变电站自动化系统多层面防误闭锁方式的研究

徐辉明

（漳州电业局，福建 漳州 363000）

变电站自动化系统多层面防误闭锁方式的研究

徐辉明

（漳州电业局，福建 漳州 363000）

当前变电站自动化系统都不同程度地采用防误闭锁，其闭锁方式和策略各不相同。论文对目前常见的防误闭锁方法进行了研究，通过对比分析，提出了在变电站自动化系统的多个控制层面综合采用多种防误闭锁方式的应用策略。

变电站自动化；防误闭锁；五防系统；多层面；IEC61131

安全生产是电力系统追求的基本目标，尽管有着各种预防控制措施，但是误操作事故仍然存在。误操作不仅造成电气设备的损坏、电网停电，甚至是带来人员的伤亡。为此，我国在1990年提出了电气设备防误闭锁操作的要求，并以法规形式规定了电气防误的管理、设计和使用原则，为有效防止误操作引发的人身和重要设备事故起到了积极的作用。论文论述了如何在变电站自动化系统的不同控制层面上如后台监控系统、测控装置和集控站系统,分别采取不同的防误闭锁方式，多层面实现防误闭锁的功能，从而达到电气设备防误闭锁的要求，防止误操作的发生，保障变电站系统的可靠运行。

一、变电站防误闭锁原理和实现方式

变电站内通常按照一定规律安装布置了断路器、隔离刀闸、接地刀闸等电气设备，这些设备的不同状态影响着电力系统的运行方式，设备之间存在着相互的逻辑关系，因此也就只能按照正确的先后顺序来操作这些电气设备。根据电力系统多年的运行经验，我们总结得出的“五防”就是指：防止误分合断路器，防止带负荷拉刀闸，防止带地刀(接地线)合刀闸送电，防止带电合地刀或挂接地线，防止误入带电间隔。变电站自动化系统防误闭锁就是采取各种手段，防止电气设备的误操作，最早采用的就是在一次设备的二次操作回路中设置电气防误闭锁方法。应该说电气防误在实际运行中确实起到了很重要的作用，但是这种方法需要接入大量的二次电缆，接线方式复杂，容易出错，运行维护困难，加上先天原因，部分设备存在防误闭锁的盲区。

随着自动化系统在变电站的应用和不断发展，防误闭锁又有了新的方法。当前，面向间隔、面向对象设计的分层分布式的自动化系统已成为变电站自动化技术的发展主流。随着计算机网络技术的发展,各种测控装置都具有以太网络接口,可以直接接入站内局域网交换机，与站控层的计算机监控系统进行通信,而不再需要通过通信层的通信控制器与计算机监控系统通信。因此,我们可以将传统分层分布式变电站自动化系统的三层结构简化为两层：站控层、间隔层。不同的层面完成其相应的不同功能，“站控层”主要由计算机组成，包括服务器、工作站等，负责对装置采集上送的数据进行处理、存储、显示，完成各种分析、打印等，能够对间隔层设备实施在线组态、修改定值、在线维护、操作闭锁控制等功能，为操作人员提供友好的人机接口；“间隔层”主要包括保护装置、测控装置、故障录波等智能电子设备(IED)，负责收集本间隔实时数据信息，对一次设备执行保护控制功能，完成与站控层的网络通信。

因为自动化系统各个层面自身的特性和完成的功能不同，造就了防误闭锁在不同层面实现的不同方式。在变电站自动化系统中，防误闭锁就可以结合不同的控制层面得到实现。

二、基于后台系统的防误闭锁

变电站当地所有的控制操作命令都是从后台系统发出，我们可以在站控层中安装后台防误系统，每次控制操作开始时都经由后台防误系统进行闭锁逻辑规则的判断，从而保证控制操作命令的正确性。后台防误系统根据电气防误操作的原则设计，与监控系统实时通讯，在线监测现场设备的状态，并根据设备状态和倒闸操作防误闭锁的要求，按照闭锁规则进行判断，最后才由操作票专家系统生成倒闸操作票，并将操作票传送到电脑钥匙。操作员在工作站上进行的每一步操作都必须通过防误闭锁专家系统的规则判断，只有判断正确后才能将操作命令发出；如果所要操作的设备被五防系统判断为不符合防误闭锁要求时，则本次操作被闭锁取消。另外，操作员还可以带上已经传有正确操作票的电脑钥匙到设备现场对开关、刀闸、地刀等进行现场对位及操作。

后台防误系统主要包括五防主机、模拟屏（或模拟操作机）、电脑钥匙、电编码锁、机械编码锁和其他辅助部件。①五防主机主要完成与站内监控系统通信、实时数据采集、控制操作防误、操作票管理等。②模拟操作机主要完成开关对位，检查模拟图与现场设备状态是否一致；检验操作票，按操作票内容进行预演操作，根据预先储存的规则对每一项操作进行判断；并将正确的操作票内容传送到电脑钥匙中以进行解锁、倒闸操作。③电脑钥匙用于接收模拟操作机发来的操作票，然后按照操作票内容逐项对编码锁进行解锁操作，具备按照操作票逐项解锁操作、中断操作、检修操作和非正常跳步操作，并具有音响提示、操作票浏览、操作追忆等功能。④电编码锁具有电接点和编码片，通过接通或断开电气控制回路，对电气设备操作进行闭锁，主要用于对操作地点不在主控室的开关、刀闸等设备的电气控制回路。操作时将电脑钥匙插入电编码锁，若两者的编号一致，则电脑钥匙内部操作回路接通、闭锁解除，允许进行操作。一旦操作人员走错位置，电脑钥匙将检测出错误，操作回路无法接通，闭锁操作并发出报警语音。⑤机械编码锁具有机械闭锁和编码片，通过打开或闭锁电气设备的机械操作机构，对电气设备进行闭锁。主要适用于需要机械操作的刀闸、地刀、接地线、网门的闭锁。⑥辅助部件包括闭锁盒、验电器和接地桩等，主要为了某些特殊位置的防误需要。

尽管后台防误系统具备了模拟逻辑预演、逻辑闭锁控制和生成操作票等各种功能，但是该类系统仍然存在不足：首先，系统采用商业计算机，其可靠性无法完全达到工业控制要求；其次，远方调度系统大多与总控单元进行通信，调度下发遥控命令时要将命令转发给后台防误系统才能进行防误闭锁判断，增加了中间转换环节，容易因为通信问题影响远方调度命令的执行；最后，后台防误系统大多采用Windows操作系统，其安全性有待进一步加强。

三、基于测控单元的间隔逻辑闭锁

现代紧凑型变电站自动化系统已经简化集成为间隔层和站控层两个层次，系统的设计大多采用面向对象的设计方法，将变电站内的线路、主变各侧、主变本体、母线、母联、旁路等电气设备定义为单独的监视控制对象，采用独立的测控装置对其进行监视和控制。测控装置位于变电站自动化系统的间隔层，负责对应间隔遥信、遥测信号的采集、处理和控制命令的执行。在间隔层测控装置中实现防误操作最突出的优点就是实时性，因为全站监控信息的数据全都来源于测控装置。在间隔层增加一层防护措施将会更加安全可靠，可以说，在测控装置上实现针对本间隔内设备的防误闭锁是一种理想的选择。目前，一次设备正在不断向智能化方向发展，集成开关设备系统智能化的重要表现之一就是实现间隔内五防功能，这也对测控装置提出了更高的功能要求，在间隔层测控装置中实现防误闭锁也是未来的发展趋势之一。

要在间隔层测控装置中实现防误操作，必须先解决以下问题：（1）如何建立和验证防误规则库；（2）如何配置防误联锁装置的信息；（3）如何管理防误规则库。这些问题在防误后台系统中都很容易解决，但是对于只有简单液晶显示和少量功能按键键盘的测控装置就变得比较困难。

目前测控装置实现逻辑闭锁的方法都是采用基于IEC61131标准开发的闭锁逻辑软件，通过安装在后台机的可视化软件定义本间隔的逻辑闭锁规则，经过编译将逻辑闭锁规则转换为测控装置硬件可以直接执行的可执行代码，然后下装到对应的测控装置。间隔层每个测控装置的防误规则库正是站控层防误系统规则库的子集，防误规则的可执行代码按照遥控通道为索引存储在装置的Flash存储器中。测控装置在每次进行控制操作都要先检查闭锁逻辑，只有条件满足时才允许执行控制，否则就闭锁控制操作。

测控装置的防误闭锁分为间隔内闭锁和间隔间联合闭锁。以带有间隔间联锁的遥控为例，其遥控过程为：遥控选择命令到达测控装置；检查该遥控通道防误闭锁软压板是否投入，有投入才需要闭锁逻辑验证，未投入则不需判断；CPU从Flash存储器调取对应遥控通道的防误规则可执行代码；判断是否有联锁，如果有联锁则需要先启动联锁通信，获取联锁装置的实时数据，没有则可直接进入下一步；利用实时数据，按照防误规则进行运算；根据运算结果回送遥控返校成功或失败的信息。

为了满足系统的要求，提高控制的可靠性，测控装置的所有模块器件都要达到工业控制标准，全部经过严格的电磁兼容试验等项目的测试。为了满足装置间相互通信获取连锁信息的实时性要求，若间隔层采用工业以太网为主的通信方案，则采用UDP协议而不是TCP协议。

四、基于集控站（运维站）模式的防误闭锁系统

随着自动化技术的不断发展和完善，110kV及以下电压等级的变电站大多实现了无人值守，220kV变电站也开始了无人值守试点工作。为了保证对无人值守变电站的全面有效管理，在电网调度层和无人值守站之间设置集控站，以保证电网的安全可靠运行。最新的发展趋势是在地区级调度中心设置调度监控中心，在220kV枢纽变电站设置运维站。运维站类似于原有的集控站，除了不需要监盘外，仍然负责附近所辖变电站的日常维护、倒闸操作等工作。论文讨论的防误闭锁系统在集控站模式下和在将来的运维站模式下，其主要功能应该是没有差别的，以下统一称其为集控站防误闭锁系统。

目前已经投运的集控站自动化系统大致可以分为分级管理和集中管理两种模式：①分级管理模式下变电站向集控站传送本站的全部监控信息，集控站则只向调度转发其所需的部分信息；调度员只向集控站下达各种操作命令，对变电站的各种控制操作则由集控站完成。②集中控制模式只是在调度自动化系统的局域网上加装集控站工作站，变电站的监控信息全部直接送往调度端系统，调度端系统直接控制变电站。通过比较分析知道，分级管理模式下变电站采用两级控制，信息流向清晰，可靠性高，是目前的主流方式。在设计防误闭锁系统，特别是老集控站新增或改造防误闭锁系统时，需要充分考虑如何利用集控站的原有信息资源，无缝地融入集控站自动化系统。

集控站防误系统主要功能包括五防闭锁、模拟预演、操作票管理及五防专家系统。防误系统完成对各独立变电站一次设备五防闭锁系统的逻辑判断，在集控站的模拟操作屏上对下辖变电站的操作任务进行模拟预演、操作票的检验，每一步操作都需要通过集控中心五防专家系统的“五防”逻辑判断，只有判断正确后才输出操作程序给监控系统，完成遥控操作。同时可以将操作票传输给电脑钥匙，由操作人员带着电脑钥匙到现场对设备进行操作。操作完成后，电脑钥匙可将操作任务完成的信息回传到站内五防系统、监控系统和集控站五防系统、监控系统，实现各系统信息的自动同步刷新。

［1］韩学军,姜志臣.基于专家系统的变电站防误系统［J］.吉林电力，2003，（10）.

T

A

1673-0046（2010）12-0168-02