天广三回天生桥500kV交流场五防专家系统分析

1、引言
500kV天广三回是西电东送南部的第三条交流大通道，西起贵州天生桥换流站500kV交流场，途经百色、南宁、玉林，通过茂名站接入广东电网，于2002年6月25日全线竣工投产，使西电东送能力由原来的3000MW提高到3700MW，极大地缓解了广东电力供应紧张的局面。天广三回天生桥500kV交流场（以下简称500kV交流场）是在天广直流送端天生桥换流站内扩建，与天广直流220kV交流场通过一组750MVA联络变相连，天广三回的建成，有力地改善了南方交、直流并联系统的主网架结构，但由于与天广直流的电气联系非常紧密，因此天广三回运行中的不安全因素将直接威胁到天广直流的安全稳定运行。曾在罗马线降压运行期间，因罗马线近区（保护测距0.9km）故障导致天广直流（1800MW）双极闭锁，一旦天生桥500kV交流部分发生电气误操作事故，危及的不仅是天广三回，有可能导致天广直流闭锁，甚至整个南方电网解列的严重后果。天生桥500kV交流部分虽然与220kV交流部分、直流部分同建在一个站内，但其监控系统是相对独立的，该监控系统配置了一台独立的五防专家系统工作站（如图1），集微机五防和操作票专家系统于一体，因此对五防专家系统的深入


图1 天生桥换流站500kV交流场监控系统示意图
分析、研究，不仅有利于本站运行维护人员使用和维护该系统，避免误操作事故发生，而且对天广三回乃至整个南方电网的安全稳定运行都具有很重要的意义。
2、五防系统
天生桥换流站直流部分和220kV交流部分监控系统均采用德国西门子公司原装进口设备，为了减少对西门子公司技术上的依赖，天生桥500kV交流部分扩建工程没有采用西门子公司预留的设计方案，配备了一套完整且相对独立的计算机监控系统，与直流场和220kV交流部分监控系统相对独立，采用双冗余以太网配置，分为站控层和间隔层（见图1），站控层设备布置在主控室，包括操作员工作站（2台）、五防专家系统工作站、工程师站、曲线工作站、WEB站、CSM300E以及RTU，间隔层设备布置在现场4#继电器室，站控层和间隔层之间采用光纤通信，所有监控设备均采用GPS对时。五防专家系统工作站挂接在双冗余以太网上，设备由珠海优特公司提供，配置为：商用工控机/20G硬盘/256M内存/WINDOWS NT4.0/UT-2000IV型软件/操作票专家系统软件/DNYS-1C型电脑钥匙/TADP-1B通讯适配器/DNBS-2型电编码锁/DNBS-3型机械编码锁。该系统是根据电气误操作事故的原则设计，实时与监控系统通讯，监测现场设备的状态，根据设备状态和电力系统对倒闸操作的“五防”要求，按照其五防规则进行判断，由操作票专家系统生成倒闸操作票，然后将操作票传送到电脑钥匙[1]，五防功能原理如图2所示。


图2 五防功能原理图
正常情况下将其电脑钥匙插入五防专家系统工作站的TADP-1B通讯适配器，操作员在操作员工作站上进行的每一步操作都将通过五防专家系统的“五防”判断，正确后才能将操作命令发出，当操作员所操作的设备被五防系统判断为不符合电力系统“五防”要求时，本次操作即被取消。如果操作员工作站故障或监控网络通讯异常时，操作员可以将传输有正确操作票的电脑钥匙拿到现场对断路器、隔离开关、地刀等进行倒闸操作。
3、 五防机理
所谓的“五防”是指防止电力系统倒闸操作中经常发生的五种恶性误操作事故：
1）误分合断路器；
2）带负荷拉隔离开关；
3）带地刀（接地线）合隔离开关送电；
4）带电合地刀或挂接地线；
5）误入带电间隔。
随着电子技术的发展和计算机在电力系统领域的广泛应用，电力五防也由最初的一把钥匙开一把锁的机械挂锁，发展到现在的微机五防。微机五防以其智能性，操作灵活方便，能达到防止倒闸操作五种误操作事故发生的目的[2]。
目前国内防误操作装置根据动作原理大致可分为机械型、电气型、电脑型三大类。
1）机械型：可分为直接式和间接式。
直接式有：钢丝弹簧轮轴传动闭锁，机械连杆传动闭锁。
间接式有：钥匙盒闭锁,电控钥匙盒闭锁,简易接地桩,机械程序锁，红绿翻牌等。
2）电气型：电气报警，电气回路闭锁，电磁回路闭锁，高压带电显示装置。
3）电脑型：可分为模拟屏型和微机型五防系统两类。
天生桥站500kV交流场所采用的UT-2000IV型装置属于微机型五防系统，下面对该装置如何实现其五防功能作详细分析。
UT-2000IV型软件系统中已经输入了500kV交流场的电气一次主接线图和每一个设备的操作规则，该系统通过冗余LAN网与监控系统实时通讯，获得现场设备的实际状态，当运行人员在工作站上对任何一个设备进行操作时，五防系统就根据预先编写好的规则对每一项操作进行判断，符合五防规则就允许操作，不符合五防规则的操作就拒绝执行，从而达到了防误的目的。
现场实际中，经常遇到监控系统故障或是某一项操作进行过程中，监控系统出现问题而导致操作无法在运行人员工作站上完成，这时就需要到现场进行操作，怎样实现防误功能，下面将分别进行分析。
3.1对断路器的闭锁：
DNBS-2型电编码锁在电气相当于一个常开接点，它被串接到断路器手动操作回路中，（如图3）


图3 断路器闭锁回路图
电编码锁安装在现地控制柜上，每一把锁的编码都是唯一的，操作员要对现场的每一个断路器的操作，必须将传输有正确操作票的电脑钥匙插入图3所示的DNBS-2型电编码锁孔内，电脑钥匙判断该断路器为要操作的正确设备就将编码锁的两个接点接通，操作员即可对该断路器进行手动操作，操作完毕，电脑钥匙被操作员拔出，该编码锁又恢复其常开接点状态。由于电编码锁是串在手动操作回路中，所以对原有的重合闸和断路器保护没有任何影响。
3.2对隔离开关、地刀的闭锁：
本站500kV交流场的隔离开关和地刀均使用相同的电动操作机构，可以分相操作，也可以三相联动，五防实现对隔离开关和地刀的闭锁方法一样，即在隔离开关和地刀的就地控制箱上装设DNBS-3型机械编码锁，每一个操作机构的锁的编码是唯一的，操作员的电脑钥匙通过探头检测操作的对象是否正确，只有电脑钥匙上存贮的编码和所本身的编码一致时，才允许开锁。如果走错间隔，电脑钥匙不能开锁，并发出警告声提示操作员，达到了闭锁的目的。 3.3对网门、临时接地线的闭锁：
网门的闭锁是通过在门上加装DNBS-3型机械编码锁，临时接地线的闭锁是将接地线固定在一个特殊的接地桩上，在接地桩上加装DNBS-3型机械编码锁，将可以进入网门和装设、拆除接地线的判断条件输入五防系统，开锁时，将输入了正确网门、临时接地线的操作票的电脑钥匙插入编码锁，电脑钥匙通过探头检测操作的对象是否正确，当电脑钥匙上存贮的编码和所本身的编码一致时，允许开锁。由于本站500kV交流场的低压电抗器采用的是玻璃钢绝缘支柱，低抗运行时无须用网门隔离，所以该项功能没有使用。
4、操作票专家系统
操作票专家系统是五防系统实现其五防功能必不可少的部分，操作票流程如下：图形开票（或调用预存票、典型票）→进行五防判断→打印操作票→传送到电脑钥匙→工作站操作（或到现场操作）→通过电脑钥匙回传设备状态（因电脑钥匙故障无法回传时，可以使用操作票回填功能）。操作票专家系统能否开出合格的操作票是该系统能否实现五防功能的关键，其次，操作票专家系统是操作员与该系统的人机接口（HMI），是否符合操作员的操作习惯也是一个很重要的因素。
该操作票系统提供灵活多样的开票方式，图形开票，手工开票，调用预存票，调用典型票。操作员可以根据自己的习惯、爱好选择其中一种适合自己习惯的开票方式，实现同样的开票功能。系统采用开放式设计，给操作员使用带来了很大方便，用户可以自定义设备编号、修改开票术语、自定义操作票样式、对归档数据进行编辑、修改设备的闭锁条件和修改一次主接线图，给系统的扩展带来方便。安全可靠的用户管理模式：可以根据不同操作、维护人员的需要，给不同的用户定义不同的权限，权限不同的用户能使用的功能不同，系统具有很高的安全性。
5、 应用实例
由于场地限制，天生桥500kV交流场最终采用国内少见的四角形接线，如图4所示。罗马线连接云南电网，天马线与天生桥二级电站相连，马百线是天广三回的天生桥到百色段，通过1#联变与天广直流的220kV交流场相连。由四角形接线的脆弱性可知：当某一条线路停运后，只要是与之对角的开关异常跳闸，就将导致整个500kV交流场解体；一台开关处于检修状态，与之相对的开关异常将导致两台开关之间的出线被迫停运。因此一旦发生误操作，所造成的后果将不堪设想，甚至有可能波及到天广直流的220kV交流场，五防专家系统在500kV交流场的安全可靠运行中具有及其重要的作用，下面就投运以来的几个具体实例进行分析说明。


图4 天生桥500kV交流场四角形主接线
5.1 20816隔离开关联锁：
2002年04月25日，交流场启动试验时，按照试验要求从220kV中压侧对1#联变（750MVA）进行充电，由于涌流较大，导致220kV侧281、282交流滤波器谐波过电流，滤波器的电阻、电抗冒白烟，均有不同程度损伤。为避免上述情况发生，通过五防专家系统的联锁逻辑实现了防止联变从中压侧充电。修改后的20816隔离开关的合闸逻辑为：“20816 H：208167=0，2081617=0，301617=0，5004617=0，LBPT=1！”，即20816的合闸条件：208167、2081617、301617、5004617地刀在分位，1#联变高压侧PT有电压。这个条件严格地限制了1#联变只能从高压侧充电，通过在五防工作站上修改逻辑公式，这种通过软件的实现方法比用硬接简单可靠。
5.2 马百线高抗投切逻辑：
带有高抗的500kV线路，启动时必须将高抗接入，运行时不允许将高抗退出。天广三回投运初期，南方电网调度系统开始试点实施调度综合令，加之天广三回属天生桥站第一条带高抗的线路，缺乏高抗相关的运行经验，第一次停电消缺时，调度下综合令：将马百线高抗由运行转为检修状态。操作员草拟的操作顺序为：确认5001已断开→确认5002已断开→拉开50016→拉开5001DK1→合上5001617→合上5001DK17。当执行到拉开5001DK1时，五防专家系统提示五防闭锁该项操作。
由于将高抗从运行状态转为检修状态具有其特殊性，因此5001DK1隔离开关的分闸和合闸逻辑相同：“5001DK1 L（H）：50016=0，5001617=1，5001DK17=0”，即无论是投入还是退出高抗都必须保证线路地刀在合位（5001617=1），只有合上线路地刀对线路和高抗进行放电后，才允许拉开（合上）5001DK1隔离开关退出（投入）高抗，否则可能在拉开（合上）5001DK1隔离开关时因线路感应电在隔离开关触头放电、拉弧，烧伤隔离开关。五防专家系统可以通过软件可靠实现这种复杂的联锁，有效地防止了此类事故的发生。
5.3地刀联锁：
天生桥站交流500kV地刀采用电动操作机构，通过工作站进行远方操作，加之现场的地刀操作机构、端子箱和隔离开关的操作机构、端子箱一模一样，可以进行单相操作也可三相联动，工作站上隔离开关和地刀位置较近，操作中稍有疏忽就有可能酿成大错，因此五防专家系统的可靠联锁就显得非常重要。
五防专家系统对地刀的远方操作联锁通过逻辑公式实现，对现场的操作联锁则通过在操作机构上加装DNBS-3型机械编码锁实现。2002年04月，交流场投运时，由于基建施工人员将1#联变低压侧3016隔离开关两端的地刀（30167、301617）的标示牌装反了，30167和301617地刀位于联变低压侧管母中段，30167地刀位于3016隔离开关的静触头侧，与3016隔离开关没有机械联锁。由于联变低压侧的地刀不能进行远方操作，当操作员带着存贮有专家系统开出的正确操作票的电脑钥匙到现场对301617地刀进行操作时，电脑钥匙显示机械编码锁的锁编码不正确，操作员立即停止操作，通过仔细认真核对后发现30167和301617地刀的标示牌装反了，五防专家系统在刀闸操作中确实起到了不容忽视的作用。
6 结束语
该五防专家系统闭锁功能强，不但能对断路器、隔离开关、地刀进行闭锁，还能对临时接地线、网门等进行闭锁;五防工作站与现场设备之间没有电缆连接，断路器通过电编码锁闭锁，隔离开关、地刀和临时接地线、网门通过机械编码锁闭锁，所有编码锁均有一把电脑钥匙操作，每一步操作电脑钥匙都给出相应的提示；五防系统与监控系统实时通讯，能及时准确地反映设备的当前状态，判断该设备能进行哪些操作，无论是在远方操作还是到现场进行操作，五防专家系统都能正确地进行五防判断，为倒闸操作正确性提供了可靠的保证。该系统自2002年6月投运以来，运行稳定、可靠，通过1年多的实际运行，均能正确实现其五防功能，能有效地防止误操作事故发生，五防专家系统发挥了其应有的作用，值得在电力系统推广、使用。