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一体化五防系统在电网的应用

     摘要：五防系统是变电站重要组成部分，本文分析了五防系统的内容和发展历程，提出了一体化五防系统的概念，深入分析一体化五防系统的技术特点以及其应用的可行性和必要性。 关键词：一体化 五防系统 变电站自动化系统 一直以来，五防系统都是变电站的重要组成部分，是防止电气误操作的必备技术手段。随着电网自动化技术的发展，广东电网提出将五防系统融入变电站自动化系统一体化建设，将其作为变电站自动化系统的有机组成部分。为此，广东电网公司组织编制了《广东电网110～220kV变电站自动化系统技术规范》、《广东电网500kV变电站自动化系统技术规范》、《广东电网变电站自动化系统五防子系统功能验收规范》，并于2006年起对所有新建、全面改造的变电站要求采用该技术，目前已超过三百多个变电站应用，效果比较理想。本文将在简要分析五防系统发展历程的基础上，深入分析一体化五防系统的技术特点以及其在广东电网应用的可行性和必要性。 1 五防的内容 五防是在变电站的倒闸操作中防止五种恶性电气误操作事故的简称。其具体内容是：(1)防止误分、合断路器；(2)防止带负荷分、合隔离开关；(3)防止带电挂(合)接地线(接地刀闸)；(4)防止带接地线(接地刀闸)合断路器(隔离开关)；(5)防止误入带电间隔。 2 五防系统的发展历程 为了有效防止运行电气设备误操作引发的人身和重大设备事故，我国电力系统早在1990年就提出了电气设备五防的要求，并以法规形式行文规定了电气防误的管理、运行、设计和使用原则。防误装置的设计应遵循的原则是：凡有可能引起误操作的高压电气设备，均应装设防误装置和相应的防误电气闭锁回路。从这个原则出发，提出了五防规定。 原国家电力公司2000年发布的《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》的第二章“防止电气误操作事故”第2．5条明确规定：采用计算机监控系统时，远方、就地操作，均应具备防误闭锁功能。 国内有关研制单位也在不断探索在新技术条件下五防系统的具体实现方式，总的来说包括如下几种： 2.1 电气防误闭锁 电气防误闭锁回路是一种现场电气联锁技术，主要通过相关设备的辅助接点联接来实现闭锁。这是电气闭锁最基本的形式，闭锁可靠。但这种方式需要接入大量的二次电缆，接线方式较为复杂，运行维护较为困难。只能防止开关、隔隔刀和地刀的误操作，对误入带电间隔、接地线的挂接(拆除)等无能为力。不能实现完整的“五防”。电气闭锁回路是电力系统发展过程中经过不断完善和总结，发展起来的一套行之有效的防误闭锁方法，实现起来方便、可靠，但回路复杂，间隔多的大站实现起来耗费大量电缆，且在运行中存在刀闸辅助接点不可靠、户外电磁锁机构易损坏等问题。 2.2 机械防误闭锁 该装置在户内变电站中应用。一般户内变电站35kV设备为手车式开关柜，l 0kV设备为金属封闭型开关柜，厂家生产柜壳时就把机械防误闭锁装置一起设计。在相关操作部位之间采用机械机构的有机联系来实现联动操作，达到闭锁要求装置每项功能靠机械机构传动来完成闭锁，机械闭锁结构简单，动作可靠，没有辅助操作，操作方便，正反向闭锁部能成立。该设备有防尘、防污染作用，适合污染严重的环境安装，缺点是五防装置靠机械机构传动。联动的环节多，操作过程易出现机构卡死故障，应用范围有局限性，只能在开关柜中有动作联系，能够用机械闭锁的地方和户外隔离开关与接地刀操作机构同处安装时，方能使用，不能防止误分、误合断路器，不能完善的防止误入带电间隔和带电合接地刀。 2.3 程序锁 用钥匙传递实现相关操作部位之间的先后操作顺序。其最大优点是不受距离限制，适用于户外配电装置，户内间隔式配电装置以及开关柜双柜和开关柜与柜外配电设备间的闭锁联系。在使用上的最大特点是必须从头开始，中间不能间断，如果没有第一把锁，或操作过程中的某个操作部位不能实施程序操作 (如按钮)，则程序锁便失去作用而不能使用。程序锁主要问题是操作中的卡涩现象或程序发生紊乱。防止带电合地刀及防止误入带电间隔的功能不完善。 2.4 微机五防系统 微机五防系统是计算机及网络通信技术应用于变电站自动化的结果。微机防误闭锁系统主要在上层管理软件中实现，上层管理软件集中智能单元上传的所有设备运行方式及相关数据和信号，由数据库和知识库(根据运行部门提供的操作原则和典型操作票建立)生成当前任务的操作票，通过模拟操作后，再进行实际操作并自动记录，操作中要核实操作者的权限。微机五防系统通过软件将现场大量的二次闭锁回路转换为电脑中的五防闭锁规则库，实现了防误闭锁的数字化，并可以实现以往不能实现或者是很难实现的防误功能，应该说是电气设备防误闭锁技术的飞跃。 微机五防系统用于高压开关设备防止电气误操作。通常主要由主机、电脑钥匙、机械编码锁、电气编码锁、模拟屏等功能元件组成。微机防误闭锁装置闭锁的设备有四类：开关、刀闸、地线(地线刀闸)、遮栏网门(开关柜门)，上述设备是通过微机锁具(电编码锁和机械编码锁)实现闭锁的，对上述设备须由软件编写操作闭锁规则。 3 一体化五防系统的技术特点 3.1 一体化五防系统的总体结构 一体化五防系统应由站控层防误和间隔层防误两层构成，站控层防误包括防误闭锁软件系统、电脑钥匙及锁具，间隔层防误是由测控装置的软件逻辑闭锁来完成。 3.2 站控层防误的技术特点 站控层防误应采用与自动化系统一体化的模式，指在逻辑意义上防误闭锁软件与自动化系统融为一体，具体指： (1)防误闭锁软件与自动化系统具有统一的数据库，五防模块与自动化系统的其他应用模块一样从同一个实时库获得数据； (2)防误闭锁软件与自动化系统具有统一的数据库组态，五防数据直接从自动化系统数据中挑选测点，编辑五防属性，如合分规则，操作术语等； (3)防误闭锁软件与自动化系统具有统一的画面编辑，可以直接采用自动化系统的画面作为五防的画面，不用重新制作。 在具体实现上，防误闭锁软件可安装在操作员站上，应采用单独设立一台微机五防工作站的方式。
    图1 一体化五防数据服务进程 3.3 间隔层防误技术特点 间隔层防误功能应由测控装置完成，实现本单元所控制设备的操作闭锁功能，有如下优点： (1)完备性：应可使用变电站内任一个开关、刀闸等实时采集到的信息参与任意一点的控制闭锁； (2)实时性：应保证五防信号的实时传送，提高了控制的可靠性，支持采用TCP/IP或IEC61850 GOOSE技术实时传送数据； (3)独立性：防误闭锁逻辑分散存放于相应测控装置内，与站控层计算机系统无关，在站控层系统故障退出运行时也可独立实现全站的控制闭锁； (4)冗余性：信息的采集应支持冗余双以太网方式； (5)一致性：间隔层防误逻辑与站控层防误逻辑一致。
    图2 间隔层防误闭锁信息传输示意图 3.4 测控装置硬件闭锁技术 对于有电动操作机构的设备，应在其分合闸回路中串入一个接点(如图3所示)，此接点受自动化系统防误闭锁逻辑的控制。使用闭锁接点不仅代替了传统五防系统中的编码锁，而且在操作回路中增加了强制闭锁，解决了以往遥控操作只有软闭锁，在发生雷击或程序紊乱等装置自身故障的异常情况下可能导致误出口引起的误操作。
    图3 测控装置硬件闭锁技术原理图 来源:输配电设备网 对于该接点的处理，应该以冷备用的方式保证其实时性。也就是该闭锁接点只有在模拟预演结束，由防误系统根据开关量/模拟量的情况和防误规则下达解锁命令后自保持接通输出，但在操作结束后即恢复闭锁。冷备用的优点是非工作状态下，串联在分合闸回路中的闭锁接点处于断电模式，更有效地杜绝了雷击或其它干扰对系统的影响，真正实现了强制闭锁。 3.5 可选择操作对象的解锁钥匙 以往的变电站的解锁钥匙只有通用型，在变电站紧急解锁时，有可能出现运行人员走错间隔误解锁的问题，广东电网提出采用一种可选择操作对象的解锁钥匙，可有效避免该问题。这种钥匙可在界面上选择具体的解锁间隔或解锁对象，对于非选择间隔或对象的操作将进行屏蔽。 3.6 站内主要设备的闭锁方式 3.6.1 断路器 变电站中的断路器有四种操作方式，调度/集控操作、站控层操作、测控屏操作和现场就地操作，五防系统一般对前三种操作方式采用不同的闭锁方式实现闭锁。 (1)对调度/集控操作采用间隔层防误闭锁方式； (2)对站控层操作正常采用的方式是站控层和间隔层防误闭锁方式； (3)测控屏操作应采用间隔层防误闭锁方式。 3.6.2 电动刀闸 电动刀闸有多个地方可以操作：调度/集控操作、站控层操作、端子箱、刀闸机构箱，正常运行时在远方遥控和端子箱操作，刀闸机构箱仅作为检修时的操作方式。针对三种不同的操作有不同的闭锁方式： (1)对调度/集控操作采用间隔层防误闭锁方式； 2)对站控层操作正常采用的方式是站控层和间隔层防误闭锁方式； (3)在端子箱采用电气编码锁方式闭锁； (4)在电动刀闸的机构箱门上加装机械编码锁，将机构箱门锁上； (5)对于1)、2)还另需在电气回路上增加一个由测控装置自动控制的是否允许操作的继电器，如本文3.4所述。 3.6.3 手动刀闸 一般在相应的操作机构安装机械编码锁进行闭锁。 4 一体化五防系统应用的可行性和必要性分析 从目前应用来看，独立的微机五防系统还在大量应用，但深入分析独立的微机五防系统仍存在一些不足之处： (1)独立的微机五防系统的运行完全依赖于其与变电站自动化系统服务器的通信，且目前通讯规约、通讯接口都没有国家或行业标准来进行规范，在工程时需进行大量的调试工作，有时存在通信稳定性问题； (2)独立的微机五防系统的数据库、画面等都不能与变电站自动化系统通用，需重新制作，增加维护工作量和系统复杂性，维护不善有可能导致两套系统的数据、画面不一致的情况，严重影响系统的安全； (3)独立的微机五防系统都是运行在PC机上，无法实现多层的防误闭锁，特别是目前PC机的稳定性不是十分理想。 以上提到的独立微机五防系统的劣势正是一体化五防系统的长处，它与变电站自动化系统无缝融为一体，所有数据均在同一平台上，系统简单清晰，且能利用间隔层防误实现多层次的防误体系，即使在站控层计算机全部故障的前提下，仍能依靠测控装置实现装置级的闭锁，是一种非常稳定可靠的防误体系。 另外，值得一提的是，IEC61850标准应在国内积极应用，站内的设备均应支持该标准。目前国内支持IEC61850标准的独立的微机五防系统尚未在市场上出现，而自动化系统生产单位均在IEC61850技术的研发方面有着雄厚的技术力量，一体化五防系统伴随着新一代支持IEC61850标准的变电站自动化系统同时供用户使用，避免了IEC61850新技术应用的初期五防系统无法使用的尴尬局面。