一种智能集控型区域防误系统的设计与实现

庄毅，陈建泉，马洪德

（1.广东电网有限责任公司云浮供电局，广东 云浮 527300；2.广州华立科技职业学院，广东 广州 511325）

1 前言

随着变电站自动化系统的发展应用，各地电力企业开始大力推广无人值守和少人值守的变电站，建设集中控制型、跨区域的变电站防误闭锁系统，以提升电网运行的自动化水平。防误闭锁系统，作为防止误操作的重要装置，是确保变电站乃至电力系统安全稳定运行的关键。集控型区域防误闭锁系统由同一集控中心的操巡队操控多个变电站设备，能够跨变电站、跨区域采集设备数据，实现远方调控。但由于变电站数量较多且操作人员对设备实际运行状态缺乏了解，容易出现倒闸误操作。因此，电力企业开始对集控主站、集控子站和集控中心设计新型集控型区域防误闭锁系统。

为此，国内外学者从控制系统、通讯技术、算法革新等方面对集控型区域防误闭锁系统开展大量研究。刘故帅等人采用了图像采集模块、边缘分析终端、5G通信技术和云边协同平台，设计了变电站多维度场景管控系统；李新海等人从人工巡检的角度出发，设计出了微环境下基于ZigBee+网线+光纤综合通信技术的智能控制系统；郑翔等人设计了基于电力通用服务协议的自动化设备运维管理控制系统，能够自动核对远方终端单元信息和自动生成季度测试报告；郑俊翔等人提出了一种基于语义分析的电网调度操作票智能校核方法，能够智能校核操作票内容，进一步保证了变电站操作安全性；阮黎翔等人基于角色的访问控制权限管理模型，提出了基于角色的权限访问技术，从变电站操作通讯方面加强安全防护，提升电力设备远方操控的可控性；魏伟明等人设计了一套标识牌识别文字算法，用于识别和提示误操作行为，降低了变电站操作人员误操作的概率；Cai 等人采用实时标识牌图像识别技术对操作人员是否进入错误隔间进行识别，能够减少操作人员误操作事故；Lai 等人研制了采用手机APP 操控的智能安全装置，防止变电站误操作的发生。但大部分研究均是从某个角度对系统进行革新升级，缺少对系统整体的完善与升级。

为此，本文对集控型区域防误闭锁系统的需求进行分析，提出一种智能集控型区域变电站防误系统，以GPRS 通信技术为基础，配置系统软件、硬件和设计系统功能，并在同一集控中心的关联变电站中开展测试，实现跨区域调控操作和数据集中管理。

2 集控型区域防误闭锁系统需求分析

传统单站防误闭锁系统只能对一个变电站内的设备状态信息进行监控、采集、模拟与操作，不能汇总来自周边变电站的设备信息。各变电站的防误系统相对独立，变电站间存在严重的信息孤立现象，采用同一传输线的变电站的资源和信号无法及时共享，容易导致变电站间跨区域带地刀合闸、带地线等恶性事故的发生。

集控型区域防误闭锁系统，能够共享站间信息，实现跨变电站、跨区域管理。各子站防误任务均由上级集控中心统一监控、调度，进行远程解闭锁和集中监控，从而实现无人值守或少人值守，降低人力资源与管理资源的投入。集控型区域防误闭锁系统需求如下。

（1）多级防误。通过集控中心终端防误闭锁系统，实现包括授权管理层、独立控制权层、仿真预演层、真实逻辑层和闭锁元件层的多级防误，防止误操作的发生。同时，系统能够将受控子站的数据多点回传至主站，使得授权用户可以多点开票，完善各变电站间的闭锁方案。

（2）网络保障。集控型区域防误闭锁系统需要为下属变电站提供开票服务。当网络出现故障时，要能保证系统可离线完成操作并自动恢复数据，随后还能将所有操作数据再次上传到服务器，确保整个系统的数据一致性。

（3）信息联络。通过实施接地线与运行工程师、检修工程师、防误闭锁主机、智能化系统之间的信息联络，能即时监控地线开合状态，并参与防误闭锁校核，有效防止“当对有联络关系的变电站设备进行开合闸操作时，本侧带负载而对侧挂接电线合地刀、本侧有接电线接电刀而对侧合刀闸等不良事件”的产生，从而提高供电系统的安全性，保证供电系统的平稳运转。

3 集控型区域防误闭锁系统工作原理

集控型区域防误闭锁系统采用客户端/服务器（client/server，C/S）的软件架构。其中，主站服务器负责统一管理下辖各受控子站的防误数据，对其进行有效审核和监督；受控子站的系统作为客户端，可以从监控系统中获取实时遥信和虚遥信，并通过网络上传至集控站，以实现设备的运行状态实时监控和管理。通过接收集控中心发出的操作票，可以实现“手拉手”线路的开票、接票和回传等功能，能够避免本侧挂接地线时对侧合刀闸、本侧带载运行时对侧挂接地线等严重操作事故。

系统可以在集控中心、操巡队和子站进行模拟开票。在模拟开票时，变电站运维人员需要通过身份授权认证并上传至管理系统，然后在管理系统中执行仿真作业。管理系统会根据所规定的防误闭锁操作规则，智能判定每项操作。当操作准确且满足规则时，可以继续执行，否则，需要重新执行，以确保安全性和准确性。此外，操作系统还可发出人工语音来提醒操作人员及时更正错误操作项。

模拟操作结束后，变电站运维人员可选择在集控中心将操作票指令传至电脑钥匙并携带钥匙至受控子站现场直接就地操作，也可选择将操作票传至操巡队或受控子站的当地运维人员，并通过通讯适配器传至电脑钥匙进行就地操作。在倒闸操作过程中，变电站运维人员使用电脑钥匙开启设备编码锁，随后设备将根据编码头核验操作对象。当操作对象走错间隔或误操作时，锁具将强制闭锁，防止运维人员继续操作，同时电脑钥匙会发出警报，提示误操作；当操作对象准确时，开启锁具完成相应的倒闸操作。若设备已连接监控系统，则系统可直接从监控后台发送关闭命令实现闭锁。

4 集控型区域防误闭锁系统设计

4.1 网络搭建

变电站的设备状态信息数据具有数量大、变化频率高的特点。基于GPRS 通信技术的网络模块能够进行高频率的低速率数据传输和短暂的大数据传输，符合变电站传输数据的特点。因此，本系统采用GPRS 通信网络模块进行变电站与集控中心的组网。GPRS 通信网络模块支持WEB 服务及http 协议，本系统将采集到的数据以报文数据包的形式传输给集控中心，每次传输都需要集控数据中心应答。当未接收到集控中心的应答时，则超时发送报文数据包，直至接收到应答，以此保证数据传输的稳定性。由于变电站设备较多，需要在每个采集装置中安装一个GPRS 通信网络模块，实时传输设备状态至集控中心，实现集控中心的实时同步。

除上述操作外，该系统还需要与网络服务商制定分配IP 地址协议。GPRS 通信网络模块分配动态IP 地址并传输至变电站本站路由器，防止数据被篡改。路由器再以固定IP 地址将数据传输给集控中心，进一步提高数据的安全性与稳定性。GPRS 通信网络模块还能够实时与服务器连接，并接收服务器采集指令。例如，当子站需要维护时，集控中心可以发送指令，允许该子站修改数据，禁止与该子站有电气联系的其他子站修改数据，实现数据闭锁，在完成维护后及时解除闭锁。

GPRS 通信网络模块除了能接收指令外，还能够接收服务器发送的数据包。当子站数据变化时，服务器将更新后的数据发送至其他子站，实现主站子站数据的实时同步更新。组网流程图如图1 所示。

图1 变电站组网流程图

4.2 系统功能设计

集控型区域防误闭锁系统可通过监测装置采集受控子站一次设备的状态信息，并能够通过防误闭锁逻辑演练模拟操作内容来确保安全作业。此外，该系统还可以对区域内任一变电站的操作内容进行逻辑预演判断，并可将任务操作指令信息传输至电脑钥匙，工作人员可持电脑钥匙对区域内受控子站进行倒闸操作。操作完成后，受控子站可以将任务执行情况信息发送至受控站防误闭锁主机，同时也可以将其传送至主站集控中心，以顺利完成作业目标。其闭锁指令如下。

（1）全站闭锁。当任意防误主机进行逻辑预演时全站闭锁，待预演结束后，取消闭锁状态。

（2）操作闭锁。逻辑预演结束后，电脑钥匙操作信息回传前，操作设备闭锁。

（3）关联闭锁。在防误闭锁逻辑规则中，与拟操作闭锁设备相关联的设备均闭锁。

（4）站间防误闭锁。实现变电站之间联络线上设备的规则校验，将区域内不同变电站间的设备状态和闭锁规则逻辑统一考虑，进行区域防误逻辑判断。

4.2.1 集控中心遥控操作模式

利用集控中心的防误闭锁工作站和监控系统，实现对变电站开关设备的远程操作。根据集控中心任务，防误闭锁工作站对拟操作的设备进行防误闭锁演练，并按照防误闭锁逻辑判断，发出解锁指令。监控系统按照这一指令实施作业，从而实现遥控。针对整个操作任务，反复执行上述动作，直至结束。一旦出现紧急情况，即可使用授权方式紧急解锁，以确保安全。

4.2.2 操巡队遥控操作模式

变电站工作人员接收到集控中心的遥控操作任务指令后，会在操巡队的防误闭锁主机对变电站内拟进行开断操作的设备进行防误逻辑模拟演练，然后根据防误闭锁逻辑判断，发送解锁命令。操巡队的监控系统会根据这一命令，按照预定的步骤实施遥控。针对全部操作任务，反复执行上述动作，直至结束。一旦出现紧急情况，与集控中心遥控操作模式相同，即可通过授权方式紧急解锁，以确保设备安全。

4.2.3 受控站遥控操作模式

运行人员接到操作任务时，在受控站的防误系统主机上，对站内拟开断的设备进行防误闭锁模拟演练，并开具操作票。当涉及隔离开关或断路器操作时，受控站防误主机向监控系统发出解锁申请，监控系统依照预先设定的程序执行操作，实现远程控制，并在任务结束前持续重复上述操作。一旦发生紧急情况，与集控中心遥控操作模式相同。

4.2.4 各级就地操作模式

为了确保手动控制的刀闸、地刀、临时地线、网（柜）门等机械设备的安全，选用机械编码锁和电气编码锁，并配备闭锁配件进行闭锁。在各防误层（集控中心、操巡队、受控子站）内，可以先完成模拟动作演练，再将经过防误闭锁校验的操作票发送至电脑钥匙。操作人员利用电脑钥匙到场内完成倒闸操作，执行完成后，将操作结果及时上传回防误系统主机，以确保设备的安全性和可靠性。

4.2.5 检修操作模式

操作人员通过系统进行模拟演练，生成检修工作票，在现场使用电脑钥匙对设备解锁。防误闭锁系统解除检修票涉及相关设备控制回路的限制，并在电脑钥匙归还后再次锁定控制回路。

5 工程应用

采用本文所设计的集控型区域防误闭锁系统在广东云浮供电局进行应用。具体案例如下：通过操作界面对两个变电站进行站间操作，新建任务为“110kV 共创线由冷备用转热备用”。其中，变电站1 的初始状态为12140 地刀断开，变电站2 的初始状态为12140 地刀接地，执行操作为“闭合变电站1 的12140 刀闸”。系统逻辑判断结果为：“带地线合闸，不允许操作”，输出的逻辑判断结果界面图如图2 所示。

图2 防误逻辑判断结果

应用结果表明，本系统能够集成各站点的终端数据并进行逻辑判断，有效防止了站间设备误操作的发生，保证了电力系统的安全稳定运行。本系统能够有效支持面向各站点终端数据的集成，面向应用操作与用户管理的集成，从而保障系统成功实施与可靠运行。

（1）多层防误操作。系统具有完善的多层防线（权限管理层、唯一操作权层、模拟预演层、实时逻辑层、闭锁元件层），以防范误操作的发生。

（2）网络数据恢复。在网络发生故障的情况下，可独立完成各自的操作，在断网期间完成的所有操作数据在网络恢复后能够自动上传至服务器，以保证整个系统的数据统一。

（3）数据共享统一。系统能够为其他系统提供所需要的数据和状态，同时能够与其他系统对接，取得设备的状态信息，实现数据的共享。此外，系统还能够通过集控中心服务器访问所有下辖子站防误操作的信息进行实时修正，以确保信息可靠且唯一。

6 结语

变电站智能集控型区域防误系统结合客户端/服务器(C/S)结构，通过GPRS 通信网络模块实现区域联络，设计集控中心遥控操作模式、操巡队遥控操作模式、受控站遥控操作模式、各级就地操作模式和检修操作模式，主站可以在远端集中调度、控制、监控防误子站。系统可以避免一定的误操作事故，通过集中监控减少电网企业的人力成本，推动了无人值守或少人值守变电站发展，极大地提高了电力生产的经济效益。