智能變電站順序控制功能模塊化設(shè)計(jì)與交互方式探討

智能變電站順序控制功能模塊化設(shè)計(jì)與交互方式探討

0順序控制功能的應(yīng)用順序控制核電站的功能，也稱為過(guò)程操作，是指對(duì)自動(dòng)系統(tǒng)的操作命令。根據(jù)事先規(guī)定的操作邏輯和5個(gè)防御鎖定規(guī)則，自動(dòng)操作多個(gè)道路電阻器和隔離開(kāi)關(guān)，最終改變系統(tǒng)動(dòng)作狀態(tài)的過(guò)程，并自動(dòng)轉(zhuǎn)換各活動(dòng)器的電氣裝置，如運(yùn)行、熱備用、冷備用、，老員工。變電站的順序控制能幫助操作人員執(zhí)行復(fù)雜的操作任務(wù),將傳統(tǒng)的操作票轉(zhuǎn)變成任務(wù)票,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜操作單鍵完成,整個(gè)操作過(guò)程無(wú)需額外的人工干預(yù)或操作,可以大大提高操作效率和減少誤操作的風(fēng)險(xiǎn),最大限度地提高變電站的供電可靠性,也縮短了因人工操作所造成的停電時(shí)間,尤其在大規(guī)模高電壓變電站中效果特別顯著。這一功能在傳統(tǒng)變電站以及早期基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站中已經(jīng)得到應(yīng)用,但僅針對(duì)電氣設(shè)備,隨著IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的推廣應(yīng)用,該功能也開(kāi)始嘗試應(yīng)用于保護(hù)定值區(qū)切換、軟壓板投退等二次領(lǐng)域。本文所討論的順序控制就是包含一次設(shè)備和二次設(shè)備的程序化操作。隨著順序控制功能的推廣應(yīng)用,在傳統(tǒng)變電站和數(shù)字化變電站建設(shè)階段,其實(shí)現(xiàn)方式隨廠家而不同,即使同一廠家,針對(duì)不同的工程和客戶需求時(shí)也采用不同的方式,給運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)了困難。隨著智能變電站的發(fā)展,高級(jí)應(yīng)用功能模塊化的思想越發(fā)突出,要求各高級(jí)應(yīng)用功能與后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)相獨(dú)立將成為一個(gè)發(fā)展方向,如此可以實(shí)現(xiàn)不同廠家高級(jí)應(yīng)用模塊間的替換,這與IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的通用性、可擴(kuò)展性和互操作性的理念一致。根據(jù)這一發(fā)展思路,在后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)高級(jí)應(yīng)用功能,包括順序控制功能,將是今后發(fā)展的趨勢(shì)。為此,本文對(duì)順序控制功能的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)進(jìn)行探索,初步定義順序控制功能的狀態(tài)模型和控制模型,并對(duì)順序控制功能模塊化設(shè)計(jì)所需與后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)、五防閉鎖系統(tǒng)、智能操作票系統(tǒng)、視頻聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的信息交互方式進(jìn)行討論。1現(xiàn)順序控制功能順序控制功能可分為單間隔操作和跨間隔操作2類。根據(jù)各自實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)的不同,各廠家結(jié)合自身情況出現(xiàn)了多種不同的方式。文獻(xiàn)討論了順序控制的3種實(shí)現(xiàn)方式,分別是在監(jiān)控中心主站實(shí)現(xiàn)、在監(jiān)控中心主站和變電站共同實(shí)現(xiàn)但操作票在兩側(cè)分別存儲(chǔ)、在監(jiān)控中心主站和變電站共同實(shí)現(xiàn)但操作票在變電站側(cè)存儲(chǔ),并采用最后一種方式應(yīng)用于500kV變電站。文獻(xiàn)采用在間隔層設(shè)備實(shí)現(xiàn)順序控制功能。文獻(xiàn)對(duì)比分析了在遠(yuǎn)動(dòng)裝置與間隔層分別實(shí)現(xiàn)順序控制的優(yōu)劣,提出采用兩者結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)順序控制功能,即間隔內(nèi)的順序控制在間隔層設(shè)備實(shí)現(xiàn),跨間隔的順序控制在遠(yuǎn)動(dòng)裝置中實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)采用在站控層遠(yuǎn)動(dòng)裝置中實(shí)現(xiàn)順序控制功能,并結(jié)合后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行配合。文獻(xiàn)從變電站擴(kuò)建的角度提出采用間隔層測(cè)控裝置實(shí)現(xiàn)順序控制的功能,對(duì)于跨間隔的操作則將其按間隔進(jìn)行分解后存儲(chǔ)于各間隔層設(shè)備中,具體執(zhí)行時(shí)由后臺(tái)組合和配置相關(guān)順序來(lái)應(yīng)對(duì)變電站今后的擴(kuò)建。文獻(xiàn)提出在后臺(tái)實(shí)現(xiàn)順序控制以及后臺(tái)和間隔層設(shè)備共同實(shí)現(xiàn)順序控制功能這2種方式,對(duì)比分析后提出后者更有發(fā)展趨勢(shì),并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了分析討論。文獻(xiàn)提出在調(diào)度和主站實(shí)現(xiàn)、以間隔層設(shè)備為基礎(chǔ)設(shè)置獨(dú)立的程序化操作服務(wù)器、采用間隔層設(shè)備和獨(dú)立程序化操作服務(wù)器共同實(shí)現(xiàn)的3種方式,并提出采用最后一種方式能夠較好地實(shí)現(xiàn)順序控制功能。文獻(xiàn)提出了與文獻(xiàn)相同的3種實(shí)現(xiàn)方式,但最終選擇了第2種方式,即設(shè)立獨(dú)立程序化操作服務(wù)器有效避免各間隔層設(shè)備的改動(dòng)以及滿足今后變電站的擴(kuò)建需求。文獻(xiàn)分析了集中式(采用后臺(tái)、遠(yuǎn)動(dòng)等方式)和分布式程序化控制的實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)缺點(diǎn),提出了一種不依賴于站級(jí)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、以間隔層設(shè)備為核心的分布式程序化控制方案,以滿足跨間隔操作的需求。綜合文獻(xiàn)的實(shí)施方案,可歸納為集中式、分布式、集中式和分布式相結(jié)合3種方式。集中式主要是采用監(jiān)控主站、變電站后臺(tái)監(jiān)控、遠(yuǎn)動(dòng)裝置或設(shè)置獨(dú)立程序化操作服務(wù)器;分布式主要是利用間隔層設(shè)備實(shí)現(xiàn)順序控制;集中式和分布式相結(jié)合方式是間隔層設(shè)備與后臺(tái)監(jiān)控或遠(yuǎn)動(dòng)裝置或獨(dú)立程序化操作服務(wù)器的結(jié)合。本文討論集中式方式,即在變電站后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的順序控制功能。2后臺(tái)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)方式的發(fā)展目前采用間隔層裝置方式的原因是實(shí)現(xiàn)間隔內(nèi)順序控制時(shí)不需要外部信息傳輸和交互,執(zhí)行效率較高,但也有致命缺陷,即無(wú)法實(shí)現(xiàn)跨間隔的順序控制。即使單間隔順序控制具有執(zhí)行效率的優(yōu)勢(shì),但也增加了各裝置的配置工作,即需要對(duì)全站所有間隔的設(shè)備進(jìn)行配置,一旦設(shè)備故障需要更換,還涉及順序控制配置的導(dǎo)出和導(dǎo)入;若采用不同廠家的設(shè)備,還存在順序控制操作配置定義不匹配、不兼容的情況。因此,采用間隔層設(shè)備實(shí)現(xiàn)順序控制不具有優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)也提出采用集中式和分布式結(jié)合的方式,這不僅增加了配置的工作量,而且對(duì)設(shè)備的依賴較高,增加了執(zhí)行的環(huán)節(jié),加大了風(fēng)險(xiǎn),一旦站控層設(shè)備或間隔層設(shè)備出現(xiàn)故障,整個(gè)順序控制操作就無(wú)法執(zhí)行。文獻(xiàn)對(duì)采用變電站內(nèi)部的后臺(tái)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了分析,雖然該方式無(wú)需額外增加設(shè)備,同時(shí)也可避免眾多裝置的配置,而且較容易實(shí)現(xiàn)跨間隔操作,但對(duì)該方式所依賴的網(wǎng)絡(luò)可靠性提出了擔(dān)憂。在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)推廣應(yīng)用之際,網(wǎng)絡(luò)通信逐漸取代傳統(tǒng)的RS-485,RS-232,CANBUS等通信協(xié)議成為變電站的主流通信方式,由于早期相關(guān)技術(shù)不成熟,設(shè)備功能不完善,網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性還有待提高和改進(jìn)。隨著IEC61850標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的深入,網(wǎng)絡(luò)通信的整體性能得到有效提高,各種組網(wǎng)方案的性能也得到驗(yàn)證和改進(jìn),隨著智能變電站的推廣建設(shè),變電站內(nèi)部對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的依賴程度越來(lái)越高,加快了全站網(wǎng)絡(luò)通信性能的整體提升。因此,當(dāng)順序控制功能在后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí),網(wǎng)絡(luò)通信不再是阻礙其應(yīng)用的難題,雖然采用間隔層設(shè)備實(shí)現(xiàn)順序控制功能時(shí)能夠回避網(wǎng)絡(luò)故障問(wèn)題,但網(wǎng)絡(luò)故障也會(huì)給變電站的運(yùn)行帶來(lái)其他問(wèn)題,因此,全站網(wǎng)絡(luò)性能的提高不僅是為了實(shí)現(xiàn)順序控制功能,更重要的是提高全站自動(dòng)化水平。在智能變電站試點(diǎn)工程建設(shè)中,隨著信息一體化平臺(tái)和眾多高級(jí)應(yīng)用的使用,極大地提高了全站的智能化水平,順序控制就是應(yīng)用較廣的高級(jí)應(yīng)用之一。在智能變電站第1批7座試點(diǎn)站中,6座采用了順序控制功能。以浙江500kV蘭溪變電站為例,該站實(shí)現(xiàn)智能化改造以后,順序控制功能的應(yīng)用使得倒母線工作從先前的幾小時(shí)縮短到10min,極大地提高了運(yùn)行維護(hù)的便利性和安全性。上述6座試點(diǎn)站均構(gòu)建了一體化信息平臺(tái),并以此為基礎(chǔ),在后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了順序控制功能。隨著智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展建設(shè),系統(tǒng)整合和功能集成將是今后變電站發(fā)展的趨勢(shì),建設(shè)造價(jià)省、占地少、效率高的變電站以滿足智能電網(wǎng)發(fā)展的需求將是今后發(fā)展的重點(diǎn)。沿著這一發(fā)展目標(biāo),在一體化化監(jiān)控系統(tǒng)中集成順序控制等高級(jí)應(yīng)用功能將成為今后的發(fā)展趨勢(shì)。因此,無(wú)論從技術(shù)性能對(duì)比,還是從需求發(fā)展的引導(dǎo)來(lái)看,在后臺(tái)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)順序控制功能將成為趨勢(shì)。3順序控制的動(dòng)態(tài)模型順序控制標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的前提是要梳理其實(shí)現(xiàn)流程。在當(dāng)前智能變電站建設(shè)階段,順序控制功能存在與智能操作票系統(tǒng)和五防閉鎖系統(tǒng)的信息交互,為此,本文所設(shè)計(jì)的順序控制功能僅針對(duì)順序控制本身,即操作控制的配置以及執(zhí)行過(guò)程的監(jiān)視兩大環(huán)節(jié),針對(duì)這兩大環(huán)節(jié)建立了控制模型和狀態(tài)模型。3.1標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展要求的統(tǒng)一規(guī)范狀態(tài)模型的用途主要是用來(lái)監(jiān)視順序控制的整個(gè)過(guò)程,同時(shí)能夠?qū)樞蚩刂七M(jìn)行暫停等操作,總體上屬于順序控制通用性的內(nèi)容。狀態(tài)模型能夠準(zhǔn)確反映順序控制操作前、操作中和操作后的整體狀態(tài),其模型遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展的要求進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范和定義,如表1所示。表中:OpTotal表示總體的操作數(shù)以及要進(jìn)行多少次分或合操作;OpStatus表示當(dāng)前執(zhí)行狀態(tài),如6/12表示總共12步操作,現(xiàn)已成功執(zhí)行6步;OpErr表示操作出現(xiàn)錯(cuò)誤,顯示第幾步出現(xiàn)的問(wèn)題,如8表明在執(zhí)行第8步操作時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤;OpSuccess表示所有操作執(zhí)行成功,若全部執(zhí)行成功,其值為1,否則為0;OpPause表示操作暫停,用于順序操作暫時(shí)停止的狀態(tài);OpCancel表示操作取消,即終止順序操作;OpContinue表示操作繼續(xù),前提是順序操作處于暫停狀態(tài);M表示必選,O表示可選。3.2順序控制模型配置控制模型是順序控制的核心,即針對(duì)所有順序控制操作定義匹配的模型。由于操作步驟較多,模型配置工作量較大。由于每一項(xiàng)單步操作的本質(zhì)仍然是通過(guò)間隔層設(shè)備進(jìn)行操作,因此,此處模型配置的原則就是使用全站已有的模型,即以后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)和全站設(shè)備關(guān)聯(lián)所獲取的設(shè)備模型為基礎(chǔ),根據(jù)順序控制的內(nèi)容將模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)。針對(duì)斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等一次設(shè)備的單步遙控操作,其實(shí)現(xiàn)的具體方式仍然是通過(guò)相關(guān)的測(cè)控裝置實(shí)現(xiàn),即通過(guò)測(cè)控裝置CTRL中的CSWI節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置,具體涉及控制類結(jié)構(gòu)體SBOw,Operate,Cancel,進(jìn)而完成單步操作的控制或取消。而順序控制則是將多個(gè)單步操作串聯(lián)起來(lái),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)順序控制功能。本文順序控制功能的控制模型的設(shè)計(jì)就是參考這一方式。針對(duì)多步順序控制,其標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)鍵在于每一步操作都要有相應(yīng)的模型與其對(duì)應(yīng),在此提出大結(jié)構(gòu)體的概念,即大結(jié)構(gòu)體對(duì)應(yīng)于一個(gè)具體的操作,其內(nèi)部由結(jié)構(gòu)體變量SBOw,Operate,Cancel組成,如表1所示。圖1為后臺(tái)連接全站設(shè)備示意圖。圖中,GOOSE為通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录?IED為智能電子設(shè)備。順序控制功能在后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn),針對(duì)順序控制操作的具體步驟,以其中一項(xiàng)操作為例配置相應(yīng)的模型。傳統(tǒng)變電站的順序控制操作是針對(duì)各單步操作關(guān)聯(lián)相應(yīng)的遙控點(diǎn)號(hào),而基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站則是對(duì)相應(yīng)模型(數(shù)據(jù)屬性路徑)進(jìn)行寫(xiě)值操作,按SBOw的模型進(jìn)行操作。根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)控制模型的安全機(jī)制,在執(zhí)行合閘或分閘操作時(shí)會(huì)通過(guò)讀取設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行判斷,操作完成后還會(huì)對(duì)設(shè)備狀態(tài)是否變位進(jìn)行讀取,相關(guān)機(jī)制可確保整個(gè)控制操作安全、可靠。順序控制中的軟壓板投退、定制區(qū)切換等具體操作也可采用同樣的配置方式,直接與相匹配的數(shù)據(jù)屬性關(guān)聯(lián)即可,如此逐一完成控制模型配置,進(jìn)而可以完成順序控制的模型配置。最終的配置可以導(dǎo)出為可擴(kuò)展置標(biāo)語(yǔ)言(XML)文件,便于其在不同平臺(tái)與系統(tǒng)間的交互。4有利于順序控制的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化建設(shè)表1和圖1清晰地展示了順序控制標(biāo)準(zhǔn)化狀態(tài)模型和控制模型的設(shè)計(jì),有利于順序控制的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化建設(shè)。該設(shè)計(jì)對(duì)不同廠家順序控制功能的模塊化建設(shè)有較好的指導(dǎo)作用,但若要滿足智能變電站今后模塊化的設(shè)計(jì)和跨廠家應(yīng)用還存在一定的差異,仍然有些關(guān)鍵問(wèn)題需要解決。4.1后臺(tái)控制操作接口未完善上述順序控制單步操作中控制模型的配置依賴于后臺(tái)與全站設(shè)備連接所獲取的信息模型,后臺(tái)此時(shí)充當(dāng)客戶端的角色獲取全站設(shè)備模型。若在同一廠家的后臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模型的配置則較容易,只需從后臺(tái)配置庫(kù)中關(guān)聯(lián)即可;但若要實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì),在不同廠家的后臺(tái)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)模型配置,則遇到新的問(wèn)題,即如何關(guān)聯(lián)控制模型。若順序控制功能模塊具有制造報(bào)文規(guī)范(MMS)客戶端的功能,雖能實(shí)現(xiàn)與全站設(shè)備的順利連接并方便地完成模型配置,但卻導(dǎo)致站內(nèi)出現(xiàn)2個(gè)不同的客戶端,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度;同時(shí),若通過(guò)順序控制模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作,由于順序控制依賴于后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng),會(huì)出現(xiàn)同一個(gè)操作方(如后臺(tái)操作)有2個(gè)不同執(zhí)行通道,給整個(gè)控制操作帶來(lái)混亂。最有效的方式是各后臺(tái)監(jiān)控廠家開(kāi)放控制操作功能,即給出后臺(tái)實(shí)際操作執(zhí)行的相關(guān)接口。如此,當(dāng)順序控制功能模塊跨廠家進(jìn)行配置時(shí),各模型的配置可手動(dòng)完成(填寫(xiě)模型具體路徑即可),具體執(zhí)行時(shí)可方便地調(diào)用系統(tǒng)操作,如此同樣的順序控制操作,配置是統(tǒng)一的,但卻能夠在不同廠家的后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)上進(jìn)行操作,有效地確保了功能與應(yīng)用的分離,類似IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的抽象通信服務(wù)接口(ACSI),實(shí)現(xiàn)應(yīng)用與協(xié)議分離。4.2智能操作票系統(tǒng)和順序控制功能順序控制功能在進(jìn)行模型配置的同時(shí),首先要獲取操作票的內(nèi)容,即獲悉所有操作的步驟,通常情況下,可以按照操作票的內(nèi)容,手工輸入具體的操作步驟,然后根據(jù)各單步操作進(jìn)行模型的配置。但在智能變電站建設(shè)階段,變電站內(nèi)部智能操作票系統(tǒng)和順序控制功能都是高級(jí)應(yīng)用功能的一部分,如何從操作票系統(tǒng)直接獲取操作票內(nèi)容是順序控制功能模塊化設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。當(dāng)智能操作票系統(tǒng)和順序控制功能均出自同一廠家時(shí),兩者之間或可通過(guò)內(nèi)部協(xié)議進(jìn)行交互,如內(nèi)部文件、文本方式等;若智能操作票與順序控制功能分別源自不同廠家(典型的如今后采取順序控制模塊化設(shè)計(jì)),如何進(jìn)行信息的交互則成了關(guān)鍵,在此筆者認(rèn)為或可采用XML文件的方式進(jìn)行交互,操作票的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成XML文件,然后由順序控制功能模塊進(jìn)行解析,進(jìn)而獲取具體的操作步驟,其過(guò)程類似通過(guò)讀取IED配置文件獲取裝置模型。若操作票系統(tǒng)和順序控制功能合二為一,則今后實(shí)現(xiàn)起來(lái)更加便利,文獻(xiàn)對(duì)兩者相結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了分析。4.3智能變電站五防邏輯與順序控制功能的交互不論是傳統(tǒng)變電站還是智能變電站,為了保證操作的可靠性,均要關(guān)聯(lián)五防閉鎖邏輯。在智能變電站建設(shè)階段,五防閉鎖邏輯從傳統(tǒng)的獨(dú)立設(shè)置轉(zhuǎn)變?yōu)榕c后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)一體化設(shè)置,因此,智能變電站的五防邏輯與順序控制功能的交互是系統(tǒng)內(nèi)部的交互,當(dāng)功能均源自同一廠家時(shí)采用內(nèi)部方式即可,但當(dāng)順序控制功能模塊化設(shè)計(jì)時(shí),則五防閉鎖邏輯結(jié)果的獲取需要與具體的模型進(jìn)行關(guān)聯(lián),如表2所示。各單步操作在執(zhí)行SBOw之前只需要判斷相關(guān)設(shè)備的控制邏輯CILO邏輯節(jié)點(diǎn)中的EnaOpn(允許分閘)或EnaCls(允許合閘)即可;EnaOp則是自行擴(kuò)展的,其值取分閘或合閘的合集,即告知具體操作是否符合五防邏輯要求。4.4發(fā)揮創(chuàng)見(jiàn)信號(hào)發(fā)揮程序模擬和視頻監(jiān)控系統(tǒng)的作用智能變電站順序控制功能還擴(kuò)展了與視頻聯(lián)動(dòng)的功能,即當(dāng)對(duì)斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等一次設(shè)備進(jìn)行操作時(shí),系統(tǒng)會(huì)立即向視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出聯(lián)動(dòng)信號(hào),確保監(jiān)控?cái)z像頭切換到被操作設(shè)備,實(shí)現(xiàn)控制操作的實(shí)時(shí)