新一代智能變電站五防結構及其邏輯設計

劉易珠，廖麗萍，唐智，劉玲，梁堅

(1.國網湖南省電力公司株洲供電分公司，湖南株洲412000；2.中車株洲機電科技有限公司，湖南株洲412001)

新一代智能變電站五防結構及其邏輯設計

劉易珠1，廖麗萍1，唐智1，劉玲2，梁堅1

(1.國網湖南省電力公司株洲供電分公司，湖南株洲412000；2.中車株洲機電科技有限公司，湖南株洲412001)

由于IEC61850以及隔離式斷路器的應用，新一代智能變電站五防以往變電站有了較大不同本文以國家電網2014年智能變電站擴大示范工程220 kV杉樹變電站為例，從新一代智能變電站的五防結構及五防邏輯兩個方面展開分析，利用智能變電站五防結構的靈活性較好地解決了采用隔離式斷路器造成的倒母線聯(lián)鎖問題。

IEC61850；隔離式斷路器；新一代智能變電站；五防結構；五防邏輯

智能變電站的五防〔1〕(五防是指:防止誤入帶電間隔、防止誤拉 (合)斷路器、防止帶負荷拉 (合)隔離開關、防止帶電合接地刀閘 (掛接地線)、防止帶接地刀閘 (接地線)送電)與傳統(tǒng)變電站有所不同，智能變電站的五防在實現(xiàn)上較常規(guī)變電站更加完善。

在常規(guī)變電站中，五防邏輯的實現(xiàn)由間隔層及站控層兩層實現(xiàn)，間隔層五防中，任一電氣設備的電氣聯(lián)鎖是將需要對該設備操作進行閉鎖的所有相關設備的輔助接點 (硬接點)串聯(lián)在該設備操作控制回路中來實現(xiàn)的。站控層由獨立的五防主機完成，五防主機一般是單向采集設備位置數據，并不具備順控等高級功能。

傳統(tǒng)的間隔五防由于主設備操作回路中串聯(lián)了太多的輔助接點，造成設備操作回路二次接線復雜、可靠性差，無論是輔助接點切換異常還是二次接線接觸不良，都會造成主設備操作回路斷線而操作失敗。

相比于傳統(tǒng)五防，智能變電站的五防系統(tǒng)由站控層五防、間隔層五防 (這里的間隔五防，指的是測控裝置五防)，還有機械五防鎖具 (過程層五防)組成。

1 新一代智能變電站五防概述

從2011年起開始，國家電網公司全面推廣建設智能變電站，截止至2013年底，國家電網公司范圍內已投運新建智能變電站823座。2014年，國家電網公司又啟動了第二批擴大示范工程共48座新一代智能變電站建設，其中湖南有2座，為株洲220 kV杉樹變和株洲110 kV君山變。這批智能變電站開始廣泛采用智能一次設備〔2〕，如隔離式斷路器 (如圖1所示)，取消了線路側隔離開關以及獨立的電流互感器，保留并集成了全光纖電流互感器和線路側接地刀閘，極大地減少了變電站的占地面積，降低了總成本，拉長了設備檢修周期。同時直接改變了變電站五防，其五防邏輯相應也發(fā)生改變，本文以220 kV杉樹變電站為例，從智能變電站五防結構、邏輯設計等方面展開分析。

圖1 252 kV集成式智能隔離斷路器

2 智能變電站五防結構

2.1 站控層五防

站控層五防〔3〕能夠校驗遠方控制命令行為邏輯，判斷一次設備操作順序的正確性，控制遙控命令的發(fā)送，與五防機械鎖具配合實現(xiàn)現(xiàn)場一次設備及操作機構箱門的閉鎖。站控層五防還可以配合實現(xiàn)順序控制，順序控制就是一鍵操作，計算機自動執(zhí)行準確的一系列操作指令。

站控層五防主要是由部署在安全I區(qū)的監(jiān)控主機和安全Ⅱ區(qū)的綜合應用服務器上的一體化五防系統(tǒng)高級應用構成，另外該系統(tǒng)還需從實時數據庫中獲取設備的實時狀態(tài)用于五防邏輯校驗。對于可遙控執(zhí)行的任務依次下發(fā)遙控至IED裝置；對于需要至現(xiàn)場操作的任務，可將操作任務下發(fā)至電腦鑰匙，由現(xiàn)場操作人員攜鑰匙到現(xiàn)場操作。如圖2所示。

圖2 站控層五防操作流程

2.2 間隔層五防

間隔層五防的邏輯存儲在測控裝置中，從圖3中可以看出，測控裝置通過過程層網絡獲得一次設備的位置狀態(tài)信息 (智能終端上傳的GOOSE信號[4])，并做出邏輯判斷，得到每個操作回路的分合結果，并將閉鎖邏輯的判斷結果傳送給智能終端和監(jiān)控系統(tǒng)主機 (分別經過過程層交換機和站控層交換機)，不僅能控制監(jiān)控系統(tǒng)主機遙控命令的發(fā)送，實現(xiàn)設備遠方操作閉鎖，而且能夠開合操作設備的電氣控制回路，實現(xiàn)就地閉鎖，并且只需要一個接點，便能實現(xiàn)復雜的邏輯。

只需要用一對接點，便可實現(xiàn)一次設備操作回路的閉鎖，極大地簡化了設備操作回路的二次接線。跨間隔的五防邏輯實現(xiàn)，只需測控裝置在間隔層網絡中采集其他相關間隔數據即可，無需將過多的輔助節(jié)點引入防誤主設備的控制回路。間隔層五防邏輯如圖3所示。

圖3 間隔層五防邏輯圖

2.3 過程層五防

過程層五防，除了可以通過開關柜、地樁、網口等設備上的機械鎖或電氣編碼鎖，用來防止操作人員誤操作、誤入間隔；還可通過智能終端:一方面采集并上傳刀閘位置、開關狀態(tài)等遙信量；另一方面可接收來自測控裝置的指令，并通過其在斷路器、隔離開關、可遙控電源空氣開關等電氣一次設備的控制回路中串入的閉鎖節(jié)點實現(xiàn)過程層的防誤。為防止智能終端與上層通信中斷，在智能終端上設置萬能鑰匙，實現(xiàn)強制解鎖，允許運行人員進行緊急就地操作。

3 新一代智能變電站五防結構邏輯

常開接點:在常態(tài) (不通電)的情況下處于斷開狀態(tài)的接點。這樣的接點一通電就閉合。

常閉接點:在常態(tài) (不通電、無電流流過)的情況下處于閉合狀態(tài)的接點。這樣的接點一通電就會斷開。

智能變電站的間隔測控五防邏輯回路與傳統(tǒng)硬接點回路不同，沒有常閉常開接點概念，但是為了方便，這里還是按照傳統(tǒng)的邏輯回路講，只是實現(xiàn)方式不同而已。

以幾個典型間隔為例，分析間隔測控裝置中五防邏輯的設置。

3.1 220 k V線路間隔

以220 kV攸杉Ⅰ線606間隔為例，分析220 kV杉樹變的電氣聯(lián)鎖邏輯。如圖4所示。

圖4 220 kV攸杉Ⅰ線6061刀閘電氣聯(lián)鎖邏輯

6061隔離開關分合閘回路串聯(lián)了三類接點(圖5):

圖5 220 kV攸杉Ⅰ線606間隔一次接線圖

1)606間隔開關的常閉接點即開關在合位時，6061刀閘不能分合閘，以防止帶負荷分合刀閘。

2)接地刀閘6062－1和6063－1的常閉接點。即6062－1或6063－1地刀在合位時，6061刀閘不能合閘，以保證不會有電從其他間隔經母線到本間隔構成回路接地。判6063－1是因為開關的接點不是很可靠，可能會誤動，如果6061刀閘和6063－1刀閘都合上就導通了，這也是一個電氣連接部分。

3) 一母兩副隔刀6×10－1， 6×10－2的常閉接點。 即6×10－1或6×10－2地刀在合位時， 6061刀閘刀不能合閘，以保證不會有電從本間隔經母線到母線地刀構成回路接地。

假設6061刀閘串入606開關的常閉接點，606在合位，線路切換母線的時候，6061無法分閘、6062無法合閘，即無法完成所謂的母線負荷 “熱倒”。常規(guī)變電站對此的處理是在6063刀閘回路中串入606常閉接點，而在6061刀閘與6062刀閘回路中不串入606接點，因為線路停電的操作必須滿足先拉負荷側隔離開關，再拉母線側隔離開關。因此在負荷側隔離開關回路串入606合位的話可以實現(xiàn)這一閉鎖，同時又不影響母線倒閘的實現(xiàn)。

新一代智能變電站省去了出線側6063隔離刀閘，為此，通過間隔五防，在母線側隔刀6061分合閘回路中并入了一條有600母聯(lián)開關常開接點、以及6001，6002，6062的常開接點回路，即如果在互聯(lián)狀態(tài)，且6062刀閘在合位，6061刀閘即可分閘，無需考慮606開關在合位。具體的實現(xiàn)可以結合圖3，如圖6所示:首先在測控裝置的閉鎖程序中加入了圖4中的第二條支路閉鎖邏輯代碼(無需增加任何接線)，如圖6中橢圓圈中內容所示，測控裝置收集各間隔位置信息后，通過邏輯分析作出五防校驗結果發(fā)送至過程層交換機，再由過程層交換機下發(fā)至606間隔智能終端，最后通過智能終端裝置嵌入到6061操作回路的并聯(lián)的硬接點實現(xiàn) “熱倒”聯(lián)鎖。

圖6 220 kV攸杉Ⅰ線6061刀閘聯(lián)鎖邏輯及結構

在一次設備發(fā)生較大改變 (取消3隔刀)，造成采用五防邏輯硬接點接線方式困難、接線復雜的情況下，智能變電站的五防結構和智能終端配置的特點，較好地解決了這一問題:只需修改間隔層測控裝置的代碼，并在智能終端裝置的端子排上改變開關、刀閘的控制回路接線，即只需改變一對物理結點，就能達到圖6中的效果。

母線側隔刀的地刀6062－1邏輯回路如下圖所示，只需串入6061和6062刀閘的常閉接點即可，不需要串入606開關接點，以防止開關合位的時候分合6062－1地刀，因為正常運行情況下，不存在開關在合位的時候，兩副母線隔刀在分位的情形，所以串入兩副母線隔刀的常閉接點即可。母線側接地開關電氣聯(lián)鎖邏輯如圖7所示。

圖7 母線側接地開關電氣聯(lián)鎖邏輯

其它線路間隔的情形與此相同，不再贅述。需強調的是，上述的常開常閉接點實際在測控間隔五防中是不存在的，間隔五防的邏輯是以報文形式存在測控裝置中進行運算判斷的，這里的接點相當于是 “虛接點”。

3.2 主變間隔

主變間隔的接地開關邏輯回路有所不同，如圖8所示，圖9為對應的一次接線圖。

圖8 主變間隔電氣聯(lián)鎖邏輯

圖9 主變間隔一次接線圖

主變間隔地刀回路串入了520開關和420開關，即中壓側和低壓側開關，其目的是為了防止高壓側開關地刀分合閘時，中壓側或低壓側線路反送電，導致帶電分合閘。

3.3 TV間隔

TV間隔電氣聯(lián)鎖邏輯如圖10所示。

圖10 TV間隔電氣聯(lián)鎖邏輯

與其他間隔不同的是，TV間隔沒有開關，因此只要串入母線接地開關6×10－1、 6×10－2常閉接點以及本身的接地刀閘6×14－1即可。

3.4 母線接地刀閘

如圖11所示，Ⅰ母線接地刀閘分合閘邏輯回路串入了所有間隔的Ⅰ母線側刀閘，以防止帶電分合刀閘。

圖11 母線接地刀閘電氣聯(lián)鎖邏輯

3.5 110 k V線路間隔

為節(jié)約用地，Ⅰ母TV間隔和506線路間隔共用一個間隔。

110 kV線路間隔電氣聯(lián)鎖邏輯如圖12所示，圖13為對應一次接線圖。

圖13 110 kV線路間隔一次接線圖

由于110 kV是單母線分段接線，不存在倒母線的情況，因此506開關常閉接點，以及506間隔所有接地刀閘常閉接點，包括接地刀閘5×10－1常閉接點。

由于杉樹變電站110 kV線路間隔也取消了3隔刀，并采用了隔離式斷路器，因此5061隔離開關電氣聯(lián)鎖邏輯回路上串聯(lián)了一個線路無流的判據，以保障在現(xiàn)場無法觀察到隔離式斷路器明顯斷開點的情況下，進一步確定線路無流。

4 新一代智能變電站促進五防發(fā)展

智能變電站的快速推廣為五防系統(tǒng)的發(fā)展指出新的方向:監(jiān)控實時化，五防系統(tǒng)應能同步監(jiān)控操作序列的執(zhí)行，并及時獲取開關狀態(tài)和刀閘位置，，五防系統(tǒng)能拒絕閉合閉鎖節(jié)點并發(fā)出警告信息五防信息網絡化構建間隔層GOOSE網，只要支持該通信機制的裝置都可以接入該五防系統(tǒng)，實現(xiàn)即插即用，從而提高系統(tǒng)互操作性，并且有利于變電站后續(xù)擴展及維護；功能一體化，將變電站五防系統(tǒng)作為監(jiān)控平臺髙級應用，一體化配置〔5〕，共享圖形化界面和實時數據庫，提高了配置效率及后續(xù)的工作效率；一次設備智能化，將順控操作作為監(jiān)控系統(tǒng)的高級應用，提高了設備終端，TV、TA、斷路器等一次設備的智能化程度，減少人為操作事故。

5 結語

本文以國網新一代智能變電站擴大示范工程為例，首先介紹了最新一代智能變電站的五防結構，即站控層五防、間隔層五防和過程層五防，站控層五防實現(xiàn)一體化在線五防，其次詳細介紹了智能變電站的聯(lián)鎖邏輯和結構設計，進一步突出了間隔層五防在新一代智能變電站五防的突出作用，即只需要用一對接點，便可靈活實現(xiàn)一次設備操作回路的閉鎖和聯(lián)鎖，并能夠靈活拓展，極大地簡化了設備操作回路的二次接線。

〔1〕國家電網公司.智能變電站技術導則:Q/GDW383—2009〔S〕.北京:中國電力出版社，2009.

〔2〕國家電網公司.國家電網公司輸變電工程通用設計:110(66)～750 kV智能變電站部分 〔M〕.北京:中國電力出版社，2010.

〔3〕樊陳，倪益民，竇仁暉，等.智能變電站五防閉鎖功能模型標準化設計及實現(xiàn) 〔J〕.電力系統(tǒng)自動化，2013，37(4):80-84.

〔4〕 Charalampos Kalalas.Enabling IEC 61850communication servies over public LTE infrostracture， 2016， 71(1):1-6.

〔5〕李向峰.智能變電站技術及其應用的研究 〔D〕.保定:華北電力大學，2013.

Structure of Five Preventions and Design of Logic in New Generation Intelligent Substation

LIU Yizhu1， LIAO Liping1， TANG Zhi1， LIU Ling2， LIANG Jian1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Zhuzhou Power Supply Company， Zhuzhou 412000， China；2.CRRC Zhuzhou Mechanical and Electrical Technology Co.， Ltd， Zhuzhou 412001， China)

Five preventions of new generation intelligent substation is different from traditional substation because of the application of IEC61850 and disconnecting circuit breakers.In this paper，it focus on 220 kV Shanshu intelligent substation which is the new generation of intelligent substation expansion demonstration project of the state grid.It analyzes the structure and logic design of five preventions.The bus switching operation problem caused by disconnecting circuit breakers is preferably solved by using structure of five prevention of smart substation.Finally，this paper summarizes the promoting effect of new generation intelligent substation technology to five preventions.

IEC61850； disconnecting circuit breakers； new generation intelligent substation； five preventions structure； five preventions logic

TM63

B

1008-0198(2017)05-0039-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.05.010

2017-02-13 改回日期:2017-06-01

劉易珠(1989)，男，湖南株洲，碩士，助理級工程師，從事智能電網優(yōu)化調度、智能變電站運行、電動汽車充放電優(yōu)化調度工作。

廖麗萍(1978)，女，湖南株洲，本科，高級技師，主要從事智能變電站運行工作。