基于拓扑结构的变电站网络型防误闭锁系统研究

方家麟

摘 要： 在分析了传统的机械式、电气式和微机式三种防误闭锁系统存在的问题的基础上，提出了利用发达的网络技术，设计基于拓扑结构的变电站网络型防误闭锁系统方案，首先确定了变电站网络拓扑结构的识别方法和闭锁方式，然后分别对该新型防误闭锁系统的硬件和软件加以详细介绍，基于拓扑结构的变电站网络型防误闭锁系统不仅解决了传统防误闭锁系统存在的问题，而且易于实现自动化，具有实际的指导意义。

关键词： 防误闭锁系统； 网络型； 拓扑结构； 电网

中图分类号： TN711?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）09?0156?04

Abstract： The problems existing in traditional three anti?misoperation locking systems of mechanical type， electrical type and microcomputer type are analyzed. For the above problems， the advanced network technology used to design the networked anti?misoperation locking system scheme for the substation based on topology structure is proposed. The identification method and locking mode of the network topology structure for the substation are determined. And then the hardware and software of this new anti?misoperation locking system are respectively introduced in detail. The networked anti?misoperation locking system for the substation based on topology structure can solve the problems existing in traditional anti?misoperation locking systems， and is easy to realize automation. The system has a practical guiding significance.

Keywords： anti?misoperation locking system； network mode； topology structure； power grid

如今，随着科学技术的发展，电力系统的规模也越来越大，但是，电气误操作造成损伤的案例却时有发生。随着电力系统规模的增大，电气误操作产生的危害也越来越大，它可以在一瞬间让电网大面积的停电，让生活和生产受到极大影响，它可以让一些价格昂贵的电力设备在瞬间毁坏，更有甚者造成人员伤亡。避免类似事件发生的系统，统称为防误闭锁系统。防误闭锁系统，就是利用自身既定的程序闭锁功能，装设在高压电气设备上以防止误操作的装置系统。虽然这一系统可以有效地降低误操作导致不良后果的概率，但是目前该系统依然存在不少问题：首先，防误闭锁系统的自动化程度太低，在系统的倒闸操作中增设了许多人为的操作解锁或闭锁的动作，导致过程耗时很长，不仅效率低而且耗费操作者大量的体力，增加了劳动强度。另一方面，电力系统发展出现了新的趋势，如无人值班变电所、电动操作设备的增多以及监控中心的建立，这些要求传统的防误闭锁系统必须进行相应的改进，以适应电力系统的新发展。因此，在网络技术发达的今天，要充分发挥现代网络技术的优势，将现代网络技术融入到变电站的防误闭锁系统中，使其在设计理念和科学技术上实现创新和突破。

1 传统防误闭锁系统分析

以往在发电厂或变电所等的电气生产作业过程中，为了达到规定的“五防”要求，发展形成了一些防误闭锁系统，本文首先对这些传统的防误闭锁系统（装置）作简要介绍，并分析存在的问题，针对这些问题，提出基于拓扑结构的变电站网络型防误闭锁系统设计方案。

1.1 传统防误闭锁系统类型

传统防误闭锁系统按照闭锁方式的不同，大体可以分为三种类型：

（1） 机械式防误闭锁系统。在机械锁防误闭锁系统中，有机械程序锁和机械联锁之分，但无论何种，这种防误闭锁系统，都是纯机械系统，利用特定的机械结构对电气系统的开关、刀闸等电气设备的操作实行机械目标定位来实现闭锁功能。程序锁是置换或充分利用钥匙随操作源程序传递而达到开锁先后操作的基本功能要求；联锁是指在开关柜的操作部位之间，充分利用联动与互相制约的机械构件实现先后运动的基本闭锁功能。

（2） 电气式防误闭锁系统。电气锁是在机械锁的基础上引入电磁控制。电和磁的相互转化使得电气的控制更加方便，有效的利用电磁锁的基本构件锁栓对网门、刀闸等电气设备的操作把手来实现机械的基本定位控制，并利用控制电路的通电和断电实现被控制开关或闸刀的开与合。

（3） 微机式防误闭锁系统。微机锁则是在电气锁的基础上进一步改进，把多点处的电气锁进行串联，利用计算机技术对多个电气锁进行控制，就形成了微机锁防误闭锁系统。该防误闭锁系统实现防误闭锁的基本数字化功能，而且还可以实现很多更具有挑战性的防误闭锁功能。

1.2 传统防误闭锁系统存在的主要问题

传统的三种防误闭锁系统，依然存在不少问题，主要有以下几方面：

（1） 走空程。所谓的“走空程”，就是指开锁后不经操作即跳入下一步。在传统防误闭锁系统中，这是最突出的问题，而且一直没能找到很好的技术措施，大多是依靠操作人员的责任心，人为因素导致事故的风险依然很大。在微机防误闭锁系统中，为解决这一问题，设置了检位锁，这样又引起了新的问题，一方面使得设备的维护量大大增加，另一方面使得操作异常繁琐，总给人一种得不偿失的感觉。

（2） 无实时对位。在机械式或电气式防误闭锁系统中，在倒闸操作中，对保护的投、退以及开关操作电源的拉、合等一些危险点很难实现强制闭锁，达不到保护的效果。而微机防误闭锁系统中的电脑钥匙又无法得到相关设备的变位信息，这又是一个隐患。

（3） 无法自动化。电力系统的扩大与系统运行的复杂化急需对变电站实现自动化控制。但传统的三种防误闭锁系统基本采用了“Key+Lock”的模式，这一模式根本无法实现自动化，因此与变电站控制发展的大趋势背道而驰。

2 基于拓扑结构的变电站网络型防误闭锁系统

设计

基于传统防误闭锁系统存在的问题，充分利用现代发达的网络技术，实现防误闭锁系统在理念和技术上的创新和突破，达到实时在线、根据设备的实时状态实现防误闭锁系统的响应功能，下面就基于拓扑结构的变电站网络型防误闭锁系统设计方案加以描述。

2.1 电网拓扑结构表示

如今电网规模越来越大，网络结构也越来越复杂，这样的结果就是电网的节点越来越多，如果仍然采用传统的邻接矩阵法，以穷举遍历的形式描述两个保护对象是否存在电气连接效率会大大降低。其实，尽管电网规模庞大，但是电网保护对象关联的支路是不变的，通常情况下，母线关联一般有二十几个支路，其中变压器为三个支路，一般线路要关联两个支路。在实际操作中，可利用双层的链表体系表示出某断路器的相邻节点状态，如图1所示，断路器指向某断路器的状态信息，链接[n]指向与本断路器近邻的断路器信息状态，因断路器均有正负极性端，因此双层链表的一层指正极性端直接相邻的接点信息，另一层指负极性端直接相邻的接点信息。

在实际情况中，电网的拓扑结构会因运行方式的不同而有所不同，需要根据实时的状态信息进行判别，看相邻断路器是否具有电气连接的条件，以便保护装置。图2是对一个电网结构进行上述拓扑的例子。

2.2 闭锁方式确定

对于变电站而言，需要设置防误闭锁的对象只有遥控操作和手动操作两类，前者像断路器，后者如地刀。遥控操作设备不需要人员到场，除非紧急情况遥控失灵，而手动操作设备，需要人员到场才能操作。因此，防误闭锁系统只要针对这两类设备设置防误闭锁就可以解决问题。

根据以上分析，确定基于拓扑结构的变电站网络型防误闭锁系统中采用的闭锁方式为：第一种方式是在刀闸的支路中串接一个接点，然后用现成控制器控制该点，这种方式主要用于遥控操作，其原理如图3所示；第二种方式是在电磁锁的支路中串联一个接点，这种方式主要用于手动操作的设备，这种电磁锁是另外配置的，如图4所示。

2.3 硬件系统

基于拓扑结构的变电站网络型防误闭锁系统的硬件设备包括以下几个部分：

（1） 闭锁接点：主要用于监控某些设备的闭锁和位置状态，闭锁接点的通断，由直流固态继电器控制。闭锁点可以探测出被控制设备的实时状况，并将这种状态传送到监控的主机，这样就可以很好的防止发生“走空程”。在某些情况下执行倒闸的基本操作时，控制器要将接到的主机传出的状态命令解读，然后将解锁的发出信号再发送给闭锁接点，闭锁接点接到该状态信号后，在其内部电路将实现通电，这样就可以实现解锁功能。当系统操作人员操作任务完成以后，闭锁接点的内部电路会检测到设备操作完成后的状态信息，会自动中断电源通路，这时的闭锁接点进入闭锁状态。

（2） 现场控制器：它的主要作用是依据本地设备的状态信息，控制间隔内设备闭锁接点的通断，自主的完成间隔内设备的逻辑闭锁操作。如果操作员在本地操作或防误主机发生故障，并触发间隔级防误功能时，现场控制器会呈现声光报警单元发出报警指令，同时会检验间隔带电单元实施自动闭锁，实时系统时钟会记录下故障或误操作的发生情况。

（3） 总线接口：本系统设计中采用串口转CAN总线接口的技术方案，其接口卡主要由三大组件构成，包括串口接口电路、微控制器与CAN总线接口电路，使其达到主机与CAN总线连接的功能。

（4） 通信网络：对于设备和控制器间的通信设计，要使用CAN总线网络将串口转CAN总线接口卡、防误主机，然后用施工现场控制器组成现场总线网络，实现现场间隔级设备与防误主机的通信功能。

2.4 控制器软件

现场控制器是一个间隔内的核心设备，控制器负责管理间隔内的所有闭锁接点。

现场控制器中断服务程序与引导程序Program0的流程如图5所示，现场控制器的应用程序在通电和复位后都要从Program0的入口执行基本操作，其流程中首先需要判断此次复位是否是由于接收到编程命令后操作的，即标志位ISP是否等于I，如果不是，要将程序指令引导到Program1；如果是，要等待接收编程数据。总线和Program0的通信要采用中断方式。当有报文接收时，要执行中断服务操作程序，对报文进行保存操作，并返回中断口；当CAN总线中断返回以后，Program0会对Program1重新进行编程，直到收到结束报文。这时，置VIS=1，ISP=0，使Program1可见并调用其中的程序运行。

现场控制器的终端用户主程序Program1的主要功能是负责管理间隔内的所有闭锁接点，并定期对闭锁接点的状态进行检测，保存到内部E2PROM中，并随时提供给设备主机查询。当检测到强行解锁功能操作时，则对设备状态的变化进行基本的逻辑判断，若不符合正常状态则给出警报信息并进行记录，供设备主机查询。当现场控制器接收到防误主机发出的命令时则根据命令内容执行相应的功能操作。终端用户主体程序Program1流程如图6所示。

3 结 语

在分析了传统的机械式、电气式和微机式三种防误闭锁系统存在的问题的基础上，提出了利用发达的网络技术设计基于拓扑结构的变电站网络型防误闭锁系统方案，首先确定了变电站网络拓扑结构的识别方法和闭锁方式，然后分别对该新型防误闭锁系统的硬件和软件加以详细介绍，基于拓扑结构的变电站网络型防误闭锁系统不仅解决了传统防误闭锁系统存在的问题，而且易于实现自动化，具有实际的指导意义。

参考文献

[1] 唐鹤，象阳.变电站防误闭锁装置的应用探讨[J].广西电力，2011，34（1）：18?19.

[2] 王晓文，吴志宏，马仕海.基于网络技术的新型变电站防误闭锁系统的研究[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2011，7（1）：33?35.

[3] 宋小会，郭志忠，倪传坤，等.区域电网集中式网络保护研究[J].电力系统保护与控制，2013（13）：43?46.

[4] 顾拥军，皮卫华，杨乘胜.变电站防误闭锁应用分析[J].继电器，2005，33（2）：66?70.

[5] 冯迎春.网络型防误集控系统实现防误管理现代化[J].供电企业管理，2006（2）：38?4l.

[6] 钱志红.综合自动化变电站中的防误系统[J].中国科技信息，2005（11）：18?19.

[7] 顾晶晶，陈松灿，庄毅.基于无线传感器网络拓扑结构的物联网定位模型[J].计算机学报，2010，33（9）：1549?1556.

[8] 朱孟忠，胡春采，和思铭.基于网络拓扑结构的变电站监控系统的设计[J].电脑知识与技术，2010，6（15）：4168?4169.

[9] 李晓鹏，侯佑华，刘斌，等.矩阵方法在电力系统网络拓扑的应用[J].内蒙古电力技术，2000，18（4）：4?5.

[10] 姚煜，韦良，陈珩.一种基于矩阵消去的电网拓扑分析方法[J].中国电力教育，2008（z1）：144?146.