智能变电站过程层智能锁具的研究

张朋良

(珠海优特电力科技股份有限公司，广东 珠海 519000)

1 引言

自2009年国家电网公司提出建设统一坚强的智能电网战略发展目标以来，2010年“十二五规划”中又将智能电网的建设作为国家的发展策略。作为智能电网的重要组成部分，近几年，智能变电站的建设已经从理论研究阶段、试点阶段进入到实质性的推广应用阶段，“十二五”将新建智能变电站5100座，改造1000座，智能变电站是变电站技术的发展方向［1］。

随着智能变电站相关技术的发展，电子式互感器、合并单元、保护测控装置、监控系统等一二次设备技术均取得了长足的进步，但在变电站安全运行中起到重要保障作用的微机防误闭锁系统，其技术的发展还存在一定的差距［2－4］。虽然阐述了在智能变电站监控系统中采用软逻辑实现防误闭锁的方法，但无法实现防误操作强制闭锁的要求［5］;本文首先分析了智能变电站防误闭锁系统的体系结构及功能，进而在此基础上对智能变电站过程层智能锁具进行了研究，包括常规变电站锁具存在的问题、智能锁具的技术要求、设计原则及其建模方法。

2 智能变电站防误闭锁系统

从变电站防误闭锁的全面性和强制性出发，国家电网公司在《智能变电站防误闭锁系统通用技术规范》［6］中明确提出智能变电站防误闭锁系统与监控系统一样按三层构建，遵循IEC61850标准，整体结构分为站控层、间隔层和过程层，实现智能变电站防误闭锁的强制性和全面性要求，其体系结构如图1所示。站控层的防误工作站实现全站电气防误操作的功能，对运行人员的电气设备操作步骤进行监测、判断和分析，以确定该操作是否正确;间隔层的智能防误电子装置加强全站的防误，在站控层无法正常工作时，智能防误电子装置能根据全站状态对各间隔断路器和开关进行逻辑联锁;过程层由智能化锁具构成，对过程层一次设备进行强制闭锁。

站控层防误工作站可以单独设置，也可以作为监控工作站的一个子系统，随着智能变电站的技术日益成熟，智能变电站设计时按无人值班站考虑，设备操作多数为集控或调度端的远方操作，设备就地操作的概率越来越小，只有在检修时才会在防误工作站开票、模拟预演并用电脑钥匙操作，所以站控层防误工作站的功能与常规变电站相比越来越弱化。

图1 智能变电站防误闭锁系统体系结构

智能防误电子装置是智能变电站防误系统的核心，智能变电站所有设备的操作必须经过智能防误电子装置的实时防误逻辑判断，包括来自监控中心、调度中心和本地自动化系统的顺控操作。其数据输入包括全站一次和二次设备的状态量、各间隔的遥测量以及来自监控中心、调度中心和本地自动化系统的解闭锁控制命令。状态量和遥测量分别通过站控层GOOSE和MMS从间隔层的测控装置获取;解闭锁命令由远方设备通过站控层GOOSE通信对智能防误电子装置GOOSE控制块的接收缓冲区写服务完成。

智能锁具面向间隔设计，完成单间隔内断路器、隔离开关、接地刀闸/临时接地线、网门等设备的手动及远方操作的强制闭锁功能，能实时反映闭锁对象的闭锁状态;智能锁具内置单间隔内的闭锁逻辑，在站控层、过程网络失效的情况下能自动的完成本间隔内设备操作的防误逻辑判断。对断路器、隔离开关、接地刀闸操作的闭锁通过在操作回路中串联智能锁具闭锁接点的方式实现，对临时接地线、网门的闭锁通过智能锁具闭锁接点控制电磁锁的方式实现。

组网方面，站控层防误工作站和间隔层智能防误电子装置接入智能变电站综合自动化系统站控层网络，达到与智能变电站综合自动化系统数据信息的共享，与综合自动化系统实时交互防误闭锁信息。间隔层的智能防误电子装置与过程层的智能锁具既可以单独组成GOOSE网，也可以接入智能变电站综合自动化系统过程层GOOSE网，智能锁具一方面接收智能防误电子装置的解闭锁命令，另一方面将综合自动化系统不能采集的网门、地线等闭锁状态上传给智能防误电子装置;从冗余设计的角度考虑，智能锁具也能采集本间隔内断路器、刀闸的状态，保证在站控层、过程层网络失效时能自动完成本间隔的防误逻辑判断功能。

3 常规变电站锁具存在的问题

(1)锁具种类多

针对不同的应用场合设计了不同的锁具，比如对断路器、电动刀闸等电气操作回路的闭锁采用电编码锁;对网门、端子箱、临时接地线、刀闸的就地操作机构等设备的闭锁采用机械编码锁。锁具种类繁多对管理带来困难。

(2)操作接口多

现场一个间隔内往往安装有多套锁具，每套锁具均有独立的电脑钥匙操作接口，操作接口多增加了现场操作人员的工作量。

(3)锁具的非智能化

除遥控闭锁和电磁锁这两种锁具能进行远方控制具有智能识别功能外，其他锁具都只能通过电脑钥匙来进行解闭锁，没有智能功能，无法反应自身的解闭锁状态及运行状态，可维护性差。

(4)锁具的兼容性差

各厂家锁具接口规范不一致，无法做到统一兼容，互换性差。

4 智能锁具技术要求及其设计原则

智能锁具是为了实现智能变电站防误闭锁系统对临时地线、网门、隔离开关、断路器的手动远方操作进行强制闭锁的过程层特殊IED，直接面向过程层设备。其技术要求及设计原则如下:

(1)智能锁具面向间隔设计，能完成单间隔内所有设备远方/就地操作的强制闭锁，智能锁具为间隔内设备所有操作的统一接口，应避免常规变电站一个间隔内多点解锁的情况;智能锁具的闭锁输出控制接点应能满足各种复杂间隔设备闭锁对象的需求，比如双母接线间隔、3/2接线间隔等。

(2)智能锁具应按照IEC61850标准建模，并通过过程层GOOSE网络与间隔层的智能防误电子装置相连。

(3)能内置单间隔内的防误闭锁逻辑，在站控层网络和间隔层网络失效时能有效对本间隔内设备的操作进行强制闭锁。

(4)对于联络线等间隔，智能锁具应具有高压带电检测功能，并将是否带电信息作为防误逻辑的闭锁条件。

(5)智能锁具应能实时反馈自身闭锁状态信号的变化;在条件许可时，智能锁具能采集间隔内设备的位置信息，比如断路器、刀闸等位置信息。

(6)智能锁具应能有效地完成对高压设备的闭锁并做到“防走空”。

(7)智能锁具安装及维护应该简单方便。

(8)智能锁具材质优良、防尘、防锈、无卡滞;户外锁具还应防水、防潮、防霉。

(9)智能锁具应满足如下技术指标:

工作环境温度:－25℃ ～+70℃

平均无故障时间(MTBF)≥2年

单次被开锁成功率≥99%

(10)为防止智能锁具失效，智能锁具应配置紧急解锁接口。

(11)智能锁具运行环境的要求应满足户外使用环境条件的要求。

5 智能锁具建模

IEC61850标准的核心内容包括:采用面向对象建模技术对变电站功能和智能电子设备建模;为实现应用与通信分离，采用抽象通信服务接口映射到具体通信协议栈;基于扩展标识语言(xML)的变电站配置语言(SCL)对系统和智能设备进行配置。其中，利用面向对象的统一建模技术和独立于网络结构的抽象通信服务接口(ACSI)对实际IED进行建模是IEC61850标准应用的关键。

由于防误闭锁技术在国内的特殊性，IEC61850标准并没有针对防误闭锁进行单独的建模，但可以利用IEC61850标准中现有的模型来完成智能变电站防误闭锁方面的建模。下面按照基于IEC61850标准面向对象思想的IED建模方法［7］详细说明智能锁具的建模过程。

5.1 逻辑节点建模

通过对智能锁具技术要求及设计原则的分析，可归纳出智能锁具的逻辑节点如下:LLN0、LPHD、XCBR、XSWI、CSWI、CILO、IHMI、GGIO、CALH，具体的说明见表4，其中LLN0和LPHD为IED模型必不可少的逻辑节点;XCBR、XSWI、CSWI、CILO、IHMI、GGIO、CALH是实现智能锁具闭锁功能的逻辑节点。

表1 智能锁具相关逻辑节点及说明

5.2 智能锁具数据对象及属性

除了上面的LN，要实现对智能锁具信息模型的访问和操作，必须用数据属性和数据对象对LN进行标准化描述。数据对象指的是一个LN的对象部分，代表特定信息，如状态或测量量。数据属性用于定义可能数值的名称(语义)、格式、范围，在传输时表示该数值。LN中的数据种类较多，包括必选的和可选的，在实际中可以根据需要进行添加。根据IEC61850.5中的定义［8］，智能锁具基本的数据对象如图2所示。

图2 智能锁具基本数据对象

5.3 智能锁具服务器模型

鉴于智能锁具功能比较单一，所以将智能锁具建模为一个Server类的实例，与间隔层采用双100M以太网通信，通信介质为光纤，通信模式为发布者/订阅者(Publisher/Subscriber)模式。同时将该装置整体建模为一个逻辑设备。按照IEC61850标准对IED信息建模的步骤，即经过构建逻辑节点和数据、构建逻辑设备后构建智能锁具的服务器模型如图3所示。

图3 智能锁具服务器模型

5.4 智能锁具逻辑节点之间的功能交互

根据智能锁具逻辑节点和功能需求，图4给出了智能锁具逻辑节点功能交互结构图。如图所示，解闭锁控制器CSWI能够接收到以下两种信息:间隔层智能防误电子装置的解闭锁命令、IHMI(操作员接口)处发送的解闭锁命令。当CSWI接收到间隔层智能防误电子装置的解闭锁命令，经逻辑闭锁判断CILO判断后由断路器解闭锁控制器XCBR或开关解闭锁控制器XSWI对相应的对象进行解闭锁，并更新GGIO中的解闭锁状态。由GGIO采集间隔内所有设备的状态，包括高压带电信息，并将状态信息送给CILO参与逻辑闭锁判断。虚线框中的GGIO属于间隔层智能防误电子装置中的逻辑节点。

图4 智能锁具逻辑节点功能交互结构示意图

至此，关于智能变电站过程智能锁具的建模工作基本完成，在此不作介绍。

6 总结

基于IEC61850标准的智能锁具，具有常规变电站锁具所无法比拟的优点，其操作简单、设备智能化、组态配置灵活，能完成一个间隔内所有设备的防误闭锁功能。目前，国家正大力推广基于IEC61850的智能化变电站技术，随着智能化变电站建设的大量推广，智能化一次设备和网络化二次设备技术的完善，智能锁具在智能化变电站中的应用会越来越广泛，将会为电网的稳定运行及操作的安全性提供有力的保障。

［1］ 国家电网公司“十二五”电网智能化规划［R］.北京:2010.

［2］ 五防系统在智能化变电站中应用分析［J］.电力系统保护与控制，2009，37(23):108 －111.

［3］ 基于IEC61850标准的新型变电站防误系统［J］.电力系统自动化，2009，33(5):96 －99.

［4］ 一种新型的变电站在线式五防系统的实现［J］.电力系统保护与控制，2010，38(19):118 －121.

［5］ 国家电网公司防止电气误操作安全管理规定［Z］.北京:2006.

［6］ 国家电网公司.智能变电站防误闭锁系统技术规范［S］.北京:2010.

［7］ 基于IEC61850标准面向对象思想的IED建模［J］.电力系统保护与控制，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.