一種智能集控型區域防誤系統的設計與實現

莊毅，陳建泉，馬洪德

（1.廣東電網有限責任公司云浮供電局，廣東 云浮 527300；2.廣州華立科技職業學院，廣東 廣州 511325）

1 前言

隨著變電站自動化系統的發展應用，各地電力企業開始大力推廣無人值守和少人值守的變電站，建設集中控制型、跨區域的變電站防誤閉鎖系統，以提升電網運行的自動化水平。防誤閉鎖系統，作為防止誤操作的重要裝置，是確保變電站乃至電力系統安全穩定運行的關鍵。集控型區域防誤閉鎖系統由同一集控中心的操巡隊操控多個變電站設備，能夠跨變電站、跨區域采集設備數據，實現遠方調控。但由于變電站數量較多且操作人員對設備實際運行狀態缺乏了解，容易出現倒閘誤操作。因此，電力企業開始對集控主站、集控子站和集控中心設計新型集控型區域防誤閉鎖系統。

為此，國內外學者從控制系統、通訊技術、算法革新等方面對集控型區域防誤閉鎖系統開展大量研究。劉故帥等人采用了圖像采集模塊、邊緣分析終端、5G通信技術和云邊協同平臺，設計了變電站多維度場景管控系統；李新海等人從人工巡檢的角度出發，設計出了微環境下基于ZigBee+網線+光纖綜合通信技術的智能控制系統；鄭翔等人設計了基于電力通用服務協議的自動化設備運維管理控制系統，能夠自動核對遠方終端單元信息和自動生成季度測試報告；鄭俊翔等人提出了一種基于語義分析的電網調度操作票智能校核方法，能夠智能校核操作票內容，進一步保證了變電站操作安全性；阮黎翔等人基于角色的訪問控制權限管理模型，提出了基于角色的權限訪問技術，從變電站操作通訊方面加強安全防護，提升電力設備遠方操控的可控性；魏偉明等人設計了一套標識牌識別文字算法，用于識別和提示誤操作行為，降低了變電站操作人員誤操作的概率；Cai 等人采用實時標識牌圖像識別技術對操作人員是否進入錯誤隔間進行識別，能夠減少操作人員誤操作事故；Lai 等人研制了采用手機APP 操控的智能安全裝置，防止變電站誤操作的發生。但大部分研究均是從某個角度對系統進行革新升級，缺少對系統整體的完善與升級。

為此，本文對集控型區域防誤閉鎖系統的需求進行分析，提出一種智能集控型區域變電站防誤系統，以GPRS 通信技術為基礎，配置系統軟件、硬件和設計系統功能，并在同一集控中心的關聯變電站中開展測試，實現跨區域調控操作和數據集中管理。

2 集控型區域防誤閉鎖系統需求分析

傳統單站防誤閉鎖系統只能對一個變電站內的設備狀態信息進行監控、采集、模擬與操作，不能匯總來自周邊變電站的設備信息。各變電站的防誤系統相對獨立，變電站間存在嚴重的信息孤立現象，采用同一傳輸線的變電站的資源和信號無法及時共享，容易導致變電站間跨區域帶地刀合閘、帶地線等惡性事故的發生。

集控型區域防誤閉鎖系統，能夠共享站間信息，實現跨變電站、跨區域管理。各子站防誤任務均由上級集控中心統一監控、調度，進行遠程解閉鎖和集中監控，從而實現無人值守或少人值守，降低人力資源與管理資源的投入。集控型區域防誤閉鎖系統需求如下。

（1）多級防誤。通過集控中心終端防誤閉鎖系統，實現包括授權管理層、獨立控制權層、仿真預演層、真實邏輯層和閉鎖元件層的多級防誤，防止誤操作的發生。同時，系統能夠將受控子站的數據多點回傳至主站，使得授權用戶可以多點開票，完善各變電站間的閉鎖方案。

（2）網絡保障。集控型區域防誤閉鎖系統需要為下屬變電站提供開票服務。當網絡出現故障時，要能保證系統可離線完成操作并自動恢復數據，隨后還能將所有操作數據再次上傳到服務器，確保整個系統的數據一致性。

（3）信息聯絡。通過實施接地線與運行工程師、檢修工程師、防誤閉鎖主機、智能化系統之間的信息聯絡，能即時監控地線開合狀態，并參與防誤閉鎖校核，有效防止“當對有聯絡關系的變電站設備進行開合閘操作時，本側帶負載而對側掛接電線合地刀、本側有接電線接電刀而對側合刀閘等不良事件”的產生，從而提高供電系統的安全性，保證供電系統的平穩運轉。

3 集控型區域防誤閉鎖系統工作原理

集控型區域防誤閉鎖系統采用客戶端/服務器（client/server，C/S）的軟件架構。其中，主站服務器負責統一管理下轄各受控子站的防誤數據，對其進行有效審核和監督；受控子站的系統作為客戶端，可以從監控系統中獲取實時遙信和虛遙信，并通過網絡上傳至集控站，以實現設備的運行狀態實時監控和管理。通過接收集控中心發出的操作票，可以實現“手拉手”線路的開票、接票和回傳等功能，能夠避免本側掛接地線時對側合刀閘、本側帶載運行時對側掛接地線等嚴重操作事故。

系統可以在集控中心、操巡隊和子站進行模擬開票。在模擬開票時，變電站運維人員需要通過身份授權認證并上傳至管理系統，然后在管理系統中執行仿真作業。管理系統會根據所規定的防誤閉鎖操作規則，智能判定每項操作。當操作準確且滿足規則時，可以繼續執行，否則，需要重新執行，以確保安全性和準確性。此外，操作系統還可發出人工語音來提醒操作人員及時更正錯誤操作項。

模擬操作結束后，變電站運維人員可選擇在集控中心將操作票指令傳至電腦鑰匙并攜帶鑰匙至受控子站現場直接就地操作，也可選擇將操作票傳至操巡隊或受控子站的當地運維人員，并通過通訊適配器傳至電腦鑰匙進行就地操作。在倒閘操作過程中，變電站運維人員使用電腦鑰匙開啟設備編碼鎖，隨后設備將根據編碼頭核驗操作對象。當操作對象走錯間隔或誤操作時，鎖具將強制閉鎖，防止運維人員繼續操作，同時電腦鑰匙會發出警報，提示誤操作；當操作對象準確時，開啟鎖具完成相應的倒閘操作。若設備已連接監控系統，則系統可直接從監控后臺發送關閉命令實現閉鎖。

4 集控型區域防誤閉鎖系統設計

4.1 網絡搭建

變電站的設備狀態信息數據具有數量大、變化頻率高的特點?；贕PRS 通信技術的網絡模塊能夠進行高頻率的低速率數據傳輸和短暫的大數據傳輸，符合變電站傳輸數據的特點。因此，本系統采用GPRS 通信網絡模塊進行變電站與集控中心的組網。GPRS 通信網絡模塊支持WEB 服務及http 協議，本系統將采集到的數據以報文數據包的形式傳輸給集控中心，每次傳輸都需要集控數據中心應答。當未接收到集控中心的應答時，則超時發送報文數據包，直至接收到應答，以此保證數據傳輸的穩定性。由于變電站設備較多，需要在每個采集裝置中安裝一個GPRS 通信網絡模塊，實時傳輸設備狀態至集控中心，實現集控中心的實時同步。

除上述操作外，該系統還需要與網絡服務商制定分配IP 地址協議。GPRS 通信網絡模塊分配動態IP 地址并傳輸至變電站本站路由器，防止數據被篡改。路由器再以固定IP 地址將數據傳輸給集控中心，進一步提高數據的安全性與穩定性。GPRS 通信網絡模塊還能夠實時與服務器連接，并接收服務器采集指令。例如，當子站需要維護時，集控中心可以發送指令，允許該子站修改數據，禁止與該子站有電氣聯系的其他子站修改數據，實現數據閉鎖，在完成維護后及時解除閉鎖。

GPRS 通信網絡模塊除了能接收指令外，還能夠接收服務器發送的數據包。當子站數據變化時，服務器將更新后的數據發送至其他子站，實現主站子站數據的實時同步更新。組網流程圖如圖1 所示。

圖1 變電站組網流程圖

4.2 系統功能設計

集控型區域防誤閉鎖系統可通過監測裝置采集受控子站一次設備的狀態信息，并能夠通過防誤閉鎖邏輯演練模擬操作內容來確保安全作業。此外，該系統還可以對區域內任一變電站的操作內容進行邏輯預演判斷，并可將任務操作指令信息傳輸至電腦鑰匙，工作人員可持電腦鑰匙對區域內受控子站進行倒閘操作。操作完成后，受控子站可以將任務執行情況信息發送至受控站防誤閉鎖主機，同時也可以將其傳送至主站集控中心，以順利完成作業目標。其閉鎖指令如下。

（1）全站閉鎖。當任意防誤主機進行邏輯預演時全站閉鎖，待預演結束后，取消閉鎖狀態。

（2）操作閉鎖。邏輯預演結束后，電腦鑰匙操作信息回傳前，操作設備閉鎖。

（3）關聯閉鎖。在防誤閉鎖邏輯規則中，與擬操作閉鎖設備相關聯的設備均閉鎖。

（4）站間防誤閉鎖。實現變電站之間聯絡線上設備的規則校驗，將區域內不同變電站間的設備狀態和閉鎖規則邏輯統一考慮，進行區域防誤邏輯判斷。

4.2.1 集控中心遙控操作模式

利用集控中心的防誤閉鎖工作站和監控系統，實現對變電站開關設備的遠程操作。根據集控中心任務，防誤閉鎖工作站對擬操作的設備進行防誤閉鎖演練，并按照防誤閉鎖邏輯判斷，發出解鎖指令。監控系統按照這一指令實施作業，從而實現遙控。針對整個操作任務，反復執行上述動作，直至結束。一旦出現緊急情況，即可使用授權方式緊急解鎖，以確保安全。

4.2.2 操巡隊遙控操作模式

變電站工作人員接收到集控中心的遙控操作任務指令后，會在操巡隊的防誤閉鎖主機對變電站內擬進行開斷操作的設備進行防誤邏輯模擬演練，然后根據防誤閉鎖邏輯判斷，發送解鎖命令。操巡隊的監控系統會根據這一命令，按照預定的步驟實施遙控。針對全部操作任務，反復執行上述動作，直至結束。一旦出現緊急情況，與集控中心遙控操作模式相同，即可通過授權方式緊急解鎖，以確保設備安全。

4.2.3 受控站遙控操作模式

運行人員接到操作任務時，在受控站的防誤系統主機上，對站內擬開斷的設備進行防誤閉鎖模擬演練，并開具操作票。當涉及隔離開關或斷路器操作時，受控站防誤主機向監控系統發出解鎖申請，監控系統依照預先設定的程序執行操作，實現遠程控制，并在任務結束前持續重復上述操作。一旦發生緊急情況，與集控中心遙控操作模式相同。

4.2.4 各級就地操作模式

為了確保手動控制的刀閘、地刀、臨時地線、網（柜）門等機械設備的安全，選用機械編碼鎖和電氣編碼鎖，并配備閉鎖配件進行閉鎖。在各防誤層（集控中心、操巡隊、受控子站）內，可以先完成模擬動作演練，再將經過防誤閉鎖校驗的操作票發送至電腦鑰匙。操作人員利用電腦鑰匙到場內完成倒閘操作，執行完成后，將操作結果及時上傳回防誤系統主機，以確保設備的安全性和可靠性。

4.2.5 檢修操作模式

操作人員通過系統進行模擬演練，生成檢修工作票，在現場使用電腦鑰匙對設備解鎖。防誤閉鎖系統解除檢修票涉及相關設備控制回路的限制，并在電腦鑰匙歸還后再次鎖定控制回路。

5 工程應用

采用本文所設計的集控型區域防誤閉鎖系統在廣東云浮供電局進行應用。具體案例如下：通過操作界面對兩個變電站進行站間操作，新建任務為“110kV 共創線由冷備用轉熱備用”。其中，變電站1 的初始狀態為12140 地刀斷開，變電站2 的初始狀態為12140 地刀接地，執行操作為“閉合變電站1 的12140 刀閘”。系統邏輯判斷結果為：“帶地線合閘，不允許操作”，輸出的邏輯判斷結果界面圖如圖2 所示。

圖2 防誤邏輯判斷結果

應用結果表明，本系統能夠集成各站點的終端數據并進行邏輯判斷，有效防止了站間設備誤操作的發生，保證了電力系統的安全穩定運行。本系統能夠有效支持面向各站點終端數據的集成，面向應用操作與用戶管理的集成，從而保障系統成功實施與可靠運行。

（1）多層防誤操作。系統具有完善的多層防線（權限管理層、唯一操作權層、模擬預演層、實時邏輯層、閉鎖元件層），以防范誤操作的發生。

（2）網絡數據恢復。在網絡發生故障的情況下，可獨立完成各自的操作，在斷網期間完成的所有操作數據在網絡恢復后能夠自動上傳至服務器，以保證整個系統的數據統一。

（3）數據共享統一。系統能夠為其他系統提供所需要的數據和狀態，同時能夠與其他系統對接，取得設備的狀態信息，實現數據的共享。此外，系統還能夠通過集控中心服務器訪問所有下轄子站防誤操作的信息進行實時修正，以確保信息可靠且唯一。

6 結語

變電站智能集控型區域防誤系統結合客戶端/服務器(C/S)結構，通過GPRS 通信網絡模塊實現區域聯絡，設計集控中心遙控操作模式、操巡隊遙控操作模式、受控站遙控操作模式、各級就地操作模式和檢修操作模式，主站可以在遠端集中調度、控制、監控防誤子站。系統可以避免一定的誤操作事故，通過集中監控減少電網企業的人力成本，推動了無人值守或少人值守變電站發展，極大地提高了電力生產的經濟效益。