智能牵引变电所五防系统设计

赵洋洋，王 牣，于 洋



智能牵引变电所五防系统设计

赵洋洋，王 牣，于 洋

防误闭锁系统是变电所防止误操作的重要保证。传统牵引变电所主要依靠电气闭锁结合电压继电器等防止隔离开关和电动接地刀闸的误操作，存在信息共享困难和设备间互操作不便等问题。本文依据智能牵引变电所的组网结构设计，提出智能牵引变电所基于站控层、过程层、间隔层的防误闭锁构架。

智能牵引变电所；IEC61850；防误闭锁；GOOSE；五防

0 引言

我国目前的牵引变电所主要采用综合自动化系统（简称综自系统），自动完成变电所参数测量、数据采集、设备保护及监控等功能。但传统综自系统存在设备之间互操作性差、二次设备间的信息难以共享、施工周期长、施工费用高等缺点。IEC61850规约和高速以太网、在线监测技术的发展，为数字化智能变电所的建设提供了技术支撑，数字化智能变电所是未来牵引变电所发展方向，是铁路智能化的重要组成部分。

目前在电力系统变电站中常用的是微机防误闭锁系统，由五防主机、电脑钥匙、模拟屏、编码锁等组成。《国家电网公司防止电气误操作安全管理规定》定义“五防”为：①防止误分、误合断路器；②防止带负荷分、合隔离开关；③防止带电挂（合）接地线（接地刀闸）；④防止带接地线合断路器；⑤防止误入带电间隔[2]。早期建设的铁路中五防系统应用较少，主要依靠电气闭锁等方式防止电气误操作，缺少对带电挂接地线、带地线合闸等误操作的闭锁。五防系统在电力系统上应用的成熟经验为铁路牵引变电所防误操作明确了方向[1]。

五防系统很大程度上保障了变电所的安全，但也存在如下问题：需要电脑钥匙和专用的密码锁具，增加了变电所设备的维护工作量；倒闸前的模拟操作、五防解锁增加了倒闸的操作时间；存在“走空程”的现象[3]。文献[4]提出了通过实时返回现场开关状态量信息的方式防止“走空程”现象的发生；文献[5]提出了通过在线式五防取消电脑钥匙这一操作的解决方案。

本文对智能牵引变电所的组网结构、过程层设备的智能化配置方案以及站控层和间隔层的组网方案进行设计，并基于现有的调度检修流程，给出智能牵引变电所远方调度、站控层、间隔层、过程层五防系统的总体设计方案。

1 智能牵引变电所结构设计

相比传统牵引变电所，智能牵引变电所主要由一次设备智能组件和二次保护测控装置组成，完成所内数据采集、测控保护及执行远端调度命令等功能。智能牵引变电所采用具有数字化通信接口的一次智能设备，通过IEC61850规约完成信息的建模和设备间的互操作，通过网络化二次设备代替电缆完成控制。根据IEC61850体系，智能牵引变电所在结构上可以划分为3层：站控层、间隔层和过程层。系统组网如图1所示。

图1 智能牵引变电所组网图

1.1 过程层智能化设计

传统牵引变电所的一次设备与二次设备通过电缆连接。牵引变电所过程层的智能化可通过2种方式实现：一种是采用全智能一次设备；另一种是对传统一次设备进行改造，采用“一次设备本体+智能组件”的方式，使一次设备具有数字化接口，与保护测控装置之间采用光缆通信[6]。一次设备智能组件主要包括牵引变压器智能组件、电流电压互感器合并单元以及断路器等电动开关设备智能单元等。

过程层包括变压器、隔离开关、互感器、接地刀闸、本体组件、合并单元、智能终端、合并智能终端、电压MU（合并智能单元）等设备。高压侧采用电子式互感器，低压侧采用常规27.5 kV电磁式互感器和智能组件完成数字化接口功能；本体组件用于牵引变压器的本体电气量采集和控制；合并智能单元用于27.5 kV侧馈线电压、电流采集以及断路器、电动隔离开关的接入和控制；电压MU用于采集母线电压，并通过发送FT3到其他合并智能单元实现电压共享；合并单元用于接入牵引变压器高压侧电流和电压；智能单元主要用于牵引变压器高压侧断路器、电动隔离开关、电动接地刀闸等开关的控制。过程层设备智能化连接如图2所示。

图3为智能单元原理图。智能单元完成对断路器的控制，同时采集开关开入量。其中DSP负责GOOSE通信，智能开入插件采集断路器、刀闸等一次设备的开关信息，然后通过DSP发送给保护测控装置，保护测控装置通过GOOSE发送分合闸命令给智能开出插件驱动相应的出口继电器。

图2 过程层设备智能化连接

图3 智能单元原理

1.2 间隔层设计

间隔层主要完成变电所的保护、测量、控制和自动化功能，按照间隔布置，主要由主变保护测控装置、馈线保护测控装置、并补保护装置、故障测控装置以及视频监控系统等组成。过程层网络连接智能一次设备和保护测控装置，传输采样值（SV）、GOOSE等信息。过程层电子式互感器或合并智能单元发送符合IEC61850-9-2的采样值，间隔层保护测控装置接收采样值（SV）用于保护和测量，保护采用“直采直跳”模式，通过GOOSE发送分合闸命令。间隔层网络采用光纤双环自愈网，支持过程层点对点方式和网络方式，支持光纤双环自愈网络和双星形网络。其中光纤环网具有自愈功能，平时主环工作，备环处于备份状态，当环上某处发生故障时，其相邻节点的主环、备环自动环回，使通信网络仍保持畅通，故障点恢复后，备环回到备份状态，极大地提高了光纤通信的可靠性。间隔层装置功能如图4所示。

图4 间隔层装置功能

1.3 站控层设计

站控层设备包括后台监控系统、远动通信单元、GPS对时装置，支持IRIG-B码、IEC61588、秒脉冲SNTP等对时方式。当地监控系统支持集中组屏、设备分散安装等各种模式，支持星形网络和光纤环网等不同的网络拓扑结构。站控层网络连接站控层设备和间隔层的保护测控装置，采用100 M以太网和IEC61850规约通信。

2 智能牵引变电所五防系统设计

《国家电网公司防止电气误操作安全管理规定》要求：凡是有可能引起误操作的高压电气设备，都应该装有防误装置和相应的电气防误闭锁回路；操作功能按照远方操作，站控层、间隔层、过程层分层考虑，无论设备在哪一层控制操作，设备的运行状态和选择切换开关的状态都应该具备防误闭锁功能，且要闭锁所有电动和手动设备，涵盖断路器、隔离开关、接地刀闸以及临时接地线、网（柜）门等；防误闭锁要覆盖整个变电站运行、操作、检修等环节[7]。智能牵引变电所采用在线式五防系统，完成站控层、间隔层、过程层的电动和手动设备的防误闭锁，其结构如图5所示。

图5 智能牵引变电所在线式五防系统结构

2.1 站控层防误

牵引变电所内通过监控主机或独立五防主机完成站控层防误。在线式五防系统将防误闭锁模块嵌入后台监控系统，共用一套实时数据库，通过站控层网络实时采集全站间隔层IED设备上送的信息以及智能五防锁具采集的地线桩、网门闭锁信息，进行防误逻辑运算，并与数据库中储存的五防闭锁逻辑进行比对。站控层防误闭锁范围覆盖隔离开关、接地刀闸、网门和临时接地线等设备，实现站控层的全面防误闭锁。

监控主机具备基本的权限管理功能，可以灵活地修改运行人员、检修人员等的操作权限；可以退出防误闭锁功能、编辑操作票、编辑防误闭锁规则等。操作票预演时可以进行防误闭锁规则校验，如不满足校验要求，系统终止操作并给出报警。

站控层防误采用基于“主接线+知识库+推理机”的方法，完成防误闭锁逻辑的推理判断。

2.2 间隔层防误

间隔层主要由间隔层测控装置实现本间隔的闭锁和相关间隔的联锁。间隔层装置储存本层的防误闭锁逻辑，通过实时采集设备状态信息、电压/电流模拟量信号，经高速以太网应用GOOSE协议接收其他间隔的信号及向其他间隔发送信号，进行设备的防误逻辑判断。当出现GOOSE断链、信号状态不确定等情况时，防误判断校验将无法通过。

间隔层五防主要通过逻辑表达式编辑器编辑闭锁逻辑，并将闭锁逻辑生成XML文件，下载到相关间隔保护测控装置的CPU内。由工具软件配置好判断闭锁所需模拟量和状态量信息的SCD文件，并导入到CPU内，共同实现间隔层的防误闭锁功能。间隔层闭锁流程如图6所示。

2.3 过程层防误

过程层防误通常由防误锁具、设备的单元电气闭锁、机械闭锁等共同实现。其中设备的单元电气闭锁和机械闭锁实现间隔内设备操作的防误闭锁。牵引变电所中的手动操作设备、临时接地线、网门等采用在线式防误电磁锁具实现电磁闭锁，其锁具的位置信号传输到监控系统，并参与防误逻辑运算。在站控层后台监控中对应设置挂接、拆除模拟地线监控功能，保证操作与监控状态一致。

地线桩平时由闭锁装置闭锁，当接到站控层遥控开出命令时，由间隔层装置驱动继电器工作，经时间继电器延时后地线闭锁电磁锁解锁，此时可以挂接地线。当检修等动作完成后，遥控闭锁地线桩。为保证地线闭锁信号的实时上传以及站控层发出开出信号驱动地线解除闭锁等功能，硬件模块需完成信号的开入、开出以及通信功能，同时需配置电源模块，所采用的芯片需选用工业级芯片以应对现场复杂的电磁环境。其实现流程如图7所示。

图6 间隔层闭锁流程

图7 闭锁装置整体流程

2.4 实验验证

鉴于实际条件，利用模拟试验仪器搭建试验平台，采用模拟断路器模拟实际断路器、隔离开关、刀闸等设备，采用数字化继保仪给出来自电压互感器和电流互感器的电压和电流等模拟量。

以隔离开关2111为例，针对其分合闭锁逻辑，通过闭锁逻辑表达式编辑器编辑其闭锁逻辑生成的闭锁XML文件，如图8所示，“1”表示分闸，“2”表示合闸。

图8 隔离开关2111闭锁XML文件

模拟操作界面如图9所示，当211断路器处于合位时，点击2111对其执行模拟分闸操作，系统依据内部存储的五防闭锁规则对该步操作进行判断，提示该操作不符合五防规则，拒绝执行该操作。

图9 模拟操作

当未经过站控层而直接通过间隔层判断时，保护测控装置依据事先配置好的闭锁逻辑对2111隔离开关进行分闸操作，根据目前211断路器的位置和T线、F线母线电压对2111开关的分闸操作进行逻辑判断，并执行闭锁。当211断路器处于分位时允许执行2111合操作，当211断路器处于合位时，禁止执行2111隔离开关合操作，成功防止误操作，其结果如图10所示。

图10 操作结果

3 结语

IEC61850规约的推出、通信技术以及在线监测技术的发展给铁路牵引供电系统提供了由传统综合自动化到数字化、智能化跨越的机会，充分实现信息共享和设备的互操作。目前铁路牵引供电系统仍然主要以传统综合自动化变电所为主，但数字化、智能化变电站给铁路牵引供电系统提供了宝贵的经验，智能牵引变电所五防保护系统将更好地保障铁路供电的安全性和稳定性。

[1] 陈纪纲，王思文. 智能防误操作系统在客运专线牵引变电所的应用[J]. 铁道标准设计，2014，58（5）：121-123.

[2] 刘雪飞，刘国亮. 关于变电站五防闭锁装置的探讨[J].电力系统保护与控制，2008（19）：77-80.

[3] 王光. 变电站网络型防误闭锁系统的设计[D]. 东北电力大学，2008.

[4] 闫志刚. 基于监控五防一体化防误操作方案的研究与实现[D]. 华北电力大学，2010.

[5] 黄冬. 变电站在线五防系统软件设计与研究[D]. 浙江大学，2011.

[6] 李享. 智能牵引变电所设计方案研究[D]. 西南交通大学，2017.

[7] 张世琦. 变电站微机防误闭锁逻辑标准化应用研究[D].华北电力大学，2015.

The miss locking protection system is an important guarantee to protect against the miss operation of substation. The traditional traction substation mainly relies on the electrical locking combined with voltage relay for protection against the miss operation of disconnectors and motor operated earthing blades, this will induce to difficulties in information sharing and inconvenient inter-operation between equipment. On the basis of design of network grouping structure for intelligent traction substation, the paper puts forward the station control level, process level and bay level based miss locking protection structure.

Intelligent traction substation; IEC61850; miss locking protection; GOOSE; five-protection

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.004

U224.9

B

1007-936X(2018)05-0011-05

2018-02-26

赵洋洋，于 洋.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生；

王 牣.西南交通大学电气工程学院，教授。