智能牽引變電所五防系統設計

趙洋洋，王 牣，于 洋

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智能牽引變電所五防系統設計

趙洋洋，王 牣，于 洋

防誤閉鎖系統是變電所防止誤操作的重要保證。傳統牽引變電所主要依靠電氣閉鎖結合電壓繼電器等防止隔離開關和電動接地刀閘的誤操作，存在信息共享困難和設備間互操作不便等問題。本文依據智能牽引變電所的組網結構設計，提出智能牽引變電所基于站控層、過程層、間隔層的防誤閉鎖構架。

智能牽引變電所；IEC61850；防誤閉鎖；GOOSE；五防

0 引言

我國目前的牽引變電所主要采用綜合自動化系統（簡稱綜自系統），自動完成變電所參數測量、數據采集、設備保護及監控等功能。但傳統綜自系統存在設備之間互操作性差、二次設備間的信息難以共享、施工周期長、施工費用高等缺點。IEC61850規約和高速以太網、在線監測技術的發展，為數字化智能變電所的建設提供了技術支撐，數字化智能變電所是未來牽引變電所發展方向，是鐵路智能化的重要組成部分。

目前在電力系統變電站中常用的是微機防誤閉鎖系統，由五防主機、電腦鑰匙、模擬屏、編碼鎖等組成。《國家電網公司防止電氣誤操作安全管理規定》定義“五防”為：①防止誤分、誤合斷路器；②防止帶負荷分、合隔離開關；③防止帶電掛（合）接地線（接地刀閘）；④防止帶接地線合斷路器；⑤防止誤入帶電間隔[2]。早期建設的鐵路中五防系統應用較少，主要依靠電氣閉鎖等方式防止電氣誤操作，缺少對帶電掛接地線、帶地線合閘等誤操作的閉鎖。五防系統在電力系統上應用的成熟經驗為鐵路牽引變電所防誤操作明確了方向[1]。

五防系統很大程度上保障了變電所的安全，但也存在如下問題：需要電腦鑰匙和專用的密碼鎖具，增加了變電所設備的維護工作量；倒閘前的模擬操作、五防解鎖增加了倒閘的操作時間；存在“走空程”的現象[3]。文獻[4]提出了通過實時返回現場開關狀態量信息的方式防止“走空程”現象的發生；文獻[5]提出了通過在線式五防取消電腦鑰匙這一操作的解決方案。

本文對智能牽引變電所的組網結構、過程層設備的智能化配置方案以及站控層和間隔層的組網方案進行設計，并基于現有的調度檢修流程，給出智能牽引變電所遠方調度、站控層、間隔層、過程層五防系統的總體設計方案。

1 智能牽引變電所結構設計

相比傳統牽引變電所，智能牽引變電所主要由一次設備智能組件和二次保護測控裝置組成，完成所內數據采集、測控保護及執行遠端調度命令等功能。智能牽引變電所采用具有數字化通信接口的一次智能設備，通過IEC61850規約完成信息的建模和設備間的互操作，通過網絡化二次設備代替電纜完成控制。根據IEC61850體系，智能牽引變電所在結構上可以劃分為3層：站控層、間隔層和過程層。系統組網如圖1所示。

圖1 智能牽引變電所組網圖

1.1 過程層智能化設計

傳統牽引變電所的一次設備與二次設備通過電纜連接。牽引變電所過程層的智能化可通過2種方式實現：一種是采用全智能一次設備；另一種是對傳統一次設備進行改造，采用“一次設備本體+智能組件”的方式，使一次設備具有數字化接口，與保護測控裝置之間采用光纜通信[6]。一次設備智能組件主要包括牽引變壓器智能組件、電流電壓互感器合并單元以及斷路器等電動開關設備智能單元等。

過程層包括變壓器、隔離開關、互感器、接地刀閘、本體組件、合并單元、智能終端、合并智能終端、電壓MU（合并智能單元）等設備。高壓側采用電子式互感器，低壓側采用常規27.5 kV電磁式互感器和智能組件完成數字化接口功能；本體組件用于牽引變壓器的本體電氣量采集和控制；合并智能單元用于27.5 kV側饋線電壓、電流采集以及斷路器、電動隔離開關的接入和控制；電壓MU用于采集母線電壓，并通過發送FT3到其他合并智能單元實現電壓共享；合并單元用于接入牽引變壓器高壓側電流和電壓；智能單元主要用于牽引變壓器高壓側斷路器、電動隔離開關、電動接地刀閘等開關的控制。過程層設備智能化連接如圖2所示。

圖3為智能單元原理圖。智能單元完成對斷路器的控制，同時采集開關開入量。其中DSP負責GOOSE通信，智能開入插件采集斷路器、刀閘等一次設備的開關信息，然后通過DSP發送給保護測控裝置，保護測控裝置通過GOOSE發送分合閘命令給智能開出插件驅動相應的出口繼電器。

圖2 過程層設備智能化連接

圖3 智能單元原理

1.2 間隔層設計

間隔層主要完成變電所的保護、測量、控制和自動化功能，按照間隔布置，主要由主變保護測控裝置、饋線保護測控裝置、并補保護裝置、故障測控裝置以及視頻監控系統等組成。過程層網絡連接智能一次設備和保護測控裝置，傳輸采樣值（SV）、GOOSE等信息。過程層電子式互感器或合并智能單元發送符合IEC61850-9-2的采樣值，間隔層保護測控裝置接收采樣值（SV）用于保護和測量，保護采用“直采直跳”模式，通過GOOSE發送分合閘命令。間隔層網絡采用光纖雙環自愈網，支持過程層點對點方式和網絡方式，支持光纖雙環自愈網絡和雙星形網絡。其中光纖環網具有自愈功能，平時主環工作，備環處于備份狀態，當環上某處發生故障時，其相鄰節點的主環、備環自動環回，使通信網絡仍保持暢通，故障點恢復后，備環回到備份狀態，極大地提高了光纖通信的可靠性。間隔層裝置功能如圖4所示。

圖4 間隔層裝置功能

1.3 站控層設計

站控層設備包括后臺監控系統、遠動通信單元、GPS對時裝置，支持IRIG-B碼、IEC61588、秒脈沖SNTP等對時方式。當地監控系統支持集中組屏、設備分散安裝等各種模式，支持星形網絡和光纖環網等不同的網絡拓撲結構。站控層網絡連接站控層設備和間隔層的保護測控裝置，采用100 M以太網和IEC61850規約通信。

2 智能牽引變電所五防系統設計

《國家電網公司防止電氣誤操作安全管理規定》要求：凡是有可能引起誤操作的高壓電氣設備，都應該裝有防誤裝置和相應的電氣防誤閉鎖回路；操作功能按照遠方操作，站控層、間隔層、過程層分層考慮，無論設備在哪一層控制操作，設備的運行狀態和選擇切換開關的狀態都應該具備防誤閉鎖功能，且要閉鎖所有電動和手動設備，涵蓋斷路器、隔離開關、接地刀閘以及臨時接地線、網（柜）門等；防誤閉鎖要覆蓋整個變電站運行、操作、檢修等環節[7]。智能牽引變電所采用在線式五防系統，完成站控層、間隔層、過程層的電動和手動設備的防誤閉鎖，其結構如圖5所示。

圖5 智能牽引變電所在線式五防系統結構

2.1 站控層防誤

牽引變電所內通過監控主機或獨立五防主機完成站控層防誤。在線式五防系統將防誤閉鎖模塊嵌入后臺監控系統，共用一套實時數據庫，通過站控層網絡實時采集全站間隔層IED設備上送的信息以及智能五防鎖具采集的地線樁、網門閉鎖信息，進行防誤邏輯運算，并與數據庫中儲存的五防閉鎖邏輯進行比對。站控層防誤閉鎖范圍覆蓋隔離開關、接地刀閘、網門和臨時接地線等設備，實現站控層的全面防誤閉鎖。

監控主機具備基本的權限管理功能，可以靈活地修改運行人員、檢修人員等的操作權限；可以退出防誤閉鎖功能、編輯操作票、編輯防誤閉鎖規則等。操作票預演時可以進行防誤閉鎖規則校驗，如不滿足校驗要求，系統終止操作并給出報警。

站控層防誤采用基于“主接線+知識庫+推理機”的方法，完成防誤閉鎖邏輯的推理判斷。

2.2 間隔層防誤

間隔層主要由間隔層測控裝置實現本間隔的閉鎖和相關間隔的聯鎖。間隔層裝置儲存本層的防誤閉鎖邏輯，通過實時采集設備狀態信息、電壓/電流模擬量信號，經高速以太網應用GOOSE協議接收其他間隔的信號及向其他間隔發送信號，進行設備的防誤邏輯判斷。當出現GOOSE斷鏈、信號狀態不確定等情況時，防誤判斷校驗將無法通過。

間隔層五防主要通過邏輯表達式編輯器編輯閉鎖邏輯，并將閉鎖邏輯生成XML文件，下載到相關間隔保護測控裝置的CPU內。由工具軟件配置好判斷閉鎖所需模擬量和狀態量信息的SCD文件，并導入到CPU內，共同實現間隔層的防誤閉鎖功能。間隔層閉鎖流程如圖6所示。

2.3 過程層防誤

過程層防誤通常由防誤鎖具、設備的單元電氣閉鎖、機械閉鎖等共同實現。其中設備的單元電氣閉鎖和機械閉鎖實現間隔內設備操作的防誤閉鎖。牽引變電所中的手動操作設備、臨時接地線、網門等采用在線式防誤電磁鎖具實現電磁閉鎖，其鎖具的位置信號傳輸到監控系統，并參與防誤邏輯運算。在站控層后臺監控中對應設置掛接、拆除模擬地線監控功能，保證操作與監控狀態一致。

地線樁平時由閉鎖裝置閉鎖，當接到站控層遙控開出命令時，由間隔層裝置驅動繼電器工作，經時間繼電器延時后地線閉鎖電磁鎖解鎖，此時可以掛接地線。當檢修等動作完成后，遙控閉鎖地線樁。為保證地線閉鎖信號的實時上傳以及站控層發出開出信號驅動地線解除閉鎖等功能，硬件模塊需完成信號的開入、開出以及通信功能，同時需配置電源模塊，所采用的芯片需選用工業級芯片以應對現場復雜的電磁環境。其實現流程如圖7所示。

圖6 間隔層閉鎖流程

圖7 閉鎖裝置整體流程

2.4 實驗驗證

鑒于實際條件，利用模擬試驗儀器搭建試驗平臺，采用模擬斷路器模擬實際斷路器、隔離開關、刀閘等設備，采用數字化繼保儀給出來自電壓互感器和電流互感器的電壓和電流等模擬量。

以隔離開關2111為例，針對其分合閉鎖邏輯，通過閉鎖邏輯表達式編輯器編輯其閉鎖邏輯生成的閉鎖XML文件，如圖8所示，“1”表示分閘，“2”表示合閘。

圖8 隔離開關2111閉鎖XML文件

模擬操作界面如圖9所示，當211斷路器處于合位時，點擊2111對其執行模擬分閘操作，系統依據內部存儲的五防閉鎖規則對該步操作進行判斷，提示該操作不符合五防規則，拒絕執行該操作。

圖9 模擬操作

當未經過站控層而直接通過間隔層判斷時，保護測控裝置依據事先配置好的閉鎖邏輯對2111隔離開關進行分閘操作，根據目前211斷路器的位置和T線、F線母線電壓對2111開關的分閘操作進行邏輯判斷，并執行閉鎖。當211斷路器處于分位時允許執行2111合操作，當211斷路器處于合位時，禁止執行2111隔離開關合操作，成功防止誤操作，其結果如圖10所示。

圖10 操作結果

3 結語

IEC61850規約的推出、通信技術以及在線監測技術的發展給鐵路牽引供電系統提供了由傳統綜合自動化到數字化、智能化跨越的機會，充分實現信息共享和設備的互操作。目前鐵路牽引供電系統仍然主要以傳統綜合自動化變電所為主，但數字化、智能化變電站給鐵路牽引供電系統提供了寶貴的經驗，智能牽引變電所五防保護系統將更好地保障鐵路供電的安全性和穩定性。

[1] 陳紀綱，王思文. 智能防誤操作系統在客運專線牽引變電所的應用[J]. 鐵道標準設計，2014，58（5）：121-123.

[2] 劉雪飛，劉國亮. 關于變電站五防閉鎖裝置的探討[J].電力系統保護與控制，2008（19）：77-80.

[3] 王光. 變電站網絡型防誤閉鎖系統的設計[D]. 東北電力大學，2008.

[4] 閆志剛. 基于監控五防一體化防誤操作方案的研究與實現[D]. 華北電力大學，2010.

[5] 黃冬. 變電站在線五防系統軟件設計與研究[D]. 浙江大學，2011.

[6] 李享. 智能牽引變電所設計方案研究[D]. 西南交通大學，2017.

[7] 張世琦. 變電站微機防誤閉鎖邏輯標準化應用研究[D].華北電力大學，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

趙洋洋，于 洋.西南交通大學電氣工程學院，碩士研究生；

王 牣.西南交通大學電氣工程學院，教授。