智能变电站站控层在线防误的设计与实现

蒋宏图，袁 越，程 伟

（1.河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100；2.上海思源弘瑞自动化有限公司，上海 201108）

0 引言

五防是指防止电力系统倒闸操作中经常发生的5种误操作事故，即误分合断路器、带负荷拉合隔离刀闸、带接地刀（接地线）合隔离刀闸、带电合接地刀（挂接地线）以及误入带电间隔。

微机五防系统在变电站自动化中应用广泛，在电网的倒闸操作中发挥了重要的作用。所有新建的变电站自动化系统中，均需要设置五防系统。目前，一体化五防逐渐替代微机五防[1]，但五防闭锁校验仍基于规则逻辑实现，这种方式的五防系统有以下缺点：

a.都是通过预先直接定义具体设备间的操作闭锁关系实现；闭锁逻辑灵活性差，当出现一些特殊操作或意外情况，正常的闭锁逻辑可能就不再适用，而不得不退出五防，造成一定的安全隐患；

b.设备正常运行与检修模式的五防逻辑通常不同，需要有2套或以上预先定义的闭锁逻辑来回切换，操作不便，易出错；

c.当设备变动或变电站改扩建时，受影响的闭锁逻辑需要重写，且需要重新验证，维护工作量大；

d.当变电站一次设备很多时，编写五防规则工作量大。

为避免规则编写工作量大及易出错的问题，文献[2]描述了计算机辅助设计闭锁规则，文献[3-4]论述了基于单线图拓扑的规则代替继电器逻辑来实现闭锁操作，文献[5-6]提出基于变电站一次接线图导出闭锁规则的方法，文献[7]提出基于变电站配置描述（SCD）[8]模型文件，采用专家系统导出闭锁规则的方法，文献[9]提出“基于GOOSE的变电站在线式五防系统的实现”，解决的是电脑钥匙上送操作结果的“离线”问题，本质还是基于规则逻辑的五防。文献[10]研究了EMS中基于拓扑五防的方法。但是，基于变电站的拓扑五防研究一直是空白。

高压设备应自动实现电气误操作逻辑判断[11]。分析智能变电站的技术特点[12-15]，本文利用全站模型SCD文件，构建静态拓扑关系，基于设备类型防误元规则实现拓扑防误；基于拓扑与基于规则逻辑的防误闭锁主辅模式协调使用，实现站控层在线防误操作。

1 智能变电站全站模型SCD

IEC61850建立了变电站配置描述语言SCL（Substation Configuration description Language）对象模型[8]，如图1所示。该模型用SCD文件描述。SCD文件基于可扩展标记语言（XML），由系统配置器SCT（System Configuration Tool）[8]生成和维护。

图1 SCL对象模型Fig.1 Model of SCL object

SCD模型文件包含以下信息。

a.变电站模型：描述了变电站、电压等级、间隔、一次设备、子设备、连接节点之间的层次关系、拓扑连接关系。

b.IED模型：以逻辑节点（LN）形式表述的功能及其与物理装置IED的关系，以及逻辑节点与一次设备的关联关系。

c.通信系统模型：描述了访问点（AccessPoint）、子网（Subnetwork）等，及其与物理装置的连接关系。

基于IEC61850的智能变电站，具有全站统一模型SCD。SCD是变电站模型之源，站控层各个应用都可以基于此模型建设，也是上级调度模型之源和源端维护之源[11]。

2 拓扑模型建立及拓扑算法

2.1 传统拓扑生成方法

目前，系统拓扑分析模型[16-17]通常基于IEC61970 CIM模型构建，由图、模、库一体化平台根据一次接线图绘制过程中图元的连接关系自动生成元件、端点、节点，并分别为它们编号，由此电力网络模型就简化成了由拓扑节点和元件组成的网络形式。这种方法的主要优点是拓扑模型自动生成，效率高；缺点是对绘图工具的依赖性强，维护工作量较大，拓扑元素表示和存储方法没有统一标准，兼容性较差。

2.2 拓扑模型的构建

基于智能变电站，本文设计由SCD文件直接构建拓扑关系。

分析SCD文件中的变电站规范描述（SSD）部分，读取全站所有一次设备的主要信息。在SCD文件中一次设备之间的连接关系通过端点（Terminal）和连接点（ConnectivityNode）表示，每个导电设备（ConductingEquipment）包含1个或多个端点，每个端点连到一个连接点上。读取SCD文件中端点和连接点信息即形成一次设备的连接关系。设计2张表存放端点信息和连接点信息：端点表包含的属性有端点名、所属设备、所连接的连接点名，见表1；连接点表包含的属性有连接点名、连接点路径，见表2。

拓扑关系抽象为顶点集和边集构成的图论模型，根据需要设计顶点和边的数据结构，将实体信息中的设备映射成边，连接点映射成顶点。数学模型中的边有且只有2个端点，所以需要对不符合“边”模型的设备进行归一化处理，将单端设备、多端设备进行等效处理统一转化为双端设备模型。

表1 端点信息Tab.1 Information of Terminals

表2 连接点信息Tab.2 Information of ConnectivityNodes

2.3 归一化处理

变电站一次设备从功能上可以分为2类：零阻抗电气元件，用于切断或隔离电荷，有分、合2种状态，称作开关设备，如断路器、隔离刀闸等；非零阻抗电气元件，没有分、合状态，称作非开关设备，如电压互感器、变压器、线路等。开关设备在连接关系表示中都有2个端点，即Term1和 Term2，称为双端设备，而非开关设备的端点个数是根据其功能确定的，不一定为2个，称为非双端设备，如线路、电容器、电压互感器等属于终端设备，只有1个端点；两圈变压器有2个端点；三圈变压器有3个端点；母线有多个端点，端点个数取决于其上所连接的支路个数。

进行拓扑模型映射时要求所有一次设备都为双端设备，即有且只有2个端点。在不改变现有连接关系的前提下将非双端设备模型转化成双端设备模型。

2.3.1 单端设备的处理

针对单端设备虚拟1个端点使之成为双端设备，然后虚拟1个连接点，将虚拟端点关联到该虚拟连接点上。虚拟端点和虚拟连接点仅用作顺利建立拓扑模型和辅助计算，实时拓扑计算时并不赋予其实际意义。

以表1中的进线1为例，它是单端设备，只有1个端点Term1。首先为进线1增加一个端点Term2，创建一个虚拟连接点N_Virtual，把Term2连接到N_Virtual上。处理后表1中对应增加一条记录如下：Term2，进线1，N_Virtual。同时在表2中增加一条记录如下：n，N_Virtual，测试站／500kV-1／进线 1／N_Virtual。其中，n=k＋1，k为表2中的最后1个序号。

2.3.2 多端设备的处理

以三圈变压器处理为例，把变压器分解成3个独立设备，分别为该变压器的每个绕组先后增加1个虚拟端点和1个虚拟连接点，并将虚拟端点连接到上述虚拟连接点。假设某三圈变的端点和连接点分别如表3、4所示，分别为该变压器的每个绕组增加一个虚拟端点，然后增加一个虚拟连接点，命名为N_Transformer1，并将该端点连接到N_Transformer1上，经过处理后的变压器端点表和连接点见表5、6。

表3 三圈变压器的端点Tab.3 Terminals of three-winding transformer

表4 三圈变压器的连接点Tab.4 ConnectivityNodes of three-winding transformer

表5 三圈变压器增加的虚拟端点Tab.5 Virtual Terminals added to three-winding transformer

表6 三圈变压器增加的虚拟连接点Tab.6 Virtual ConnectivityNodes added to three-winding transformer

上述处理既维护了变压器在拓扑模型中的实际意义，又解决了双端建模的问题。

2.3.3 母线处理

母线的作用是汇集和分配电荷，在物理上它将多条支路连接在一起，而在拓扑模型中也没有将其看作一次设备，而是将其视为一个连接点（仅在拓扑分析中这样处理，其他应用未必如此）。因此无需处理母线设备，将其作为连接点添加到连接点表即可。

经过归一化处理后，设备和连接点对应图论中的顶点集和边集，将它们以数据库或数据文件的形式存储起来，就完成了拓扑建模的准备工作。

2.4 实时拓扑方法

实际拓扑建模时将顶点和边的数据读入，并分别进行编号，然后根据连接关系构造邻接矩阵形成静态拓扑模型。从监控系统实时库中采集开关、刀闸等设备的状态，状态取值0或1，其中0表示该边不存在，1表示该边存在。过滤静态拓扑模型中的邻接矩阵中不存在的边，得到新的邻接矩阵，该矩阵描述了各设备之间的动态连接关系，即实时拓扑关系。

实时拓扑图中相互连通的电气设备所组成的集合称为电气岛，电气岛可分为电源岛（岛内存在发电机或等效电源）、接地岛（岛内存在接地点）、负载岛（岛内存在负载点）、复合岛（同时具备2种电气岛的特征，如一个岛上既有接地点又有负载，则该复合岛既是接地岛又是负载岛）等不同类型。分析一个设备各个端点所处的岛便可以知道该设备的带电状态。

采用SCD模型文件构建拓扑关系，数据来源标准、直接，符合基于智能变电站开放和共享的特性及源端维护思想。同时，与传统方法相比省去了成图的中间过程，信息更准确，维护更简单。

3 拓扑防误的实现

3.1 防误元规则

有了实时拓扑的电气岛分析结果，还必须基于设备类型的元规则进行五防闭锁校验，元规则如下。

a.开关没有五防元规则。

b.隔离刀闸的五防元规则。

合规则：隔离刀闸一端处于接地岛上，另一端处于电源岛上时，不允许合操作；隔离刀闸一端处于负载岛上，另一端处于电源岛上时，不允许合操作。

分规则：假定该隔离刀闸已经分开，重新拓扑后如果一端处于负载岛上，另一端处于电源岛上时，不允许分操作。

例外情况：刀闸两侧经站内其他闭合的开关、刀闸连接为一个导通回路时（即分合刀闸之前两侧是等电位的），允许分操作。

c.接地刀（接地线）的五防元规则。

合规则：假定所有开关都合上，如果接地刀的非地端处于电源岛上，则不允许合接地刀（挂接地线）。

接地刀（接地线）无分规则。

3.2 拓扑防误的过程

电气岛的划分不需要在整站范围内进行，根据元规则的描述可知，只需判别待操作设备两端点所处的电气岛性质即可。过程如下：

a.从监控后台实时数据库中获取设备状态，更新到动态拓扑图上，形成反映实时连接关系拓扑图；

b.在实时拓扑图上分别以待操作设备两端点为起点向两侧搜索，搜索的结果为2个节点集合，每个节点集合即为1个电气岛；

c.遍历电气岛上的每个节点，根据节点属性确定该电气岛的属性，例如电气岛上有电源则为电源岛；

d.根据待操作设备类型匹配元规则，例如某设备为隔离刀闸，且两端分别处于电源岛和负载岛上，则该设备不能进行分合操作。

3.3 拓扑防误效果举例

如图2所示，假如进线1间隔处于运行状态，开关5001由于执行机构损坏而不能正常分闸，需要对其进行检修，常规做法是将线路对端开关拉开使进线I处于失电状态，与之相连的1段母线也失电，然后将50012和50011拉开，再将5001D2和5001D1合上，才能对故障的开关5001进行检修。

图2 典型110kV进线间隔Fig.2 Typical 110kV line bay

对于传统的五防规则闭锁而言，开关、刀闸之间是有严格的操作闭锁逻辑的。不管该间隔是否带电，拉开刀闸50011或50012时，都会先判断开关5001是否已分开。假如此时开关5001未分开，则不允许拉开刀闸50011或50012，除非特殊解锁，而解锁后会造成防误空白，带来一定的安全风险。

图3 实时拓扑图Fig.3 Real-time topology

而基于元规则的拓扑防误是基于设备操作前后的带电状况分析来判断的，无需防误解锁。实时拓扑结构如图3所示（虚线表示该设备处于分位）。以50012为例，分别以50012两端点 N0、N1为起点向两侧搜索得2个节点集合，分别记为岛1和岛2；岛1包含的节点为N0、N_Virtual；岛 2包含的节点为 N1、N2、L0。 岛 1内的节点N_Virtual本来是电源点，但由于对端开关拉开导致其失电，因此岛1不是电源岛，岛2内的3个节点都不是电源点，因此岛2也不是电源岛，即50012两端都不位于电源岛，因此不会违反隔离刀闸的分规则，可以直接操作。拓扑防误无需解锁就能操作，体现了拓扑防误的智能性。

4 在线防误的实现

4.1 主辅双引擎

变电站防误闭锁是电力网络基层的防误系统，与调度主站防误系统不同，它面对的闭锁对象更为复杂多样，不但包括一次设备、二次设备，甚至包括网门、柜门等非电设备。因此单纯的拓扑防误并不能完全满足变电站防误闭锁的要求。

在线防误系统同时具备基于拓扑和基于规则逻辑的防误闭锁，2种防误闭锁方法分别由2个模块实现，也称为2个防误闭锁引擎，以主辅模式运行。

以基于拓扑的防误闭锁引擎为主，实现拓扑设备的防误；以基于规则逻辑的防误闭锁引擎为辅，实现非拓扑设备的防误。这种方式规则逻辑数量很少，功能上后者是前者的补充。

4.2 其他几个问题的处理

五防中的“防止误分合断路器”和“防止误入带电间隔”需结合操作票实现，系统根据模拟操作的操作序列顺序开放闭锁来防止误操作。系统还提供电脑钥匙接入功能，以实现就地操作时的防误。

远动五防的实现如下：远动通信服务器与后台监控系统都属于站控层，都能够采集全站IED的数据；通过软件技术的处理，站内拓扑存为文件，远动的拓扑算法、元规则、常规规则逻辑都可与监控系统共用。远动与后台监控系统的防误闭锁功能达到代码一套、算法一套、防误效果一样，仅部署不同而已。

5 现场应用

湖南长沙110kV曾家冲智能变电站是国家电网公司首批试点的智能变电站，其I期投运的设备有：主变1台，110kV进线2回，10kV出线12回，无功补偿电容器组2组；110kV电气主接线采用扩大内桥接线，10kV采用单母线接线方式。该站的五防闭锁系统，除了有少量接地线、网门、柜门的规则逻辑之外，无其他设备的规则逻辑，体现了拓扑防误的简便性。该站于2010年底投运，是本文设计的一个成功案例。

6 结语

完全基于规则逻辑的防误闭锁具有诸多的缺点。结合国家电网公司《智能变电站技术导则》的要求，本文设计并实现了站控层在线防误。

SCD模型文件描述了智能变电站的一、二次模型信息，利用SCD中的SSD部分构建静态拓扑关系，具有数据源标准、维护简单、便于集成共享的特点。

构建拓扑关系时，本文采用了图论模型，对非双端设备采用归一化的处理。在基于设备类型元规则的基础上，实现了拓扑防误。

在线防误同时具备基于拓扑和基于规则逻辑的防误闭锁引擎，它们以主辅模式运行，基于规则的逻辑引擎作为补充。

实际运行表明，上述设计的在线防误闭锁克服了完全基于规则逻辑的缺点，并且运行可靠，维护简单。