智能变电站顺序控制功能模块化设计与交互方式探讨

智能变电站顺序控制功能模块化设计与交互方式探讨

0顺序控制功能的应用顺序控制核电站的功能，也称为过程操作，是指对自动系统的操作命令。根据事先规定的操作逻辑和5个防御锁定规则，自动操作多个道路电阻器和隔离开关，最终改变系统动作状态的过程，并自动转换各活动器的电气装置，如运行、热备用、冷备用、，老员工。变电站的顺序控制能帮助操作人员执行复杂的操作任务,将传统的操作票转变成任务票,实现复杂操作单键完成,整个操作过程无需额外的人工干预或操作,可以大大提高操作效率和减少误操作的风险,最大限度地提高变电站的供电可靠性,也缩短了因人工操作所造成的停电时间,尤其在大规模高电压变电站中效果特别显著。这一功能在传统变电站以及早期基于IEC61850标准的数字化变电站中已经得到应用,但仅针对电气设备,随着IEC61850标准的推广应用,该功能也开始尝试应用于保护定值区切换、软压板投退等二次领域。本文所讨论的顺序控制就是包含一次设备和二次设备的程序化操作。随着顺序控制功能的推广应用,在传统变电站和数字化变电站建设阶段,其实现方式随厂家而不同,即使同一厂家,针对不同的工程和客户需求时也采用不同的方式,给运行维护带来了困难。随着智能变电站的发展,高级应用功能模块化的思想越发突出,要求各高级应用功能与后台监控系统相独立将成为一个发展方向,如此可以实现不同厂家高级应用模块间的替换,这与IEC61850标准的通用性、可扩展性和互操作性的理念一致。根据这一发展思路,在后台监控系统的基础上实现各项高级应用功能,包括顺序控制功能,将是今后发展的趋势。为此,本文对顺序控制功能的标准化建设进行探索,初步定义顺序控制功能的状态模型和控制模型,并对顺序控制功能模块化设计所需与后台监控系统、五防闭锁系统、智能操作票系统、视频联动系统的信息交互方式进行讨论。1现顺序控制功能顺序控制功能可分为单间隔操作和跨间隔操作2类。根据各自实现特点的不同,各厂家结合自身情况出现了多种不同的方式。文献讨论了顺序控制的3种实现方式,分别是在监控中心主站实现、在监控中心主站和变电站共同实现但操作票在两侧分别存储、在监控中心主站和变电站共同实现但操作票在变电站侧存储,并采用最后一种方式应用于500kV变电站。文献采用在间隔层设备实现顺序控制功能。文献对比分析了在远动装置与间隔层分别实现顺序控制的优劣,提出采用两者结合的方式实现顺序控制功能,即间隔内的顺序控制在间隔层设备实现,跨间隔的顺序控制在远动装置中实现。文献采用在站控层远动装置中实现顺序控制功能,并结合后台监控系统进行配合。文献从变电站扩建的角度提出采用间隔层测控装置实现顺序控制的功能,对于跨间隔的操作则将其按间隔进行分解后存储于各间隔层设备中,具体执行时由后台组合和配置相关顺序来应对变电站今后的扩建。文献提出在后台实现顺序控制以及后台和间隔层设备共同实现顺序控制功能这2种方式,对比分析后提出后者更有发展趋势,并以此为基础进行了分析讨论。文献提出在调度和主站实现、以间隔层设备为基础设置独立的程序化操作服务器、采用间隔层设备和独立程序化操作服务器共同实现的3种方式,并提出采用最后一种方式能够较好地实现顺序控制功能。文献提出了与文献相同的3种实现方式,但最终选择了第2种方式,即设立独立程序化操作服务器有效避免各间隔层设备的改动以及满足今后变电站的扩建需求。文献分析了集中式(采用后台、远动等方式)和分布式程序化控制的实现方案的优缺点,提出了一种不依赖于站级网络通信协议、以间隔层设备为核心的分布式程序化控制方案,以满足跨间隔操作的需求。综合文献的实施方案,可归纳为集中式、分布式、集中式和分布式相结合3种方式。集中式主要是采用监控主站、变电站后台监控、远动装置或设置独立程序化操作服务器;分布式主要是利用间隔层设备实现顺序控制;集中式和分布式相结合方式是间隔层设备与后台监控或远动装置或独立程序化操作服务器的结合。本文讨论集中式方式,即在变电站后台监控系统实现标准化的顺序控制功能。2后台监控实现方式的发展目前采用间隔层装置方式的原因是实现间隔内顺序控制时不需要外部信息传输和交互,执行效率较高,但也有致命缺陷,即无法实现跨间隔的顺序控制。即使单间隔顺序控制具有执行效率的优势,但也增加了各装置的配置工作,即需要对全站所有间隔的设备进行配置,一旦设备故障需要更换,还涉及顺序控制配置的导出和导入;若采用不同厂家的设备,还存在顺序控制操作配置定义不匹配、不兼容的情况。因此,采用间隔层设备实现顺序控制不具有优势。文献也提出采用集中式和分布式结合的方式,这不仅增加了配置的工作量,而且对设备的依赖较高,增加了执行的环节,加大了风险,一旦站控层设备或间隔层设备出现故障,整个顺序控制操作就无法执行。文献对采用变电站内部的后台监控实现方式进行了分析,虽然该方式无需额外增加设备,同时也可避免众多装置的配置,而且较容易实现跨间隔操作,但对该方式所依赖的网络可靠性提出了担忧。在IEC61850标准推广应用之际,网络通信逐渐取代传统的RS-485,RS-232,CANBUS等通信协议成为变电站的主流通信方式,由于早期相关技术不成熟,设备功能不完善,网络通信的稳定性还有待提高和改进。随着IEC61850标准应用的深入,网络通信的整体性能得到有效提高,各种组网方案的性能也得到验证和改进,随着智能变电站的推广建设,变电站内部对网络通信的依赖程度越来越高,加快了全站网络通信性能的整体提升。因此,当顺序控制功能在后台监控系统实现时,网络通信不再是阻碍其应用的难题,虽然采用间隔层设备实现顺序控制功能时能够回避网络故障问题,但网络故障也会给变电站的运行带来其他问题,因此,全站网络性能的提高不仅是为了实现顺序控制功能,更重要的是提高全站自动化水平。在智能变电站试点工程建设中,随着信息一体化平台和众多高级应用的使用,极大地提高了全站的智能化水平,顺序控制就是应用较广的高级应用之一。在智能变电站第1批7座试点站中,6座采用了顺序控制功能。以浙江500kV兰溪变电站为例,该站实现智能化改造以后,顺序控制功能的应用使得倒母线工作从先前的几小时缩短到10min,极大地提高了运行维护的便利性和安全性。上述6座试点站均构建了一体化信息平台,并以此为基础,在后台监控系统实现了顺序控制功能。随着智能变电站一体化监控系统的发展建设,系统整合和功能集成将是今后变电站发展的趋势,建设造价省、占地少、效率高的变电站以满足智能电网发展的需求将是今后发展的重点。沿着这一发展目标,在一体化化监控系统中集成顺序控制等高级应用功能将成为今后的发展趋势。因此,无论从技术性能对比,还是从需求发展的引导来看,在后台系统中实现顺序控制功能将成为趋势。3顺序控制的动态模型顺序控制标准化设计的前提是要梳理其实现流程。在当前智能变电站建设阶段,顺序控制功能存在与智能操作票系统和五防闭锁系统的信息交互,为此,本文所设计的顺序控制功能仅针对顺序控制本身,即操作控制的配置以及执行过程的监视两大环节,针对这两大环节建立了控制模型和状态模型。3.1标准扩展要求的统一规范状态模型的用途主要是用来监视顺序控制的整个过程,同时能够对顺序控制进行暂停等操作,总体上属于顺序控制通用性的内容。状态模型能够准确反映顺序控制操作前、操作中和操作后的整体状态,其模型遵循IEC61850标准扩展的要求进行统一规范和定义,如表1所示。表中:OpTotal表示总体的操作数以及要进行多少次分或合操作;OpStatus表示当前执行状态,如6/12表示总共12步操作,现已成功执行6步;OpErr表示操作出现错误,显示第几步出现的问题,如8表明在执行第8步操作时出现错误;OpSuccess表示所有操作执行成功,若全部执行成功,其值为1,否则为0;OpPause表示操作暂停,用于顺序操作暂时停止的状态;OpCancel表示操作取消,即终止顺序操作;OpContinue表示操作继续,前提是顺序操作处于暂停状态;M表示必选,O表示可选。3.2顺序控制模型配置控制模型是顺序控制的核心,即针对所有顺序控制操作定义匹配的模型。由于操作步骤较多,模型配置工作量较大。由于每一项单步操作的本质仍然是通过间隔层设备进行操作,因此,此处模型配置的原则就是使用全站已有的模型,即以后台监控系统和全站设备关联所获取的设备模型为基础,根据顺序控制的内容将模型进行关联。针对断路器、隔离开关等一次设备的单步遥控操作,其实现的具体方式仍然是通过相关的测控装置实现,即通过测控装置CTRL中的CSWI节点进行配置,具体涉及控制类结构体SBOw,Operate,Cancel,进而完成单步操作的控制或取消。而顺序控制则是将多个单步操作串联起来,进而实现顺序控制功能。本文顺序控制功能的控制模型的设计就是参考这一方式。针对多步顺序控制,其标准化的关键在于每一步操作都要有相应的模型与其对应,在此提出大结构体的概念,即大结构体对应于一个具体的操作,其内部由结构体变量SBOw,Operate,Cancel组成,如表1所示。图1为后台连接全站设备示意图。图中,GOOSE为通用面向对象的变电站事件,IED为智能电子设备。顺序控制功能在后台监控系统中实现,针对顺序控制操作的具体步骤,以其中一项操作为例配置相应的模型。传统变电站的顺序控制操作是针对各单步操作关联相应的遥控点号,而基于IEC61850标准的变电站则是对相应模型(数据属性路径)进行写值操作,按SBOw的模型进行操作。根据IEC61850标准控制模型的安全机制,在执行合闸或分闸操作时会通过读取设备的开关状态进行判断,操作完成后还会对设备状态是否变位进行读取,相关机制可确保整个控制操作安全、可靠。顺序控制中的软压板投退、定制区切换等具体操作也可采用同样的配置方式,直接与相匹配的数据属性关联即可,如此逐一完成控制模型配置,进而可以完成顺序控制的模型配置。最终的配置可以导出为可扩展置标语言(XML)文件,便于其在不同平台与系统间的交互。4有利于顺序控制的标准化、模块化建设表1和图1清晰地展示了顺序控制标准化状态模型和控制模型的设计,有利于顺序控制的标准化、模块化建设。该设计对不同厂家顺序控制功能的模块化建设有较好的指导作用,但若要满足智能变电站今后模块化的设计和跨厂家应用还存在一定的差异,仍然有些关键问题需要解决。4.1后台控制操作接口未完善上述顺序控制单步操作中控制模型的配置依赖于后台与全站设备连接所获取的信息模型,后台此时充当客户端的角色获取全站设备模型。若在同一厂家的后台系统实现模型的配置则较容易,只需从后台配置库中关联即可;但若要实现模块化设计,在不同厂家的后台系统中实现模型配置,则遇到新的问题,即如何关联控制模型。若顺序控制功能模块具有制造报文规范(MMS)客户端的功能,虽能实现与全站设备的顺利连接并方便地完成模型配置,但却导致站内出现2个不同的客户端,增加了系统的复杂程度;同时,若通过顺序控制模块实现设备操作,由于顺序控制依赖于后台监控系统,会出现同一个操作方(如后台操作)有2个不同执行通道,给整个控制操作带来混乱。最有效的方式是各后台监控厂家开放控制操作功能,即给出后台实际操作执行的相关接口。如此,当顺序控制功能模块跨厂家进行配置时,各模型的配置可手动完成(填写模型具体路径即可),具体执行时可方便地调用系统操作,如此同样的顺序控制操作,配置是统一的,但却能够在不同厂家的后台监控系统上进行操作,有效地确保了功能与应用的分离,类似IEC61850标准的抽象通信服务接口(ACSI),实现应用与协议分离。4.2智能操作票系统和顺序控制功能顺序控制功能在进行模型配置的同时,首先要获取操作票的内容,即获悉所有操作的步骤,通常情况下,可以按照操作票的内容,手工输入具体的操作步骤,然后根据各单步操作进行模型的配置。但在智能变电站建设阶段,变电站内部智能操作票系统和顺序控制功能都是高级应用功能的一部分,如何从操作票系统直接获取操作票内容是顺序控制功能模块化设计和开发的关键。当智能操作票系统和顺序控制功能均出自同一厂家时,两者之间或可通过内部协议进行交互,如内部文件、文本方式等;若智能操作票与顺序控制功能分别源自不同厂家(典型的如今后采取顺序控制模块化设计),如何进行信息的交互则成了关键,在此笔者认为或可采用XML文件的方式进行交互,操作票的内容转换成XML文件,然后由顺序控制功能模块进行解析,进而获取具体的操作步骤,其过程类似通过读取IED配置文件获取装置模型。若操作票系统和顺序控制功能合二为一,则今后实现起来更加便利,文献对两者相结合的实现方式进行了分析。4.3智能变电站五防逻辑与顺序控制功能的交互不论是传统变电站还是智能变电站,为了保证操作的可靠性,均要关联五防闭锁逻辑。在智能变电站建设阶段,五防闭锁逻辑从传统的独立设置转变为与后台监控系统一体化设置,因此,智能变电站的五防逻辑与顺序控制功能的交互是系统内部的交互,当功能均源自同一厂家时采用内部方式即可,但当顺序控制功能模块化设计时,则五防闭锁逻辑结果的获取需要与具体的模型进行关联,如表2所示。各单步操作在执行SBOw之前只需要判断相关设备的控制逻辑CILO逻辑节点中的EnaOpn(允许分闸)或EnaCls(允许合闸)即可;EnaOp则是自行扩展的,其值取分闸或合闸的合集,即告知具体操作是否符合五防逻辑要求。4.4发挥创见信号发挥程序模拟和视频监控系统的作用智能变电站顺序控制功能还扩展了与视频联动的功能,即当对断路器、隔离开关等一次设备进行操作时,系统会立即向视频监控系统发出联动信号,确保监控摄像头切换到被操作设备,实现控制操作的实时