一種變電站二次防誤系統(tǒng)的設計與研究

李功新 王東 吳競 林文彬 李澤科

摘? ?要：二次壓板在變電站系統(tǒng)中作為繼電保護及其安全自動裝置，保證其正常運行對變電站及電網系統(tǒng)具有重要的價值。為了提高變電站二次防誤系統(tǒng)工作中壓板操作的正確性，結合目前變電站工作的實際情況，分析了智能變電站防誤系統(tǒng)的現狀和不足之處，并設計出一種新型的防誤系統(tǒng)。設計的防誤系統(tǒng)通過雙備份實現了變電站二次防誤系統(tǒng)的不間斷運行。在防誤計算時，通過BP神經網絡模型尋求各種壓板防誤邏輯規(guī)則的最優(yōu)解，提高了防誤邏輯規(guī)則選擇對象的精確性，突出了本技術方案設計的優(yōu)點。本系統(tǒng)通過CAN總線通訊的方式實現了系統(tǒng)通訊的快速性和可靠性，解決了系統(tǒng)內通信通訊效率低，故障率高，可靠性低的問題。

關鍵詞：變電站;二次防誤系統(tǒng);防誤邏輯規(guī)則;BP神經網絡模型;CAN總線

中圖分類號：TP286? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1003—6199（2020）02—0093—05

Abstract：The secondary pressure plate is used as a relay protection and its safety automatic device in the substation system to ensure its normal operation is of great value to the substation and the power grid system. In order to improve the correctness of the pressure plate operation in the secondary error prevention system of the substation，this paper analyzes the current situation and shortcomings of the intelligent substation error prevention system based on the actual situation of the substation work，and designs a new type of error prevention system. The anti-error system designed realizes the uninterrupted operation of the secondary anti-error system of the substation through double backup. In the anti-error calculation，the BP neural network model is used to find the optimal solution of various anti-error logic rules of the pressure plate，which improves the anti-error. The logic rules select the accuracy of the object，the advantages of the technical design are highlighted. The system realizes the rapidity and reliability of system communication through CAN bus communication，and solves the problem of low communication efficiency，high failure rate and low reliability in the system.

Key words：substation;secondary error prevention system;anti-error logic rule;BP neural network model;CAN bus

電力系統(tǒng)的可靠運行是實現電網系統(tǒng)順利運行的基礎和最重要的技術指標之一[1-3]，由于變電站內的誤操作及系統(tǒng)的異常運行可能導致惡性事故的發(fā)生，造成人員、電網、設備的損失[4-5]?，F在已有變電站一次設備的防誤閉鎖系統(tǒng)，亦稱“五防”，在調控主站和變電站監(jiān)控系統(tǒng)的現場已廣泛應用?，F場運維、檢修過程中多次發(fā)生因合并單元等二次設備導致的繼電保護誤動事件[6-8]，目前的二次系統(tǒng)的防誤操作技術缺乏統(tǒng)一、規(guī)范的意見及解決方案。智能化變電站防誤閉鎖的全面性、強制性、信息共享等還存在問題，需要進一步完善二次系統(tǒng)部分。目前，變電站繼電保護裝置和自動裝置出口壓板及功能壓板主要由人工投退并進行確認，如有錯投退或誤投退，會直接影響繼電保護功能的實現，嚴重時會引起保護拒動或誤動，導致大范圍停電事故[9-12]。因此，需要從技術上給予保障和監(jiān)督，及時地糾正壓板投退與保護運行情況，保障電網安全運行。

為此，為解決二次保護巡視問題，就需要建立智能壓板檢測系統(tǒng)，解決當前變電站壓板投退復雜、誤投誤退等問題[13-15]。由于目前的智能壓板檢測系統(tǒng)在本地系統(tǒng)可靠性，可擴展性方面存在不足，在現有智能壓板管理系統(tǒng)上引入雙機系統(tǒng)和CAN總線網絡，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1? ?系統(tǒng)整體設計方案

在本設計中，如圖1所示，圖1為壓板防誤管理系統(tǒng)結構示意圖，該系統(tǒng)主要由防誤主機和備份主機、電腦鑰匙、壓板主控制器、壓板從控制器、壓板狀態(tài)采集器、壓板狀態(tài)傳感器、網關機、DTU、調度中心組成。

在該系統(tǒng)中，通過壓板傳感器采集壓板的狀態(tài)信息，通過CAN總線上傳至壓板狀態(tài)采集器，壓板狀態(tài)采集器將該間隔壓板傳感器的采集信息進行信息融合，并將該信息通過CAN總線上傳至壓板主控制器，壓板主控制器集合所有間隔的壓板狀態(tài)信息，再將該信息通過本地局域網上傳至主機管理系統(tǒng)。主機管理系統(tǒng)進行狀態(tài)處理、信息核對、界面顯示，錯誤診斷，并將信息通過站端DTU、網關機將底層數據傳遞至調度中心，用戶在調度中心可根據底層數據調控、應用。

在本系統(tǒng)設計中，用戶通過壓板防誤管理系統(tǒng)軟件下發(fā)操作任務。在壓板防誤管理系統(tǒng)軟件中，具有壓板投退規(guī)則庫（其包含有防誤邏輯規(guī)則信息），可進行本地操作票模擬預演功能，成功后將操作票傳遞給電腦鑰匙，也可進行遠程操作模式，由遠端主機下發(fā)操作票，模擬成功后將操作序列下發(fā)到本地主機，再寫入電腦鑰匙。在應用時，在電腦鑰匙接收防誤主機操作任務后，到現場操作時先掃描RFID標簽，并根據識別的唯一序列號，確定操作對象無誤。進而將操作序列下發(fā)到狀態(tài)采集器。狀態(tài)采集器根據接收的信息依次通知壓板傳感器進行指示，提示操作人員完成正確操作。在所有操作完成后電腦鑰匙將操作結果回傳給防誤主機，壓板狀態(tài)采集器更新傳感器狀態(tài)，形成閉環(huán)。

防誤主機通過運行壓板防誤管理系統(tǒng)軟件，同能夠對全站壓板進行集中管理和監(jiān)視，具有圖形狀態(tài)顯示、狀態(tài)核對、狀態(tài)巡檢、狀態(tài)記錄、誤操作告警、生成報告等功能。壓板主控制器完成所有間隔壓板狀態(tài)采集器的數據匯總、合并，上傳給防誤主機。該系統(tǒng)包含了備份主機，在防誤主機故障時投入使用。

壓板在控制器作為主控制器的備份，可通過設置轉換為主機工作，與主控制器互為備份。監(jiān)視主控制器運行狀態(tài)，在主機故障、升級、維護、系統(tǒng)擴展時上報并接管數據采集系統(tǒng)。壓板狀態(tài)采集器采集本間隔所有壓板的狀態(tài)，并上傳給壓板控制器;接收電腦鑰匙操作命令，指示操作壓板;壓板異常變位的上報和告警。壓板狀態(tài)傳感器包括感應附件和傳感器模塊，采集壓板投、退狀態(tài)，并上送給壓板狀態(tài)采集器;同時壓板狀態(tài)傳感器還具有操作指示燈，根據壓板狀態(tài)采集器控制操作或報警指示。

2? ?軟件計算方案

在進行防誤計算時，系統(tǒng)使用的壓板控制器具有多種功能，除了用于壓板狀態(tài)監(jiān)控外，還可進行CAN總線狀態(tài)監(jiān)控、壓板采集器監(jiān)控，因此在使用前應對壓板控制器進行設置。在監(jiān)控時，還能夠監(jiān)控距離保護壓板、變電站的零序過流保護壓板、縱聯差動保護壓板、電壓SV接收壓板、線路保護跳閘壓板、線路保護啟動失靈壓板、斷路器位置壓板、母線保護支路間隔接收壓板等是否投入。如圖2所示，模塊被設置為主機后，需要定時向從機及主站發(fā)送心跳包，表明主機工作正常。另外，主機定時向CAN總線發(fā)送查詢包，監(jiān)控壓板狀態(tài)采集器狀態(tài)。設置為從機后，接收主機心跳包，接收壓板狀態(tài)采集器查詢包，監(jiān)控主機狀態(tài)，如果主機離線或故障，上報故障，并將從機模式轉換為主機模式，代替主機進行工作。另外從機接收CAN總線壓板狀態(tài)采集器數據，進行記錄，備份，并供主站查詢，核對;在從機轉換為主機時無需數據下載和重新采集，直接投入工作，完成無縫切換。

在主機系統(tǒng)軟件設計中，系統(tǒng)采用雙主機模式，主機1平時完成所有運行控制功能，當故障或系統(tǒng)升級時，直接使用主機2接管本地所有運行任務，實現不間斷運行。本地主機與控制中心通訊，平時通過網關進行通訊，實現遠程控制、任務下發(fā)和數據上傳。當本地網絡出現故障時，通過DTU設備進行無線傳輸，確保本地無障礙、不間斷運行。

在防誤計算時，在系統(tǒng)中還設置有防誤單元。與防誤單元連接的還有數據管理單元、警示單元、異常燈光顯示單元等，能夠與調度中心實現數據交互。在防誤單元能夠實現防誤閉鎖判斷，在實施防誤閉鎖功能時，壓板狀態(tài)、電網運行方式等參數信息被輸入至防誤單元，防誤單元根據目前變電站中的斷路器工作情況、刀閘方位情況、電壓、電流、功率等電網情況，再根據防誤邏輯規(guī)則判斷遙控出口情況，然后及時將結果輸出、上傳至上層監(jiān)控單元。

防誤邏輯規(guī)則以防誤邏輯規(guī)則庫存在，在軟件設計中，通過設置防誤邏輯規(guī)則，使得各種壓板信息的與防誤邏輯規(guī)則進行比較。采用BP神經網絡模型的防誤邏輯規(guī)則算法計算，如圖3所示，用戶在防誤邏輯規(guī)則庫中可根據用戶需要，存儲不同的壓板防誤邏輯規(guī)則，比如，當需要刀閘方位情況信息規(guī)則時，則按用戶需求調取壓板防誤邏輯規(guī)則。本設計中，采用BP神經網絡模型尋求最優(yōu)解，提高了規(guī)則選擇對象。

如果輸入不同壓板的樣本為 N個，則將參數計算為 m 個，在采用BP神經網絡模型進行計算時，按照下列公式的步驟將輸入不同壓板數據 xij 進行標準化處理：

ymax，ymin為輸出樣本數據中的極大值和極小值。然后，根據上述公式進行建立BP神經網絡模型。根據上述方法，能夠實現多種壓板信息的篩選，提高了防誤規(guī)則估計精度，提高了工作的效率。

3? ?關鍵技術設計

3.1? ?CAN總線網絡通信設計

目前，在變電站有部分系統(tǒng)使用RS485進行數據傳輸，但是，RS485是半雙工總線，采用單主從結構，在一條總線上僅僅只有一臺主機，主機不詢問，從機不能主動應答，防止多個節(jié)點同時發(fā)送數據造成總線錯誤，這樣總線效率低。另外，RS485總線沒有錯誤檢測機制，當一個節(jié)點有問題如常高，常低，造成總線癱瘓。另外如果程序處理不當，容易造成總線短路，燒壞芯片。在本文系統(tǒng)中，采用CAN總線進行通訊，具有傳輸距離遠，CAN網絡直接通信距離最遠可達10 km（5 kb/s），最高通信速率可達1 Mb/s（傳輸距離4 0m），CAN總線節(jié)點實際可達110個。采用CAN總線通訊相比RS485通訊，其總線利用率比較高，CAN總線是多主從結構，多節(jié)點可同時發(fā)送時，CAN控制器根據ID自動進行仲裁，省去主機詢問，總線利用率高，實時性強。此外，CAN總線具有總線錯誤檢測機制，CAN總線中采用的CAN控制器，可以對總線錯誤進行監(jiān)聽，并有一套完整的錯誤處理機制，一旦發(fā)現錯誤，及時進行處理。極端情況下可關閉CAN節(jié)點，保護總線不受影響。

3.2? ?壓板控制器設計

在壓板狀態(tài)采集器與壓板控制器之間的通訊，采用隔離CAN通信，能夠保證系統(tǒng)抗干擾能力和安全性。采用芯片型號為TI公司的ISO1050芯片，該芯片是一款電鍍隔離的CAN 轉發(fā)器，與隔離式電源一起使用，省去了專門的隔離電路，應用起來更為簡單。此器件可防止數據總線或者其它電路上的噪音電流進入本地接地并干擾和損壞敏感電路。具體應用電路如圖4所示。

主控芯片選用STM公司的STM32F407VGT6，網絡通信部分采用LAN8720行網絡通信，該芯片具有性價比高，引腳數量少，應用簡單的優(yōu)點，網絡通信部分設計圖如下5所示。

3.3? ?壓板狀態(tài)檢測器設計

狀態(tài)采集器設計中使用的CPU選用的STM公司的STM32F103RBT6芯片，該芯片應用成熟，價格相對低廉，外設資源豐富，能夠滿足使用和擴展的要求。本系統(tǒng)應用中，CAN總線被設計為線性拓撲結構，所有節(jié)點設計為相同電路，但是在CAN總線兩端的節(jié)點，必須接120Ω終端電阻，中間節(jié)點斷開統(tǒng)拓撲圖如圖6所示。

在本系統(tǒng)設計中，選用TJA1051芯片作為CAN控制器與物理總線之間的接口，其是一種高速CAN收發(fā)器，選用的TJA1051芯片是NXP公司的TJA1051芯片，具體應用電路如圖7所示。

該芯片為NXP公司工業(yè)應用中比較成熟的芯片，安全可靠，價格低廉，而且外圍電路簡單，應用方便。由于此處CAN總線連接的是統(tǒng)一間隔的檢測單元，供電為同一路，因此不需要進行隔離。另外，所有檢測單元采用相同電路板，每個電路板均有終端電阻選項，在應用中只在在末端進行短接，使用中非常靈活。

4? ?結? ?論

針對智能變電站中二次設備的可靠性要求，設計出了一種變電站二次防誤系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用雙機備份實現了監(jiān)控系統(tǒng)的不間斷工作，采用了CAN總線網絡通訊，提升了監(jiān)控數據通訊的速度和系統(tǒng)的可靠性、可擴展性，通過監(jiān)控系統(tǒng)實時采集當前保護裝置運行狀態(tài)、壓板投退狀態(tài)及變動站實時量測值數據等，經由防誤方法判斷，對智能變電站有關線路運行狀態(tài)的二次設備軟硬壓板的投退操作進行可行性評估，且可以對具有安全隱患防及不符合規(guī)則的操作進行閉鎖告警，確保保護設備壓板安全操作，避免虛回路鏈路壓板、保護功能壓板投退不一致的行為，對于變電站變電站二次防誤有很大應用價值。

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