智能在线五防模式自动化闭锁、解锁系统设计_谢学刚.pdf

自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期行业应用与交流Industrial Applications and CommunicationsTechniques ofAutomation&Applications智能在线五防模式自动化闭锁、解锁系统设计*谢学刚,刘俊峰,刘 涛,张春丽,张 扬（云南电力技术有限责任公司，云南 昆明 650217）摘要:以智能在线五防模式为基础，针对闭锁防误技术，设计一款自动化闭锁、解锁系统。基于过程层，利用电磁式地线闭锁设备，同步采集并传输地线闭锁状态与遥信信号至间隔层、站控层中；间隔层通过远动通信管理机发送调度指令给保护测控设备，经逻辑判定与闭锁执行，逐层闭锁、解锁，采用快速报文机制，实现过程层与间隔层通信；结合五防逻辑规则库生成策略，架构出自动化的闭锁、解锁系统。经实例验证，系统功能更加智能化，在执行倒闸操作任务时更加高效，且维护、卡阻等问题发生次数明显减少，有效实现了系统的自动化目标。关键词:自动化闭锁、解锁；五防模块系统；GOOSE报文中图分类号：TP273+.5文献标识码:A文章编号:1003-7241(2023)06-0183-04Design of Automatic Locking and Unlocking System with IntelligentOnline Five-prevention ModeXIE Xue-gang,LIU Jun-feng,LIU Tao,ZHANG Chun-li,ZHANG Yang(Yunnan Electric Power Technology Co.,Ltd.,Kunming 650217 China)Abstract:Based on the intelligent online five-prevention mode,an automatic locking and unlocking system is designed for the locking andanti-error technology.Based on the process layer,the electromagnetic ground wire locking device is used to synchronously col-lect and transmit the ground wire locking state and remote signal to the bay layer and station control layer;the bay layer sendsscheduling instructions to the protection measurement and control equipment through the remote communication managementmachine.Logic judgment and execution of blocking,blocking and unlocking layer by layer,adopting a fast message mechanismto realize the communication between the process layer and the interval layer;combined with the five-prevention logic rule li-brary generation strategy,an automated locking and unlocking system is constructed.Proved by examples,the built system func-tions are more intelligent,and it is more efficient when performing switching tasks,and the occurrence of maintenance,jammingand other problems is significantly reduced,effectively achieving the systems automation goals.Keywords:automation locking and unlocking;five-prevention module system;GOOSE message*基金项目：云南省技术中心立项(YNKJXM20190836）收稿日期:2021-05-28DOI:10.20033/j.1003-7241.（2023）06-0183-04.1引言变电站覆盖率越来越大，负荷率也越来越高，一旦发生电力事故，就会引发与之相关联设备的不同程度折损、电网大面积停运乃至人员伤亡等事件。为避免因电气设备操作失误而导致电力事故发生，“防带负荷误拉、误合隔离开关”“防误入带电间隔”等“五防”要求1应运而生，其凭借对电力运行安全性与稳定性的重要实践价值，受到了越来越多相关领域人士的广泛关注。对于电网设计，国内外不尽相同，因此，国外并未对五防电力系统或五防技术方面做过相关研究；而国内电力五防技术则通过机械闭锁、程序闭锁、电气闭锁、微机五防以及一体式五防等发展阶段，逐渐显露出一定弊端，例如针对变电站操作票开票系统，将“五防”规则作为操作票自动生成基本单元模型的构建基础，得到多个典型间隔设备的操作规则函数与系统知识库，加快了自动开票的速度与准度2；在模型驱动测控设备的方法中，利用SSD（Solid State Drives，固态硬盘）配置全站五防闭锁逻辑关系，实现了多方面信息在模型文件中的统一聚合，降低了后期运行维护难度3。总结上述文献优势，构建出一种智能在线五防模式的自动化闭锁、解锁系统。利用基于工业级LPC2134芯片的电磁式地线闭锁设备，实现地线闭锁状态的同步采集与传输；采用站域防误模块增加闭锁、解锁区域；通过布尔邻接矩阵算法，搭建五防模式系统逻辑规则库，降低失误概率，推动五防系统的智能化发展。2智能在线五防模式自动化闭锁、解锁系统2.1系统整体框架183行业应用与交流Industrial Applications and Communications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期Techniques ofAutomation&Applications基于变电所结构，采用站控层、过程层、间隔层等三个模块，构建出能够实现全站防误逻辑自动化闭锁、解锁功能的智能在线五防模式系统，如图1所示。其中，为实现站控层防误闭锁、解锁、操作票开票等功能，将在线式五防一体化主机添加于站控层中；间隔层主要负责校验、闭锁解锁调度端发出的遥控指令，是站控层防误闭锁的备用模块；过程层则利用在线式五防锁具等相关设备，闭锁、解锁处理网门、临时接地线等组件。图1系统整体结构为满足调度端的遥控操作需求，制定出图2所示的智能在线五防模式系统操作流程。图2系统操作流程图2.2系统设计2.2.1过程层该模块设计目标有两个：避免带电挂接地线合闸、误入带电间隔等操作；实现过程层对隔离开关、断路器以及接地刀闸等组件的强制闭锁、解锁。一旦分合闸由人工操作或站控层发生故障，站控层与间隔层将不参与逻辑判定，闭锁的最终层为过程层。为防止地线误操作，选用在线式五防专用地线锁具，利用电磁式地线闭锁设备，同步采集并传输地线闭锁状态至间隔层中进行逻辑计算，传输遥信信号至站控层中进行监控。针对地线锁具应用现场的复杂电磁环境，采用适应性较好的工业级LPC2134芯片，图3所示为芯片结构。图3LPC2134芯片结构示意图2.2.2间隔层作为五防模式系统的重要组成部分，为实现与另外间隔联锁，间隔层需同时完成当前间隔闭锁解锁操作、其他间隔信息接收与逻辑判定等任务，利用远动通信管理机4发送调度指令给保护测控设备，通过逻辑判定与闭锁执行，从根本上完成逐层闭锁、解锁5。2.2.3站域该模块作为间隔层闭锁、解锁的扩容装置，在一定程度上加大了闭锁、解锁区域，实现方式是可编辑、可配置的布尔运算形式。举例说明合闸闭解锁逻辑。利用闭锁逻辑公式编辑器设计布尔运算形式，架构该越区开关的闭锁、解锁文件，基于越区开关闭锁、解锁条件的模拟量与状态量需求标准，采用SCD（Substation ConfigurationDescription，全站系统配置文件）完成GOOSE、SV（Sam-pled Value，采样值）的相关配置，得到逻辑判定的模拟量与状态量需求标准，应用保护测控设备的DSP（DigitalSignal Process，数字信号处理）芯片，判定闭锁、解锁状态，发送GOOSE信号，给出该越区开关的合闸、开闸决定。3五防模式系统逻辑规则库生成用拓扑的形式从变电站一次电路图里获取设备数据，转换电路图为无向图G，边表示断路器等设备，顶点表示设备的地线、连接线等，通过无向图各顶点的不连通、单步连通以及多步连通等特征，映射设备的开合状态，用184自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期行业应用与交流Industrial Applications and CommunicationsTechniques ofAutomation&Applications无向图的连通问题来描述设备之间的闭锁、解锁逻辑。假设n阶矩阵是A，设备开合状态是aij，则无向图G的邻接矩阵为，设备开合状态条件式如下所示：（1）设备状态实时发生变化，利用邻接矩阵的边指代布尔型变量6-7，导出设备状态的一般情况，由于在线五防模式自动化闭锁、解锁系统的主要研究目标是无向图两顶点间的连通性，故设定L是无向图的最长路径长度，k=1,2,L，若两顶点间存在连接链，则必有连接路，通过求解邻接矩阵1到L次幂的总和，完成矩阵的重定义：（2）当矩阵P的第i行、第j列元素pij取值不是0时，说明两顶点间是连通状态；反之，则是未连通状态。为简化运算复杂度，令无向图邻接矩阵A的元素值或是0或是1，基于此，将式（2）改写成下列表达式：（3）式中，布尔矩阵P的“或”计算形式为。根据无向图的图论定义，设定直径D为顶点对间的最大间距值，若顶点i经过n条边后抵达顶点j，则可用邻接矩阵的非零元素aij描述。通过对式（3）相乘、相加L次n阶矩阵，即可得到可达矩阵。为减少运算时间，降低矩阵相乘次数，令直径D是无向图两顶点间有一条比D长的连接路。假设图的最长路径长度与直径关系是L=D，且存在n个顶点，则有下列不等式：（4）此时可达矩阵运用最少次的矩阵相乘算法，通过解得两个相邻次幂，即可取得两顶点间小于(2k+1)条边的连通性，因此，推导出下列可达矩阵的计算公式，其中，2kD-1：（5）采用设备状态sf的与或表达式，描述可达矩阵元素pij，划分所有逻辑项为含带设备状态与不含设备状态两个类别。假定设备状态的与或表达式为Y、Z，则元素pij界定公式如下所示：（6）式中，f=1,2,i,i+m。由此可知，Y=1、Z=0是元素pij值与布尔型状态量sf同时出现改变的充分必要条件，Y、Z是对应条件的补集。若不使pij元素值发生1到0之间的变化，则设备f的解锁条件如下所示：（7）反之，若不使pij元素值发生0到1之间的变化，则设备f的闭锁条件如下所示：（8）此时，i、j表示不更改两顶点间连通性而获取的闭锁关系。假定设备f的动作无法使多个顶点对间的连通性发生变化，则闭锁、解锁条件逻辑规则如下列方程组所示：（9）4系统实例分析4.1变电站微机防误系统现状选取某市一个110 kV的变电站作为系统的实验对象，该变电站当前使用的是由山东鲁能奥特科技有限公司生产的WJFW-微机防误系统，其应用情况如表1所示。表1WJFW-微机防误系统相关信息及使用情况设备名称模拟屏电脑钥匙防误锁具临时接地桩通信充电管理器监控系统单位数量131006511当前使用状态指示灯已严重老化，不能正常使用故障频频发生环境条件稍显恶劣，便发生卡顿故障发生概率增大状态不能同步更新根据表1中描述的WJFW-微机防误系统当前使用状态可以看出，其模拟屏丧失了模拟操作的核心功能，人工操纵设备受环境侵蚀已不能正常应用，且因无法同步更新系统状态而引发误操作。将构建的自动化闭锁、解锁系统应用于该变电站后，分别从系统功能实现、操作时长以及稳定性等方面，与WJFW-微机防误系统做效果比较。4.2系统运行效果对比表2系统功能实现成果比对表功能实时接收设备状态数据，避免冗余操作与操作票生成系统高度融合，智能化程度较高锁具自动化程度较高，解锁、闭锁操作较为顺畅无需手持电脑钥匙可在线操作，无需离线实现能够判定五防逻辑与操作票顺序避免误操作发生有效性避免发生“走空程”现象多站点间共享功能误动误碰防误功能WJFW-系统本文系统185行业应用与交流Industrial Applications and Communications自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期Techniques ofAutomation&Applications表2所示为WJFW-微机防误系统与研究系统的功能实现结果比对。由此可以看出，因选用在线式五防专用地线锁具、适应性较好的工业级LPC2134芯片、GOOSE快速报文机制以及站域防误模块，故较WJFW-微机防误系统具有更好的智能性与操作流畅性，不仅摆脱了传统防误系统在实现形式上的束缚，还彻底控制了“走空程”现象的发生，有效实现了系统的自动化目标。通过记录WJFW-微机防误系统与研究系统的不同操作任务所用时长与不同负面问题在三年内的发生次数，得到图4、图5所示的对比实验结果。图4两系统倒闸操作所用时长对比示意图图5两系统负面问题发生次数对比示意图从图4、图5得出，对比WJFW-微机防误系统，系统在执行不同倒闸操作任务时花费的时间呈倍数缩短，且各负面问题发生次数均大幅减少，稳定性更加理想，利用远动通信管理机发送调度指令给保护测控设备，通过逻辑判定与闭锁、解锁执行，使逐层闭锁、解锁得以实现，站域模块的添加在一定程度上加大了闭锁、解锁区域，经搭建五防模式系统逻辑规则库，提升了运行速度与操作准度。5结束语采用在线式五防模式，构建一款智能的自动化闭锁、解锁系统，解决了以往五防系统的多个弊端，为电力安全稳定运行提供了重要的技术支持，为满足今后变电站的发展需求奠定了夯实的基础。但是，一旦测控设备不能精准完成联锁计算，则防误主机与各受控设备间无法实现通信，引发未知后果，应在未来的研究工作中，对此问题进一步加以完善；需在系统现有功能的基础上，添加可视化功能，更加直观地处理、分析电力数据。参考文献:1 黄清,邓洁清,黄哲忱,等.基于母联电流分析的变电站远方操作防误技术J.电力系统自动化,2019,43(24):194-200.2 Chen M,Chen D,Jiang Y.Substation operation tick-et system based on natural language analysis and intelligentreasoningJ.IOP Conference Series:Earth and EnvironmentalScience,2021,645(1):012002(8pp).3 任辉,窦仁晖,郑永康,等.一种模型驱动的测控装置优化研究J.电力系统保护与控制,2019,47(3):129-135.4 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