變電站新型防誤關(guān)閉系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

變電站新型防誤關(guān)閉系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

0基于互聯(lián)網(wǎng)的新型防誤系統(tǒng)的控制措施誤使電網(wǎng)、設(shè)備和人身發(fā)生重大損壞，或線路和設(shè)備損壞，或危害生命。防誤系統(tǒng)對(duì)于避免人為操作事故起到重要作用。本文介紹基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站新型防誤系統(tǒng)。IEC61850是基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的變電站自動(dòng)化領(lǐng)域唯一的、開放的國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。該標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮慕Ｋ枷?整個(gè)變電站統(tǒng)一建模。通過基于可擴(kuò)展置標(biāo)語言(XML)的配置語言實(shí)現(xiàn)模型的自描述功能。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的開放性、互操作性和基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的面向通用對(duì)象的變電站事件(GOOSE)快速傳輸機(jī)制為間隔層設(shè)備之間的信息共享提供了前提保障,是防誤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵,該防誤系統(tǒng)是在線實(shí)時(shí)系統(tǒng),充分利用站內(nèi)設(shè)備,不需要額外的設(shè)備投資,并且具有智能程度高、方便、無延時(shí)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。1誤系統(tǒng)的組成基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的新型防誤系統(tǒng)主要包括站控層、間隔層和網(wǎng)絡(luò)傳輸層三大部分。各層之間全部采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行通信。1防誤優(yōu)化設(shè)計(jì)站控層防誤系統(tǒng)是整套系統(tǒng)的第一道安全防線,也是防誤系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分。友好的配置界面、完善的規(guī)則校驗(yàn)、快速的規(guī)則腳本解析和下裝是站控層防誤系統(tǒng)的三要素。配置界面是防誤系統(tǒng)的對(duì)外窗口,友好、簡捷、直觀的操作界面提高了產(chǎn)品的競爭力。操作人員根據(jù)現(xiàn)場接線使用配置工具進(jìn)行模擬操作和防誤規(guī)則的配置,規(guī)則經(jīng)過完善的防誤規(guī)則校驗(yàn)后解析成可執(zhí)行的機(jī)器代碼,并且通過網(wǎng)絡(luò)下裝到間隔層裝置中存儲(chǔ)。由于站控層防誤系統(tǒng)與監(jiān)控后臺(tái)使用同樣的實(shí)時(shí)庫,模擬操作完成后便成為具有五防功能的監(jiān)控后臺(tái)設(shè)備。它可以在線跟蹤系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息。2防誤措施間隔層是整個(gè)防誤系統(tǒng)的核心。間隔層防誤軟件集成在間隔層保護(hù)、測控軟件內(nèi)。間隔層設(shè)備接收并保存站控層的防誤規(guī)則后,便成為獨(dú)立的具有實(shí)時(shí)五防邏輯判斷的間隔層防誤系統(tǒng)。信息的實(shí)時(shí)采集通過IEC61850的快速報(bào)文交換機(jī)制即GOOSE實(shí)現(xiàn)。根據(jù)采集的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行防誤邏輯實(shí)時(shí)判斷,并將判斷結(jié)果實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控后臺(tái)和各級(jí)監(jiān)控中心。新型防誤系統(tǒng)不僅可以采集開關(guān)、斷路器的狀態(tài),還可以采集線路電流等模擬量。通過開關(guān)量和模擬電流量的雙重判據(jù),確保與線路的實(shí)際狀態(tài)一致,從而避免了因輔助接點(diǎn)接觸不良誤判線路狀態(tài)而導(dǎo)致的安全事故,借助高速網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)及基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的GOOSE快速報(bào)文傳輸機(jī)制,裝置間的防誤聯(lián)鎖可以實(shí)時(shí)取得,無需操作人員額外的操作環(huán)節(jié)和操作時(shí)間。3與其他報(bào)文的轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)層是信息傳送的樞紐和橋梁。變電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)采用百兆或千兆以太網(wǎng)。防誤實(shí)時(shí)采集的GOOSE報(bào)文可以與站內(nèi)IEC61850的其他報(bào)文(制造報(bào)文規(guī)范(MMS))復(fù)用同樣的物理通道,利用虛擬局域網(wǎng)(VLAN)的劃分技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。圖1為110kV新型變電站防誤系統(tǒng)雙備份網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖示例。2站控層防誤系統(tǒng)必須具備完善性站控層防誤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)包括配置界面、規(guī)則校驗(yàn)、規(guī)則解析和下裝3部分。站控層防誤系統(tǒng)必須具備完善性,也就是要適應(yīng)不同電壓等級(jí)、不同接線方式的需求。在此基礎(chǔ)上,要考慮到實(shí)用性和簡單易操作性。遵循如下原則:1規(guī)則的編寫要方便系統(tǒng)的配置界面應(yīng)遵循簡捷、直觀、易用原則,采用可視化的圖形界面,規(guī)則的編寫應(yīng)該直觀、方便并且便于核對(duì),操作人員經(jīng)過簡單的培訓(xùn)即可以方便地完成整個(gè)流程。對(duì)于一些通用的五防邏輯,可以建立標(biāo)準(zhǔn)的邏輯庫模板,簡化配置工作。配置完成后,五防規(guī)則條件可以直觀地顯示和打印。2間隔層的封閉規(guī)則相互獨(dú)立站控層與間隔層應(yīng)該采用統(tǒng)一的規(guī)則判斷庫。如果站控層規(guī)則與間隔層的閉鎖規(guī)則相互獨(dú)立,就存在2個(gè)規(guī)則庫不統(tǒng)一的問題,給操作人員帶來麻煩。因此,為了維護(hù)和校驗(yàn)的方便,2個(gè)規(guī)則庫應(yīng)該一致,確保站控層的規(guī)則庫可以直接下載到間隔層裝置中使用。3基于庫的五防軟件由于間隔層規(guī)則庫需要下載到裝置中存儲(chǔ),目前間隔層裝置均采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn),考慮到存儲(chǔ)空間和執(zhí)行速度的限制,生成的規(guī)則庫的代碼應(yīng)該盡量簡捷,并且可讀性強(qiáng)。基于以上原則,研發(fā)了與監(jiān)控后臺(tái)集成一體的站控層五防軟件。該軟件完全支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn),功能強(qiáng),界面友好,簡單易用,防誤規(guī)則通過腳本語言實(shí)現(xiàn),代碼簡捷,通過配置工具對(duì)腳本語言進(jìn)行預(yù)編譯后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下裝到間隔層裝置中保存,間隔層裝置有相應(yīng)的腳本引擎進(jìn)行五防規(guī)則的解析。圖2為站控層防誤軟件的實(shí)現(xiàn)流程。3間隔層設(shè)備間的信息共享間隔層是整個(gè)防誤系統(tǒng)的主要載體和核心部分。在接收并存儲(chǔ)站控層的防誤規(guī)則后,間隔層設(shè)備成為獨(dú)立的具有實(shí)時(shí)五防閉鎖功能的間隔防誤系統(tǒng)。五防閉鎖規(guī)則的實(shí)現(xiàn)需要間隔層設(shè)備之間實(shí)時(shí)信息共享,IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的開放性、互操作性和基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的GOOSE快速傳輸機(jī)制為間隔層設(shè)備之間的信息共享提供了技術(shù)支持。間隔層防誤的實(shí)現(xiàn)主要包括防誤模型的解析、實(shí)時(shí)的信息采集、防誤邏輯的實(shí)時(shí)判斷三大部分。1防誤功能模型配置開放性、互操作性是IEC61850標(biāo)準(zhǔn)最顯著的優(yōu)點(diǎn)。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通過對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備統(tǒng)一建模實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的互操作性,站內(nèi)設(shè)備提供模型文件實(shí)現(xiàn)自描述功能。防誤聯(lián)鎖數(shù)據(jù)模型是設(shè)備模型文件的一部分,主要通過GOOSE模型和通信模型實(shí)現(xiàn)防誤功能的自描述。GOOSE模型的配置包括Gocb控制塊的描述、聯(lián)鎖數(shù)據(jù)集的描述。Gocb是GOOSE的控制塊類,其中包含GOOSE報(bào)文需要的信息。Gocb的定義包含在LLN0邏輯節(jié)點(diǎn)中。Gocb控制塊包含DataSet數(shù)據(jù)集,該數(shù)據(jù)集包含所有GOOSE數(shù)據(jù)的引用,DataSet包含功能約束數(shù)據(jù)屬性(FCDA)元素。FCDA定義了防誤聯(lián)鎖發(fā)送數(shù)據(jù)的功能約束數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)屬性名稱,該信息通過GOOSE報(bào)文循環(huán)發(fā)送。通信模型包括網(wǎng)絡(luò)通信的相關(guān)配置信息,如媒體訪問控制(MAC)地址、優(yōu)先級(jí)等。模型文件包含間隔層裝置之間防誤聯(lián)鎖的信息,通過模型文件的解析,間隔層裝置之間具備了進(jìn)行防誤聯(lián)鎖信息的實(shí)時(shí)交換和采集的條件。2單位平臺(tái)數(shù)據(jù)的輸出間隔層裝置之間信息的采集和交換是間隔層防誤實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵,而信息采集的實(shí)時(shí)性是實(shí)現(xiàn)的前提和重要保證。物理層采用百兆或千兆以太網(wǎng)作為通信介質(zhì),應(yīng)用層采用符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的GOOSE傳輸機(jī)制實(shí)現(xiàn)報(bào)文的快速交換,保證了間隔層裝置之間信息采集的實(shí)時(shí)性。GOOSE提供了快速、可靠的系統(tǒng)內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)制。與IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的非實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文相比,GOOSE報(bào)文不經(jīng)過MMS映射,直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層,減少了傳輸延時(shí)。GOOSE當(dāng)?shù)厥聞?wù)的變化檢測機(jī)制可以快速檢測到數(shù)據(jù)的更新并在第一時(shí)間發(fā)布,優(yōu)先級(jí)傳輸機(jī)制保證了重要報(bào)文的優(yōu)先傳輸。同時(shí),GOOSE重傳機(jī)制通過在空閑時(shí)重傳相同的數(shù)據(jù)來獲得額外的可靠性。GOOSE信息的交換基于發(fā)送方/訂戶機(jī)制。發(fā)送方將值寫入發(fā)送側(cè)緩沖區(qū),接收方從接收側(cè)的當(dāng)?shù)鼐彌_區(qū)讀取數(shù)據(jù)。通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)刷新訂戶的緩沖區(qū)。報(bào)文交換基于多路廣播應(yīng)用。GOOSE支持由DataSet數(shù)據(jù)集組成的公共數(shù)據(jù)的交換。GOOSE模型將要發(fā)布的數(shù)據(jù)組成DataSet。當(dāng)DataSet內(nèi)1個(gè)或多個(gè)DataAttr發(fā)生變化時(shí),由當(dāng)?shù)胤?wù)刷新發(fā)送緩沖區(qū),通過GOOSE傳送這些值,刷新接收方的接收緩沖區(qū)。模型中有一些控制發(fā)布的屬性。當(dāng)設(shè)備初始上電時(shí)發(fā)送所有數(shù)據(jù)值,并且即使沒有數(shù)據(jù)變化也會(huì)以較長的循環(huán)間隔發(fā)送所有數(shù)據(jù)值。為了傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性,GOOSE報(bào)文不經(jīng)過MMS映射,直接映射到ISO/IEC8802.3幀。ISO/IEC8802.3支持優(yōu)先級(jí)標(biāo)簽和VLAN劃分技術(shù)。GOOSE的應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)編碼如下:3節(jié)點(diǎn)關(guān)閉抗誤能力根據(jù)防誤規(guī)則和GOOSE傳輸?shù)膶?shí)時(shí)信息,防誤邏輯判斷可以實(shí)時(shí)完成。為了同時(shí)具備就地防誤操作和遠(yuǎn)方防誤操作功能,裝置提供一對(duì)繼電器閉鎖節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)的通斷狀態(tài)與防誤規(guī)則的判斷結(jié)果一致。裝置實(shí)時(shí)進(jìn)行防誤判斷,對(duì)于正常的操作流程,節(jié)點(diǎn)閉合允許操作;對(duì)于錯(cuò)誤的操作流程,節(jié)點(diǎn)自動(dòng)斷開,錯(cuò)誤的操作無法執(zhí)行。4網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化高速的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)是防誤系統(tǒng)的支柱和橋梁。由于GOOSE傳輸?shù)膶?shí)時(shí)報(bào)文與IEC61850的其他非實(shí)時(shí)報(bào)文復(fù)用同樣的網(wǎng)絡(luò)物理層,GOOSE傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性需要通過網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)化得以保證。12實(shí)用為了保證GOOSE報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性,GOOSE報(bào)文不經(jīng)過MMS映射,直接映射到ISO/IEC8802-3,減少了傳輸延時(shí)。2d.1qIEEE802.1Q協(xié)議的運(yùn)用保證了GOOSE報(bào)文的優(yōu)先傳輸。IEEE802.1Q是基于VLAN的協(xié)議,有4字節(jié)的標(biāo)簽頭,其中包括2字節(jié)的TPID和2字節(jié)的TCI,TCI包含3bit的優(yōu)先級(jí)標(biāo)志,可設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)。交換機(jī)需要支持VLAN劃分,可以根據(jù)優(yōu)先級(jí)標(biāo)志判斷報(bào)文傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)。3可靠性GOOSE報(bào)文的重傳機(jī)制保證了應(yīng)用層傳輸?shù)目煽啃?高速的雙備份網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)保證了物理層的可靠性。4vlan劃分將需要進(jìn)行GOOSE信息交換的對(duì)等裝置劃分成同樣的VLAN,以減少網(wǎng)絡(luò)冗余的信息量。5防誤系統(tǒng)在線IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是變電站內(nèi)迄今為止最完善的國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。新型防誤系統(tǒng)充分利用了IEC61850的技術(shù)優(yōu)勢(shì),其優(yōu)點(diǎn)如下:1)智能化系統(tǒng):五防規(guī)則適應(yīng)不同的現(xiàn)場接線方式,五防邏輯判斷自動(dòng)完成,智能化程度高。2)實(shí)時(shí)在線系統(tǒng):防誤系統(tǒng)為實(shí)時(shí)在線系統(tǒng),防誤判斷在2s內(nèi)完成,與監(jiān)控系統(tǒng)共用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫,操作結(jié)果實(shí)時(shí)監(jiān)視。3)可靠性強(qiáng):該系統(tǒng)不僅能實(shí)時(shí)采集斷路器位置等開關(guān)量,還可以實(shí)時(shí)采集線路電流等模擬量,避免了由于位置觸點(diǎn)斷線等引起的誤判