基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡(luò)型防誤閉鎖系統(tǒng)研究

方家麟

摘 要： 在分析了傳統(tǒng)的機(jī)械式、電氣式和微機(jī)式三種防誤閉鎖系統(tǒng)存在的問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了利用發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡(luò)型防誤閉鎖系統(tǒng)方案，首先確定了變電站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的識(shí)別方法和閉鎖方式，然后分別對(duì)該新型防誤閉鎖系統(tǒng)的硬件和軟件加以詳細(xì)介紹，基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡(luò)型防誤閉鎖系統(tǒng)不僅解決了傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)存在的問(wèn)題，而且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： 防誤閉鎖系統(tǒng)； 網(wǎng)絡(luò)型； 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 電網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN711?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）09?0156?04

Abstract： The problems existing in traditional three anti?misoperation locking systems of mechanical type， electrical type and microcomputer type are analyzed. For the above problems， the advanced network technology used to design the networked anti?misoperation locking system scheme for the substation based on topology structure is proposed. The identification method and locking mode of the network topology structure for the substation are determined. And then the hardware and software of this new anti?misoperation locking system are respectively introduced in detail. The networked anti?misoperation locking system for the substation based on topology structure can solve the problems existing in traditional anti?misoperation locking systems， and is easy to realize automation. The system has a practical guiding significance.

Keywords： anti?misoperation locking system； network mode； topology structure； power grid

如今，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模也越來(lái)越大，但是，電氣誤操作造成損傷的案例卻時(shí)有發(fā)生。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的增大，電氣誤操作產(chǎn)生的危害也越來(lái)越大，它可以在一瞬間讓電網(wǎng)大面積的停電，讓生活和生產(chǎn)受到極大影響，它可以讓一些價(jià)格昂貴的電力設(shè)備在瞬間毀壞，更有甚者造成人員傷亡。避免類(lèi)似事件發(fā)生的系統(tǒng)，統(tǒng)稱(chēng)為防誤閉鎖系統(tǒng)。防誤閉鎖系統(tǒng)，就是利用自身既定的程序閉鎖功能，裝設(shè)在高壓電氣設(shè)備上以防止誤操作的裝置系統(tǒng)。雖然這一系統(tǒng)可以有效地降低誤操作導(dǎo)致不良后果的概率，但是目前該系統(tǒng)依然存在不少問(wèn)題：首先，防誤閉鎖系統(tǒng)的自動(dòng)化程度太低，在系統(tǒng)的倒閘操作中增設(shè)了許多人為的操作解鎖或閉鎖的動(dòng)作，導(dǎo)致過(guò)程耗時(shí)很長(zhǎng)，不僅效率低而且耗費(fèi)操作者大量的體力，增加了勞動(dòng)強(qiáng)度。另一方面，電力系統(tǒng)發(fā)展出現(xiàn)了新的趨勢(shì)，如無(wú)人值班變電所、電動(dòng)操作設(shè)備的增多以及監(jiān)控中心的建立，這些要求傳統(tǒng)的防誤閉鎖系統(tǒng)必須進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，以適應(yīng)電力系統(tǒng)的新發(fā)展。因此，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)達(dá)的今天，要充分發(fā)揮現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融入到變電站的防誤閉鎖系統(tǒng)中，使其在設(shè)計(jì)理念和科學(xué)技術(shù)上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和突破。

1 傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)分析

以往在發(fā)電廠(chǎng)或變電所等的電氣生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中，為了達(dá)到規(guī)定的“五防”要求，發(fā)展形成了一些防誤閉鎖系統(tǒng)，本文首先對(duì)這些傳統(tǒng)的防誤閉鎖系統(tǒng)（裝置）作簡(jiǎn)要介紹，并分析存在的問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題，提出基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡(luò)型防誤閉鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1.1 傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)類(lèi)型

傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)按照閉鎖方式的不同，大體可以分為三種類(lèi)型：

（1） 機(jī)械式防誤閉鎖系統(tǒng)。在機(jī)械鎖防誤閉鎖系統(tǒng)中，有機(jī)械程序鎖和機(jī)械聯(lián)鎖之分，但無(wú)論何種，這種防誤閉鎖系統(tǒng)，都是純機(jī)械系統(tǒng)，利用特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)電氣系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)、刀閘等電氣設(shè)備的操作實(shí)行機(jī)械目標(biāo)定位來(lái)實(shí)現(xiàn)閉鎖功能。程序鎖是置換或充分利用鑰匙隨操作源程序傳遞而達(dá)到開(kāi)鎖先后操作的基本功能要求；聯(lián)鎖是指在開(kāi)關(guān)柜的操作部位之間，充分利用聯(lián)動(dòng)與互相制約的機(jī)械構(gòu)件實(shí)現(xiàn)先后運(yùn)動(dòng)的基本閉鎖功能。

（2） 電氣式防誤閉鎖系統(tǒng)。電氣鎖是在機(jī)械鎖的基礎(chǔ)上引入電磁控制。電和磁的相互轉(zhuǎn)化使得電氣的控制更加方便，有效的利用電磁鎖的基本構(gòu)件鎖栓對(duì)網(wǎng)門(mén)、刀閘等電氣設(shè)備的操作把手來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械的基本定位控制，并利用控制電路的通電和斷電實(shí)現(xiàn)被控制開(kāi)關(guān)或閘刀的開(kāi)與合。

（3） 微機(jī)式防誤閉鎖系統(tǒng)。微機(jī)鎖則是在電氣鎖的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，把多點(diǎn)處的電氣鎖進(jìn)行串聯(lián)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)多個(gè)電氣鎖進(jìn)行控制，就形成了微機(jī)鎖防誤閉鎖系統(tǒng)。該防誤閉鎖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)防誤閉鎖的基本數(shù)字化功能，而且還可以實(shí)現(xiàn)很多更具有挑戰(zhàn)性的防誤閉鎖功能。

1.2 傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題

傳統(tǒng)的三種防誤閉鎖系統(tǒng)，依然存在不少問(wèn)題，主要有以下幾方面：

（1） 走空程。所謂的“走空程”，就是指開(kāi)鎖后不經(jīng)操作即跳入下一步。在傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)中，這是最突出的問(wèn)題，而且一直沒(méi)能找到很好的技術(shù)措施，大多是依靠操作人員的責(zé)任心，人為因素導(dǎo)致事故的風(fēng)險(xiǎn)依然很大。在微機(jī)防誤閉鎖系統(tǒng)中，為解決這一問(wèn)題，設(shè)置了檢位鎖，這樣又引起了新的問(wèn)題，一方面使得設(shè)備的維護(hù)量大大增加，另一方面使得操作異常繁瑣，總給人一種得不償失的感覺(jué)。

（2） 無(wú)實(shí)時(shí)對(duì)位。在機(jī)械式或電氣式防誤閉鎖系統(tǒng)中，在倒閘操作中，對(duì)保護(hù)的投、退以及開(kāi)關(guān)操作電源的拉、合等一些危險(xiǎn)點(diǎn)很難實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制閉鎖，達(dá)不到保護(hù)的效果。而微機(jī)防誤閉鎖系統(tǒng)中的電腦鑰匙又無(wú)法得到相關(guān)設(shè)備的變位信息，這又是一個(gè)隱患。

（3） 無(wú)法自動(dòng)化。電力系統(tǒng)的擴(kuò)大與系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜化急需對(duì)變電站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。但傳統(tǒng)的三種防誤閉鎖系統(tǒng)基本采用了“Key+Lock”的模式，這一模式根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此與變電站控制發(fā)展的大趨勢(shì)背道而馳。

2 基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡(luò)型防誤閉鎖系統(tǒng)

設(shè)計(jì)

基于傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)存在的問(wèn)題，充分利用現(xiàn)代發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)防誤閉鎖系統(tǒng)在理念和技術(shù)上的創(chuàng)新和突破，達(dá)到實(shí)時(shí)在線(xiàn)、根據(jù)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)防誤閉鎖系統(tǒng)的響應(yīng)功能，下面就基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡(luò)型防誤閉鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案加以描述。

2.1 電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表示

如今電網(wǎng)規(guī)模越來(lái)越大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，這樣的結(jié)果就是電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)越來(lái)越多，如果仍然采用傳統(tǒng)的鄰接矩陣法，以窮舉遍歷的形式描述兩個(gè)保護(hù)對(duì)象是否存在電氣連接效率會(huì)大大降低。其實(shí)，盡管電網(wǎng)規(guī)模龐大，但是電網(wǎng)保護(hù)對(duì)象關(guān)聯(lián)的支路是不變的，通常情況下，母線(xiàn)關(guān)聯(lián)一般有二十幾個(gè)支路，其中變壓器為三個(gè)支路，一般線(xiàn)路要關(guān)聯(lián)兩個(gè)支路。在實(shí)際操作中，可利用雙層的鏈表體系表示出某斷路器的相鄰節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，如圖1所示，斷路器指向某斷路器的狀態(tài)信息，鏈接[n]指向與本斷路器近鄰的斷路器信息狀態(tài)，因斷路器均有正負(fù)極性端，因此雙層鏈表的一層指正極性端直接相鄰的接點(diǎn)信息，另一層指負(fù)極性端直接相鄰的接點(diǎn)信息。

在實(shí)際情況中，電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)因運(yùn)行方式的不同而有所不同，需要根據(jù)實(shí)時(shí)的狀態(tài)信息進(jìn)行判別，看相鄰斷路器是否具有電氣連接的條件，以便保護(hù)裝置。圖2是對(duì)一個(gè)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行上述拓?fù)涞睦印?/p>

2.2 閉鎖方式確定

對(duì)于變電站而言，需要設(shè)置防誤閉鎖的對(duì)象只有遙控操作和手動(dòng)操作兩類(lèi)，前者像斷路器，后者如地刀。遙控操作設(shè)備不需要人員到場(chǎng)，除非緊急情況遙控失靈，而手動(dòng)操作設(shè)備，需要人員到場(chǎng)才能操作。因此，防誤閉鎖系統(tǒng)只要針對(duì)這兩類(lèi)設(shè)備設(shè)置防誤閉鎖就可以解決問(wèn)題。

根據(jù)以上分析，確定基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡(luò)型防誤閉鎖系統(tǒng)中采用的閉鎖方式為：第一種方式是在刀閘的支路中串接一個(gè)接點(diǎn)，然后用現(xiàn)成控制器控制該點(diǎn)，這種方式主要用于遙控操作，其原理如圖3所示；第二種方式是在電磁鎖的支路中串聯(lián)一個(gè)接點(diǎn)，這種方式主要用于手動(dòng)操作的設(shè)備，這種電磁鎖是另外配置的，如圖4所示。

2.3 硬件系統(tǒng)

基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡(luò)型防誤閉鎖系統(tǒng)的硬件設(shè)備包括以下幾個(gè)部分：

（1） 閉鎖接點(diǎn)：主要用于監(jiān)控某些設(shè)備的閉鎖和位置狀態(tài)，閉鎖接點(diǎn)的通斷，由直流固態(tài)繼電器控制。閉鎖點(diǎn)可以探測(cè)出被控制設(shè)備的實(shí)時(shí)狀況，并將這種狀態(tài)傳送到監(jiān)控的主機(jī)，這樣就可以很好的防止發(fā)生“走空程”。在某些情況下執(zhí)行倒閘的基本操作時(shí)，控制器要將接到的主機(jī)傳出的狀態(tài)命令解讀，然后將解鎖的發(fā)出信號(hào)再發(fā)送給閉鎖接點(diǎn)，閉鎖接點(diǎn)接到該狀態(tài)信號(hào)后，在其內(nèi)部電路將實(shí)現(xiàn)通電，這樣就可以實(shí)現(xiàn)解鎖功能。當(dāng)系統(tǒng)操作人員操作任務(wù)完成以后，閉鎖接點(diǎn)的內(nèi)部電路會(huì)檢測(cè)到設(shè)備操作完成后的狀態(tài)信息，會(huì)自動(dòng)中斷電源通路，這時(shí)的閉鎖接點(diǎn)進(jìn)入閉鎖狀態(tài)。

（2） 現(xiàn)場(chǎng)控制器：它的主要作用是依據(jù)本地設(shè)備的狀態(tài)信息，控制間隔內(nèi)設(shè)備閉鎖接點(diǎn)的通斷，自主的完成間隔內(nèi)設(shè)備的邏輯閉鎖操作。如果操作員在本地操作或防誤主機(jī)發(fā)生故障，并觸發(fā)間隔級(jí)防誤功能時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制器會(huì)呈現(xiàn)聲光報(bào)警單元發(fā)出報(bào)警指令，同時(shí)會(huì)檢驗(yàn)間隔帶電單元實(shí)施自動(dòng)閉鎖，實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘會(huì)記錄下故障或誤操作的發(fā)生情況。

（3） 總線(xiàn)接口：本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用串口轉(zhuǎn)CAN總線(xiàn)接口的技術(shù)方案，其接口卡主要由三大組件構(gòu)成，包括串口接口電路、微控制器與CAN總線(xiàn)接口電路，使其達(dá)到主機(jī)與CAN總線(xiàn)連接的功能。

（4） 通信網(wǎng)絡(luò)：對(duì)于設(shè)備和控制器間的通信設(shè)計(jì)，要使用CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將串口轉(zhuǎn)CAN總線(xiàn)接口卡、防誤主機(jī)，然后用施工現(xiàn)場(chǎng)控制器組成現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)間隔級(jí)設(shè)備與防誤主機(jī)的通信功能。

2.4 控制器軟件

現(xiàn)場(chǎng)控制器是一個(gè)間隔內(nèi)的核心設(shè)備，控制器負(fù)責(zé)管理間隔內(nèi)的所有閉鎖接點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)控制器中斷服務(wù)程序與引導(dǎo)程序Program0的流程如圖5所示，現(xiàn)場(chǎng)控制器的應(yīng)用程序在通電和復(fù)位后都要從Program0的入口執(zhí)行基本操作，其流程中首先需要判斷此次復(fù)位是否是由于接收到編程命令后操作的，即標(biāo)志位ISP是否等于I，如果不是，要將程序指令引導(dǎo)到Program1；如果是，要等待接收編程數(shù)據(jù)?？偩€(xiàn)和Program0的通信要采用中斷方式。當(dāng)有報(bào)文接收時(shí)，要執(zhí)行中斷服務(wù)操作程序，對(duì)報(bào)文進(jìn)行保存操作，并返回中斷口；當(dāng)CAN總線(xiàn)中斷返回以后，Program0會(huì)對(duì)Program1重新進(jìn)行編程，直到收到結(jié)束報(bào)文。這時(shí)，置VIS=1，ISP=0，使Program1可見(jiàn)并調(diào)用其中的程序運(yùn)行。

現(xiàn)場(chǎng)控制器的終端用戶(hù)主程序Program1的主要功能是負(fù)責(zé)管理間隔內(nèi)的所有閉鎖接點(diǎn)，并定期對(duì)閉鎖接點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，保存到內(nèi)部E2PROM中，并隨時(shí)提供給設(shè)備主機(jī)查詢(xún)。當(dāng)檢測(cè)到強(qiáng)行解鎖功能操作時(shí)，則對(duì)設(shè)備狀態(tài)的變化進(jìn)行基本的邏輯判斷，若不符合正常狀態(tài)則給出警報(bào)信息并進(jìn)行記錄，供設(shè)備主機(jī)查詢(xún)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)控制器接收到防誤主機(jī)發(fā)出的命令時(shí)則根據(jù)命令內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的功能操作。終端用戶(hù)主體程序Program1流程如圖6所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

在分析了傳統(tǒng)的機(jī)械式、電氣式和微機(jī)式三種防誤閉鎖系統(tǒng)存在的問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了利用發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡(luò)型防誤閉鎖系統(tǒng)方案，首先確定了變電站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的識(shí)別方法和閉鎖方式，然后分別對(duì)該新型防誤閉鎖系統(tǒng)的硬件和軟件加以詳細(xì)介紹，基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡(luò)型防誤閉鎖系統(tǒng)不僅解決了傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)存在的問(wèn)題，而且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

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