一种变电站二次防误系统的设计与研究

李功新 王东 吴竞 林文彬 李泽科

摘   要：二次压板在变电站系统中作为继电保护及其安全自动装置，保证其正常运行对变电站及电网系统具有重要的价值。为了提高变电站二次防误系统工作中压板操作的正确性，结合目前变电站工作的实际情况，分析了智能变电站防误系统的现状和不足之处，并设计出一种新型的防误系统。设计的防误系统通过双备份实现了变电站二次防误系统的不间断运行。在防误计算时，通过BP神经网络模型寻求各种压板防误逻辑规则的最优解，提高了防误逻辑规则选择对象的精确性，突出了本技术方案设计的优点。本系统通过CAN总线通讯的方式实现了系统通讯的快速性和可靠性，解决了系统内通信通讯效率低，故障率高，可靠性低的问题。

关键词：变电站;二次防误系统;防误逻辑规则;BP神经网络模型;CAN总线

中图分类号：TP286                                     文献标识码：A

文章编号：1003—6199（2020）02—0093—05

Abstract：The secondary pressure plate is used as a relay protection and its safety automatic device in the substation system to ensure its normal operation is of great value to the substation and the power grid system. In order to improve the correctness of the pressure plate operation in the secondary error prevention system of the substation，this paper analyzes the current situation and shortcomings of the intelligent substation error prevention system based on the actual situation of the substation work，and designs a new type of error prevention system. The anti-error system designed realizes the uninterrupted operation of the secondary anti-error system of the substation through double backup. In the anti-error calculation，the BP neural network model is used to find the optimal solution of various anti-error logic rules of the pressure plate，which improves the anti-error. The logic rules select the accuracy of the object，the advantages of the technical design are highlighted. The system realizes the rapidity and reliability of system communication through CAN bus communication，and solves the problem of low communication efficiency，high failure rate and low reliability in the system.

Key words：substation;secondary error prevention system;anti-error logic rule;BP neural network model;CAN bus

電力系统的可靠运行是实现电网系统顺利运行的基础和最重要的技术指标之一[1-3]，由于变电站内的误操作及系统的异常运行可能导致恶性事故的发生，造成人员、电网、设备的损失[4-5]。现在已有变电站一次设备的防误闭锁系统，亦称“五防”，在调控主站和变电站监控系统的现场已广泛应用。现场运维、检修过程中多次发生因合并单元等二次设备导致的继电保护误动事件[6-8]，目前的二次系统的防误操作技术缺乏统一、规范的意见及解决方案。智能化变电站防误闭锁的全面性、强制性、信息共享等还存在问题，需要进一步完善二次系统部分。目前，变电站继电保护装置和自动装置出口压板及功能压板主要由人工投退并进行确认，如有错投退或误投退，会直接影响继电保护功能的实现，严重时会引起保护拒动或误动，导致大范围停电事故[9-12]。因此，需要从技术上给予保障和监督，及时地纠正压板投退与保护运行情况，保障电网安全运行。

为此，为解决二次保护巡视问题，就需要建立智能压板检测系统，解决当前变电站压板投退复杂、误投误退等问题[13-15]。由于目前的智能压板检测系统在本地系统可靠性，可扩展性方面存在不足，在现有智能压板管理系统上引入双机系统和CAN总线网络，提升了系统的稳定性。

1   系统整体设计方案

在本设计中，如图1所示，图1为压板防误管理系统结构示意图，该系统主要由防误主机和备份主机、电脑钥匙、压板主控制器、压板从控制器、压板状态采集器、压板状态传感器、网关机、DTU、调度中心组成。

在该系统中，通过压板传感器采集压板的状态信息，通过CAN总线上传至压板状态采集器，压板状态采集器将该间隔压板传感器的采集信息进行信息融合，并将该信息通过CAN总线上传至压板主控制器，压板主控制器集合所有间隔的压板状态信息，再将该信息通过本地局域网上传至主机管理系统。主机管理系统进行状态处理、信息核对、界面显示，错误诊断，并将信息通过站端DTU、网关机将底层数据传递至调度中心，用户在调度中心可根据底层数据调控、应用。

在本系统设计中，用户通过压板防误管理系统软件下发操作任务。在压板防误管理系统软件中，具有压板投退规则库（其包含有防误逻辑规则信息），可进行本地操作票模拟预演功能，成功后将操作票传递给电脑钥匙，也可进行远程操作模式，由远端主机下发操作票，模拟成功后将操作序列下发到本地主机，再写入电脑钥匙。在应用时，在电脑钥匙接收防误主机操作任务后，到现场操作时先扫描RFID标签，并根据识别的唯一序列号，确定操作对象无误。进而将操作序列下发到状态采集器。状态采集器根据接收的信息依次通知压板传感器进行指示，提示操作人员完成正确操作。在所有操作完成后电脑钥匙将操作结果回传给防误主机，压板状态采集器更新传感器状态，形成闭环。

防误主机通过运行压板防误管理系统软件，同能够对全站压板进行集中管理和监视，具有图形状态显示、状态核对、状态巡检、状态记录、误操作告警、生成报告等功能。压板主控制器完成所有间隔压板状态采集器的数据汇总、合并，上传给防误主机。该系统包含了备份主机，在防误主机故障时投入使用。

压板在控制器作为主控制器的备份，可通过设置转换为主机工作，与主控制器互为备份。监视主控制器运行状态，在主机故障、升级、维护、系统扩展时上报并接管数据采集系统。压板状态采集器采集本間隔所有压板的状态，并上传给压板控制器;接收电脑钥匙操作命令，指示操作压板;压板异常变位的上报和告警。压板状态传感器包括感应附件和传感器模块，采集压板投、退状态，并上送给压板状态采集器;同时压板状态传感器还具有操作指示灯，根据压板状态采集器控制操作或报警指示。

2   软件计算方案

在进行防误计算时，系统使用的压板控制器具有多种功能，除了用于压板状态监控外，还可进行CAN总线状态监控、压板采集器监控，因此在使用前应对压板控制器进行设置。在监控时，还能够监控距离保护压板、变电站的零序过流保护压板、纵联差动保护压板、电压SV接收压板、线路保护跳闸压板、线路保护启动失灵压板、断路器位置压板、母线保护支路间隔接收压板等是否投入。如图2所示，模块被设置为主机后，需要定时向从机及主站发送心跳包，表明主机工作正常。另外，主机定时向CAN总线发送查询包，监控压板状态采集器状态。设置为从机后，接收主机心跳包，接收压板状态采集器查询包，监控主机状态，如果主机离线或故障，上报故障，并将从机模式转换为主机模式，代替主机进行工作。另外从机接收CAN总线压板状态采集器数据，进行记录，备份，并供主站查询，核对;在从机转换为主机时无需数据下载和重新采集，直接投入工作，完成无缝切换。

在主机系统软件设计中，系统采用双主机模式，主机1平时完成所有运行控制功能，当故障或系统升级时，直接使用主机2接管本地所有运行任务，实现不间断运行。本地主机与控制中心通讯，平时通过网关进行通讯，实现远程控制、任务下发和数据上传。当本地网络出现故障时，通过DTU设备进行无线传输，确保本地无障碍、不间断运行。

在防误计算时，在系统中还设置有防误单元。与防误单元连接的还有数据管理单元、警示单元、异常灯光显示单元等，能够与调度中心实现数据交互。在防误单元能够实现防误闭锁判断，在实施防误闭锁功能时，压板状态、电网运行方式等参数信息被输入至防误单元，防误单元根据目前变电站中的断路器工作情况、刀闸方位情况、电压、电流、功率等电网情况，再根据防误逻辑规则判断遥控出口情况，然后及时将结果输出、上传至上层监控单元。

防误逻辑规则以防误逻辑规则库存在，在软件设计中，通过设置防误逻辑规则，使得各种压板信息的与防误逻辑规则进行比较。采用BP神经网络模型的防误逻辑规则算法计算，如图3所示，用户在防误逻辑规则库中可根据用户需要，存储不同的压板防误逻辑规则，比如，当需要刀闸方位情况信息规则时，则按用户需求调取压板防误逻辑规则。本设计中，采用BP神经网络模型寻求最优解，提高了规则选择对象。

如果输入不同压板的样本为 N个，则将参数计算为 m 个，在采用BP神经网络模型进行计算时，按照下列公式的步骤将输入不同压板数据 xij 进行标准化处理：

ymax，ymin为输出样本数据中的极大值和极小值。然后，根据上述公式进行建立BP神经网络模型。根据上述方法，能够实现多种压板信息的筛选，提高了防误规则估计精度，提高了工作的效率。

3   关键技术设计

3.1   CAN总线网络通信设计

目前，在变电站有部分系统使用RS485进行数据传输，但是，RS485是半双工总线，采用单主从结构，在一条总线上仅仅只有一台主机，主机不询问，从机不能主动应答，防止多个节点同时发送数据造成总线错误，这样总线效率低。另外，RS485总线没有错误检测机制，当一个节点有问题如常高，常低，造成总线瘫痪。另外如果程序处理不当，容易造成总线短路，烧坏芯片。在本文系统中，采用CAN总线进行通讯，具有传输距离远，CAN网络直接通信距离最远可达10 km（5 kb/s），最高通信速率可达1 Mb/s（传输距离4 0m），CAN总线节点实际可达110个。采用CAN总线通讯相比RS485通讯，其总线利用率比较高，CAN总线是多主从结构，多节点可同时发送时，CAN控制器根据ID自动进行仲裁，省去主机询问，总线利用率高，实时性强。此外，CAN总线具有总线错误检测机制，CAN总线中采用的CAN控制器，可以对总线错误进行监听，并有一套完整的错误处理机制，一旦发现错误，及时进行处理。极端情况下可关闭CAN节点，保护总线不受影响。

3.2   压板控制器设计

在压板状态采集器与压板控制器之间的通讯，采用隔离CAN通信，能够保证系统抗干扰能力和安全性。采用芯片型号为TI公司的ISO1050芯片，该芯片是一款电镀隔离的CAN 转发器，与隔离式电源一起使用，省去了专门的隔离电路，应用起来更为简单。此器件可防止数据总线或者其它电路上的噪音电流进入本地接地并干扰和损坏敏感电路。具体应用电路如图4所示。

主控芯片选用STM公司的STM32F407VGT6，网络通信部分采用LAN8720行网络通信，该芯片具有性价比高，引脚数量少，应用简单的优点，网络通信部分设计图如下5所示。

3.3   压板状态检测器设计

状态采集器设计中使用的CPU选用的STM公司的STM32F103RBT6芯片，该芯片应用成熟，价格相对低廉，外设资源丰富，能够满足使用和扩展的要求。本系统应用中，CAN总线被设计为线性拓扑结构，所有节点设计为相同电路，但是在CAN总线两端的节点，必须接120Ω终端电阻，中间节点断开统拓扑图如图6所示。

在本系统设计中，选用TJA1051芯片作为CAN控制器与物理总线之间的接口，其是一种高速CAN收发器，选用的TJA1051芯片是NXP公司的TJA1051芯片，具体应用电路如图7所示。

该芯片为NXP公司工业应用中比较成熟的芯片，安全可靠，价格低廉，而且外围电路简单，应用方便。由于此处CAN总线连接的是统一间隔的检测单元，供电为同一路，因此不需要进行隔离。另外，所有检测单元采用相同电路板，每个电路板均有终端电阻選项，在应用中只在在末端进行短接，使用中非常灵活。

4   结   论

针对智能变电站中二次设备的可靠性要求，设计出了一种变电站二次防误系统，该系统采用双机备份实现了监控系统的不间断工作，采用了CAN总线网络通讯，提升了监控数据通讯的速度和系统的可靠性、可扩展性，通过监控系统实时采集当前保护装置运行状态、压板投退状态及变动站实时量测值数据等，经由防误方法判断，对智能变电站有关线路运行状态的二次设备软硬压板的投退操作进行可行性评估，且可以对具有安全隐患防及不符合规则的操作进行闭锁告警，确保保护设备压板安全操作，避免虚回路链路压板、保护功能压板投退不一致的行为，对于变电站变电站二次防误有很大应用价值。

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