（电气工程专业论文）牵引变电所微机防误操作装置的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 牵引变电所在运行、检修维护过程中，由于人为因素，可能出现误操作， 将会导致严重的人身及设备安全事故。论文针对牵引变电所的特点，研究开 发了微机防误操作装置，将现有牵引变电所主要依靠人工监护操作的安全保 护措施，通过微机防误操作装置的智能化逻辑控制功能来实现，以避免人为 因素带来的牵引变电所运行、检修安全隐患。 论文在对牵引变电所微机防误操作装置需求分析的基础上，对整个系统 的结构进行了设计，并开发了整个系统的硬件和软件。所开发的硬件主要包 括防误主机、智能钥匙、通讯控制器、锁具及附件等；软件主要包括接线图 绘制系统、模拟操作系统、第一种工作票系统和维护系统等。装置通过计算 机软件对所有设备的实际分合状态进行强制性对位，并利用内置的“五防 闭锁逻辑对操作过程进行逻辑校验。现场操作的每一个步骤均受控于工作票 确定的逻辑规则，严格防止了“误分合断路器 、“误拉合开关 、“带电挂地 线、“带地线合闸”、“误入带电间隔 。从而在真正意义上实现了五防的 要求。 这种微机防误操作装置既能满足牵引变电所倒闸操作和修试作业特点， 又能与“牵引变电所第一种工作票”形成有机结合。该装置通过软件将现场 大量的二次闭锁回路变为计算机中的防误闭锁规则，弥补了现有系统的防误 操作缺陷，实现了防误闭锁的数字化、信息化，从而有效地保证了牵引变电 所设备运行安全和人身安全。 论文所述的微机防误操作装置经过在朔黄铁路原平南变电所的运行试 验，其结果表明：系统设计合理、应用方便，达到了牵引变电所防误操作的 目的，为牵引变电所提供了一种新型的防误操作手段，有效地保证了检修、 试验过程中的人身及设备安全，对保障电气化铁道的安全运行具有积极意义。 关键词：牵引变电所；防误操作；智能钥匙；第一种工作票；倒闸操作 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t m i s o p e r a t i o nm a yb eo c c u r r e db yw o r k e r sd u r i n gw o r k i n go rm a i n t e n a n c e o fe q u i p m e n ti nt h et r a c t i o ns u p p l ys u b s t a t i o n t h ep a p e ri s s p e c i f i ct ot h e c h a r a c t e ro ft h et r a c t i o ns u p p l ys u b s t a t i o n ，w h i c hh a sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d t h ep r e v e n t i n g - m i s o p e r a t i o nc o m p u t e rs y s t e m t h es y s t e mh a sa c h i e v e di n t e l l i g e n t l o g i c a lc o n t r o lt oa v o i dt h em i s t a k eb yw o r k e ro nw o r k i n go rm a i n t e n a n c eo f e q u i p m e n ti nt h et r a c t i o ns u p p l ys u b s t a t i o n t h ep a p e rh a sr e s e a r c h e dt h ep r e v e n t i n g m i s o p o e r a t i o nc o m p u t e rs y s t e mf o r t r a c t i o ns u p p l ys u b s t a t i o n ，d e v e l o p e dt h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo ft h es y s t e m t h eh a r d w a r e p a r t i n c l u d e d c o m p u t e r , i n t e l l i g e n tk e y , c o m m u n i c a t i o na n d r e c h a r g ea d a p t e r , l o c k e r sa n da c c e s s o r i e s t h es o f t w a r ep a r ti n c l u d e dd r a w i n g s y s t e m ，s i m u l a t i v eo p e r a t i o ns y s t e m ，t h ef i r s tw o r k i n gf o r ms y s t e m ，i n i t i a l i z a t i o n s y s t e m t h es o f t w a r eo ft h es y s t e mc a nm a k er i g h tc o n t r a p o s i t i o nf o r c i b l yo nt h e o n o f fs t a t et oa l ld e v i c eb yt h es o f t w a r e ，a n dt h ei n s i d el o g i cp r o g r a mm a yv e r i f y t h eo p e r a t i o np r o c e s s e a c hr e a l t i m eo p e r a t i n gs t e pw i l lb ec o n t r o l l e db yt h e s i m u l a t i v eo p e r a t i o n s t h es y s t e mc a np r e v e n tt h eo p e r a t i o n ss u c ha ss w i t c h i n go n w i t he l e c t r i c c h a r g e ，c u t t i n g t h eb r e a k e r m i s t a k e n l y , s w i t c h i n g o nw i t h g r o u n d i n g - s w i t c ho n ，g r o u n d i n g s w i t c h o nw i t he l e c t r i c c h a r g e ，e n t e r i n gt h e e l e c t r i cr o o mm i s t a k e n l y t h es y s t e mh a sp r o v i d e das p e c i a lw a yt h a tc a nf i tf o rt h ec h a r a c t e ro ft h e s w i t c ho n o f fa n dt h em a i n t e n a n c ei nt h et r a c t i o ns u p p l ys u b s t a t i o n ，w h i c hc a na l s o f i tf o rt h ef i r s tw o r k i n gf o r m t h es y s t e mh a sa c h i e v e dn u m e r a l i z a t i o na n d i n f o r m a t i o n i z eo np r e v e n t i n g m i s o p e r a t i o nb yt h er u l ed a t a b a s ei nt h es o f t w a r e t h es y s t e mh a se n s u r e de f f i c i e n t l yt h es a f e t yo ff a c i l i t i e sa n dw o r k e r si nt h e t a c t i o ns u p p l ys u b s t a t i o n t h es y s t e md e s c r i b e di nt h ep a p e rh a sb e e nr u n n i n gi nt h et a c t i o ns u p p l y s u b s t a t i o ni ny u a np i n g t h es y s t e mh a sb e e np r o v e dt h a tw a sd e s i g n e dr e a s o n a b l y , a p p l i e de a s i l y t h es y s t e mh a sb e e ni ng o o dc o n d i t i o n t h es y s t e mc a nm e e tt h e d e m a n d so fu s e r s t h es y s t e mi san e ww a yo fp r e v e n t i n g m i s o p e r a t i o ns y s t e m ， w h i c hh a sb e e n p l a y i n ga ni m p o r t a n t r o l eo nt h es a f e t yo fr a i l w a ye l e c t r i z a t i o n k e y w o r d s ：t r a c t i o ns u p p l ys u b s t a t i o n ，p r e v e n t i n g - m i s o p e r a t i o n ，i n t e l l i g e n t k e y , t h ef i r s tw o r k i n gf o r m ，s w i t c h - o n o f f 西南交通大学曲南父逋大芋 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，目意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论 文。 本学位论文属于 1 保密c ，在年解密后适用本授权书； 2 不保密形么用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名 日期。卅! m ， 臌名：弓祥 日期：z o d 7 偈舾 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 牵引变电所在运行、检修维护过程中，由于人为因素，可能出现误操作， 将会导致严重的人身及设备安全事故。如何切实有效防止人为误操作，成为 变电所运行管理的一项重要课题。 为保证牵引变电所设备始终处于良好的工作状态，牵引供电的管理和维 修单位必须按照相关规程和规范的要求，定期或不定期地对牵引变电所的设 备进行检查、保养、检修、试验( 以下简称“修试 ) 等。根据铁道部颁布的 牵引变电所安全工作规程之规定，为确保人身和设备安全，在牵引变电 所进行修试活动时必须使用工作票，在高压设备停电修试时应采用“牵引变 电所第一种工作票 ，办理必要的安全措施。 目前牵引变电所的检修作业分为：高压设备停电作业、高压设备带电作 业、高压设备远离带电部分的作业、低压设备停电作业与低压设备带电作业 五种。其中高压设备停电作业用第一种工作票；高压设备远离带电部分的作 业、低压设备停电作业与二次回路上进行的不需高压设备停电的作业用第三 种工作票；高压设备带电作业用第二种工作票，但由于高压设备带电作业危 险性大、影响范围广，目前国内牵引变电所均不进行高压设备带电作业。 由于在高压设备停电作业中发生事故的几率、危害均较大，在变电所的 作业安全管理中，第一种工作票的作业归供电调度管辖、第三种工作票的作 业归变电所管辖。由于第三种工作票中的安全措施多为提示性的措施，且不 影响设备正常运行，因此本论文所要研究的微机防误操作装置主要是针对第 一种工作票的作业。图卜l 是牵引变电所办理第一种工作票作业操作安全系 统图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 图卜1 牵引变电所第一种工作票作业操作安全系统图 为能使牵引变电所第一种工作票顺利执行，事先要进行必要的倒闸操作、 验电接( 拆) 地操作、开( 关) 网栅门操作、开( 锁) 操作手柄操作、开( 锁) 机构箱操作、挂( 拆) 标识牌操作等。这些操作都可能出现如下失误： ( 1 ) 误分合断路器； ( 2 ) 误带负荷拉合隔离开关； ( 3 ) 误带地线合隔离开关； ( 4 ) 误带电挂接地线； ( 5 ) 误入带电间隔。 这些误操作都可能会造成严重事故，所以必须采用防误操作装置进行防 范。我们把防止这五种误操作称之为“五防”。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 为了防止这五种误操作，牵引供电系统采取了很多措施。远动系统就是 防止运行人员误操作的一种积极措施，但它仅局限于对电动设备的防误操作 如电动隔离开关、断路器等。 对于检修人员的误操作主要发生在检修、试验过程中根据需要所进行的 设备操作上。而检修人员在检修时，所检修范围内的相关断路器、隔离开关 均退出了远动控制，于是防止检修人员的误操作就显得非常重要。 对于检修和试验作业时所采用的第一种工作票中有关手动隔离开关的操 作、接地线的装设以及其它安全措施的办理，远动系统的防误操作就显得无 能为力了，它只能满足运行中正常的倒闸操作要求，不能完全解决检修人员 和其它人员的误操作问题。 因此，仅仅依靠远动系统来实现牵引变电所的防误操作，是不能有效实 现防误操作要求的。 1 2 国内外研究的现状 我国电力系统早在1 9 9 0 年就提出了电气设备“五防”的要求阻1 ，并以法 规形式( 能源安保 1 9 9 0 1 1 1 0 号文) 规定了电气防误操作的管理、运行、设 计和使用原则n 1 ，以防止电气设备运行中因误操作引发人身和设备重大事故 的发生。 法规规定：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，尤其在1 l o k v 及以上电压等级的电气设备应优先 采用电气防误操作的设计原则h 3 。 目前国内外防误操作装置从实现方式上可分为以下几类： ( 1 ) 机械连动闭锁：对于单台电气设备，通过其操作机构状态、位置的 相互机械联锁( 闭锁) 而达到防误闭锁的目的。 ( 2 ) 机械程序锁：采用传递机械锁钥匙的方式来控制操作的顺序。 ( 3 ) 电动操作控制回路闭锁( 电气回路闭锁) ：通过断路器、隔离开关 和接地线( 刀) 辅助接点的相互联锁来实现闭锁逻辑。属于电气二次回路闭 锁。 ( 4 ) 手动操作机构电磁闭锁( 电磁锁) ：闭锁逻辑的实现形式与“电动 操作控制回路闭锁 相同，手动操作设备采用安装电磁锁销实现闭锁。 ( 5 ) 智能钥匙型微机防误闭锁：通过微机防误软件判断闭锁逻辑，产生 操作卡片；采用机械编码锁、电编码锁、固定锁、网栅门锁等实现强制闭锁； 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 通过智能钥匙保证按操作卡片顺序执行。 ( 6 ) 网络型微机防误闭锁：实时采集断路器、隔离开关、接地线( 刀) 和开关柜门的状态信息，通过微机防误软件判断闭锁逻辑，在线控制系统中 各设备的闭锁状态，实现防误闭锁哺1 。 以上的防误操作装置各有其优缺点和各自的适用范围，孰优孰劣不能一 概而论。而目前国内外各类防误装置所解决的防误问题不完整，不能实现各 种防误闭锁功能的融合。 电力系统中的微机防误操作，主要是由防误主机、打印机、智能钥匙、 锁具等部件组成1 ，其主要是按照防误操作要求形成倒闸工作票，然后由操作 人员按照防误操作系统设定的程序进行操作，以实现防误操作的目的，但它 未能将“牵引变电所第一种工作票 中规定的其他安全措施纳入到防误操作 系统中进行管理，而且由于牵引供电系统的运行方式和检修方式与电力系统 存在着较大差异，致使多年以来此系统一直不能应用于铁路牵引供电系统中。 目前国内牵引供电系统中电气闭锁回路、接线方式较为复杂，耗费大量 二次电缆，运行维护较为困难，且在运行中存在隔离开关辅助接点转换不可 靠、接触不良、户外电磁锁机构易损坏等问题，其闭锁范围小，只能做到“防 止带负荷分、合隔离开关 ，而对误分( 合) 断路器、误入带电间隔、误挂接 ( 拆除) 接地线等则无能为力。误入带电间隔、遗漏接地线的挂接( 拆除) 等是电气化铁路现场运营过程中事故频发环节。目前国内铁路牵引变电所还 没有一套有效防止此类误操作的装置，因此研制一套适合于铁路牵引变电所 的微机防误操作装置就显得尤为必要。 研制牵引变电所微机防误操作装置的目的就在于要克服现有技术中存在 的上述不足，提供一套既满足于牵引变电所的倒闸操作和修试作业的特点， 又能与“牵引变电所第一种工作票”形成有机结合，有效保证牵引变电所设 备运行安全和人身安全智能型的微机防误操作装置。 微机防误操作装置是对传统机械和电气闭锁装置进行的信息化改造和升 级，使防误操作功能更加完整、逻辑更加合理、使用更加方便、管理更加科 学、安全更有保障。 微机防误操作装置最终要达到的目的就是“五防”： ( 1 ) 防止误分、合断路器； ( 2 ) 防止带负荷拉、合隔离开关； ( 3 ) 防止带地线合隔离开关； ( 4 ) 防止带电挂接地线； 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 5 ) 防止误入带电间隔。 1 3 本课题研究的主要内容 论文从牵引变电所的“五防”要求出发，研究一种新型电气化铁路微机 防误操作装置，应用计算机技术、信息技术与控制技术实现防误操作，尽量 少介入或不介入变电所既有设备的二次回路，以避免因二次介入引起断路器、 隔离开关、保护装置的距动、误动情况的发生，从而实现防误闭锁的数字化、 信息化 1 。 论文将对牵引变电所人为误操作的各种环节和因素进行分析，讨论防止 误操作的各种途径、方式、方法；从完善装置功能的角度入手，运用计算机 技术、信息传输技术、编码技术等研究防止误操作的手段和实现方法哺1 。最终 研究开发出一种能有效防止牵引变电所人员误操作的装置。该装置在牵引变 电所进行停电检修和试验时，能把第一种工作票中办理和恢复安全措施的整 个过程纳入防误系统进行管理。 论文在对牵引变电所微机防误操作装置需求分析的基础上，对整个系统 的结构进行了设计，并开发了整个系统的硬件和软件。所开发的硬件主要包 括防误主机、智能钥匙、通讯控制器、锁具及附件等；软件主要包括接线图 绘制系统、模拟操作系统、第一种工作票系统和维护系统等。装置通过计算 机软件对所有设备的实际分合状态进行强制性对位，并利用内置的“五防” 闭锁逻辑对操作过程进行逻辑校验。现场操作的每一步均依据模拟操作顺序 在微机的控制下，严格防止了“误分合断路器”、“误拉合开关 、“带电挂地 线 、“带地线合闸、“误入带电间隔”。从而在真正意义上实现了五防的要求。 论文结合朔黄铁路原平南变电所中的微机防误操作闭锁装置这一研究课 题，开展了一系列的研究工作。经过在原平南牵引变电所的实际应用，达到 了如下目的： ( 1 ) 当地倒闸操作纳入防误操作装置，防止了操作人员误操作： ( 2 ) 第一种工作票纳入了系统管理，签发、办理电子工作票，并使工作 票标准化、流程化： ( 3 ) 第一种工作票安全措施的办理和恢复纳入了防误操作系统，防止办 理和恢复安全措施过程中出现人员误操作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章牵引变电所微机防误操作装置需求分析 在牵引变电所，倒闸操作一般分为两种情况侈1 。 正常停送电倒闸操作：比如操作目的是对牵引变电所馈线实现停电：倒 换运行的牵引变压器等。这种停送电操作都有典型的倒闸操作卡片，在远动 操作的牵引变电所不需要进行“防误，操作。 为检修和试验服务的倒闸操作：比如倒闸操作目的是对修试作业范围内 相关设备进行停电、验电、接地、拉出断路器小车、加装防护装置等的操作。 这种停送电的倒闸操作必然与第一种工作票中的安全措施密切关联，保证人 身、设备安全实现防误操作就成为以第一种工作票为中心的研究课题。 牵引变电所倒闸操作的特点是： ( 1 ) 当地操作时，由远方的供电调度员通过电话下达调度命令，变电所 值班员负责实施操作。 ( 2 ) 当地操作无典型的倒闸操作卡片时，由变电所值班员编制倒闸表， 经供电调度审查批准后方可执行。 ( 3 ) 远动操作时时，倒闸操作是由供电调度员执行。 牵引变电所停电检修试验工作流程的特点是： ( 1 ) 由牵引变电所或异地安全等级在4 级以上人员签发第一种工作票。 ( 2 ) 工作领导人和安全措施执行人( 值班员) 审核第一种工作票。 ( 3 ) 经供电调度审查第一种工作票，并发布准许作业的命令。 ( 4 ) 安全措施执行人( 值班员) 按照第一种工作票中安全措施的要求办 理安全措施、准许作业手续。 ( 5 ) 作业结束、恢复安全措施后结束第一种工作票，并经供电调度消除 作业命令。 论文应考虑的因素是： ( 1 ) “防误”系统要在供电调度、供电技术主管部门、有关车间设置终 端，并按照检修工作流程和规程的要求设置权限实现各自的操作。 ( 2 ) 把第一种工作票内相关的内容、作业命令记录，纳入“防误 系统。 论文不考虑的因素是： 由供电调度员实施操作的“防误 措施，由远动设备功能实现，本系统 不考虑。 为此，我们所研究的微机防误操作装置，应适用于各类牵引变电所，且 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 能够融入各种防误手段，应配置灵活、功能完备、操作方便，并能够对所有 的一次设备实行强制闭锁，对修试工作流程进行监督和记录。 论文研究内容主要是防止牵引变电所当地倒闸、检修、试验和办理第一 种工作票过程中的人员误操作。 根据“五防 要求，牵引变电所需要强制防误的一次设备主要有断路器、 电动隔离开关、隔离开关、接地刀闸( 临时接地线) 、网栅门等。 要有效的防止这些设备发生误操作，微机防误操作装置必须具备以下功 能： ( 1 ) 接线图绘图编辑系统功能 能够提供牵引变电所主接线图的绘制、功能定义，实现离线人工( 在线 自动) 对位功能。 ( 2 ) 模拟操作系统功能 能够实现各种倒闸操作( 按倒闸操作卡片或倒闸操作表) 逻辑规则校核、 模拟操作功能。对变电所当地的倒闸操作，必须将经过校核和模拟的操作步 骤按规范写入智能钥匙，由智能钥匙和锁具强制规范操作人员现场的操作行 为。 ( 3 ) 第一种工作票系统功能 第一种工作票能够由预先设定的专家系统自动提供；所需检查安全的项 目全部由智能钥匙结合相应锁具强制按步骤执行，杜绝应采取的安全措施由 于各种原因引起缺失和检查安全措施过程中出现的错检、漏检现象。检查结 果由智能钥匙传回防误主机。工作票内其他内容( 如开始工作时间、作业人 员变更等) 内容，均由防误主机根据规范程序执行，并将指令传入智能钥匙， 由智能钥匙控制执行，杜绝人为误操作的发生。 ( 4 ) 系统维护功能 能够提供全系统各功能的维护，如操作卡片维护、标准第一种工作票维 护、人员表维护、倒闸规则逻辑定义等。 2 1 硬件需求分析 根据“五防 的要求，牵引变电所微机防误操作装置的硬件配置应灵活 方便。硬件配置应由工业计算机、显示器、激光打印机、智能钥匙、通讯控 制器，以及根据实际需要选配锁具及附件等组成。 其中工业计算机、显示器、打印机等设备可以从市场购买，智能钥匙、 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 通讯控制器、锁具及附件需要研发生产。 2 1 1 智能钥匙功能需求 ( 1 ) 能够正确无误地接收系统传递的操作信息。 ( 2 ) 能够记忆存储操作信息。关闭电源及更换电池时，内容不丢失。 ( 3 ) 具有口令设置、试听语音、调节液晶对比度、背光、自检电池电压、 记忆、锁编码检查、中止当前的操作、跳步、浏览当前操作等功能。另外还 具有时钟、操作完毕结果上传的功能。 ( 4 ) 智能钥匙可采用步进电机的正、反方向旋转加蜗杆获得前后推力。 ( 5 ) 电池充电、节电自动管理功能。 ( 6 ) 采用自动与系统对时技术，可接收来自系统的对时信息。 ( 7 ) 可记录每步操作的时间，回送到系统保存，可对操作过程进行分析、 评估。 ( 8 ) 人机介面友好。在任一步骤操作开始前或结束后，只需按前【f 】 【j 】键就可以游览操作前后各项的内容，为实际操作提供方便。 ( 9 ) 对当前操作设备具有重复开锁的功能。 ( 1o ) 有多种属性的解锁操作：能开机械编码锁；能接通电气回路锁； 能开固定锁；具有有源验电和无源验电功能；提示性操作，可以把不需要强 制闭锁的设备，作为提示性属性n 叫。 2 1 2 智能钥匙接口需求 ( 1 ) 可以通过u s b 转串口与电脑连接：( 直接用u s b 与电脑连接) ； ( 2 ) 可以设置串口配置属性，如9 6 0 0 ，8 ，n ，1 ； ( 3 ) 与充电通信控制器通信速率为：2 4 0 0 b s ； ( 4 ) 工作方式：串行，异步，全双工； ( 5 ) 连接方式：i r o a 高速红外式接口技术； ( 6 ) 数据格式：无奇偶校验位，起始位1 位，数据位8 位，停止位1 位； ( 7 ) 提供电脑u s b 转串口驱动程序，与智能钥匙通信； ( 8 ) 在不更改硬件情况下，更新智能钥匙内部软件； ( 9 ) 能更新智能钥匙内部提示音。 2 1 3 充电通信控制器功能需求 充电通信控制器是一座连接于防误主机与智能钥匙之间的桥梁。根据和 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 防误主机系统的连接接口的不同，可以有r s 2 3 2 外接电源型、u s b 接口型。其 作用主要是： ( 1 ) 将防误主机系统有线连接的数据传输方式转变为与智能钥匙的无接 触的i r d a 高速红外式数据传输； ( 2 ) 对智能钥匙进行智能化充电； ( 3 ) 存放智能钥匙。 2 1 4 锁具需求 锁具主要分下面几种： ( 1 ) 电气回路锁：主要用于监控断路器的当地分、合操作。 ( 2 ) 挂锁与锁销：主要用于监控室内外刀闸的分、合操作。 ( 3 ) 挂锁与锁扣：主要用于监控网栅门的开、关操作。 ( 4 ) 接地桩：主要用于挂接临时接地线。 挂锁 挂锁主要用于闭锁网栅门、隔离开关、接地桩。当挂锁用于闭锁室内的 隔离开关时应考虑与锁销配合。 电气回路锁 电气回路锁主要用于系统闭锁中，应串接到控制电源回路中。 闭锁要求：锁具中有一个接点，当回路锁合上时，接点是断开的，操作 机构无法操作；当回路锁打开时，接点是合上的，操作机构可以操作。本回 路锁具有辅助的状态检测部件，可以通过电气装置的辅助接点，向智能钥匙 发送状态信号，供智能钥匙检测，实现防止走过场的目的以及让智能钥匙记 录此时的隔离开关( 断路器) 的状态以备回送给防误主机系统。 万能钥匙 用于紧急状态下的解锁功能。 2 2 软件需求分析 根据“五防”的功能要求，软件配置需要有接线图绘制系统、模拟操作 系统、第一种工作票系统和维护系统等 接线图绘制系统 提供牵引变电所主接线图的绘制、功能定义，实现离线人工( 在线自动) 对位功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ( 1 ) 只能同时编辑一个接线图。接线图可以从文件打开接线图，也可以 直接创建一个新接线图，创建新接线图时，将关闭已经打开的接线图。 ( 2 ) 可以建立二次接线原理图，且可以与一次主接线图建立关联。 ( 3 ) 可以在接线图中完成元素的创建，可以调整元素的形状和位置。元 素能否调整形状取决于元素自身的特性。 ( 4 ) 可以选择多个元素，进行移位、删除、复制。 ( 5 ) 可以设置元素的属性。 ( 6 ) 可以设置元素的操作规则。 ( 7 ) 可以向接线图中添加白定义的图形。 ( 8 ) 接线图可以按照一定比例进行缩放。 ( 9 ) 接线图可以预览和打印。 ( 1 0 ) 可以设置接线图背景。 ( 1 1 ) 为了方便编辑，接线图编辑工具应提供网格和点状图的辅助显示。 ( 1 2 ) 完成接线图编辑后，可以将接线图所有内容保存到文件中。该文 件包含了元素的基本信息、属性、操作规则等等。不再单独设置资源文件、 规则文件等等。 ( 1 3 ) 可操作的元素：断路器、隔离开关、接地刀闸、小车、接地点、 网栅门、验电点。 模拟操作系统 实现各种倒闸操作( 按倒闸操作卡片或倒闸操作表) 逻辑规则校核、模 拟操作功能。对变电所当地的倒闸操作工作，必须将经过校核和模拟的操作 步骤按规范写入智能钥匙，由智能钥匙和锁具强制操作人员现场操作行为。 ( 1 ) 在运行过程中，如果向系统发出了“开票”命令，则操作步骤在“确 认开票”后生成操作票。 ( 2 ) 模拟要求：开始模拟后，用户不能再设置元素的属性，只能操作元 素来更改其状态。 ( 3 ) 用户可以操作二次保护中的各个设备。 ( 4 ) 操作票生成后，可以预览和打印操作票。并且可按照电子钥匙的规 则将操作票的操作顺序写入电子钥匙。 ( 5 ) 生成操作票时，可以比较操作标准票。 第一种工作票系统 第一种工作票由预先设定的专家系统提供；所需检查安全的项目全部由 智能钥匙结合相应锁具强制按工作票规定的步骤执行。检查结果由智能钥匙 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 传回防误主机。工作票内其他内容( 如开始工作时间、作业人员变更等) ，均 由防误主机根据规范程序执行，并将指令传入智能钥匙，由智能钥匙控制执 行，杜绝人为误操作的发生。 ( 1 ) 可以任意绘制线条、方框等表格需要的图形。 ( 2 ) 可以添加票样的内容变量：操作票号、开票人、动作内容等等。 ( 3 ) 票样编辑工具编辑完成后，可以将票样保存成为文件。供演练程序 使用。 维护系统 提供全系统各功能的维护，如操作卡片维护、标准第一种工作票维护、 人员表维护、倒闸规则逻辑定义等。 ( 1 ) 运行对象库维护 ( 2 ) 变电所库维护 ( 3 ) 运行对象逻辑库维护 ( 4 ) 标准化第一种工作票库维护 ( 5 ) 人员表维护 ( 6 ) 防误锁具库维护 ( 7 ) 系统权限维护 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第3 章牵引变电所微机防误操作装置的实现 系统的具体实现由硬件和软件两部分组成。硬件部分：其中工业计算机、 显示器、打印机等设备可以从市场购买，智能钥匙、通讯控制器、锁具及附 件需进行设计生产。软件部分：根据软件的需求分析对其四大功能模块进行 编程开发。 31 系统结构设计 根据整个系统的需求分析，牵引变电所实现“五防”功能的系统结构作 如下布置： 挂啦电缡码锁闭啦盒接地桩 图3 一l 系统结构图 讯控制器 系统工作流程： ( 1 ) 防误主机通过r s 4 8 5 接口从综合自动化装置取得各个设备的实时状 态，并对防误主机的各个设备的状态实施对位。 ( 2 ) 防误主机对倒闸操作卡片( 倒闸操作表) 或第一种工作票安全措施 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 的操作步骤进行模拟。模拟无误后方可下传到智能钥匙。 ( 3 ) 打印机可随时打印出倒闸操作卡片( 倒闸操作表) 或第一种工作票。 ( 4 ) 值班员手执智能钥匙到现场，按照智能钥匙上的提示步骤对相关设 备的锁具执行开锁，开锁后执行设备的分合闸操作。 ( 5 ) 智能钥匙上的所有操作步骤执行完毕后，回传到防误主机。 整个系统的结构作如下考虑： ( 1 ) 设备均设在当地牵引变电所内。 ( 2 ) 系统软件在系统中主要是对牵引变电所设备进行检查、保养、检修、 试验等操作进行流程控制编写，逻辑判断，记录等。智能钥匙是工作人员在现 场按照智能钥匙要求的操作流程来完成牵引变电所的工作。锁具主要为重要 的设备操作进行加锁。 ( 3 ) 由供电调度员进行远动操作的“防误 措施，由远动设备功能实现， 本系统不予考虑。 ( 4 ) 第一种工作票发票人可以通过主机填写第一种工作票。 ( 5 ) 第一种工作票的安全措施可以通过选择作业项目自动生成。办理或 恢复安全措施时，通过智能钥匙自动回传到工作票中，实现办理工作票过程 中的安全措施检查。 ( 6 ) 系统可以变更第一种工作票的其它记录。 ( 7 ) 供电调度通过对操作卡片( 倒闸表) 、7 - 作票的审核后，方可下达 倒闸命令和作业命令。 3 2 闭锁方法的实现 牵引变电所需要强制闭锁的一次设备主要有：断路器、电动隔离开关、 手动隔离开关、接地刀闸( 临时接地线) 、网栅门等，其中断路器、电动隔 离开关一般采用电编码锁方式闭锁。手动隔离开关、接地刀闸( 临时接地线) 、 网栅门采用机械挂锁与附件配合的方式闭锁n 。线路侧验电采用加装验电器 方式闭锁。 3 2 1 断路器闭锁实现方法 牵引变电所中的断路器、电动隔离开关等设备有两种操作方式：远动操 作和当地操作。系统对这两种操作方式都采用电编码锁或闭锁盒实施闭锁。 电编码锁用于当地操作的断路器、电动隔离开关、电动接地刀闸的闭锁。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 电编码锁在电气原理上相当于一个常开节点，通常被串入到相应的电气操作 回路中b 训，以实现闭锁功能。其闭锁原理如图3 2 ： 图3 2 电编码锁工作原理 台r _ 唾 分闸 图中d s 是电编码锁。由于原有的操作回路被切断，当地操作前必须先通 过智能钥匙进行解锁。即：先将智能钥匙插入电编码锁中，如操作设备的编 号和智能钥匙显示的编号一致，智能钥匙内部接通操作回路，闭锁解除允许 操作。 电编码锁要安装在保护屏或开关柜的当地操作按钮的附近，以方便操作 为原则，同时该节点的接入不能影响远动操作。 闭锁盒是为了在牵引变电所进行检修、调试、试验等不带电作业时而设 置的一种安全闭锁措施。 闭锁盒正常情况下是闭合的，当需要进行停电检修、调试、试验等作业 时，必须预先通过智能钥匙解锁。即：先将智能钥匙插入闭锁盒，如操作设 备的编号和智能钥匙显示的编号一致，则可以打开闭锁盒，操作转换开关， 重新锁上闭锁盒。此时远方当地转换开关处于当地位，无论远动操作还是当 地操作都不能操作，现场人员可以进行相关的作业。 3 2 2 电动隔离开关闭锁实现方法 电动隔离开关有多种操作方式：隔离开关机构箱、端子箱( 将一个间隔的 多把电动隔离开关的操作按钮集中在一起) 、远动操作。针对不同的操作方式 有不同的闭锁方法。 ( 1 ) 隔离开关机构箱 在机构箱中，有两种操作方法：一是电动按钮操作，二是手摇操作，这 两种操作方法都可以操作隔离开关。闭锁方案如下：在电动隔离开关的机构 箱门上加装机械编码锁，将机构箱门锁上，既可以闭锁电动操作按钮，也可 a 了 一 。 b 一 一 一鼍 帧日 竺uf晤苎号孚 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 以闭锁手摇操作；在电动隔离开关的转轴上加装状态识别器，用以检查隔离 开关的分、合状态，不同的状态对应不同的编码。电动隔离开关操作时( 以合 隔离开关为例) ，先将隔离开关机构箱门上的机械锁打开，合上隔离开关( 不 管是电动合上还是手摇合上) ，读合位状态识别器的编码，检查隔离开关确已 合上。 ( 2 ) 端子箱 采用电编码锁方式闭锁，其闭锁原理与断路器的当地操作相同。 ( 3 ) 远动操作 电动隔离开关的远动操作闭锁原理和断路器相同。 3 3 智能钥匙的实现 智能钥匙是整个装置的核心部分，它需要是一套具有较高技术水平的多 功能智能钥匙( 图3 3 ) 。用于接收防误主机系统下传的操作票，然后按照操 作票的内容依次对电气回路锁和机械编码锁进行解锁操作。若实际操作与智 能钥匙提示不符，智能钥匙将拒绝操作并发出语音提示。智能钥匙选材应从 以下方面考虑： ( 1 ) 需采用工业级集成芯片； ( 2 ) 无触点红外读码，读码应该可靠性高； ( 3 ) 键盘可采用3 3 键盘设计； ( 4 ) 外型流线设计应美观大方、小巧轻便： ( 5 ) 可采用步进电机闭锁机构，安全可靠： ( 6 ) 运用大屏幕高亮度液晶汉字显示； ( 7 ) 具备自动电源管理，具备掉电数据记忆； ( 8 ) 电源供电可采用大容量锂离子手机电池，持续工作时间长，使用方 便。 穆簿 图3 - 3 智能钥匙示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 爹”一 设置，k _ 螽绥背篓二一二1 2 篓 l 篡三 l 一口令。，啦+i蓁曼兰薹i童：兰 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 3 32 智能钥匙原理 根据硬件需求分析，以及智能钥匙的功能描述，设计了智能钥匙的原理 框图( 图3 - 5 ) 。框架图表明了智能钥匙各硬件之间的链路”“。 图3 - 5 智能钥匙原理框图 33 3 智能钥匙功能实现 开机：按【启动】键即可开启智能钥匙，进入运行状态，开机后智 能钥匙显示欢迎界面。 关机：关闭智能钥匙有两种方式，两种方式关机都不会影响智能钥 匙内的操作信息，会记录下操作信息当前执行的情况，当重新开机后能继续 执行下一步操作。 ( 1 ) 在开机运行状态按【关闭】键即可关闭智能钥匙。 ( 2 ) 在开机运行状态，但无人操作、且也不通信的连续时间超过设定时 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 间时c p u 自动关机。自关机时间的设定范围是卜9 9 分钟。这种方式为智能节 电中的一种。 【确认】键：在操作过程中根据液晶和语音的提示，按【确认】键进 行相应的操作。 【取消】键：在操作过程中按【取消】键可取消当前的操作，退回到 上一级，在当前内容为操作步骤时，则退回到开机的初始状态。 【f 】键：在液晶上有选择光标闪烁时，按【f 】键可使闪烁光标移 到上一个选择内容；在进行操作程序实际操作，且液晶显示操作步骤时，按 【f 】键可显示上步操作内容，5 秒内自动回到当前操作步骤，如需再向前看， 请连续按【f 】键；在液晶屏上有光标指示数字时，按【f 】键可使数字加1 。 【j 】键：在液晶上有选择光标闪烁时，按【j 】键可使闪烁光标移 到下一个选择内容；在进行操作程序实际操作，且液晶显示操作步骤时，按 【l 】键可显示下步操作内容，5 秒内自动回到当前操作步骤，如需再向后看， 请连续按【j 】键；在液晶屏上有光标指示数字时，按【i 】键可使数字减1 。 【一】键：在液晶上有选择光标闪烁时，按【一】键可使闪烁光标移 到左面一个选择内容上。 【一】键：在液晶上有选择光标闪烁时，按【一】键可使闪烁光标移 到右面一个选择内容上。 【功能】键：在开机状态下，按一下【功能】键智能钥匙显示功能选 择画面。然后按【f 】、【l 】、【一】、【一】键，根据光标的指示位置，按【确 认】键选择进入所需要的功能项。按【取消】键返回到当时按【功能】键前 的状态。 每次从系统下载操作信息的时候系统会将当前的时间连同操作信息 一起下传给智能钥匙，智能钥匙在接收到有关的时间信息后自动将自身的日 期、时间与系统同步。 3 3 4 通讯控制器的功能实现 通讯控制器( 图3 - 6 ) 是专为智能钥匙所使用锂电池充电和与防误操作闭 锁系统主机通讯而设计的。该充电器不会造成电池过充或充电不足的问题， 并根据电池容量控制充电电流，以有效保护电池寿命。 整个充电通信控制器的外部结构需要由a b s 工程塑料通过专用模具组压 铸而成，外形美观，结构合理；内部可配有专用电源模块，高速数模转换、 放大芯片，接口电平转换和协议转换的专用芯片。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 卜一电源指示灯；2 一接收指示灯；3 一发送指示灯；4 一充电指示灯；5 一显示窗口： 6 一通信接口。 图3 6 充电通信控制器示意图 连接接口 连接接口为u s b 接口方式，因此具备热插拔功能，并且他与计算机有专 门的通信协议。对于与计算机的初次连接必须按以下步骤进行： ( 1 ) 退出计算机正在运行的所有程序，让系统运行在w i n d o w s 操作窗口 的界面下。 ( 2 ) 将计算机与充电通信控制器通过专用的u s b 接口连接线连接，此时 计算机会自动检测到新的硬件，出现操作提示内容。 ( 3 ) 按计算机的提示步骤，安装驱动软件，安装硬件。 ( 4 ) 安装完备，在 之 内的端口项中查看，充电 通信控制器的u s b 端口被设置成的c o m 端口号，再在w f i n i 的文件中将端口 号c o m p o r t 值改为此号。 在对计算机安装过驱动程序后，每次重新热插拔u s b 接口连接线，计算 机都会自动检测、添加此设备，不必再人工安装驱动程序。 充电 在计算机开机状态下，充电通信控制器的电源指示灯亮表示u s b 接口已 连接。接口连接完毕，打开外接电源开关，电源开关和电源指示灯都亮表示 充电通信控制器已开启。放入智能钥匙，充电通信控制器自动检测智能钥匙 的电池电压，进行智能化充电，自动选择采用涓流、恒流、恒压等充电模式 为电池进行充电，在充电的过程中充电指示灯会闪烁或常亮，在检测到电池 已充满后，充电通信控制器自动停止为电池充电，充电指示灯熄灭，进入待 充电状态，在此状态下系统一直自动检测电池电压，待电池电压下降到某一 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 定值时，自动进入再充电状态。在整个充电的过程中，具有热限制功能，以 保护充电设备和电池的工作寿命。 数据通讯 在开机状态下，放入智能钥匙并开启到显示时间的状态，此时充电通信 控制器作为一座桥梁连接在防误主机系统和智能钥匙之间，实现数据传输， 在防误主机系统向智能钥匙下传数据时接收指示灯闪烁，在智能钥匙向防误 主机系统上传数据时发送指示灯闪烁。 3 3 5 万能钥匙实现 是在紧急情况下，不需要经过防误操作装置而能直接打开各类锁具的钥 日1 - 疋堂。 3 3 6 智能钥匙技术要求 环境温度：一2 5 + 5 0 环境相对湿度：日平均9 5 ，月平均9 5 电源：3 6 v1