发变电站的微机型防误闭锁装置的研究与设计

1发变电站的微机型防误闭锁装置的研究与设计黎文安（武汉大学，湖北武汉，430072）1概述微机型防误闭锁系统是用于防止电力系统误操作的一种新型多功能闭锁系统，适用于35kV～500kV各种电压等级、任意复杂接线的变电站和发电厂。具有以下功能和特点：a)闭锁功能强：不仅能对断路器、隔离开关、接地刀闸进行闭锁，而且能对临时接地线、柜门等进行闭锁，还可以实现旁路母线充电、倒母线操作等复杂的闭锁功能。b)既可以通过监控机自动对位，又能让工作人员根据现场状态对五防机上的主接线图进行手工对位。c)工作人员能在五防主机上进行模拟操作，模拟操作之后，五防主机能进行模拟演示。d)能按五防规则检验和指示模拟操作中的误操作。e)能自动生成操作票，并具有完善的操作票管理功能（如操作票的编辑、保存、预览、打印以及历史操作票的查看等）f)系统管理员可以根据五防规则编辑可操作设备的分、合规则。g)系统管理员可以修改和绘制变电站主接线图。h)能记录和显示安全运行天数。i)能对操作人员进行管理和记录。j)能自动显示电分布。k)电脑钥匙能按照操作票的顺序完成相应设备（开关、刀闸、地刀、地线和柜门等）的操作，若操作人员未能按指定顺序操作指定设备，电脑钥匙将给出报警和文字提示。l)电脑钥匙具有自学功能，对于不同的变电站只需要进行一次自学习，电脑钥匙便能使用。m)电脑钥匙采用光电采码，采码可靠。n)电脑钥匙的采码头和操纵机构一体化，可靠性高。o)可以通过电脑钥匙的操作票回传实现虚遥信传送。p)能与综合自动化系统连接。q)该系统完全面向用户，修改和维护极其方便。2防误系统的系统结构2．1基本方案的选择根据“工作量小，维护简单，闭锁功能全方位”的原则，在方案的选择上，我们采用微型计算机替代常规厂站内的模拟盘演示机构，信息来源分实时采集的信息与间接采集的信息两部分。实时信息的采集不是采用引入辅助节点，通过铺设电线、电缆采集的常规办法，而是通过与变电站综合自动化系统进行数据交换或并行接收变电站内远动装置上传信息而获得站内的通过有辅助节点取得的状态的信息；间接采集信息（也称虚遥信）则是通过站内的电脑钥匙下现场对没有铺设辅助节点的操作对象（如网门、地刀、临时地线、刀闸等）采用机械编码锁进行采集，然后向防误主机上传这些状态信息，从而使防误主机获得这些虚遥信状态，这样防误主机就能全方位地监视全站的所有操作对象的状态，为操作员提供一个真实2可靠的操作演示平台。防误主机显示的信息是实时的，采用无节点的采集方式，不存在常规方法中因接触不良而导致状态不准的现象，因而在此基础上演示通过的操作票显然是安全的，符合安规操作的。2．1．1微机防误闭锁系统第一组成方式该系统是与变电站综合自动化系统配套的双机系统模式，其结构如图1。微机型防误闭锁系统第一组成方式的特点：变电站综合自动化系统与防误闭锁系统从硬件上完全分开，用一台专门的微机作为防误主机，并配有自己的键盘、鼠标、显示器和打印机。在五防机上进行操作票预演、与电脑钥匙通信等操作对监控机无任何影响，运行人员可以在监视和控制变电站运行情况的同时进行防误操作。在五防机上进行各种模拟操作都不会影响整个系统的正常运行，这对于运行人员的培训非常方便。监控机与五防机之间通过串行口通信，实现实时信息的共享，来自监控系统各机柜的实时信息由监控机传给五防机，使五防机上的模拟图与实际变电站状态完全一致，规则校验在实时状态下进行。五防机将电脑钥匙上送的有关信号量传给监控机，可以在监控机上监视，五防机上发出的开关分、合等上机操作的命令传给监控机，由监控系统的执行机构输出执行。曾经有人提出并研制出微机防误闭锁系统与综合自动化系统的监控主机合二为一的综合型单机系统模式（以下简称“二合一”模式）。从硬件上看，这种模式是在变电站综合自动化系统的基础上增加了电脑钥匙和编码锁；在软件部分将监控模块和防误模块组合起来，装在同一台微机上，使该微机既作为监控系统的后台机，又作为防误系统的主机，称为监控五防一体机。与双机系统相比，这种系统配置节约了一台微机及配套的硬件设备，仅从软件上增加功能模块，使监控、五防合为一体。这样，充分共享CPU、显示器、打印机等硬件资源，各种实时信息可直接相互引用而不必传送，节约了数据传输的时间，节省了硬件投资费用。但是，由于共享CPU对各自的处理有一定的影响，例如在操作预演时，事件记录可能PC机（五防机）PC机（监控机）显示器、键盘打印机、鼠标显示器、键盘打印机、鼠标光电隔离器光电隔离器综合自动化系统主机柜电脑钥匙数据采集柜控制柜保护柜编码锁图1微机型防误闭锁系统第一组成方式3丢失或开关变位后操作不再符合规则等；共用显示器等外设，对于同时进行监控和防误操作也不方便，不便于运行人员的培训。鉴于诸多原因，我们认为这种方式不可取。2．1．2微机防误闭锁系统第二组成方式该系统是适合于常规变电站、电厂，采用常规远动装置环境的模式，其结构如图2。微机防误闭锁系统第一组成方式：微机防误闭锁系统第一组成方式的硬件结构非常简单，只需在原有的RTU与调度的通信电缆上引出一对上行通信电缆，经过调制解调器解调后，接到主机的串行口即可。从防误功能上看，传统变电站多使用红绿翻牌、机械锁等装置闭锁，功能单一、可靠性差。使用该系统取代原有的装置，投资不多，改造工作量也不大，但“五防”功能齐全，操作简单，可靠性大大提高。图2所示的微机防误闭锁系统第一组成方式是针对常规变电站的要求开发的，适用于老站的改造，它充分利用已有RTU上送调度所的实时信息，完成开关状态的监视和防误的功能。实时信息（状态量）的采集通过监视RTU上送调度的数据实现。RTU上送至调度的信息包括遥信量、遥测量、电度量等各种实时数据，只要监视它们的通信报文，根据所采用的通信规约，就可提取到RTU上送的有用实时信息。对于RTU没有上送的那些信号量，如刀闸、网门等设备的状态，可由电脑钥匙上送。这样，在显示器上可以监视到变电站现场的开关状态，保证操作预演在实时环境下进行。2．1．3微机型防误闭锁系统第三组成方式该系统适合于既无综合自动化系统，又无RTU的常规变电站、电厂，其结构如图3。显示器PC（五防机）打印机、键盘、鼠标光电隔离器电脑钥匙编码锁MODEM调度RTUYC、YX、YM、YT/YC图2微机防误闭锁系统第二组成方式4微机防误闭锁系统第三组成方式：由于该系统是运行在既无综合自动化系统、又无RTU的老变电站，所以全部开关、刀闸、网门、地线的状态都得由电脑钥匙采集，全部操作都由电脑钥匙完成。2．2电脑钥匙方案的选择电脑钥匙具有双重功能，它在防误系统中的作用和地位是举足轻重的。第一，它能完成全部操作过程中的闭锁功能；第二，它可完成虚遥信状态位置的采集并上传给防误主机的功能。1）电脑钥匙应具备：通信、解锁、操作票浏览、设备状态采集等基本功能。2）电脑钥匙用电池供电，应具备功耗低、连续工作时间长的特点。3）电脑钥匙应具备失电记忆功能。4）电脑钥匙应能实现各变电站互换，具有良好的通用性。5）电脑钥匙为方便操作人员使用，应采用汉字点阵显示，且应自带背景光源。6）电脑钥匙直接控制各种锁具，应于锁具配合良好、开启灵活，无摩擦、卡涩现象。7）电脑钥匙为手持仪器，应轻巧、美观、易携带，特别是电脑钥匙的宽度、厚度应符合人体工程学的要求，使操作人员使用方便。8）电脑钥匙经常工作在电磁干扰强、环境恶劣的室外，，应具有可靠性高、电磁兼容能力强的特点。电脑钥匙用于在操作过程中接收五防主机发出的操作票，然后按照操作票内容依次对电编码锁和机械编码锁进行解锁操作，也即对运行人员进行的实际操作进行监控，在操作过程中，电脑钥匙给出操作提示，运行人员应按照电脑钥匙的提示逐步进行正确的操作，若运行人员的实际操作与电脑钥匙的提示不符，电脑钥匙将发出报警并强制闭锁，从而有效地避免了误操作事故的发生。电脑钥匙采用工业级集成芯片制造，性能稳定可靠，使用128×64点阵液晶汉字显示屏，具有可控背景光源，使用方便。采用了2000mAh大容量镍氢可充电电池，体积小，连续工作时间长。另外，还具有掉电数据记忆、滚动菜单提示和单键选择确定等功能，使电脑钥匙功能更加完善。图3微机防误闭锁系统第三组成方式显示器PC机（五防机）打印机、键盘、鼠标光电隔离器电脑钥匙编码锁53防误系统的闭锁原理微机防误闭锁系统由三个部件组成，即由防误主机、电脑钥匙、编码锁等组成，从软、硬件两方面对操作进行闭锁。其操作过程分预演操作和实际操作两步。3．1预演操作本系统事先将操作运行规程、电气防误操作接线图（简称一次接线图）及所有开关、刀闸、网门等设备的操作规则保存在微机中，当运行人员在防误接线图上进行模拟操作时，系统会根据当前实时的运行状态检验其模拟步骤是否符合规则，若操作违背了规则，系统将推出对话框，提示正确的操作步骤及有关的操作元件名称和编号；若符合规则，系统将确认你当时的操作步骤，并自动将该步骤登记在当前操作票上。基于引入的操作规则和实时信息，系统能有效地防止操作票的各种误操作项的出现，保证了操作票的正确性。模拟操作后，可以按照规定的格式打印出一张完整且合格的操作票。3．2实际操作现场实际操作分三类：上机操作、手动操作和提示性操作。1）上机操作：它是通过防误主机向监控机发送遥控操作命令，通过变电站综合自动化系统或具有相同功能的厂站端监控设备的执行机构输出执行操作。2）手动操作：需要运行人员运用电脑钥匙按票项的顺序打开操作机械上的编码锁，才能进行的各项操作。3）提示性操作：不需要实际动手操作的一些提示信息，如验电、确认刀闸在合（分）位置等。操作预演后，防误主机通过串行口将已检验过的操作票传送给电脑钥匙，现场实际操作被严格强制按照预演后生成的操作票顺序步骤进行。现场操作时需运用电脑钥匙去开编码锁和确认提示性操作，只有当编码锁与电脑钥匙中存放的操作票所对应的锁号完全一致时，才能开锁，并进行操作。此项操作完毕后，电脑钥匙才能开启下一步操作项对应的编码锁。这样就将操作票与硬件操作一一对应，杜绝了误走间隔操作事故的发生，保证操作的正确性。操作人员在操作到应该上机操作或现场操作完毕时，须将电脑钥匙插回到防误主机串行口上，主机根据电脑钥匙上送的操作步数，参照所开的操作票，得到被操作设备的实际状态信息，更新已操作设备状态至当前实际状态。同时判断操作票是否已执行到应该上机遥控操作，若操作完毕，且实时遥信状态返回后，才可进行下一步操作。在遥控之后还需要电脑钥匙进行现场开锁操作时，主机将当前操作步骤传给电脑钥匙，以提示操作人员进行下一步的操作内容，如此反复操作，直到整个操作结束。由此看出，整个实际操作过程均在防误主机、电脑钥匙和编码锁的严格闭锁下，强制操作人员按照经过站内现行规则检验合格的操作票步骤进行（包括遥控开并），从而能够达到软、硬件全方位的防误操作闭锁。64防误系统的关键技术4．1元件搜索在防误操作中，有两种情况必须进行递归搜索。第一，临时地线的操作。临时地线的挂上和拆除会影响其它元件（刀闸、开关等）的分合规则。因此在进行临时地线的挂、拆操作时，系统必须进行递归搜索并自动修改与之相关元件的操作规则。第二，显示电分布。对主接线中每一个元件的操作都可能改变电分布状态，要正确显示电分布，必须进行全面的递归搜索，并分析其拓扑结构。4．2操作规则的引入操作规则是操作票预演和现场实际操作的依据，它包括所有操作元件和对应的锁号、操作条件等。本系统采用逻辑表达式描述操作元件的闭锁条件，很复杂的操作条件用简单的布尔代数式表示出来，使得规则的录入、修改很方便。4．3资源共享操作规则校验要在实时状态下进行，必须引入所需的实时信号量，为避免硬件重复，系统利用了已有的实时信息和控制平台，对于综合自动化变电站和传统变电站等不同模式，采用不同的方法实现资源共享。实时信息的采集不是采用引入辅助节点，通过铺设电线、电缆采集的常规办法，而是通过与变电站综合自动化系统进行数据交换或并行接收变电站内远动装置上传信息而获得站内的通过有辅助节点取得的状态的信息；间接采集信息（也称虚遥信）则是通过站内的电脑钥匙下现场对没有铺设辅助节点的操作对象（如网门、地刀、