉鎖采用機械編碼鎖。鎖具種類繁多對管理帶來困難。

(2)操作接口多

現(xiàn)場一個間隔內(nèi)往往安裝有多套鎖具，每套鎖具均有獨立的電腦鑰匙操作接口，操作接口多增加了現(xiàn)場操作人員的工作量。

(3)鎖具的非智能化

除遙控閉鎖和電磁鎖這兩種鎖具能進行遠方控制具有智能識別功能外，其他鎖具都只能通過電腦鑰匙來進行解閉鎖，沒有智能功能，無法反應自身的解閉鎖狀態(tài)及運行狀態(tài)，可維護性差。

(4)鎖具的兼容性差

各廠家鎖具接口規(guī)范不一致，無法做到統(tǒng)一兼容，互換性差。

4 智能鎖具技術(shù)要求及其設(shè)計原則

智能鎖具是為了實現(xiàn)智能變電站防誤閉鎖系統(tǒng)對臨時地線、網(wǎng)門、隔離開關(guān)、斷路器的手動遠方操作進行強制閉鎖的過程層特殊IED，直接面向過程層設(shè)備。其技術(shù)要求及設(shè)計原則如下:

(1)智能鎖具面向間隔設(shè)計，能完成單間隔內(nèi)所有設(shè)備遠方/就地操作的強制閉鎖，智能鎖具為間隔內(nèi)設(shè)備所有操作的統(tǒng)一接口，應避免常規(guī)變電站一個間隔內(nèi)多點解鎖的情況;智能鎖具的閉鎖輸出控制接點應能滿足各種復雜間隔設(shè)備閉鎖對象的需求，比如雙母接線間隔、3/2接線間隔等。

(2)智能鎖具應按照IEC61850標準建模，并通過過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)與間隔層的智能防誤電子裝置相連。

(3)能內(nèi)置單間隔內(nèi)的防誤閉鎖邏輯，在站控層網(wǎng)絡(luò)和間隔層網(wǎng)絡(luò)失效時能有效對本間隔內(nèi)設(shè)備的操作進行強制閉鎖。

(4)對于聯(lián)絡(luò)線等間隔，智能鎖具應具有高壓帶電檢測功能，并將是否帶電信息作為防誤邏輯的閉鎖條件。

(5)智能鎖具應能實時反饋自身閉鎖狀態(tài)信號的變化;在條件許可時，智能鎖具能采集間隔內(nèi)設(shè)備的位置信息，比如斷路器、刀閘等位置信息。

(6)智能鎖具應能有效地完成對高壓設(shè)備的閉鎖并做到“防走空”。

(7)智能鎖具安裝及維護應該簡單方便。

(8)智能鎖具材質(zhì)優(yōu)良、防塵、防銹、無卡滯;戶外鎖具還應防水、防潮、防霉。

(9)智能鎖具應滿足如下技術(shù)指標:

工作環(huán)境溫度:－25℃ ～+70℃

平均無故障時間(MTBF)≥2年

單次被開鎖成功率≥99%

(10)為防止智能鎖具失效，智能鎖具應配置緊急解鎖接口。

(11)智能鎖具運行環(huán)境的要求應滿足戶外使用環(huán)境條件的要求。

5 智能鎖具建模

IEC61850標準的核心內(nèi)容包括:采用面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)對變電站功能和智能電子設(shè)備建模;為實現(xiàn)應用與通信分離，采用抽象通信服務(wù)接口映射到具體通信協(xié)議棧;基于擴展標識語言(xML)的變電站配置語言(SCL)對系統(tǒng)和智能設(shè)備進行配置。其中，利用面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一建模技術(shù)和獨立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抽象通信服務(wù)接口(ACSI)對實際IED進行建模是IEC61850標準應用的關(guān)鍵。

由于防誤閉鎖技術(shù)在國內(nèi)的特殊性，IEC61850標準并沒有針對防誤閉鎖進行單獨的建模，但可以利用IEC61850標準中現(xiàn)有的模型來完成智能變電站防誤閉鎖方面的建模。下面按照基于IEC61850標準面向?qū)ο笏枷氲腎ED建模方法［7］詳細說明智能鎖具的建模過程。

5.1 邏輯節(jié)點建模

通過對智能鎖具技術(shù)要求及設(shè)計原則的分析，可歸納出智能鎖具的邏輯節(jié)點如下:LLN0、LPHD、XCBR、XSWI、CSWI、CILO、IHMI、GGIO、CALH，具體的說明見表4，其中LLN0和LPHD為IED模型必不可少的邏輯節(jié)點;XCBR、XSWI、CSWI、CILO、IHMI、GGIO、CALH是實現(xiàn)智能鎖具閉鎖功能的邏輯節(jié)點。

表1 智能鎖具相關(guān)邏輯節(jié)點及說明

5.2 智能鎖具數(shù)據(jù)對象及屬性

除了上面的LN，要實現(xiàn)對智能鎖具信息模型的訪問和操作，必須用數(shù)據(jù)屬性和數(shù)據(jù)對象對LN進行標準化描述。數(shù)據(jù)對象指的是一個LN的對象部分，代表特定信息，如狀態(tài)或測量量。數(shù)據(jù)屬性用于定義可能數(shù)值的名稱(語義)、格式、范圍，在傳輸時表示該數(shù)值。LN中的數(shù)據(jù)種類較多，包括必選的和可選的，在實際中可以根據(jù)需要進行添加。根據(jù)IEC61850.5中的定義［8］，智能鎖具基本的數(shù)據(jù)對象如圖2所示。

圖2 智能鎖具基本數(shù)據(jù)對象

5.3 智能鎖具服務(wù)器模型

鑒于智能鎖具功能比較單一，所以將智能鎖具建模為一個Server類的實例，與間隔層采用雙100M以太網(wǎng)通信，通信介質(zhì)為光纖，通信模式為發(fā)布者/訂閱者(Publisher/Subscriber)模式。同時將該裝置整體建模為一個邏輯設(shè)備。按照IEC61850標準對IED信息建模的步驟，即經(jīng)過構(gòu)建邏輯節(jié)點和數(shù)據(jù)、構(gòu)建邏輯設(shè)備后構(gòu)建智能鎖具的服務(wù)器模型如圖3所示。

圖3 智能鎖具服務(wù)器模型

5.4 智能鎖具邏輯節(jié)點之間的功能交互

根據(jù)智能鎖具邏輯節(jié)點和功能需求，圖4給出了智能鎖具邏輯節(jié)點功能交互結(jié)構(gòu)圖。如圖所示，解閉鎖控制器CSWI能夠接收到以下兩種信息:間隔層智能防誤電子裝置的解閉鎖命令、IHMI(操作員接口)處發(fā)送的解閉鎖命令。當CSWI接收到間隔層智能防誤電子裝置的解閉鎖命令，經(jīng)邏輯閉鎖判斷CILO判斷后由斷路器解閉鎖控制器XCBR或開關(guān)解閉鎖控制器XSWI對相應的對象進行解閉鎖，并更新GGIO中的解閉鎖狀態(tài)。由GGIO采集間隔內(nèi)所有設(shè)備的狀態(tài)，包括高壓帶電信息，并將狀態(tài)信息送給CILO參與邏輯閉鎖判斷。虛線框中的GGIO屬于間隔層智能防誤電子裝置中的邏輯節(jié)點。

圖4 智能鎖具邏輯節(jié)點功能交互結(jié)構(gòu)示意圖

至此，關(guān)于智能變電站過程智能鎖具的建模工作基本完成，在此不作介紹。

6 總結(jié)

基于IEC61850標準的智能鎖具，具有常規(guī)變電站鎖具所無法比擬的優(yōu)點，其操作簡單、設(shè)備智能化、組態(tài)配置靈活，能完成一個間隔內(nèi)所有設(shè)備的防誤閉鎖功能。目前，國家正大力推廣基于IEC61850的智能化變電站技術(shù)，隨著智能化變電站建設(shè)的大量推廣，智能化一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備技術(shù)的完善，智能鎖具在智能化變電站中的應用會越來越廣泛，將會為電網(wǎng)的穩(wěn)定運行及操作的安全性提供有力的保障。

［1］ 國家電網(wǎng)公司“十二五”電網(wǎng)智能化規(guī)劃［R］.北京:2010.

［2］ 五防系統(tǒng)在智能化變電站中應用分析［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(23):108 －111.

［3］ 基于IEC61850標準的新型變電站防誤系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33(5):96 －99.

［4］ 一種新型的變電站在線式五防系統(tǒng)的實現(xiàn)［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(19):118 －121.

［5］ 國家電網(wǎng)公司防止電氣誤操作安全管理規(guī)定［Z］.北京:2006.

［6］ 國家電網(wǎng)公司.智能變電站防誤閉鎖系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范［S］.北京:2010.

［7］ 基于IEC61850標準面向?qū)ο笏枷氲腎ED建模［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(17):88 －92.

［8］ IEC，IEC6 1 850－7 －2:Basic communication structure for substation and feeder equipment-abstract communication service interfaces(ACSI)［S］.2003.