（电气工程专业论文）附加式防误操作闭锁系统应用研究.pdf

j r 0 独创性声明 l f f l f f i f f f f f f i f f f f f f f f f f l f f f f f f i f f f f f f 4 f fy 1 8 9 4 5 9 5 ”。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：诲j 才泌 2 力1 1 年占月，日 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名： 籀雩劾 ? 2 嘲i | 年6 月，日 指导教师签名钿矽 | 年毛其l 稿 江苏大学工程硕士学位论文 摘要 安全生产，警钟长鸣。安全第一是电力生产的基本方针，安全运行是电力设 备的基本要求，安全设施是设备安全的基本保障，安全操作是运行安全的基本条 件。防误操作闭锁系统作为一种安全设施，伴随着电力设备的全部生命期，在运 行人员的操作过程中时刻发挥着安全作用。电力设备在设计、制造、安装、调试 后，已基本具备了防误操作系统的大部分闭锁功能，但仍会存在设备自身无法消 除的漏洞或薄弱环节，需要采取措施进行弥补。附加式防误操作闭锁系统就很好 地满足了这一要求。 本文首先深入研究了五防闭锁基本理论、系统现状和发展趋势。其次，以发 电厂为例讨论了防误系统应给予充分考虑的几方面问题，在此基础上设计了一种 附加式防误操作闭锁系统，并详细说明了其系统构成、工作原理和功能特点。附 加式防误操作闭锁系统的核心是微机防误系统，但它不独立承担闭锁功能，重点 在于对系统中原有的闭锁功能进行弥补与扩展，同时将闭锁功能双重化。对原系 统中二次接线不作改动，易于接口。同时考虑到本系统退出时，设备原有的闭锁 功能不会失去。该系统操作简单、维护工作量小、扩展性强，适用于已经建成的 发电厂的电气设备，能够有效提高发电厂电气设备的运行可靠性。最后，提出了 以蓝牙通信为基础的增强型防误系统。 关键词：附加式，防误操作闭锁系统，发电厂，电气防误，电力系统 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t s a f e t yf i r s ti np r o d u c t i o ni sq u i t ei m p o r t a n t s a f ew o r k i n gi st h eb a s i cp o l i c yo f e l e c t r i ce q u i p m e n t ；s a f ef a c i l i t yi st h eb a s i cg u a r a n t e eo fd e v i c es a f e t y ；s a f eo p e r a t i o n i st h e b a s i cc o n d i t i o no fw o r k i n gs a f e t y a sas a f ef a c i l i t y , t h eb l o c ks y s t e mo f p r e v e n t i n gm i s o p e r a t i o nc a l lc o n s t a n t l yp l a ya l li m p o r t a n tp a r ti no p e r a t o r so p e r a t i o n s i nt h ew h o l el i f eo fe l e c t r i cp o w e re q u i p m e n t a f t e rd e s i g n i n g ，m a k i n g ，i n s t a l l i n ga n d d e b u g g i n g ，e l e c t r i cp o w e re q u i p m e n th a sp o s s e s s e dm o s t b l o c kf u n c t i o n so f p r e v e n t i n gm i s o p e r a t i o n ，b u tw es t i l ln e e dt ot a k em e a s u r e st om a k eu pt h ew e a k n e s s a d d i t i o n a lb l o c ks y s t e mo fp r e v e n t i n gm i s o p e r a t i o nm e e t st h er e q u i r e m e n tv e r yw e l l t h i sa r t i c l ef i r s tg o e sd e e pi n t ot h eb a s i ct h e o r y , t h ec u r r e n ts y s t e ma n dt h e t r e n d e n c yo ff i v e p r e v e n t i o n s e c o n d ，iu s ep o w e rp l a n ta sa ne x a m p l et od i s c u s s m a n yp r o b l e m st h a tn e e dt ob et a k e ni n t oa c c o u n t d e p e n d i n go nt h i sf u n d a m e n t ，i d e s i g naa d d i t i o n a l b l o c ks y s t e mo fp r e v e n t i n g m i s o p e r a t i o n a n de x p l a i nt h e c o n s t i t u t i o no ft h i ss y s t e m ，w o r k i n gp r i n c i p l ea n df u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c t h ek e r n e l o fa d d i t i o n a lb l o c ks y s t e mo f p r e v e n t i n gm i s o p e r a t i o ni sc o m p u t e rp r e v e n t i n gs y s t e m b u ti td o e s n tb e a rt h eb l o c kf u n c t i o n i tm a i n l yr e m e d i e sa n dd e v e l o p st h eo r i g i n a l b l o c kf u n c t i o n s i td o e s n tc h a n g et h es e c o n d a r yw i r eo fo r i g i n a ls y s t e ma n dc a nm a k e e a s yi n t e r f a c e a tt h es a m et i m e ，c o n s i d e r i n gt h eq u i to ft h i ss y s t e m ，t h ee q u i p m e n t w i l ln o tl o s et h eo r i g i n a lb l o c ks y s t e m w ec a no p e r a t et h es y s t e me a s i l y t h es y s t e m d o e s n tn e e dm u c hm a i n t e n a n c ea n dc a nb ed e v e l o p e de a s i l y t h es y s t e mh a sb e e n a p p l i e dt ot h ee l e c t r i cp o w e re q u i p m e n to fp o w e rp l a n t st h a th a v e b e e nc o n s t r u c t e d i t c a l le f f e c t i v e l yr a i s et h ew o r k i n gr e l i a b i l i t yo fe l e c t r i cp o w e re q u i p m e n t a tl a s t ，ip u t f o r w a r dad e v e l o p e dp r e v e n t i n gm i s o p e r a t i o ns y s t e mw h i c hi sb a s e do nb l u e t o o t h c o m m u n i c a t i n g k e yw o r d s ：a d d i t i o n a l ，b l o c ks y s t e mo fp r e v e n t i n gm i s o p e r a t i o n ，e l e c t r i cp o w e r p l a n t ，e l e c t r i cp r e v e n t i n gm i s o p e r a t i o n ，p o w e rs y s t e m u 1 3 2 电气防误闭锁3 1 3 3 微机防误闭锁3 1 3 4 目前防误闭锁系统的薄弱环节5 1 3 。5 限制防误操作系统发展的制约因素6 1 4 微机防误与传统电气防误的比较及附加式防误闭锁系统的提出7 1 5 防误操作系统的发展趋势9 1 6 本论文主要的工作1 l 第二章附加式防误操作闭锁系统的原理及特点1 2 2 1 附加式防误操作闭锁系统结构1 2 2 2 附加式防误操作闭锁系统工作原理1 3 2 2 1 工作模式1 3 2 2 2 系统闭锁方式1 3 2 3 附加式防误操作闭锁系统特点1 4 2 3 1 多模式操作方式1 4 2 3 2 完善的实时防误闭锁功能1 4 2 3 3 五防锁具1 5 2 3 4 电脑钥匙1 6 2 4 附加式防误操作闭锁系统的功能及其先进性1 6 2 4 1 防止出现空行程1 6 2 4 2 防止电气误操作1 7 2 4 3 防误闭锁功能与设备状态监控一体化1 8 2 4 4 管理操作票1 9 1 l 2 2 2 江苏大学工程硕士学位论文 2 4 5 防误系统出现异常情况的对策1 9 2 5 本章小结2 0 第三章附加式防误操作闭锁系统的设计与实现2 l 3 1 防误主机的软件设计2 1 3 1 1 安全控制2 1 3 1 2 动态显示2 2 3 1 3 存储查询2 2 3 1 4 规则控制2 2 3 1 5 系统维护。2 5 3 1 6 系统工作流程2 5 3 2 防误主机的主要功能2 8 3 3 操作票专家系统2 8 3 3 1 系统功能2 9 3 3 2 系统特点3 l 3 3 3 可配功能选件3 2 3 4 防误系统的通信子系统3 3 3 4 1 数据通信方式的选择3 3 3 4 2 防误系统的串口通信规约3 4 3 5 本章小结3 6 第四章附加式防误操作闭锁系统实用配置方案3 7 4 1 附加式防误操作闭锁系统基本型配置方案3 7 4 1 1 系统主要原理3 7 4 1 2 主要技术特点3 8 4 1 2 1 完善的五防功能：3 8 4 1 2 2 设备对位功能3 9 4 1 2 3 五防模拟操作及仿真培训3 9 4 1 2 4 储存和发送操作票3 9 4 1 2 5 五防闭锁操作和汇报对位3 9 4 1 2 6 操作票内部转移功能4 0 学位论文 4 0 4 1 4 2 4 2 4 2 4 3 4 2 附加式防误操作闭锁系统增强型方案4 4 4 2 1 蓝牙系统结构4 4 4 2 2 蓝牙系统简述4 5 4 2 3 蓝牙系统技术特点4 5 4 3 本章小结4 7 第五章总结与展望4 8 参考文献4 9 致谢5 1 v 学位论文 论 经济发展的先行官。随着近年来我 国国民经济的高速发展，大量新增发电项目由规划、设计转入投产发电，也由此 新增了大量的电气设备入网运行。庞大的系统、繁多的设备，考验着电力工业安 全生产的稳定性。保证发电机组稳发、满发也成了电气运行的第一要务。客观形 势的发展也要求电气设备的运行安全必须转变方式，由以前靠运行人员正确操作 保证安全，更多的转向靠设备自身来保证安全。 纵观近年来国内发电企业所发生的事故，其中9 0 以上由违章引起，7 0 以 上典型事故归咎于习惯性违章【1 1 1 2 1 3 1 。违章是引发事故的根源，分析各类误操作 事故，值得我们深刻反思。电气设备存在着大量的操作箱，操作箱箱门一般无法 在电气回路或机构上加装闭锁装置，这样就无法保证操作时不走错仓位、不认错 设备。采用传统上机械锁管理会带来要管理的钥匙量繁多、易丢失等诸多问题。 为了有效防止运行电气设备误操作引发的重大人身和设备事故，我国早在1 9 9 0 年就根据中外电气运行实践，提出了电气设备“五防”要求，并以法规形式明文 规定了电气防误的管理、运行、设计和使用原则。但是，目前大部分发电厂采用 的防误装置并不能完全杜绝误操作的出现，还存在着很大的漏洞和薄弱环节。随 着电力系统的不断发展，系统结构越来越复杂，每次事故所造成的损失将是以前 的数倍。发电厂的电气误操作事故是一种危害性极大的频发性事故，长期以来严 重威胁着电力系统的安全运行，因此研究如何防止因电气误操作引发的事故具有 非常重要的意义。 可靠、完善的发电厂防误操作系统对提高电力系统的供电质量，保证运行的 经济性和安全性有重要的作用。安全可靠是电力系统运行的基础，发电厂是电能 生产的源头。发电厂一旦出现电气误操作，将导致设备损坏、系统故障、大面积 停电或人员伤亡。 根据电力系统的运行与发展情况，迅速弥补安全漏洞、完善安全操作的细节 已成了迫在眉睫的要求，开发研制具有弥补漏洞与薄弱环节作用的附加式防误操 1 江苏大学工程硕士学位论文 作闭锁系统已变成了刻不容缓的任务，做好这项工作同时也具有重大的经济价值 和社会效益。 1 2 “五防”功能的释义 我国电力系统在经历无数次血的教训后，结合中外电气运行的实践，为了有 效防止电气误操作引发的人身和重大设备事故，最早在1 9 9 0 年就提出了电气设 备“五防”要求，并以法规形式( 能源安保( 1 9 9 0 ) 1 l1 0 号文防止电气误操作 装置管理规定( 试行) 4 1 ) 明文规定了电气防误的管理、运行、设计和使用原则。 在设计和实现发电厂防误操作闭锁系统的过程中，设计防误方案并将之标准 化的依据就是上述文件中所提出的“五防”。 其功能的具体定义为： ( 1 ) 防止误分、误合断路器。 ( 2 ) 防止带负荷分、合隔离开关。 ( 3 ) 防止带电挂( 合) 接地线( 接地刀闸) 。 ( 4 ) 防止带接地线( 接地刀闸) 合断路器( 隔离开关) 。 ( 5 ) 防止误入带电间隔。 1 3 目前主要应用的防误闭锁系统现状 随着电力科技的不断发展，通过大量的探索与实践，已经形成了一整套完善 的电气防误操作规则。电气防误操作装置的研究与生产部门，已经推出了各种各 样的产品，如机械程序闭锁装置、电磁闭锁装置、直到最近发展的微机编码闭锁 装置等等。可以说随着科学技术的进步，发电厂防误操作技术也在不断地发展。 目前，在常规发电厂( 即：有控制屏的发电厂) 中，主要是使用的机械类闭锁、 电气联锁和微机防误三类防误装置。它们的应用情况为： 1 3 1 机械闭锁 对于成套的高压开关设备应优先采用机械闭锁，对于敞开式设计的变电站， 机械闭锁仅限于刀闸与接地刀闸之间的闭锁，其可靠性一般较高。 2 江苏大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 3 5 k v 及以下开关柜、手动柜仍可以采用机械联锁模式，实现防误闭锁。 ( 2 ) 在综合自动化发电厂中，可以采用电磁锁实现防误闭锁，但电磁锁的锁 具和二次回路复杂，故障率普遍较高，检修、维护工作量大。 ( 3 ) 机械程序锁实现闭锁功能必须基于在开关控制把手( k k ) 上加锁，而在综 合自动化发电厂中常规控制屏取消后，常规控制把手已不存在。为此，若想在综 合自动化发电厂中实现机械程序闭锁，只得在断路器的远方操作的防误闭锁功能 上实现。 1 3 2 电气防误闭锁 电气防误闭锁是建立在二次操作回路上的一种防误功能。一般通过在操作回 路上串入断路器和刀闸的辅助触点来实现闭锁功能。理论上电气联锁逻辑比较可 靠，但是实际使用中存在很多严重的问题，主要问题如下： ( 1 ) 断路器、刀闸等设备提供的辅助触点有限且不同电压等级问的联系很不 方便，相关闭锁回路设计出现多余闭锁或者闭锁不到的情况。 ( 2 ) 电气防误闭锁的实现需要接入大量二次电缆，接线方式较为复杂，运行 维护较为困难，且运行中存在开关辅助触点工作不可靠的问题。 ( 3 ) 电气闭锁防误功能随二次接线而定，不易增加和修改。 ( 4 ) 电气闭锁只能防止断路器、刀闸和接地刀闸的误操作，对误入带电间隔， 接地线的挂接( 拆除) 等则无能为力，不能实现完整的五防功能。 1 3 3 微机防误闭锁 微机防误闭锁是一种采用计算机技术，用于高压开关设备防止电气误操作的 装置。通常主要由主机、模拟屏、电脑钥匙、机械编码锁和电气编码锁等功能元 件组成。依靠闭锁逻辑和现场锁具实现对开关、刀闸、接地刀闸、地线、遮拦、 网门或开关柜门的闭锁。 微机防误闭锁可以根据现场实际情况编写相应的“五防”程序，可以实现较 为完整的“五防”功能。 综合自动化发电厂中，微机防误闭锁有以下三种实现模式。 ( 1 ) 由软件实现对开关的操作闭锁 3 江苏大学工程硕士学位论文 通过微机防误闭锁软件与后台机监控软件双向通讯和信息共享，配合完成开 关操作闭锁。即：在操作人员由后台机进行开关操作时，监控系统向防误系统发 出申请信号，由防误闭锁系统根据由监控系统在线读取的开关、隔离开关的实时 状态，按照“五防”原则、能否操作的判断，传给监控系统，从而实现了对开关 操作的强制性闭锁。 在采用上述通过软件通讯实现对开关的操作闭锁时，需要特别注意，此时的 防误系统必须具有向电脑钥匙分部( 分块) 传输操作票的功能，或电脑钥匙能够向 防误系统回传操作信息，否则，即使实现了双向通信和信息共享，开关操作闭锁 仍无法完成。 图1 1 一次系统接线图 如：以图1 1 中系统为例，进行送电操作的操作票为： l 、合上2 k 3 9 1 刀闸 2 、合上2 k 3 9 3 刀闸 3 、合上2 k 3 9 开关 4 、合上2 k 4 0 2 刀闸 5 、合上2 k 4 0 3 刀闸 6 、合上2 k 4 0 开关 在综合自动化发电厂中，若该操作票像在常规站一样，一次性传入电脑钥匙， 4 江苏大学工程硕士学位论文 防误系统将无法知道，何时应允许2 k 3 9 开关或2 k 4 0 开关合闸；反之，防误系统 在合上2 k 3 9 1 刀闸后，误合2 k 3 9 开关，再合2 k 3 9 3 刀闸时将造成带负荷合刀闸： 或者在应合2 k 3 9 开关时，误合2 k 4 0 开关，也将在合2 k 4 0 3 刀闸时造成带负荷合 刀闸。可见，这样要么无法操作，要么可能造成误操作。 上述问题，可采取以下两种方案予以解决。 分部传票 将一份操作票按开关操作分成若干部分，随着操作的进行，分块传入电脑钥 匙，如上例操作票，将1 3 项首先传入电脑钥匙，操作完成第1 、2 项后。“五 防”系统等待监控系统对合2 k 3 9 开关的操作申请信号，此时“五防”系统只允 许2 k 3 9 开关的合闸操作。待第3 项执行完毕后，再将第4 6 项传入电脑钥匙， 依次类推。 电脑钥匙回传 将一份操作票一次整个传输给电脑钥匙，但每当遇到开关操作时，必须将电 脑钥匙的操作信息回传给“五防”系统，仍以上述操作票为例，首先将上例操作 票的1 6 项传入钥匙，待操作完成1 、2 项后，通过钥匙信息的回传，通知“五 防”系统应进行第3 项操作，即此时只允许进行2 k 3 9 开关合闸操作。 ( 2 ) 通过锁具实现对开关的操作闭锁 对于保留开关独立控n - ：次回路的控制系统，可在遥控执行屏的遥控压板处 串联电编码锁，实现对开关闭锁功能。但此方案无法实现对控制、保护合一，后 台机遥控命令通过网络直接下达到开关操作箱模式的控制系统的防误闭锁。 ( 3 ) 对开关操作部分实现“五防 闭锁 若由于某种原因，采用微机防误装置综合自动化发电厂既不能实现软件闭 锁，也无法在遥控回路中加锁，在此情况下，可以在监控系统后台开关操作界面 上，通过反复的提示和确认，实现对开关操作的“提示性闭锁”，也可以在开关 的转换常开或常闭接点上加装验电锁。 1 3 4 目前防误闭锁系统的薄弱环节 由于电气操作环境以及工作的特殊性，使得防误操作没备至今都不十分理 想，原因有以下几点： 5 江苏大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 操作现场在室外，防误闭锁装置长期在露天恶劣环境下工作，难以保证 装置长期运行的可靠性。在防误操作装置设计与制造的过程中，可靠性是首先要 解决的技术问题。 ( 2 ) 以往的防误操作装置都是作为一个独立的装置来设计的，值班人员在考 虑到全站系统运行方式的前提下填写操作票，并进行了操作预演。而现场操作是 少数操作人员来执行的，发电厂监控系统不能对现场操作过程监控，这就难以避 免由于操作人员经验不足以及操作人员当时的情绪而产生的误操作。 ( 3 ) 防误操作装置，锁头量多( 多达几百个) ，分布范围广，又在现场长期运 行，目前装置还没有定期自检的能力，定期维护难以列入值班和检修人员的日程。 而一旦要执行操作时，发生锁头坏死或者机构失灵，往往又不允许有维修的时间， 只能采用手动消除闭锁进行强制操作。这是安装了防误操作装置后又发生误操作 的原因之一。 机械闭锁装置和电磁闭锁装置，主要问题是由于锁头以及机械闭锁机构制造 工艺差，使之不可靠；另外还有机械闭锁的方案不完善等原因影响推广使用。 采用微机编码技术的微机防误操作装置，根据操作票进行操作预演，从而生 成操作顺序，记忆在电脑钥匙中。对隔离刀闸进行现场操作时，电脑钥匙识别编 码锁正确后开锁，转入下一步操作。可是由于种种原因可能会开锁后隔离刀闸并 未进行操作。早期的电脑钥匙没有识别这种空操作( 或空回程) 的能力，就可以进 入下一步的操作，这无疑是微机防误操作设计中的一大问题。近期推出了一种防 止空回程锁，刀闸操作确实到位后才能进入下一步的操作，这是微机防误操作的 又一进步。但是这种防空回程锁在下述两种情况就显得无能为力： ( 1 ) 当元件操作到位，由于各种原因接入辅助接点并未到位，此时电脑钥匙 一直处于判断等待状态，阻止下一步的操作实现。 ( 2 ) 当操作进行时，由于保护动作等原因有其他的开关变位，此时存储在电 脑钥匙中的操作票失效，不能作为以后操作的依据，须重开操作票。 1 3 5 限制防误操作系统发展的制约因素 防误闭锁经过三代的发展，可以得出一个结论：要求锁绝对可靠是不可能的， 提高制造工艺后可以做的更好些，但也不能做到绝对可靠。锁的故障率总是高于 6 厂i = = i = = i = = = 采用微机型计算机技术，一个完整的防误 学位论文 检来弥补这个不足。 操作系统应该如下设计：把与现场 操作有关的控制信息和位置信息全部引入计算机系统。人工给定操作任务，智能 操作票专家系统自动生成操作票，并在大屏幕上进行操作预演，操作人员的现场 操作全部处于计算机系统的监视之下，例如由计算机系统根据操作票自动打开某 隔离刀闸的电磁锁，不断监视操作过程中开关变位信息，给出操作正确或错误的 提示( 如语音操作指导) ，只有该开关的所有操作完成后，计算机系统才可能下令 执行下一步操作。这种方案是电力系统技术、管理和运行人员公认的最佳方案一 一全过程监视的智能化防误操作系统【5 1 。 但很长一段时间，我们无法实施这一方案，主要原因有以下几点： ( 1 ) 发电厂开关现场，操作时要控制的锁数量以及要监视的开关位置信号量 太多( 可达上百到千个) ，采用放控制电缆实现计算机集中控制方案，费用太高， 而且也必然带来许多运行和管理的问题。 ( 2 ) 没有适用于发电厂操作的计算机网络技术。许多发展比较成熟的计算机 网络技术，如n o v e l l 网、以太网等，都是适用于具有大量数据输出的要求的计 算机通信。把这些技术用于防误操作造价太高，大马拉小车，是一种严重的资源 浪费，而且这种网络用于开关现场，还有许多抗干扰及户外环境温度的问题需要 解决。 ( 3 ) 没有完善、成熟、通用和智能化的操作票专家系统。以往的操作票专家 系统通用化程度低，针对发电厂、变电站都需要重新编程，开发周期长，成本高； 缺乏用户可维护性，系统生成后，在实际应用中需要随着现场设备配置、操作规 程和操作任务的变更而不断地修改、完善和扩充，因用户不懂计算机而难以介入， 导致软件缺乏生命力；操作票自动生成系统与五防闭锁控制及发电厂培训仿真没 有有机结合在一起研究，发挥不出其协调后的潜力，所以系统功能单一，还不能 彻底防止误操作事故发生。 1 4 微机防误与传统电气防误的比较及附加式防误闭锁系统的提出 微机防误系统是计算机及网络通信技术应用于发电厂自动化的结果。微机防 误系统通过软件将现场大量的二次闭锁回路变为电脑中的防误闭锁规则库，实现 7 江苏大学工程硕士学位论文 了防误闭锁的数字化，并可以实现以往不能实现或者是很难实现的防误功能，是 电气设备防误闭锁技术的一个突破。以下是微机防误闭锁系统与传统电气防误的 比较。 传统电气防误是建立在二次接线回路上的一种防误功能，一般通过开关和刀 闸的辅助接点联合闭锁来实现。微机防误系统则是一种采用计算机技术，用于高 压开关设备防止电气误操作的装置。通常主要由主机、模拟操作屏、电脑钥匙、 机械编码锁、电气编码锁等功能部件组成。微机防误闭锁装置闭锁的设备有四类： 开关、刀闸、地线( 接地刀闸) 、遮栏网门( 开关柜门) ，上述设备是通过微机锁具 ( 电编码锁或机械编码锁) 实现闭锁的，上述设备的操作闭锁规则须由软件实现。 电气防误闭锁回路是一种现场电气联锁技术，主要通过相关设备的辅助接点 联接来实现闭锁。这是电气闭锁最基本的形式，闭锁可靠。但这种方式需要接入 大量的二次电缆，接线方式较为复杂，运行维护较为困难。微机防误系统一般不 直接采用现场设备的辅助接点，接线简单，通过“五防”系统微机软件规则库和 现场锁具实现防误闭锁1 6 l 。 电气闭锁回路一般只能防止开关、刀闸和地线地刀的误操作，对误入带电间 隔、接地线的挂接( 拆除) 等则无能为力，不能实现完整的“五防”。微机防误系 统因为增加了网门的闭锁，所以可根据现场实际情况，编写相应的“五防”规则， 可以实现较为完整的“五防”功能。只是在微机系统故障而解除闭锁时，五防功 能完全失去。 微机防误操作系统虽然有众多的优点，但是仍有以下重要缺点：一是：微机 防误闭锁系统是建立在通讯系统之上的，一旦通讯系统瘫痪，将造成闭锁功能全 部失去，某几个点或者通讯口的状态异常，将造成部分元件的闭锁功能异常，因 此，微机闭锁系统不宜作为单独的闭锁系统使用。二是，对已经建成的发电厂， 一般已按传统电气防误闭锁的要求设计好了二次回路，如果改造为微机防误闭 锁，二次线的改动较大，在短期的检修中难以完成。三是，防误闭锁系统还是以 双重乃至多重化为宜，仅仅孤立的依靠一个系统，远没有多重防误来得可靠。 因此，对大多数防误操作闭锁系统的使用场合，尤其是针对已经建成的发电 厂，设计附加式防误闭锁系统是最合理的方案。附加式防误闭锁系统是建立在微 机防误基础上的闭锁系统。这种方案中，传统电气闭锁的功能仍然保留，新增附 8 论文 照规则库的要求形成操作顺 钥匙按照操作顺序对各个操 作元件首先进行解锁，然后进行操作。由于被操作元件仍然受传统电气防误系统 限制，所以从二次控制回路上及操作过程上均受防误闭锁，而且不会出现由于辅 助接点并转换到位，导致电脑钥匙一直处于判断等待状态，阻止下一步的操作实 现。附加式防误操作系统主要功能是用来规范、限制操作人员的操作行为，它并 不直接参与n 2 次回路中去进行闭锁限制。所以即使附加式操作系统全面崩溃， 甚至全面退出，各操作元件也不会失去五防闭锁功能。这就是闭锁多重化的优势。 另外，附加式防误闭锁系统改造时间较短，改造成本较低，易于实施。 在一个具体的设计实例中，我们构筑了这样的一个多重防误闭锁方案：刀闸 和接地刀闸之间，有设备厂家提供的机械防误闭锁；开关、刀闸、接地刀闸就地 控制箱的二次回路内，有设计院建立的传统电气防误闭锁；网络监控系统( n c s ) 内，各远动的操作元件，由控制系统厂家构成了操作指令发出的逻辑闭锁；在开 关、刀闸、接地刀闸的控制箱箱门上，装有本论文设计的附加式防误闭锁。四道 防线相对独立，任一防线退出对整个防误系统可靠运行的影响并不严重。在这样 四道防线构成的严密的防误闭锁系统中，电气误操作的概率可以被降到很低，接 近为零。 1 5 防误操作闭锁系统的发展趋势 电力系统不断发展，操作方式也发生了很大变化：远方操作、就地操作、检 修操作、事故操作、多地点操作、解锁操作。要防止上述多种操作方式下的各种 电气误操作，强制性闭锁措施是必不可少的，防止电气误操作应涵盖技术管理、 权限管理、操作管理、操作方式管理、防误设备管理、操作人员管理等多个方面， 而“五防”概念中防止误操作远远没有涵盖这些内容。这都对防误闭锁技术的系 统性、完整性提出了新要求。 在这种背景下，防止电气误操作五层防线理论【7 】为完善电气防误操作体系 提供了新思维。 五层防线的定义是：为防止电气误操作，在人和设备之间，用技术措施筑起 的五层防线。这一新的思维是对传统五防概念的扩展和跨越，在涵盖传统五防概 9 江苏大学工程硕士学位论文 念的基础上，从电气倒闸操作过程全程防误的角度出发，采用不同的技术措施， 从根本上杜绝电气误操作的发生。五层防线结构示意图如图1 2 所示： ( 1 ) 闭锁元件层：针对不同电气设备，不同操作方式( 远方就地、电动手 动) ，不同操作地点采用可靠的强制闭锁方式和锁具，实现强制闭锁。 ( 2 ) 实时逻辑层：根据现场的实时遥信，遥测值及闭锁元件的状态，通过闭 锁逻辑判断、拓扑闭锁逻辑分析，操作过程状态跟踪分析等方法形成多项判据， 实现操作过程实时解、闭锁，确保当前设备的操作过程满足安全规定及运行要求。 通过实时逻辑层可有效地解决“空程序”问题，实现设备操作实时验电、锁具实 时闭锁、多任务操作相互闭锁、锁具实时自检等功能。 ( 3 ) 模拟预演层：对经过批准的各类操作票，在执行操作前，通过模拟预演， 使用五防闭锁逻辑规则库进行正确性确认，确保操作项符合电力系统的安全规定 及运行要求。并且依据正确的判断结果生成操作解锁的步骤。 操作人 图1 2 防误操作闭锁系统的五层防线结构图 ( 4 ) 唯一操作权层：对于任何设备，在任意时刻，应确保只有唯一的人员可 1 0 其他人员才有可能对该设备及相关设备进行操作。确保操作人员和被操作设备的 安全。 ( 5 ) 权限管理层：该层进行权限定义，管理及分配系统中各用户的权限，保 证只有具备系统定义的权限的人，才有对应的设备的使用权及操作过程的相应控 制权。防止越权行为产生的误操作。权限管理不仅包括设备正常操作权限，还包 括操作过程的各控制权，异常操作( 如解锁操作等) 权限的管理。 1 6 本论文主要的工作 本文结合五防的明确定义，分析了防误操作闭锁系统的发展趋势，在深入研 究微机五防操作基本理论和系统现状的基础上，围绕附加式防误操作闭锁系统的 设计、开发以及智能化展开研究及开发工作。主要工作为： ( 1 ) 分析了附加式防误操作闭锁系统的结构，阐述了附加式防误操作闭锁系 统的原理，在此基础上，介绍了附加式防误操作闭锁系统的特点，并分析了附加 式防误操作闭锁系统实现的功能和其先进性。 ( 2 ) 说明了附加式防误操作闭锁系统主机的设计步骤，阐述了其中的核心部 分规则控制系统，设计了系统的工作流程图，进而说明操作票专家系统的功能和 特点，并以1 0 4 规约为例，介绍了应用于防误操作闭锁系统的通信规约。 ( 3 ) 分析了发电厂使用的附加式防误操作闭锁系统的系统构成、工作原理和 功能特点。提出了附加式防误操作闭锁系统的基本型与增强型两种配置方案。 江苏大学工程硕士学位论文 第二章附加式防误操作闭锁系统的原理及特点 2 1 附加式防误操作闭锁系统结构 系统结构分为工作站、通讯层、锁具三个部分( 图2 1 ) 。工作站由防误操作 闭锁主机和打印机构成，完成操作步骤的模拟、防误逻辑的判断、产生操作步骤、 输出电子解锁信息等功能。通讯层由通讯适配器、电脑钥匙构成，完成与网络控 制系统( n c s ) 、电气控制系统( e c s ) 通讯、实时状态的采集、输出或回传电脑 钥匙等功能。锁具部分由各类五防锁具组成，完成闭锁各种设备的功能。 防误主 别簸挖翁蠹 耋 打印枫 ” 通讯适配器 魄齄钥匙 匿一誉 印零曛一强 懒糊黝一 秽 图2 1 防误操作闭锁系统结构图 五防镄具 整个系统使用串行端口，从网络控制系统( n c s ) 和电气控制系统( e c s ) 中 读取设备实时状态，保证了系统状态的实时刷新、操作过程的全程实时跟踪；使 用f k t t 通讯适配器可实现p c 机与电脑钥匙通讯的通讯转换功能，并兼具完善的 恒流充放电回路，给电脑钥匙充放电，有效消除电池极化现象。同时可将解锁操 作步骤输出到电脑钥匙中，操作完毕从电脑钥匙中回传操作信息，动态更新设备 网门状态。 1 2 昏 江苏大学工程硕士学位论文 操作闭锁系统工作原理 作闭锁系统以电脑图形软件及电脑钥匙为核心设备，在系统软 电厂的电气一次系统结线图和所有设备的操作规则，并将其固 动系统，在电脑显示器上模拟操作时，图形软件根据已有的专 家系统对每项操作进行智能判断，若操作正确，则允许进行下一步操作；若操作 错误，则显示错误操作项的设备名称及编号并通过语音提示错误操作类型，提示 操作人员进行更正。 模拟操作结束后，通过通讯适配器将正确的操作内容输入到电脑钥匙中，配 有操作票专家系统的系统可以同时打印完整的操作票，然后操作人员使用电脑钥 匙到现场进行解锁及电气倒闸操作。 操作时，电脑钥匙自动显示当前倒闸操作项目，运行人员将电脑钥匙插入相 应的编码锁内，通过其编码头检测操作对象是否正确。若正确，电脑钥匙用语音 发出允许操作命令，同时开放其闭锁回路或机构，这时可以进行倒闸操作。若走 错间隔或误操作，电脑钥匙用语音发出错误警告，提醒操作人员错误操作的类型， 并在电脑钥匙的液晶显示器屏上显示当前错误操作设备的编号及应操作设备编 号，达到强制闭锁的目的，操作人员在得到可靠安全保障的同时又接受良好的培 训，并体现了“第二监护人的作用。操作结束后，电脑钥匙通过适配器将倒闸 操作信息汇报给防误主机存贮，以便管理人员查询考核。 2 2 2 系统闭锁方式 ( 1 ) 开关设备：附加式防误操作系统不闭锁其分合，仅采用编码锁闭锁其网 门，在执行电气检修措施的时候，根据闭锁逻辑决定是否打开网门； ( 2 ) 刀闸设备：采用编码锁闭锁其操作箱门，每次执行操作前必须解锁打开 操作箱门，送上操作电源及动力电源方可以执行操作； ( 3 ) 接地刀闸设备：采用编码锁闭锁其电磁锁箱门，每次执行操作前必须解 1 3 江苏大学工程硕士学位论文 锁打开电磁锁箱门，解开电磁锁方可以执行操作： ( 4 ) 6 k v 真空开关、4 0 0 v 空气开关：采用编码锁闭锁其小车操作孔，每次执 行停送电操作前必须解锁打开操作孔，方可以执行操作； ( 5 ) 变压器网门、其它高压设备网门：采用编码锁闭锁其仓门，每次执行挂 地线或开始检修作业前必须解锁，方能打开高压仓。 2 3 附加式防误操作闭锁系统的特点 本文提出的附加式防误操作闭锁系统结合微机、通讯、电子信息技术等多种 学科，基于安全实用的设计理念，具有较强的实用性和完善的防误闭锁功能。 2 3 1 多模式操作方式 系统支持有线和无线两种通讯方式，两者既可单网运行，也可交叉运行，互 为备用，提高了网络运行的可靠性；支持红外线( i r d a ) 和无线网络接票两种方式， 具有在线和离线两种操作模式，支持智能锁具和普通编码锁具的解闭锁；集信 号采集、解锁控制、自诊断等功能予一体，可在线控制解闭锁，也可用电脑钥 匙进行解闭锁。 在单任务分组操作时，防误主机按照操作票的操作顺序，将同一操作任务分 解，由多组人员操作，多组人员的操作顺序由防误主机控制，严格按操作票执行； 防误主机可在满足五防原则与不能交叉作业的前提下，支持多个操作任务并行执 行；实现单人操作远方监护，并使单人操作全程防误。 2 3 2 完善的实时防误闭锁功能 防误主机通过分布式控制器或无线电脑钥匙上传的实时数据，使设备状态实 时在线，确保防误主机显示的设备状态与现场的设备状态完全一致；系统可采集 设备实时状态，在某操作任务进行时，防误主机可根据设备位置状态的变化，对 当前操作进行实时逻辑判断，确定操作是否继续；整个操作过程自动根据模拟操 作票的顺序进行，防误主机直接控制或通过无线电脑钥匙控制现场锁具的解闭 锁，被操作设备的状态和锁具状态经采集后，通过有线网络或无线网络反馈给防 1 4 作的设备状态正 系统也可以采用遥控闭锁继电器对监控操作实施硬接点强制闭锁，即操作回 路中串联接入闭锁常开接点。防误系统进行模拟预演后，依次控制遥控闭锁继电 器接点吸合，监控系统才能对相应设备进行操作。可有效解决当地监控系统或通 讯系统由于雷击或软、硬件故障、干扰等造成的误动作，也可防止在集控站远方 操作或当地监控操作中，由于运行人员操作不当所造成的误操作；并具有完善的 解锁方式： ( 1 ) 有线或无线网络正常时，通过网络控制器或电脑钥匙进行在线解锁操 作； ( 2 ) 有线或无线网络异常时，使用电脑钥匙的常规功能，按操作票手动依次 进行解锁操作； ( 3 ) 电脑钥匙故障时，由机械式紧急解锁钥匙( 万能钥匙) 解锁： ( 4 ) 智能紧急解锁。在事故处理时，可不经模拟，直接启动电脑钥匙紧急解 锁功能，对现场设备进行有五防闭锁的紧急解锁操作。 ( 5 ) p d a 钥匙解锁。现场另设装有同防误主机软件完全一致的专用p d a 电脑 一台。除不能进行通讯对位外，可与防误主机进行一样的解锁操作，所得解锁信 息直接驱动p d a 电脑顶部的解锁钥匙。 防误主机可实时检测所有在线装置的运行状况，包括网络通讯状况和现场在 线智能锁具的运行状况。如果有异常情况，系统自动定位故障点，实现整个系统 的自动诊断及处理。 2 3 3 五防锁具 防误闭锁系统使用的锁具包含：直流电气锁、验电锁、机械编码锁、地线桩、 地线头、锁销、电气解锁钥匙、机械解锁钥匙及其它辅助部件。所有锁具应由防 锈材料组成，应具有防水、防腐蚀、抗冲击，经久耐用，使用灵活、安装方便、 牢固等特点。 附加式防误操作闭锁系统五防锁具不需要连接电缆线路，只需要在锁具内安 装码片即可，所以安装灵活简便。同时具有完善的解闭锁功能。 1 5 江苏大学工程硕士学位论文 2 3 4 电脑钥匙 电脑钥匙可切换成移动操作终端模式。电脑钥匙具备有线与无线接口，