智能变电站监控系统防止电气误操作功能的实现

周斌， 梅德冬， 张超

(1.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京　211106；2.智能电网保护和运行控制国家重点实验室，江苏 南京　211106；3.国网浙江省电力公司杭州供电公司，浙江 杭州　310007)

0　引　言

防止电气误操作，简称防误操作，是变电站操作控制的基本要求[1-2]。五防功能是防误操作的核心功能，即防止误分、误合断路器，防止带负荷分、合隔离开关或手车触头，防止带接地线(接地开关)送电，防止带电合接地开关(接地线)，防止误入带电间隔的功能[3]。变电站的防误操作通常由微机五防系统实现，五防系统极大地保障了变电站的操作安全，但也存在一定的不足：需要安装电脑钥匙、专用编码锁具、五防机等设备，增加了变电站的设备种类和数量；监控系统的遥控操作需要和五防系统进行通信确认，增加了操作时间；存在“走空程”的情况[4]。

本世纪初，人们开始研究在变电站监控系统站控层监控主机和间隔层测控装置中实现防误操作的方法[5-6]，利用监控系统掌握的全站信息进行操作的防误闭锁，取得一定成绩，并在江苏、广东等地区推广应用。常规变电站监控系统通常采用IEC 60870-5-103规约进行网络通信，由于通信规约和设备能力的制约，变电站的信息共享和设备的互操作还存在严重不足，制约了监控系统防误功能的实现。

随着IEC 61850标准的应用和智能变电站的推广，在智能变电站监控系统中实现防误操作成为一种高效、易行的方法，特别是IEC 61850定义的GOOSE协议为变电站间隔层设备提供了高效的信息交换手段。全站系统结构紧凑化和集成化将是今后的发展趋势,在监控系统中实现五防闭锁功能将是当前及今后发展的方向[7]。本文研究在智能变电站监控系统中实现防误操作的实现方案，提出了变电站三层防误闭锁功能的系统架构，研究了IEC 61850关于防误闭锁功能的通信接口，同时介绍防误操作规则的表示方法。

1　系统架构

实现防误功能的智能变电站监控系统功能架构如图1所示，监控系统防误由站控层、间隔层和过程层三层防误闭锁功能组成，为变电站操作提供多级的、综合的防误闭锁。站控层防误、间隔层防误和过程层防误互相独立，互相补充，各层防误功能失效时不影响其它层的防误功能，确保变电站的操作安全。

图1　实现防误功能的变电站监控系统功能架构

1.1　站控层防误

站控层防误一般由监控主机实现，也可以采用数据通信网关机实现，将变电站防误操作的相关功能模块嵌入到站控层计算机监控系统中。它通过站控层网络(一般为冗余的双网)，应用MMS协议[8]，采集全站间隔层设备上送的信息，进行防误逻辑运算，防误范围包括了全站的断路器、隔离开关、接地开关、网门和接地线等设备，面向全变电站进行全站性和全面性的防误操作控制。

站控层防误具备完善的人机操作界面，以监控系统图形与实时数据库为基础，利用内嵌的防误功能模块，对设备操作进行可靠的防误闭锁检查、预演和操作票顺序执行。站控层操作的控制命令经过防误逻辑检查后方能将控制命令发至间隔层设备，如操作不满足防误条件，监控主机将闭锁该项操作并报警，输出提示信息。用户的误操作会被闭锁并报警，报警会明确提示闭锁的对象和未满足的防误规则。

监控主机具备独立的防误权限管理功能，操作权限可根据运行需求灵活配置，防误功能退出、操作票编辑、防误规则编辑等功能都可设置独立的权限。

监控主机还能够正确模拟、生成、执行和管理操作票。操作票预演时具备防误规则校验功能，如未通过校验，则停止预演并告警。监控主机还可以根据操作票执行步骤依次开放每步电气操作，操作正确后自动闭锁该设备，并自动开放符合操作条件的下步操作。操作票执行过程中如果发生保护动作、非当前操作对象的状态改变等情况，造成不满足操作要求时，监控主机将实时闭锁，自动中止余下未操作步骤并告警。操作票执行中止后，开放的电气操作将被及时闭锁。

1.2　间隔层防误

间隔层防误通常由间隔层测控装置实现。装置存储本间隔被控设备的防误闭锁逻辑，采集设备状态信号、动作信号等状态量信号，采集电压、电流等电气量信号，通过以太网，应用GOOSE协议向系统其他设备发送信号；同时通过网络，应用GOOSE协议接收其它间隔装置发来的相关间隔的信号，进行被控设备的防误闭锁逻辑判断。测控装置防误闭锁逻辑包含本间隔的闭锁条件和跨间隔的相关闭锁条件，根据判断结果对设备的控制操作进行防误闭锁。

正常工作状态下，测控装置进行的所有操作都应满足防误闭锁条件，并显示和上送防误判断结果。当不能有效获取相关间隔的信息(如由于网络中断等原因)、信号具有无效品质、信号处于不确定状态(包括置检修状态)时，将判断校验不通过。

测控装置还能够输出防误闭锁接点，该闭锁接点的作用类似于五防系统中防误锁具的作用，它串接于一次设备的遥控和手动操作回路，闭锁遥控和手动操作，如图2所示。测控装置可以自动进行被控对象的防误逻辑判断，当条件允许时，合上防误闭锁接点，当条件不满足时，断开防误闭锁接点。在智能变电站中被控对象的操作回来通常位于过程层的智能终端中，测控装置通过GOOSE协议和智能终端通信。此时防误闭锁接点一般由智能终端输出，测控装置可以通过GOOSE报文控制智能终端进行防误闭锁接点的输出。

测控屏柜通常具有“解锁/联锁”切换开关，可以在紧急情况下或检修时进行解锁操作，防误解锁切换开关应有钥匙控制。

测控装置还能够将各控制对象的防误逻辑状态和防误接点的状态上送至站控层设备。为了便于进行防误闭锁逻辑的校验，测控装置还支持远方置数功能，被置数的数据具有取代的品质，可以参与防误逻辑运算。

1.3　过程层防误

过程层防误是变电站防误体系不可或缺的重要部分，由设备的单元电气防误闭锁、机械防误闭锁、以及智能终端、防误锁具等实现。设备的单元电气闭锁或机械闭锁主要实现间隔内设备操作的防误闭锁。变电站手动操作设备、网门、临时接地线等设备的防误闭锁可由防误电磁锁具等实现。监控系统可以通过防误闭锁接点控制防误电磁锁具的操作。防误电磁锁具的位置信号可以输入至监控系统，进行监视，并可以参与防误闭锁逻辑运算。

2　IEC 61850通信接口

由于IEC 61850标准并没有规范防误闭锁功能的实现，也没有规范不同IED间如何进行防误信息交换，为便于不同装置间共享采集信息，利于互操作，需在IEC 61850基础上进一步标准化测控装置的控制接口和防误功能模型。

断路器、隔离开关等一次控制对象通常采用CSWI建模。站控层设备对间隔层设备中的CSWI进行遥控时，IEC 61850-7-2[9]中定义的控制类服务的Check参数的联锁(interlock)位需置1，表示控制操作需要满足防误闭锁逻辑条件。当操作的防误条件不满足时，测控装置将回复客户端错误原因为Blocked-by-interlocking的否定响应。测控装置还会判断自身“解锁/联锁”位置，当装置在解锁位置时不启动防误闭锁判断，处于联锁状态时进行防误闭锁判断。

防误功能采用IEC 61850-7-4[10]中定义的CILO(联锁控制)逻辑节点建模，CILO抽象了防误操作的逻辑判别与结果输出行为。每个防误控制对象都建立一个对应CILO的实例，CILO的前缀与实例号与控制对象CSWI保持一致。由于IEC 61850中定义的CILO还不能完全满足防误闭锁功能的需要，我们对其进行了扩充，增加了LckMod和EnaOp两个元素，CILO类的数据结构见表1。

表1　CILO类结构

图3　CSWI和CILO在控制操作中的作用示意图

LckMod反映控制对象的联锁模式，可以是非监控防误、解锁等方式中的一种。其中非监控防误表示测控装置不具有防误闭锁判断功能。

EnaOpn用于表示控制对象分闸操作的防误判别结果，EnaCls用于表示控制对象合闸操作的防误判别结果。

EnaOp对应于控制对象的防误接点，可以接收客户端的控制，对其控合表示解锁防误对象，对其控分表示闭锁防误对象。控合时需要启动防误功能判断，控分时无条件。

CSWI和CILO在控制操作中的作用如图3所示。

3　防误规则文件

变电站监控主机存储着全站的防误闭锁逻辑，间隔层测控装置也存储各自控制对象的防误闭锁逻辑。通常变电站进行现场工程实施时，需要分别输入防误逻辑，工程配置的工作量较大，而且容易造成测控装置和监控主机防误逻辑的不一致。为便于测控装置和监控主机实现防误闭锁逻辑的共享，简化现场配置工作，也利于在不同厂家设备间共享防误闭锁逻辑，我们研究了一套防误规则表示方法，定义了防误规则文件的格式。

规则文件主要由两部分组成：符号字典部分和操作规则部分。符号字典主要是将防误规则中涉及的数据进行定义，方便在规则中使用。操作规则部分是各操作对象控制规则的排列。

符号字典部分表示如下：

[token dictionary]

desc1=data1’s name

……

descN=dataN’s name

符号字典以关键字[token dictionary]开始，关键字独占一行，下面排列多个符号定义，每条符号定义占据一行。

desc为数据的描述字符串，由数字和字母组成，通常由数据所属的一次设备的编号加数据属性构成。对于状态数据信息，直接用防误编号表示；对于测量数据信息，用互感器编号加通道相别表示，如BB2201Ub；对于控制数据对象，用防误编号加CTRL表示，如5011CTRL。

data’s name为数据名称，它与监控系统数据库中数据名称保持一致，采用IEC 61850数据的reference来表示数据名称。reference采用ACSI的表示方式，包含数据的功能约束(FC)，控制对象用FCD表示，位置和测量数据用FCDA表示。例如，控制对象的数据名称可表示为：CB5011CTRL/QG1CSWI1.Pos[CO]；位置信息的数据名称可表示为：CB5011CTRL/QG1CSWI1.Pos.stVal[ST]；测量信息的数据名称可表示为：CB5011MEAS/Q0MMXU1.PhV.phsA.cVal.mag.f[MX]。

操作规则部分表示如下：

[operation rules]

operateObject1’s desc{operateType}：logic expression1

……

operateObjectN’s desc{operateType}：logic expressionN

操作规则以关键字[operation rules]开始，关键字独占一行，下面排列多个操作对象的操作规则，每条规则从行的第一列开始，可以占用多行。

operateObject’s desc，操作对象描述，在符号字典中定义。

operateType，操作类型，主要为合操作、分操作类型。

logic expression，逻辑表达式，由在符号字典中定义的数据描述(desc)、常数和运算符组成。对于状态量常数值，统一采用0表示分位，1表示合位。计算结果为1表示允许，为0表示不允许。运算符定义如下：

“=、>、>=、<、<=”，用于变量数据与常数、变量数据与变量数据间的比较；“&”，逻辑与，用于BOOL量之间的逻辑与运算；“|”，逻辑或，用于BOOL量之间的逻辑或运算；“！”，逻辑非，用于BOOL量的取非运算；“()”，括弧，用于表达式中的优先级运算。

例如，某个50111隔离开关的合操作规则表示如下：

50111CTRL{合操作}：((501117=1)&(5011=1)&(501127=1)&(5117=1)& (5127=1))

该规则文件的表示方法可以基本满足变电站防误逻辑的表达，利于测控装置和监控主机的解析和计算。

4　结束语

智能变电站大量应用网络技术和IEC 61850技术，可以充分实现信息共享和设备的互操作。在智能变电站监控系统中，按站控层、间隔层、过程层设置防误闭锁功能，应用IEC 61850标准进行信息交互，进行防误闭锁判断和输出，实现防止电气误操作，可

以提高操作的可靠性，简化二次系统设计。应用标准的防误规则文件进行全站监控主机和测控装置的防误规则统一配置，可以提高不同设备闭锁逻辑的准确性，减少现场配置工作量。

我们已经在全国数十座高压智能变电站监控系统中实现防止电气误操作功能，提高了变电站智能化水平，简化了变电站的设备配置和二次回路设计，减轻了运行维护工作量，较大地提高了设备的操作可靠性和操作速度，获得了良好效果。在智能变电站监控系统中实现防止电气误操作功能具有较好的应用推广前景。

参考文献：

[ 1 ] 全国高压电气安全标准化技术委员会.电力安全工作规程 发电厂和变电站电气部分:GB 26860—2011[S].北京:国家电网公司，2011:7.

[ 2 ] 中华人民共和国能源部.能源安保[1990]1110号文 防止电气误操作装置管理规定[S].北京:能源部,1990.

[ 3 ] 余南华，黄曙，李先波，等。变电站五防控制规则自动生成技术思路[J].电力系统自动化，2010，34(17)：97-99.

[ 4 ] 沈岳明。防止微机五防装置走空程的几种方案设想[J].浙江电力，2009,30(1)：64-66.

[ 5 ] 孙一民,侯林,揭 萍.间隔层保护测控装置防误操作实现方式 [J].电力系统自动化, 2006,30(11):81-85.

[ 6 ] 黄文龙,程华,梅峰.变电站五防一体化在线监控系统的设计与实现[J].电力系统保护与控制,2009,37(23):112-115.

[ 7 ] 樊陈，倪益明，窦仁晖，等。智能变电站五防闭锁功能模型标准化设计及实现[J]。电力系统自动化，2013，37(4)：80-84.

[ 8 ] 国际电工委员会(IEC).Communication networks and systems for power utility automation-Part 8-1:Specific communication service mapping (SCSM)-Mappings to MMS(ISO 9506-1 and ISO 9506-2) and to ISO/IEC 8802-3:IEC 61850-8-1(ED 2.0:2011)[S].2011:6.

[ 9 ] 国际电工委员会(IEC).Communication networks and systems for power utility automation-Part 7-2:Basic information and communication structure-Abstract communication service interface(ACSI):IEC 61850-7-2(ED 2.0:2010)[S].2010:8.

[10] 国际电工委员会(IEC).Communication networks and systems for power utility automation-Part 7-4:Basic communication structure-Compatible logical node classes and data object classes:IEC 61850-7-4(ED 2.0:2010)[S].2010:3.