变电站自动化五防系统的开发与应用

变电站自动化五防系统的开发与应用

电力误差运行的事故是电气系统频繁发生的事故之一。电气误操作主要是由运行值班人员、检修人员的误操作造成的。因此防止电气误操作闭锁装置就成了生产中急需解决的重大技术问题。2011年初,上海电网首座监控中心——杨高监控中心成立,随后泸定变电站被规划为上海第一座220kV智能变电站,标志着上海电网逐步向大集控、智能化方向发展。大运行的生产模式对五防系统提出了更高的要求。独立的五防系统虽然在一定程度上能够避免运行人员发生误操作,但是运行人员可能利用手中的电脑钥匙,将所有的网门打开操作,其中可能会发生跳步、漏步,埋下安全隐患。另外,鉴于有的老旧变电站楼房楼层较高,主控室位于顶层,有时当操作完开关后,运行值班人员为了节省体力避免上下奔走,没有检查开关实际位置,直接进行下一步操作,因此五防有着一定缺陷。变电站自动化系统的构成超高压变电站中使用的自动化系统可以细分为多个功能模块,最重要的功能是控制和监控。控制是在系统中,为某一特定目的而执行的操作。在变电站中,控制包括针对断路器、刀开关和变压器分级头的调节、特殊控制。监控是通过对系统或设备进行连续、定期的检测来核实功能是否被正确执行,并使得其工作状况适应于变化的运行要求。国际电工委员会在制定IEC61850变电站通信网络和系统标准时,把变电站自动化系统的功能在逻辑上分为站控层、间隔层(或单元层)和过程层,这3个层次分别通过逻辑接口1～9建立通信,如图1所示。为了解决上述问题,并且满足变电站五防的要求,就需将五防系统与变电站自动化系统结合起来,开发出存在于变电站自动化系统中的五防子系统,将其与现场布线式单元电气闭锁相结合。五防子系统,即用于实现五防闭锁的功能模块及由相应的电脑钥匙、锁具等构成的子系统。五防子系统需要与变电站自动化系统之间的固定接口进行通信联系。运行人员在自动化后台的每一步的操作,必须确保在五防的监控闭锁下。变电站自动化五防子系统由站控层防误和间隔层防误构成,如图2所示。Goose以高速点对点通信为基础,为整个变电站IEC61850逻辑节点间的通信提供了快速、高效和可靠的方法。Goose通信不经过网络层和传输层,简化了报文的封装、解码等过程,该技术还采用了以太网交换方式,使用了正优先级标志虚拟,保证了报文传输的实时性。该技术还包含有效性检查以及消息的丢失、检查和重发机制所需的各种信息,以保证接收方能够对接收到的信息进行验证,随后才能执行相关的操作。220接地刀开关防误控制现以某条220kV线路具体说明五防子系统与现场布线式单元电气闭锁的工作情况。该线路的一次接线方式如图3所示。按照图4的该线路二次回路图,运行人员对220kV线路I母线刀开关进行操作前,首先在后台机上确认该条220kV线路开关、开关母线侧接地刀开关和开关线路侧接地刀开关是否均在分位,为了防止开关出线三相不一致,在二次回路上分别串接了开关A、B、C三相的触点。如果该220kV线路Ⅱ母线刀开关在分闸位置,由Ⅱ母线刀开关引入的常闭辅助触点闭合,此时站控层的逻辑闭锁、间隔层的逻辑闭锁和电气设备的闭锁同时进行防误控制。只要1KS中1、2触点接通,I母线刀开关即可在远方监控操作;而当运行人员需要在现场拉合I母线刀开关时,只需将1KS中的3、4和5、6两对触点全部接通,手按合闸按钮SB1HA或分闸按钮SB1FA,就可以在就地端子箱完成操作。如果在操作过程中发生问题,一旦运行人员按下停止按钮SB1TA,该母线刀开关的直流操作回路就被切断,操作停止。根据图5接地刀开关电磁锁二次回路图,可以分析出,当该出线开关三相同时在分位,并且I母、Ⅱ母和线路刀开关在分闸位置时,间隔层的逻辑闭锁(SCADA触点)在远方操作时即可完成对开关母线侧和开关线路侧接地刀开关的防误控制。而当监控后方需要对线路刀开关进行操作时,除了出线开关三相同时在分位外,还将串接线路电压互感器引入的电压继电器触点、线路刀开关和旁路刀开关的辅助触点,在上述条件下,构成了站控层的防误控制,此时SCADA开放相关后台,允许对线路接地刀开关进行操作。测控单元-智能终端的控制原理基于Goose技术的五防闭锁如图6所示。通过Goose信号将后台五防与测控装置以及智能终端紧密联系起来,实现相应的闭锁。通过测控装置之间的Goose闭锁逻辑来实现间隔层的联锁,必须由测控装置提供闭锁触点,串接在对应的断路器、刀开关的操作回路中。后台的五防系统在经过操作票预演后,形成五防操作票对应的操作序列。后台系统在操作票序列激活后仅仅开放操作票中相应的对象,并针对该对象产生两个虚拟信号,分别为操作票序列中所允许的信号、后台五防逻辑是否满足的信号。上述两个信号通过Goose技术传输至测控装置,一旦测控装置收到信号后,将其放在逻辑比较环节,验证成功后开放操作对象的操作回路。与传统五防相比,基于Goose技术的五防闭锁最大的特点在于引入了智能终端的概念。在图6中,智能终端可以与测控单元进行Goose信号的收发联系。一方面采集本间隔的断路器、刀开关等位置信息并上传至测控单元,另一方面接受测控单元发送的操作允许的Goose信息。测控单元所对应的智能终端针对每一个操作对象,提供其分合闸的闭锁触点,并串接在操作回路中。当智能终端接收到测控装置发送的所对应对象的Goose触点信号后,开放相关回路进行操作,保证了信息的安全稳定性。当然,GPS对时问题是Goose技术应用的关键。一旦GPS发生同步时钟丢失,将导致传输的报文发生数据错位,最终将影响到发送接收方对于报文数据的读取。因此目前智能变电站的对时方面,分别采取硬脉冲和网络对时,进一步提高同步进度。自动化系统组成的安全性分析通过介绍综合自动化五防子系统和基于Goose技术的五防闭锁,可见无论采取何种方式操作,都能有效地实现防误闭锁功能。特别是刀开关、接地刀开关的操作,可以直接在监控后台实现,为以后超高压公司大集控模式的开展带来了很大的方便。在防闭锁过程中遇到的问题为:①站控层或者间隔层的操作过程中,都需要电气设备的实时对位信息。若不一致,将影响本条回路的操作。②自动化系统对于设备通信有着较高的要求,若发生通信故障,将影响电气设备实时信息的上传。③发生站控层和间隔层同时退出的情形,只能通过设备的电气闭锁回路实现防误功能,此时安全性和可靠性都下降。④电气闭锁的使用,会串接和并接相当数量的辅助触点,只要有一个触点发生故障,将会导致整个闭锁回路断开,出现误闭锁现象。⑤由于变电站的五防闭锁逻辑复杂、严谨,经过五防改造的变电站,