新型一體化五防系統在變電站的應用

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(國網四德陽供電公司，四川 德陽 618000)

0 引 言

變電站在電力系統中承擔電能匯集分配、電壓等級轉換、負荷投切等重要任務，其可靠運行是電網安全穩定運行的基礎。由于變電站接線方式復雜、設備類型眾多，且電網企業為減員增效普遍在各電壓等級變電站采用集控站運維管理模式，使得運維人員在進行操作時發生電氣誤操作的風險增加。當發生電氣誤操作時，可能造成人身傷亡、設備損壞、大面積電網停電。因此，為防止誤操作，長期以來，各電壓等級變電站均配有防誤操作系統。

為防止運行電氣設備發生電氣誤操作事件，原能源部于1990年對電氣設備提出明確的“五防”要求[1]，即：1)防止帶負荷誤拉、誤合隔離開關；2)防止誤拉、誤合斷路器；3)防止帶地線或接地開關合閘；4)防止帶電掛接地線或合接地開關；5)防止誤入帶電間隔。國家電力公司于2000 年再次明確提出[2]：采用計算機監控系統時，遠方、就地操作，均應具備防誤閉鎖功能。隨著技術的不斷發展，五防系統得到不斷的發展和完善。文獻[3]根據五防系統的技術特點，深入分析了智能變電站中應用五防系統的可行性和必要性，同時給出了一體化五防的應用和網絡化間隔五防功能在智能站GOOSE機制中的實現方法。文獻[4]提出一種新型在線式五防系統的具體實現方式，包括監控后臺、智能操作箱及鎖具的實現，對該系統在運行中可能出現的異常提出處理建議。文獻[5]以現有防誤操作系統五防控制規則為基礎，通過采用正向規則，開發可自動生成五防控制規則的專家系統，可避免人工配置五防規則時的正確性降低。文獻[6]總結了現有防誤操作系統在使用過程中的問題，并對走空程、驗電及接地設置等問題提出進一步解決方法。

以德陽電網監控中心防誤數據服務器生成的多層次防誤架構為基礎，利用變電站現有防誤資源，實現防誤數據集中統一、站間聯絡線閉鎖、集中/就地開票等功能，完善現有五防系統，提升其可靠性，為電網調度控制及變電站安全穩定運行提供可靠保障。

1 一體化網絡五防系統設計方案

為解決目前德陽地區變電站已配置離線式五防系統在使用便利性、無法實時獲取設備狀態等方面的問題，結合調度自動化、通信及變電站自動化系統實際情況，提出在變電站、運維班、調控中心配置新的一體化網絡五防系統。

1.1 整體構架

新型一體化五防系統綜合離線式及在線式網絡五防的優點，整體構架分為調控中心層、控端層和受控站層，結構如圖1所示。

在調控中心層設置五防系統服務器，對所有數據進行統計、查詢管理，可進行操作票出票、倒閘操作預演、操作權管理、遙控操作閉鎖等功能；控端層配置有五防主站、電腦鑰匙及附件，完成新增變電站的圖形編制、數據編制、維護調試等工作；在各受控〗站配置相對獨立的五防規則、虛擬遙信等可根據規則實時自動更新的基礎數據。可在各級五防工作站配置系統的維護權，完成權限允許的服務器維護工作。隨著受控站數量的增加或減少，新入網的工作站可通過權限調整設置，實現各層級合理的管理權限。

整個系統軟件架構包含B/S及C/S兩種模式，其中C/S以.net框架為基礎，采用C#開發；B/S部分采用asp.net開發，數據庫為關系型數據庫。

系統的整體交互信息包括：D5000發送一次設備實時狀態、遙信變位、遙信全數據、遙控執行申請信息等至五防服務器；五防主站具有五防子站的全部功能，五防子站發送所在變電站的斷路器、隔離開關、接地線、接地開關、網門等設備狀態信息、當前開出的操作票信息至五防主站，五防主站將上述信息發送至五防服務器，整個五防系統的邏輯判斷及數據處理主要在五防數據服務器進行。

五防服務器與調控D5000系統采用專用接口程序以TCP/IP方式進行信息交互，五防系統服務器與五防主站、五防主站與五防子站間采用已開放的標準規約，利用其自帶網口，做IP配置就能實現主子站間的防誤通信，信息交互如圖2所示。

圖2 一體化五防系統信息交互方式

1.2 技術手段

采用現有成熟技術：采用面向對象的軟件開發技術和UML統一建模語言的思想實現系統的功能要求。

采用數據庫結構的技術：支持多種數據庫平臺的數據交換，保證數據交換的穩定性和準確性。

采用軟件集成技術：利用軟件的接口技術，實現系統之間的無縫連接和數據交換。

通過圖形網絡拓撲分析，智能識別線路運行方式，調用聯絡線對側設備狀態進行防誤邏輯判斷。

通信技術：利用現有的主子站通信網絡，實現主子站防誤系統的互聯，不需重新添加或更換通信設備。網絡通信采用基于現有的TCP/IP網絡協議。防誤系統采用變位信息發送技術，平常沒有操作的情況，主子站的通信容量為0.05 KB/s，有操作的情況下，通信容量與操作內容的項數有關，最多不超過1 KB/s。

主子站通信協議：服務器系統支持不同五防廠家變電站的接入，通信協議采用部頒標準規約。

1.3 系統特點

1)實用性：五防服務器屬系統核心設備，管理所有受控端站五防數據，并提供五防服務功能。即便受控站與五防服務器通信中斷，其也具備獨立運行的功能。

2)安全性：五防服務器本身融合操作權限管理等設備防誤閉鎖方面的所有功能，可完整獨立地實現設備防誤功能。

3)可維護性：系統可靈活配置，鑒于系統規劃為多層級結構，涉及調試、維護及系統升級方面較方便。

4)兼容性：系統通過優特開放式通訊規約，實現與國內主流微機防誤廠家系統的連接，不僅能夠實現遙信共享，更能實現操作票的網絡傳輸，方便實現主站開票、子站操作及子站直接向主站申請開票操作的運行操作方式。

5)數據全面共享：系統遵循IEC 61850標準，可與其他系統交互數據及狀態，也可為其他系統提供所需要的數據和狀態，提供實時防誤閉鎖服務，并能夠與其他系統互聯，實現數據及狀態信息的全面共享。

6)異構數據的兼容性：針對不同綜自廠家和防誤系統，可以針對不同的系統進行抽象建模，模型可以包容全部的重要信息和內部邏輯關系，保證信息的無遺漏傳輸。

1.4 五防控制規則

五防系統控制規則按原理可分為基于正向控制式和基于閉鎖式兩類。但在實施過程中涉及綜自系統時，如果采用閉鎖規則，無論利用腳本或標準規則庫， 語句實現的復雜度都大于正向控制規則；此外，正向控制規則更便于五防、綜自系統技術人員進行核查：因此，一體化五防系統采用目前各主流綜合自動化廠家和五防廠家采用的正向控制規則。

如圖3，以典型220 kV線路間隔為例，基于正向控制的五防控制規則如下：

圖3 典型220 kV線路間隔接線

1)斷路器262控制規則，分閘/合閘條件：無。

2)2621(2622)隔離開關控制規則，分閘條件：①262斷路器分閘、2622(2621)隔離開關分閘；②2622(2621)隔離開關合閘、母聯斷路器及其兩側隔離開關合閘。合閘條件：①2622(2621)隔離開關分閘、262斷路器分閘、26230及26240接地開關分閘；②2622(2621)隔離開關合閘，母聯斷路器及其兩側隔離開關合閘。

3)2626隔離開關控制規則，分閘條件：262斷路器分閘。合閘條件：262斷路器分閘、26230接地開關分閘、26240接地開關分閘、26260接地開關分閘。

4)26230(26240)接地開關控制規則，分閘條件：無。合閘條件：2621隔離開關分閘、2622隔離開關分閘、2626隔離開關分閘。

5)26260接地開關控制規則，分閘條件：無。合閘條件：2626隔離開關分閘，出線線路無電壓。

在此基礎上，分類對斷路器、隔離開關、接地開關、主變壓器及各側斷路器等設備的典型五防控制規則進行分析，并由此建立典型五防控制規則庫。再根據一次設備主接線圖建立的節點支路模型，結合圖論知識以及確定的原則自動生成一體化五防系統的詳細五防控制規則。

1.5 系統功能

1) 調控中心防誤功能：將調控D5000系統對變電設備的遙控操作納入防誤管理范疇，遠方操作時，需由D5000系統首先向網絡五防服務器發送操作請求指令，五防服務器根據請求指令，結合已抽取的設備運行方式判斷五防操作正確性，當五防校驗不會發生誤操作時，網絡五防系統給監控系統發送允許操作指令，監控系統接到指令后操作實際設備，為運維班模式下各變電站提供進一步防誤安全保障。

2) 跨站防誤閉鎖：實現變電站與變電站之間的閉鎖功能，杜絕多變電站同時操作時，線路帶電情況下合出線側接地刀閘的安全隱患。

3)倒閘操作票網絡傳輸和遠程審核：運維人員可在五防主站進行模擬預演，上傳至五防服務器通過審核后，開出操作票并通過網絡發送至任一五防子站，在子站接收后進行操作；也可在任一五防子站進行模擬預演，通過遠程審核后，開出操作票，接收操作任務進行操作。

4)操作靈活性：五防系統可實現在五防主站及子站開具操作票，進行操作；同樣可在五防主站或任意五防子站回傳操作記錄，遇有臨時操作任務時，可通過遠程開操作票、網絡傳輸操作票，進行操作任務的追加，具有更好靈活性。

5) 遠程維護：當需要對變電站防誤數據進行維護時，無需在變電站進行維護，調控中心工作站可實現對五防系統內任一變電站防誤數據遠程維護工作，避免維護滯后性，降低數據更新備份工作量。

6) 設備狀態對位功能：五防主/子站顯示的一次設備狀態采用與調控D5000系統接口通訊實時對位(如電動操作設備)，其他非電動操作設備、人工裝設接地線等監控系統未采集遙信狀態的設備，則通過記憶設備最近的準確運行狀態來實現。

7) 系統具備唯一操作權功能：保證同一時間斷面對某設備只有一個點位防誤系統可進行倒閘操作。當D5000系統進行操作時，自動閉鎖五防主/子站的操作權限；當主/子站防誤主機操作時，自動閉鎖D5000系統操作權限。

8) 多任務并行、分組操作：解決多組并行操作任務的相互閉鎖問題。當前模擬預演操作只要不與當前的操作設備交叉重疊，即可操作。

2 一體化五防系統實現方式

現有變電站均通過調度數據專網接入調控中心D5000系統服務器。通過調度專用數據網(光端機)分出一個站間帶寬不小于2 Mb/s(每秒下載速度不少于300 KB/s)的局域網通道接口給網絡五防系統使用，使網絡五防服務器與控端五防主站、所轄各變電站五防子站組成局域網絡，網絡結構圖如圖4所示。

圖4 網絡結構

2.1 防誤系統互聯功能實現

凡滿足通信規約標準的防誤主/子站均可接入本五防系統。當五防主/子站與五防服務器接口時，選用以太網通道連接，接口及過程中，僅需在網絡五防主站系統完成新增變電站的圖形編制、數據編制及調試等工作，將控端的防誤系統進行主子站通訊調試，即可完成五防主/子站的接入工作。

2.2 D5000通訊方式及未采集設備狀態對位實現

1)組網模式

D5000系統通過RTU與防誤主站通訊，系統通過RTU向防誤系統發送設備狀態，并從RTU獲取防誤系統的解鎖與閉鎖信息，詳見圖5。

2)與D5000通訊方式

通訊規約：上下行均基于IEC104規約，分別負責五防系統至D5000發送遙控許可信息，D5000至五防系統發送實時位置遙信。

傳輸方式：以D5000作為傳輸始端，D5000接收原始報文后，經規約轉換，將遙信變位及全數據發至五防系統，五防系統將遙控許可信息通過上行通道發至D5000。

五防系統接收的遙信點號、發送的遙控許可點號可單獨配置，要求發送的遙控許可點號在整個集控站中唯一。接收遙信按廠站的方式接收，發送的遙控許可點號按照整包全數據的方式。增加檢查項，在一個廠站接收的遙信，遙信點號不能重復，發送的遙控許可點號在整個集控站中不能重復。

圖5 D5000與一體化五防組網模式

3)D5000未采集設備狀態對位實現

倒閘操作完畢后電腦鑰匙插回傳送座，五防子站根據電腦鑰匙回傳信息通過記憶方式將D5000系統未采集的設備(如手動操作設備、臨時接地線等)狀態反饋給五防主站，五防主站將上述信息回傳五防服務器，五防服務器將設備狀態更新，運維人員也可持電腦鑰匙直接回到控端五防主站進行信息回傳。

2.3 網絡安全

1)安全認證：前置模塊向廠站系統下發的控制類報文在安全網關機或者縱向加密裝置建立的安全隧道中傳送，確保控制報文在調度數據網中傳送的安全性、可靠性。

2)數據加密：系統除具備縱向加密裝置采用的RSA加密算法外，還在應用層數據交互中采用CRC循環冗余校驗機制。

3)系統認證：終端設備與系統通信前先進行設備ID及IP地址雙向認證，認證通過才能進行數據通信。

4)安全加固：對系統主機的賬戶口令、網絡服務、數據訪問控制、數據庫系統等采取安全加固措施。

2.4 系統其他關鍵功能

一體化五防系統還具有一些輔助功能，給人員培訓及系統維護帶來便利性。

1)模擬操作及仿真培訓功能

控端五防主站及受控站層五防子站均具有專門的培訓模塊：可選擇自己管轄范圍內相應站圖形，進行帶五防邏輯判斷的圖形模擬預演操作；檢驗倒閘操作票，同時對形成的操作票保存，滿足分層管理。

2)工作站系統維護功能

通過配置在調控中心的五防工作站，維護人員可利用系統自帶的輔助工具軟件對所有數據進行維護。包括與設備新增及設備異動相關的圖形繪制、基礎數據錄入、批量修改、防誤規則寫入、鎖碼采集及測試等功能，增加維護便利性，同時降低數據更新備份工作量。

3)黑匣子功能

整個一體化五防系統內所有五防主/子站、電腦鑰匙均具備黑匣子功能，即：系統對全時段所有倒閘操作情況進行記錄，包括各操作任務的已/未執行項及時間、異常操作等詳細信息；并可按操作類型、電壓等級、操作時間等任意定制關鍵字對記錄數據進行查尋、調閱；記錄在電腦鑰匙中的信息可調閱但無法刪除；最大記錄項數2000項，掉電記憶達5年。系統提供將所需數據根據可調模板制作電子數據并打印。

3 一體化五防系統在德陽電網的應用

目前，根據德陽地區變電站軟硬件配置實際情況，在國網德陽供電公司所轄城區、廣漢兩個片區，共計27座變電站(含6座220 kV變電站，21座110 kV變電站)建成一體化五防系統，實現了防誤數據集中統一、集中/就地開票等功能，有效提高倒閘操作和事故、異常處理的效率，防止誤操作事故的發生，為變電站安全運維提供技術保障。下一步，計劃在調控端建設完善D5000系統中的五防功能，并實現站間聯絡線閉鎖功能，有效防止防誤調度事故發生。

4 結 語

未來，隨著變電站通信、綜合自動化以及智能變電站相關技術的不斷成熟，綜合了離線式及在線式五防系統優點的一體化網絡五防系統必定是防誤系統的發展方向，它將作為變電運維專業防止誤操作事故、調控專業防止誤調度事故發生的有效技防措施。