智能變電站過程層智能鎖具的研究

張朋良

(珠海優特電力科技股份有限公司，廣東 珠海 519000)

1 引言

自2009年國家電網公司提出建設統一堅強的智能電網戰略發展目標以來，2010年“十二五規劃”中又將智能電網的建設作為國家的發展策略。作為智能電網的重要組成部分，近幾年，智能變電站的建設已經從理論研究階段、試點階段進入到實質性的推廣應用階段，“十二五”將新建智能變電站5100座，改造1000座，智能變電站是變電站技術的發展方向［1］。

隨著智能變電站相關技術的發展，電子式互感器、合并單元、保護測控裝置、監控系統等一二次設備技術均取得了長足的進步，但在變電站安全運行中起到重要保障作用的微機防誤閉鎖系統，其技術的發展還存在一定的差距［2－4］。雖然闡述了在智能變電站監控系統中采用軟邏輯實現防誤閉鎖的方法，但無法實現防誤操作強制閉鎖的要求［5］;本文首先分析了智能變電站防誤閉鎖系統的體系結構及功能，進而在此基礎上對智能變電站過程層智能鎖具進行了研究，包括常規變電站鎖具存在的問題、智能鎖具的技術要求、設計原則及其建模方法。

2 智能變電站防誤閉鎖系統

從變電站防誤閉鎖的全面性和強制性出發，國家電網公司在《智能變電站防誤閉鎖系統通用技術規范》［6］中明確提出智能變電站防誤閉鎖系統與監控系統一樣按三層構建，遵循IEC61850標準，整體結構分為站控層、間隔層和過程層，實現智能變電站防誤閉鎖的強制性和全面性要求，其體系結構如圖1所示。站控層的防誤工作站實現全站電氣防誤操作的功能，對運行人員的電氣設備操作步驟進行監測、判斷和分析，以確定該操作是否正確;間隔層的智能防誤電子裝置加強全站的防誤，在站控層無法正常工作時，智能防誤電子裝置能根據全站狀態對各間隔斷路器和開關進行邏輯聯鎖;過程層由智能化鎖具構成，對過程層一次設備進行強制閉鎖。

站控層防誤工作站可以單獨設置，也可以作為監控工作站的一個子系統，隨著智能變電站的技術日益成熟，智能變電站設計時按無人值班站考慮，設備操作多數為集控或調度端的遠方操作，設備就地操作的概率越來越小，只有在檢修時才會在防誤工作站開票、模擬預演并用電腦鑰匙操作，所以站控層防誤工作站的功能與常規變電站相比越來越弱化。

圖1 智能變電站防誤閉鎖系統體系結構

智能防誤電子裝置是智能變電站防誤系統的核心，智能變電站所有設備的操作必須經過智能防誤電子裝置的實時防誤邏輯判斷，包括來自監控中心、調度中心和本地自動化系統的順控操作。其數據輸入包括全站一次和二次設備的狀態量、各間隔的遙測量以及來自監控中心、調度中心和本地自動化系統的解閉鎖控制命令。狀態量和遙測量分別通過站控層GOOSE和MMS從間隔層的測控裝置獲取;解閉鎖命令由遠方設備通過站控層GOOSE通信對智能防誤電子裝置GOOSE控制塊的接收緩沖區寫服務完成。

智能鎖具面向間隔設計，完成單間隔內斷路器、隔離開關、接地刀閘/臨時接地線、網門等設備的手動及遠方操作的強制閉鎖功能，能實時反映閉鎖對象的閉鎖狀態;智能鎖具內置單間隔內的閉鎖邏輯，在站控層、過程網絡失效的情況下能自動的完成本間隔內設備操作的防誤邏輯判斷。對斷路器、隔離開關、接地刀閘操作的閉鎖通過在操作回路中串聯智能鎖具閉鎖接點的方式實現，對臨時接地線、網門的閉鎖通過智能鎖具閉鎖接點控制電磁鎖的方式實現。

組網方面，站控層防誤工作站和間隔層智能防誤電子裝置接入智能變電站綜合自動化系統站控層網絡，達到與智能變電站綜合自動化系統數據信息的共享，與綜合自動化系統實時交互防誤閉鎖信息。間隔層的智能防誤電子裝置與過程層的智能鎖具既可以單獨組成GOOSE網，也可以接入智能變電站綜合自動化系統過程層GOOSE網，智能鎖具一方面接收智能防誤電子裝置的解閉鎖命令，另一方面將綜合自動化系統不能采集的網門、地線等閉鎖狀態上傳給智能防誤電子裝置;從冗余設計的角度考慮，智能鎖具也能采集本間隔內斷路器、刀閘的狀態，保證在站控層、過程層網絡失效時能自動完成本間隔的防誤邏輯判斷功能。

3 常規變電站鎖具存在的問題

(1)鎖具種類多

針對不同的應用場合設計了不同的鎖具，比如對斷路器、電動刀閘等電氣操作回路的閉鎖采用電編碼鎖;對網門、端子箱、臨時接地線、刀閘的就地操作機構等設備的閉鎖采用機械編碼鎖。鎖具種類繁多對管理帶來困難。

(2)操作接口多

現場一個間隔內往往安裝有多套鎖具，每套鎖具均有獨立的電腦鑰匙操作接口，操作接口多增加了現場操作人員的工作量。

(3)鎖具的非智能化

除遙控閉鎖和電磁鎖這兩種鎖具能進行遠方控制具有智能識別功能外，其他鎖具都只能通過電腦鑰匙來進行解閉鎖，沒有智能功能，無法反應自身的解閉鎖狀態及運行狀態，可維護性差。

(4)鎖具的兼容性差

各廠家鎖具接口規范不一致，無法做到統一兼容，互換性差。

4 智能鎖具技術要求及其設計原則

智能鎖具是為了實現智能變電站防誤閉鎖系統對臨時地線、網門、隔離開關、斷路器的手動遠方操作進行強制閉鎖的過程層特殊IED，直接面向過程層設備。其技術要求及設計原則如下:

(1)智能鎖具面向間隔設計，能完成單間隔內所有設備遠方/就地操作的強制閉鎖，智能鎖具為間隔內設備所有操作的統一接口，應避免常規變電站一個間隔內多點解鎖的情況;智能鎖具的閉鎖輸出控制接點應能滿足各種復雜間隔設備閉鎖對象的需求，比如雙母接線間隔、3/2接線間隔等。

(2)智能鎖具應按照IEC61850標準建模，并通過過程層GOOSE網絡與間隔層的智能防誤電子裝置相連。

(3)能內置單間隔內的防誤閉鎖邏輯，在站控層網絡和間隔層網絡失效時能有效對本間隔內設備的操作進行強制閉鎖。

(4)對于聯絡線等間隔，智能鎖具應具有高壓帶電檢測功能，并將是否帶電信息作為防誤邏輯的閉鎖條件。

(5)智能鎖具應能實時反饋自身閉鎖狀態信號的變化;在條件許可時，智能鎖具能采集間隔內設備的位置信息，比如斷路器、刀閘等位置信息。

(6)智能鎖具應能有效地完成對高壓設備的閉鎖并做到“防走空”。

(7)智能鎖具安裝及維護應該簡單方便。

(8)智能鎖具材質優良、防塵、防銹、無卡滯;戶外鎖具還應防水、防潮、防霉。

(9)智能鎖具應滿足如下技術指標:

工作環境溫度:－25℃ ～+70℃

平均無故障時間(MTBF)≥2年

單次被開鎖成功率≥99%

(10)為防止智能鎖具失效，智能鎖具應配置緊急解鎖接口。

(11)智能鎖具運行環境的要求應滿足戶外使用環境條件的要求。

5 智能鎖具建模

IEC61850標準的核心內容包括:采用面向對象建模技術對變電站功能和智能電子設備建模;為實現應用與通信分離，采用抽象通信服務接口映射到具體通信協議棧;基于擴展標識語言(xML)的變電站配置語言(SCL)對系統和智能設備進行配置。其中，利用面向對象的統一建模技術和獨立于網絡結構的抽象通信服務接口(ACSI)對實際IED進行建模是IEC61850標準應用的關鍵。

由于防誤閉鎖技術在國內的特殊性，IEC61850標準并沒有針對防誤閉鎖進行單獨的建模，但可以利用IEC61850標準中現有的模型來完成智能變電站防誤閉鎖方面的建模。下面按照基于IEC61850標準面向對象思想的IED建模方法［7］詳細說明智能鎖具的建模過程。

5.1 邏輯節點建模

通過對智能鎖具技術要求及設計原則的分析，可歸納出智能鎖具的邏輯節點如下:LLN0、LPHD、XCBR、XSWI、CSWI、CILO、IHMI、GGIO、CALH，具體的說明見表4，其中LLN0和LPHD為IED模型必不可少的邏輯節點;XCBR、XSWI、CSWI、CILO、IHMI、GGIO、CALH是實現智能鎖具閉鎖功能的邏輯節點。

表1 智能鎖具相關邏輯節點及說明

5.2 智能鎖具數據對象及屬性

除了上面的LN，要實現對智能鎖具信息模型的訪問和操作，必須用數據屬性和數據對象對LN進行標準化描述。數據對象指的是一個LN的對象部分，代表特定信息，如狀態或測量量。數據屬性用于定義可能數值的名稱(語義)、格式、范圍，在傳輸時表示該數值。LN中的數據種類較多，包括必選的和可選的，在實際中可以根據需要進行添加。根據IEC61850.5中的定義［8］，智能鎖具基本的數據對象如圖2所示。

圖2 智能鎖具基本數據對象

5.3 智能鎖具服務器模型

鑒于智能鎖具功能比較單一，所以將智能鎖具建模為一個Server類的實例，與間隔層采用雙100M以太網通信，通信介質為光纖，通信模式為發布者/訂閱者(Publisher/Subscriber)模式。同時將該裝置整體建模為一個邏輯設備。按照IEC61850標準對IED信息建模的步驟，即經過構建邏輯節點和數據、構建邏輯設備后構建智能鎖具的服務器模型如圖3所示。

圖3 智能鎖具服務器模型

5.4 智能鎖具邏輯節點之間的功能交互

根據智能鎖具邏輯節點和功能需求，圖4給出了智能鎖具邏輯節點功能交互結構圖。如圖所示，解閉鎖控制器CSWI能夠接收到以下兩種信息:間隔層智能防誤電子裝置的解閉鎖命令、IHMI(操作員接口)處發送的解閉鎖命令。當CSWI接收到間隔層智能防誤電子裝置的解閉鎖命令，經邏輯閉鎖判斷CILO判斷后由斷路器解閉鎖控制器XCBR或開關解閉鎖控制器XSWI對相應的對象進行解閉鎖，并更新GGIO中的解閉鎖狀態。由GGIO采集間隔內所有設備的狀態，包括高壓帶電信息，并將狀態信息送給CILO參與邏輯閉鎖判斷。虛線框中的GGIO屬于間隔層智能防誤電子裝置中的邏輯節點。

圖4 智能鎖具邏輯節點功能交互結構示意圖

至此，關于智能變電站過程智能鎖具的建模工作基本完成，在此不作介紹。

6 總結

基于IEC61850標準的智能鎖具，具有常規變電站鎖具所無法比擬的優點，其操作簡單、設備智能化、組態配置靈活，能完成一個間隔內所有設備的防誤閉鎖功能。目前，國家正大力推廣基于IEC61850的智能化變電站技術，隨著智能化變電站建設的大量推廣，智能化一次設備和網絡化二次設備技術的完善，智能鎖具在智能化變電站中的應用會越來越廣泛，將會為電網的穩定運行及操作的安全性提供有力的保障。

［1］ 國家電網公司“十二五”電網智能化規劃［R］.北京:2010.

［2］ 五防系統在智能化變電站中應用分析［J］.電力系統保護與控制，2009，37(23):108 －111.

［3］ 基于IEC61850標準的新型變電站防誤系統［J］.電力系統自動化，2009，33(5):96 －99.

［4］ 一種新型的變電站在線式五防系統的實現［J］.電力系統保護與控制，2010，38(19):118 －121.

［5］ 國家電網公司防止電氣誤操作安全管理規定［Z］.北京:2006.

［6］ 國家電網公司.智能變電站防誤閉鎖系統技術規范［S］.北京:2010.

［7］ 基于IEC61850標準面向對象思想的IED建模［J］.電力系統保護與控制，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.