一种间隔层保护测控装置防误操作的方法

一种间隔层保护测控装置防误操作的方法

0与自动化系统的集成及为提高防误操作提供了条件这五个防御功能将触发能源系统在能源系统运行过程中的设备和维护人员的安全，并将继续发展作为能源系统综合自动化系统的重要功能。为了有效防范电气设备误操作引发的人身和重大设备事故,我国早在1990年就提出了电气设备五防的要求,并以法规形式规定了电气防误的管理、设计和使用原则。防误装置的设计应遵循的原则是:凡有可能引起误操作的高压电气设备,均应装设防误装置和相应的防误电气闭锁回路,并明确规定110kV及以上电压等级的电气设备应优先采用电气防误联锁的设计原则。当前变电站综合自动化系统正向现代紧凑型方向发展。现代紧凑型变电站自动化系统集成可分为间隔层和站控层2个层次。间隔层的集成是构筑一个通用的硬件和软件平台,面向间隔内的控制、保护、监视、操作闭锁、诊断和计量等功能集成在这个通用平台上。通用的软件平台指的是在多功能硬件装置内建立统一的数据输入及数据库和功能软件,从而实现数据共享和功能协调优化,这样,原来间隔内必须执行的功能将不再配置专用的硬件装置。站控层的集成是将自动化需要在站控层处理的各个功能通过站内通信网络组合在统一的系统中,这样,原来面向不同任务的分隔系统和多个通信网络就不再需要,从而简化了网络结构和通信协议。这种简化的网络结构和通信协议为间隔层保护测控装置防误操作的实现提供了充分的条件。目前,一次设备也在向不断智能化的方向发展。SF6断路器的操作能量已减少到最初的20%,并有望进一步减少到10%。操作能量的大幅度减少将断路器的断开与闭合操作由电力电子和微机组成的控制装置执行。实现间隔内自动闭锁和五防功能,保证设备和人身安全已成为集成开关设备系统智能化的重要表现之一。一次设备的智能化也对保护测控装置的功能提出了更高的要求,在间隔层保护测控装置中实现防误操作正是这一发展趋势的需要。在间隔层保护测控装置中实现防误操作,必然会遇到以下问题:①如何建立五防规则库;②如何验证五防规则库;③如何配置五防联锁装置信息;④如何管理五防规则库。对监控后台而言,这4个问题不难解决,但在只有简单液晶显示界面和少量功能键键盘的保护测控装置中解决这些问题就变得较为困难。本文阐述了ISA系列保护测控装置防误操作的实现方法。1间隔层保护测控装置防误操作变电站五防功能的实现方法经历了机械防误、电气防误和微机防误3个阶段。现在普遍应用的系统模式主要由机械锁、电气锁、电脑钥匙和五防主机构成,没有在间隔层保护测控装置中配置任何五防功能。在变电站集控中心或调度远方操作变电站断路器和电动刀闸时,如果远方操作员站没有五防闭锁功能,将很容易引起误操作。此外,在站层监控实时数据库中,变电站开关和刀闸等操作机构的位置信息需经历多个通信环节的影响,很难始终保持较高的实时性。在间隔层保护测控装置中实现防误操作最突出的优点就是实时性,因为站层监控实时库的数据来源于间隔层保护测控装置。在间隔层再加一级防护措施将更安全、可靠,前提是间隔层保护测控装置CPU负载低,通信速率高,现场总线具有足够的带宽并支持全双工通信模式(保证实时响应速度)。图1为有关间隔层保护测控装置防误操作实现的流程图。通过监控后台配置工具建立间隔层保护测控装置的五防规则库的方法直观、方便、易于管理,但如何使装置程序识别规则并独立进行规则校验是我们必须面对的难点。另一个难点是在变电站自动化项目的调试阶段如何高效地验证规则的正确性。这些问题的解决取得了良好的效果和用户反馈。1.1间隔层的通信当前,变电站自动化系统间隔层保护和测控装置有2种典型的组网方式:①作为独立的以太网节点接入站控以太网;②通过工业以太网、CAN、RS-485等现场总线组成子网,再经通信网关接入站控以太网。2种组网方式下间隔层保护测控装置五防规则库的配置和在线校验方式会有所不同,通信网关必须是严格定义下的网关而不是传统的通信管理机。也就是说,通信管理机完全不是数据源,因为无论采用何种查询方式,它的采集数据并不完全实时。在网关应用角色下,通信管理机所承担的工作就是协议转换和路由的作用。装置间相互通信获取联锁实时信息,这是系统对间隔层保护测控装置提出的全新要求。显然,通信在间隔层五防的实现方案中扮演了极为重要的角色。在间隔层主要采用工业以太网和CANBus的通信方案,装置之间可以相互通信。考虑到间隔层保护测控装置的数目较多,在工业以太网情况下采用UDP协议而不是TCP协议。1.2保护测控装置五防规则库的存储保护测控装置软件开发采用分层及模块化设计方法,ISA系列保护测控装置目前采用32位DSP嵌入式平台,与间隔层防误闭锁操作相关的模块主要有以太网通信模块、CAN网通信模块、控制命令接口模块、五防规则库及控制出口模块等。模块间的关系如图2所示。间隔层每个保护测控装置的五防规则库是站控层五防规则库的子集。五防规则库的中间码按遥控通道的索引存储在Flash存储器中。保护测控装置防误闭锁分为间隔内闭锁和间隔间联锁:间隔内闭锁因为实时库就在装置本地而变得简单;间隔间联锁的信息一部分来源于装置本地,另一部分则来源于联锁装置。保证联锁装置信息的实时性,是间隔层防误闭锁的重点。显然,获取装置联锁信息的查询方法有2种:定时巡检和实时查询。定时巡检实现起来相对容易,但是为了保证实时性,巡检周期不能太长,这就增加了现场总线的负荷。实时查询是在遥控选择命令到达后启动联锁通信,所要考虑的问题是能否及时发送遥控返校信息。遥控返校的超时通常大于15s,经过10台装置的有效测试发现这种方法可在3s内完成。遥控选择命令启动通信的方法是最终的解决方案。1.3防规则智能校验遥控命令的执行过程可按有五防闭锁和无五防闭锁进行分类。装置对每个遥控通道设置五防闭锁投退软压板,软压板投入的遥控通道收到遥控选择命令时,将进行五防规则校验。具有五防闭锁功能的遥控通道的闭锁规则又分为间隔内闭锁和间隔间联锁2种情况,本间隔闭锁因为实时库就在本装置而变得简单。在此仅讨论间隔间联锁的遥控过程。具体实现过程如图3所示,包括:①遥控选择命令到达;②从Flash存储器调入对应遥控通道五防规则脚本执行码;③判断是否有联锁,如果有联锁则先启动联锁通信,获取实时数据,没有联锁则直接进入下一步;④将五防规则中间码输给脚本引擎;⑤根据运算结果回送遥控返校正确/失败。2脚本语言的设计建立五防规则库是实现五防功能的重要环节,五防规则库的可读性非常重要。采用表格的方法建立规则库方法繁琐、可读性也差。建议设计一种脚本语言,在装置程序中加载脚本引擎,将装置程序的升级和五防规则的建立分离开来,做到规则的建立和装置程序无关,这样实现间隔层五防功能将变得非常容易。对于不同的用户要求和不同的五防规则,只需用这种语言编写不同的规则脚本,不会影响原有应用程序的稳定性。我们设计了一种类BASIC的脚本语言ISAScript。2.1isascript的开发脚本语言是一种解释性语言,需要脚本虚拟机才能运行。脚本程序自身与硬件平台操作系统无关,而脚本虚拟机与硬件平台及操作系统相关。脚本的执行方式有2种:解释执行和编译执行。解释执行的效率较低,而且不适于在装置中运行,所以选择编译执行方式。脚本的编程和编译在PC机执行,针对这一点选择VC++为开发工具,开发ISAScript的编译器。编译器的开发辅助工具有很多,YACC(yetanothercompiler-compiler)是目前较为流行的compiler-complier。不采用YACC主要是基于以下考虑:①ISAScript的文法较简单,采用自顶向下的递归下降分析方法;②YACC接受的文法是LALR(1)文法,相对于自顶向下的递归下降分析方法要复杂得多。本文主要描述ISAScript脚本语文的设计及其在间隔层五防实现中的应用。关于编译原理只是术语的引用,不进行解释。为了描述方便,将按照编译器基本组成的顺序来阐述ISAScript语言和编译器的设计思路。编译器的基本构成见图4。2.2基于不同所使用的标记词法分析程序将字符流变为记号流并将词法分析程序设计为子程序,每当语法分析程序需要一个单词时,调用该子程序。ISAScript脚本程序由标识符组成,而标识符又由字母、数字、标点符号组成。根据标识符的功能,脚本程序中所使用的标识符可分为:保留字、变量、数值和操作符。保留字有:dim,if,then,else,endif,repeat,until,return,not,and,or,integer,real,bool,get,put,print。变量的定义以字母开头,可以包含26个字母和数字。除了前面提过的别名和实时库变量的使用外,变量在使用之前必须明确定义其类型。变量类型有:integer(整型),real(实型),bool(布尔型)。数值的含义比较简单,就是整数和浮点数,由数字和小数点构成。操作符有:赋值运算符(:=)、关系运算符(>,<,=,>=,<=,<>)、加减乘除运算符(+,-,*,/)。2.3编码的父规则语法树是程序结构的一个树形表示,搜索语法树的结点信息,并将这些信息翻译为中间代码。在规则之间需要传递信息,例如:当发现一个符号时把它送入符号表,编译程序还希望它的父规则(事实上使用此标识符的规则)在符号描述中也要能够被访问。父规则有一个指针指向它的几个子规则。本质上规则是分层的,同一个父规则的子规则处于同一层,并能互访。子规则能够返回一个值到父规则。程序定义一个数据结构TreeNode()来构造语法树的结点。程序采用自顶向下的递归分析方法来构造语法树,语法树支持右递归规则,不允许左递归。2.4通用汇编码编译程序所使用的中间码有多种形式,ISAScript采用的是目前编译器普遍采用的四元式。四元式的4个组成部分为:算符op、第1个运算对象arg1、第2个运算对象arg2以及运算结果result。四元式类似于三地址指令,因此可看成一种虚拟机的通用汇编码。编译器使用指针管理中间码,而不是立即产生代码到一个大的数组。这样做有2个好处:①使用指针便于代码片段的连接,而且去掉某些指令时不需要更新所有的跳转,优化也因此变得相应简单。②编译器更容易改写指令来适应新的虚拟机,因为只需改变从中间代码到最终代码的翻译步骤。2.5基于dsp的脚本虚拟机设计与实现虚拟机是脚本引擎中非常重要的组件。设计时将焦点集中到速度上。编译器用寄存器进行操作而不是堆栈,堆栈只在函数传递参数时使用。因此设计的虚拟机是加载(load)/存储(store)型机器,在运算时必须加载每个用到的值,在计算后存储每个结果。就虚拟机设计而言,堆栈机器非常容易实现,因为当计算一个表达式时不需要临时变量来存储中间结果,而是把所有数据放入堆栈。但三地址代码更84直观,因此更容易优化。这是选择加载/存储机器模型的理由。虽然脚本虚拟机最终是在ISA系列装置的32位DSP平台上运行,但是可以在PC机上设计和开发。考虑到DSP软件开发系统支持的是GNUC标准,在设计脚本虚拟机实现程序时也按这个标准来编程。在PC机上测试正确后再进行移植,并和装置的应用程序合并。2.6基于预动设备的预动编码中间代码非常易于被脚本虚拟机理解。五防规则的脚本程序可读性更强。与单装置有关的五防规则存储在装置的Flash存储器中,对脚本进行预编译,再将正确的脚本下装并存储在装置中,可以随时提取和查看。这种方法可以节省存储空间,但脚本的翻译工作在装置上需要再运行一次,脚本虚拟机代码因为包含翻译工作而变得庞大起来,同时,这一方法也牺牲了五防规则的校验速度。为了实现速度和可读性的一种均衡,对上述方法进行改进,即把中间码翻译为虚拟机可以执行的二进制机器码,机器码和五防规则脚本均下装到装置。2.7控制板及隔离刀闸的操作规则以发电厂220kV升压站双母线主接线开关的电动隔离刀闸的操作规则为例,说明如何用脚本建立五防规则。部分主接线如图5所示。断路器183及所有刀闸都是可控的,它们的位置信息由一台PRS741测控装置采集,PRS741最多可提供8个遥控对象的遥控通道。隔离刀闸1833的合操作规则为:断路器183处于分位置,接地刀闸1836,18336,18316处于分位置。用ISAScript建立的五防规则库为:返回值为1表示可以遥控,为0表示闭锁。3防平台配置因为五防规则脚本的编译和测试工作主要在监控工作站完成,为了直观反映信息点与一次设备的对应关系,在编写规则库时需要从站控层数据库中提取设备的名称。在无人值班的集控中心模式下,只需就地配置五防规则库。根据上述需求,开发了间隔层五防规则库配置工具。配置工具具有下述功能:①从站控层监控系统数据库导入厂站、间隔、装置和五防规则库信息;②配置装置参数(装置型号、通信端口和地址);③提供脚