（电力系统及其自动化专业论文）变电站网络型防误闭锁系统的设计.pdf

东北电力人学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n g 、i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y , t h ee x p a n d i n g o fp o w e rs y s t e m s ，a n dt h ei n c r e a s i n gc o m p l e x i t yo fs y s t e m so p e r a t i n gm o d e ，t h e l e v e lo fs u b s t a t i o na u t o m a t i o ne v e rb e c o m eh i g h e r , a n dt h i ss e tal o to fn e wa n d h i g h e rr e q u e s t st ot h ei n t e r - l o c k i n gd e v i c e s a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to fi n t e r - l o c k i n gd e v i c e s ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa r e l i a b l em e t h o do fn e t w o r ki n t e r - l o c k i n gs y s t e m f i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fn e t w o r ki n t e r - l o c k i n gs y s t e m ，a n a l y s e sf e a s i b i l i t yo f m e t h o do fn e t w o r k ，a n dp r o p o s e dar e l i a b l en e t w o r ka r c h i t e c t u r e o nt h eb a s i so ft h e m o s ti n t e r - l o c k i n gs y s t e mt h a ti sw i d e l yu s e di ns u b s t a t i o n ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r d t h ec o n c e p t o f i n t e r - l o c k i n gn o d ”，a n db a s e do nt h i s ，e s t a b l i s h e dam e t h o do f i n t e r l o c k s y s t e m a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d a c t u a l i t y o fn e t w o r k i n t e r - l o c k i n gs y s t e m ，t os e t t l et h ep r o b l e mo fc o m p l e xc o n n e c ta n de x t e n d i n gh a r d ， t h ep a p e rp u t sf o r w a r dan e wm e t h o db a s e d1 2 cb u s i m p l e m e n t a r ys c h e m e ：i nt h es u b s t a t i o ne a c hi n t e r v a li sd e f i n e da sae x e c u t i o n u n i t t h eu n i ti sr e c o l l e c t i n gt h es w i t c h i n gv a l u eo fd e v i c e s i nt h em e a n t i m e ，t h eu n i t c o n t r o l st h ei n t e r - l o c k i n gn o dt h o u g hs w i t c h i n gv a l u e a i ma tl a t c h u pp r o t e c t i o n ，t h e e x e c u t i o nu n i ti no fe a c hi n t e r v a li sc o n n e c t e dw i t hm o n i t o r i n gc o m p u t e rb yc a n b u s ， t h ed i g i t a ld a t ac a nb eu p p e rt r a n s m i t sa n dt h eo r d e rc a nb er e l e a s e d b ym e a n so f t h e r e l i a b l eh a r d w a r ed e s i g na n dt h ep r o p e rs o f t w a r ep r o g r a m ，e v e n t u a l l y , t h ed e s i g nc a n a c h i e v et h er e a lt i m er e m o t es u p e r v i s o r yi nt h es u b s t a t i o n t h i sp a p e rp r e s e n t st h ep r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a t i o no fac a n b a s e do n l i n e i n t e r l o c k i n gs y s t e m t h i ss y s t e mc a nm o n i t o ro p e r a t i o n so fu n l o c k i n ga n ds w i t c h i n g i nt h es u b s t a t i o n i ts o l v e st h e o m i s s i o no p e r a t i o n a n do t h e rs h o r t c o m i n g so f t r a d i t i o n a lc o m p u t e r - b a s e d i n t e r l o c k i n gs y s t e m ；i tc a n c e l sc o m p u t e rk e y sa n d r e d u c e s o p e r a t i n g t a s k so f o p e r a t o r s ；i t a l s ob r e a k s t h r o u g ht h e t r a d i t i o n a l i n t e r l o c k i n g - d e v i c em a n a g e m e n tm o d e l ，a n dm e e t s t h en e e d so fs u b s t a t i o n a u t o m a t i o nd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：n e t w o r k ，i n t e r - l o c k i n gs y s t e m ，c a nb u s ，1 2 cb u s - i i 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉： 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名： 垒盎 日期：型! 堑年上月j 盟日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：墨爿己j 导师签名： 日期：圣翌2 塞年上月至上e t 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 和中国学位论文全文数据库投稿声明 研究生部： 本人同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国学位论文全文 数据库出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生部向中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社的中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国科 技信息研究所的中国学位论文全文数据库投稿，希望中国优秀博硕士学 位论文全文数据库和中国学位论文全文数据库给予出版，并同意在中 国优秀博硕士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库以及中国学位论文全 文数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。 论文级别：口硕士口博士 作者签名：苎垫指导教师签名： 作者联系地址( 邮编) ： 作者联系电话： 日期：z 芝堡篁年月丛日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题研究的背景及意义 防误闭锁系统( 装置) 是防止电气误操作最直接也是最有效的技术措施，安 全生产工作的长期性、艰巨性和复杂性，决定了防误闭锁系统( 装置) 在电力运 行中具有举足轻重的地位与作用。 电力系统中的电气误操作是威胁电力设备安全运行的频发性故障，它可能 导致大面积停电，电力设备毁坏，系统振荡瓦解，甚至发生人员伤亡事故。为 此，原水利电力部于1 9 8 0 年将防止电气误操作事故列为电力生产急需解决的重 大技术问题。而电气设备的安全运行对防止电气误操作装置具有很强的依赖性， 所以防止电气误操作装置管理规定明确要求：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。并在此基础上提出 了“五防 规定，即：( 1 ) 防止误分、误合断路器；( 2 ) 防止带负荷合、分隔离 开关；( 3 ) 防止误入带电间隔；( 4 ) 防止带电挂接地线；( 5 ) 防止带接地线合闸。 并且电业安全工作规定和防止电气误操作装置管理规定中都明确规定 了防止电气误操作装置在设计、安装、运行、维护、检修、管理等诸多方面的 具体要求、使用原则和操作方法，其目的是使其能更好地发挥作用。 随着变电站综合自动化系统的不断推广，利用先进的计算机技术、电子技 术、通信技术和信号处理技术，已经实现了对全变电站的输、配电设备的自动 监视、测量、控制和继电保护，以及与调度通信等自动化功能。多种新技术的 应用使得变电站综合自动化水平越来越高，设备的可靠性也越来越高。因此， 由设备故障原因引起的电力系统事故越来越少，而由人为操作原因引发的事故 比例则逐渐提高，这就对现有的防误闭锁装置提出了许多新的要求。 目前使用的多数防误装置自动化程度都不高，在倒闸操作中附加了大量闭 锁装置的解闭锁操作，延迟了倒闸操作的执行时间，增加了操作人员的劳动强 度，给误操作带来了隐患。并且，随着无人值班变电所的实施、设备装备水平 的发展、电动操作设备的增多以及监控中心的建立，一些新的倒闸操作管理模 东北电力大学工学硕士学位论文 式又在挑战着传统和现有的防误装置的防误功能和五防理念。因此，如何利用 现代网络技术，实现防误装置在理念和技术上的新突破就显得非常迫切船3 。 1 2 现有防误闭锁装置分析 按照闭锁方式的不同防误装置可分如下四种： 1 机械程序锁方式 机械程序锁利用机械锁具对开关、刀闸等电气设备的操作把手实行机械定 位来实现闭锁。逻辑闭锁功能是利用钥匙随操作程序传递或置换而达到先后开 锁操作的要求1 。其优点是：在接线、运行方式都比较简单的系统中较适用，流 程清晰，操作家常化。这种闭锁方式的缺点有：只能在结线简单的变电站使用， 复杂结线中不能应用；不能对电动执行的开关、刀闸闭锁；刀闸的分合信息可 靠性差( 红绿翻牌) ；执行操作过程中不能间断；存在“走空程”问题。 2 机械联锁方式 主要用于3 5 k v 及以下的开关柜、手车柜。机械联锁是在开关柜的操作部 位之间用互相制约和联动的机械结构来达到先后动作的闭锁要求。单个断路器 间隔内，利用机械连杆、凸形滑块直接传动和闭锁限位销的默契配合来达到断 路器、刀闸和前后网门的程序闭锁。闭锁装置能检测断路器、刀闸和网门的“分 合 和“开闭”位置。机械闭锁在操作过程中无需使用钥匙等铺助操作，可以 实现操作顺序的正确进行，自动的步步解锁。在发生误操作时，可以实现自动 闭锁，阻止误操作的进行。机械闭锁可以实现正向和反向的闭锁要求，加之闭 锁直观，强度高，不易损坏，检修工作量小，操作方便，运行可靠等优点，所 以受到运行和检修人员的欢迎口1 。其缺点有：机械联锁中连杆传动闭锁受距离和 空间的限制，只适用于单一断路器间隔闭锁，因此闭锁功能比较简单，只能在 极简单的结线方式下应用。由于不具备横向闭锁功能，在复杂的结线方式特别 是双母线带旁路的变电站中，根本不能使用；与电气动作元件无法实现闭锁； 老式锁具容易发生卡涩和锈蚀，延长了操作时间，使运行人员很难应付。 3 电气( 电磁) 闭锁方式 第l 章绪论 电气闭锁是利用二次电缆将( 相关) 断路器、隔离开关和接地刀闸的辅助 接点连接成相应的逻辑电路串入设备的电动操作回路中，用以接通或断开操作 对象的电源而进行闭锁的一种方式。电磁闭锁是利用电磁锁的锁栓对刀闸、网 门等电气设备的操作把手实行机械定位控制来实现相互闭锁的，其原理是利用 断路器、刀闸、开关柜等辅助接点，接通或断开需闭锁设备的电磁锁电源，使 其操作机构无法操作或门无法打开，从而实现设备间的联锁。其优点是：原理 简单、操作方便、没有过多的附属设备。 电气( 电磁) 闭锁方式的缺点有：防误功能随二次回路接线而定，接线方 式较为复杂，不易增加和修改。对一次系统接线复杂、间隔多的系统实现起来 要耗费大量的二次电缆，而且使变电站的二次回路复杂，安装、维护工作量大； 二次回路中引入了大量的辅助接点使二次回路故障率增加。故防误系统的灵活 性、独立性、可靠性均不理想。 4 微机防误闭锁方式 微机型防误闭锁系统是通过计算机和网络技术将断路器、隔离开关、接地 刀闸、临时接地线、网门等设备的电气闭锁条件、倒闸操作规则编辑成计算机 程序，并利用现场锁具来实现防误闭锁功能。也就是说，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规则库，实现了防误闭锁的数 字化，而且还可以实现其它闭锁方式不能实现或很难实现的防误功能。 由于系统结构的不同，微机型防误闭锁系统也分多种模式，其中最典型的 有以下两种h 儿副。 一种是不直接采用现场设备的辅助接点，由防误工控机、模拟屏、电脑钥 匙和现场编码锁组成。这种系统以配置了工控机的模拟屏为核心，屏上所有模 拟现场设备都有触点与工控机相连，能模拟变电站的一次设备并按预制的正常 倒闸操作程序编制、校验、打印操作票。操作时先在模拟屏上预演，工控机根 据预先编制好的规则对每一项操作进行判断。预演结束后，将正确的程序下载 到电脑钥匙，操作人员依据电脑钥匙中的提示依次对现场的电气设备进行操作， 当出现与正常操作程序有误时，靠电脑钥匙不能解锁、无法操作来防止误操作。 值得注意的是，在操作任务完成后要通过电脑钥匙将现场设备的状态信息回传 到模拟屏，以更新模拟屏上的断路器、隔离开关的状态，其原理如图1 1 所示。 东北电力大学工学硕上学位论文 翌一里一国警 操作完成后信息回传 图1 1 离线式微机防误闭锁系统结构图 厂嘲黼 l 豳隧耋转 第二科s 微机型防误闭锁系统与变电站的监控系统实时地共享数据资源，并 独立完成防误操作闭锁功能。它由防误主机、通信装置、电脑钥匙、编码锁组 成，预演和操作都在微机上实现。 很显然，这两种模式主要不同点在于现场设备状态信息的回传方式( 模拟 原件与现场设备的对位方式) 。第一种模式是利用电脑钥匙间接的把现场设备的 状念传回到模拟屏，故也叫离线式( 间接式) 微机防误系统。第二种模式( 实 时式) 利用当地监控系统与防误闭锁系统的通讯来提升防误水平，这种模式是 目前普遍采用的，但有些信号如网门、接地线状态等还是需要依靠电脑钥匙回 传的。 微机防误闭锁系统虽然实现了防误闭锁的数字化，解决了适应各类结线及 间隔之间的联锁问题，但是同时存在一些不足阻川： 1 ) “走空程”问题。即便是功能有所改进的微机防误闭锁系统为了解决这 一问题也要增加辅助设备，如检位锁。这样不但增加了设备维护量，而且使得 操作过程繁琐，不容易被现场操作人员接受。 2 ) 无实时对位功能。倒闸操作中对一些危险点的操作很难或无法实现强制 闭锁( 如保护的投、退，丌关操作电源的拉、合等) ，而微机防误闭锁系统中的 电脑钥匙又无法得到相关设备的变位信息，这样就给电力系统的安全生产留下 了隐患。 3 ) 传统的“钥匙+ 锁”模式，不能适应变电站自动化发展的要求。随着电 力工业的迅速发展，电力系统的规模不断扩大，系统的运行方式越来越复杂， 从而对变电站自动化水平的要求越来越高，但防误闭锁系统作为变电站综合自 第1 章绪论 动化的重要组成部分其自动化水平发展确比较缓慢，以现有微机防误系统很难 满足变电站发展的需要。 1 3 防误闭锁系统网络化的发展趋势 为了解决上述问题，防误闭锁系统必须充分利用计算机技术、通讯技术和 微电子技术，开发出微机远程控制的防误系统，这种闭锁系统能够充分的发挥 计算机的通讯和控制功能以及微控制器的逻辑判断功能，将微机和现场防误闭 锁具连成网络综合测控系统，通过网络采集现场设备的状态和执行解闭锁操作 命令，将操作人员从繁杂的闭锁装置的操作中解脱出来，从而高效准确的完成 倒闸操作。网络型防误闭锁系统适应了变电站自动化的发展，是防误系统的发 展方向1 。 1 4 本文的主要工作 1 在介绍防误闭锁系统发展过程的基础上，总结目前变电站广泛应用的防 误操作闭锁系统，研究了各种防误系统的闭锁原理和防误操作的实现过程，分 析了每种防误系统的优点和存在的问题，并在此基础上确定网络型防误闭锁系 统的闭锁方式。 2 阐述了网络型防误系统的原理，对防误系统网络化实现方式进行了可行 性分析，在此基础上构建了一种基于c a n 总线的可靠、合理的网络结构，并采用 部分冗余法来保证网络的可靠性。 3 根据系统整体方案，设计了网络型防误闭锁系统的硬件设备，整个系统 由防误主机、c a n 总线接口卡、现场控制器、闭锁接点以及网络通讯电缆组成。 4 完成了现场控制器软件设计。包括在线编程模块设计、网络通讯模块设 计、间隔内闭锁接点管理程序设计以及闭锁接点操作程序设计。 5 完成了防误监控软件设计。防误监控软件功能包括主接线图的编制和元 件信息的设置、系统防误规则的编制、防误系统网络设备的监控和管理、操作 任务的执行、与变电站监控系统的实时对位功能。 东北电力大学工学硕士学位论文 第2 章网络型防误闭锁系统的原理及结构 由于现有防误闭锁系统存在的种种问题，防误装置的功能迫切需要打破传 统单一变电五防闭锁管理模式，从无人值班变电所及监控中心的整体考虑，建 立一个信息化联网、功能更强大、手段更全面的五防闭锁集控化综合管理模式。 而目前普遍使用的离线式微机防误闭锁装置不仅无法实现，而且在使用过程中 暴露其不可克服的弱点，如操作繁琐、限制并行操作、锁具复杂、维护困难、 操作过程无法监控，更无法实现不同变电站间的联络线的联锁等。因此，如何 利用现代网络技术，实现防误装置在理念和技术上的新突破就显得非常迫切。 实时在线的，根据开关、刀闸等设备的实时状态信息，用微机防误系统实现“五 防”功能的网络型防误装置必将以其实时性强、适用性强、灵活方便、便于全 方位考虑、能够满足无人值班变电站远方遥控操作的防误功能等特点，在目前 防误系统领域独领风骚。 2 1 网络型防误闭锁系统闭锁方式的确定 变电站内需防误闭锁的对象不外乎两大类，一类是带电动机构可遥控操作的 设备，如断路器、有载调压分接头开关等，这些设备是正常运行时所需要操作的， 一般不需要人员到场，除非遥控操作失灵才需要人员到场用手动方式紧急操作； 第二类是不带电动机构只能手动操作的设备，如地刀等，这些设备需要人员到 场才能操作( 如检修) 。可见对防误对象来说，有人值班和无人值班并无实质区别， 只要解决两类设备的防误闭锁即可。 根据变电站内电气设备的控制方式，网络型防误系统中设备可以采取以下 两种闭锁方式：对于有电动操作机构的设备可以在其分合闸回路中串入一个接 点，而此接点的通断受现场控制器的控制，其原理如图2 1 所示；对于手动操作 的设备则要外配电磁锁，在电磁锁的开闭回路也串入一个闭锁接点，如图2 2 所 示。 第2 章网络型防误闭锁系统的原理及结构 1 一手动一 合闸回j j 闭锁接点 分闸回l 一箩 o o 一 一j- o ，p 但扣跳阐信 图2 i电动设备分合闸回路 图2 - 2 电磁锁控制回路 2 2 分布式网络防误闭锁系统的设计方案提出 根据网络型防误闭锁系统的闭锁方式可知，对电气设备的防误闭锁是通过 对闭锁接点的合理控制实现的。为了提高网络型防误闭锁系统的可靠性，对闭 锁接点的控制采取以间隔为单位的分布式控制模式，即一个间隔设置一个现场 控制器，各闭锁接点的开闭由相应的现场控制器来控制。这样防误系统的设计 可以立足于两个层面： 间隔内的防误闭锁：利用现场控制器自身的防误闭锁逻辑，可以实现本地 “五防”。本文中控制器采用i z c 总线网络实现对本间隔闭锁接点的控制。 间隔间的防误闭锁：利用通信网络使间隔与间隔之间的信息共享，从而实 现系统级的联锁。本文中间隔间的通信采用了现场总线通信网络。 2 2 1 基于现场总线的通信网络设计方案 网络型防误闭锁系统对通信网络的性能要求主要体现在以下几个方面： 东北电力大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 可靠性：由于防误闭锁系统的可靠工作关系到人身安全、设备安全以 及电力系统的可靠运行，而网络型防误闭锁系统对通信网络的依赖很大，所以 通信网络的可靠性直接影响防误系统的可靠性。因此网络型防误闭锁系统中拥 有一个可靠的通信网络是首要条件。 ( 2 ) 实时性；防误判断的依据是各相关设备的实时状态信息。而且当设备 变位以及多任务并行操作时要求信息能在通信网络上快速传递。 ( 3 ) 开放性：网络型防误闭锁系统中的通信网络也是变电站自动化系统的 一个子系统，除了保证“网内”现场设备互连、便于扩展外，它还应服从变电 站自动化系统的总体设计，硬件接口应满足国际标准，选用国际标准的通信协 议，方便用户的系统集成。 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，是计算机局域网在自动 化领域中的应用。现场总线是在集散控制系统的基础上产生的，它突破了集散 控制系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专 用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，即可把来自不同厂商而 遵守同一协议规范的自动化设备，通过现场总线网络连接成系统，实现综合自 动化的各种功能，同时把集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型的全 分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基 本控制功能旧1 。 现场总线系统的开放性、互可操作性、互用性以及可靠性能很好的满足网 络型防误闭锁系统的要求。因此，本文所设计的防误系统就是基于现场总线技 术的。 2 2 2 现场总线的选型 现场总线的发展与其它的网络技术的发展一样，最初由不同的公司开发了 不同的、独立的技术形式和应用产品，随着应用规模的扩大，不可避免地朝着 开放系统、统一标准的方向发展。自8 0 年代末以来，有几种现场线技术已逐渐 形成，并在一些特定的应用领域显示了自己的优势。它们具有各自的特点，也 显示了较强的生命力。在一段时间内，这几种技术并存的局面还将维持，表2 1 列出了这几种总线的类型及它们的特性n 们。 第2 章网络型防误闭锁系统的原理及结构 表2 1 几种常用现场总线特性表 港 f fp r o f i b u sl o n w o r kc a n h a r t s 应用领域过程控制p l c楼宇自动化汽车智能变送器 双绞线、电 双绞线、光纤 双绞线、电双绞线、光纤或电双绞线、电缆 缆、光纤、源线、电力 缆 通讯介质 无线等 线、电缆、 光纤、无线、 红外线 l a s 控制的令牌、主从p - pc s m a位仲裁“问答式”和 介质访问方式 令牌传递“成组模式” 方式 纠错方式 c r cc r cc r cc r cc r c 最大通讯速率 2 5 m b p s 1 2 m b p s1 2 5 m b p s l m b p si 2 m b p s 最大节点数 3 21 2 73 2 0 0 01 l o1 5 优先级有有有有有 本安性是是是是是 1 i e c 支p r o f i b u s - d p ： 1 自由拓扑1 总线式串行通1 兼容模拟信 持，开放性1 传输速率范围很双绞线、电信网络，采用双绞号，有利于改造 好，可互操广，高速数据通信 力线等6 种 线介质。老产品及系统。 作性好。 9 6 k b i t s 1 2 m b i t s 。 介质。可混 2 通信速2 规定了设备 2 使用工2 传 输介用。通信速率：5 k b i t s - 1 0 k m , 1描述语言，与多 业级的以质：r s 4 8 5 技术双率：7 8 k b i t s m b i t s 4 0 m 。 种d c s ，p l c 均 性能特点 太网、集成 绞屏蔽铜电缆和光 1 2 5 m b i t s 。 3 通信具有突出 可以相连。 器、交换机纤传输。2 规定了的可靠性、实时性3 有3 类命令， 等设 p r o f i b u s p a ： i s o o s i 模和灵活性：采用短第1 类称为通 备。 1 用于连接现场仪型7 层通信帧结构，传输时间用命令，这是所 3 网络层表，可本质安全防协议。短，抗干扰：节点有设备都理解、 使用i p 行爆。3 具有互操分不同优先级。可执行的命令。第 规，传输层2 可通过耦合器与作性。满足不同的实时2 类称为一般 使用t c p 、p r o f i b u s - d p 相连。4 提供网络性要求。行为命令，这类 u d p 行规。p m f i b u s f m s ：管理平台。4 仅定义了物理 命令包括最常 4 作为 1 为单元层和现场5 可与i p 网层和数据层。而应用的现场设备 f c s 的主层的数据通信，为络( 互联网)用层种类多。便于的功能库。第3 干网络，可 多功能通信。无线连接。互联和互操作，具类称为特殊设 以局域阕2 可与p r o f i b u s - d p6 方便的应体有备命令，以便在 冗余、设备在同一总线上传输用编程环s d s ( h o n - e y w e l l )某此设备中实 冗余。信息。境。 和d e v i c e n e t 。 现特殊功能。 通过对各种总线的比较发现，l o n w o r k s 比较适用于一些大型的，对响应时 间要求不太高的分布式控制系统，比如智能大厦控制系统。而h a r t 总线是一种 9 东北电力大学工学硕士学位论文 模拟和数字信号混合的总线，是一种过渡型总线，多用于一些4 - - , 2 0 m a 的旧式 仪表的连接。基金会现场总线在对距离和实时性的满足上不够。由表2 1 我们不 难看出，可靠性、实时性最好的属c a n 总线，c a n 的信号传输采用短帧结构， 每帧有效字节为8 个，传输距离短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有 自动关闭功能，以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及通信不受 影响1 引。 在防误操作闭锁系统中，一般有几十个节点，而且对传输距离和实时性要 求都较高，采用c a n 完全可以满足规模上的要求，并且可以将c a n 总线实时性 强的特点充分发挥出来。因此本文采用c a n 总线作为网络通讯方式。 2 2 3 间隔内闭锁接点的管理方案 对闭锁接点的管理，首先要考虑闭锁接点与现场控制器的距离问题( 驱动 问题) ：闭锁接点的开闭控制要通过现场控制器i o 口的驱动完成，而闭锁接点要 装设在各个间隔内的电气设备或电磁锁的控制回路内，所以现场控制器对闭锁 接点的驱动能力就不能不考虑。其次要考虑对闭锁接点管理的灵活性、可扩展 性以及布线的简便性：间隔内闭锁接点的数量由间隔内需闭锁的电气设备数决 定，一般一个间隔内需要几个或十几个闭锁接点，每一个闭锁接点对应一个电 气设备或电磁锁。如何方便、灵活的对它们进行管理是很重要的问题。 基于1 2 c 总线的i o 扩展技术将通讯、信号的输入输出及控制等功能都集成在 一个芯片内，采用1 2 c 总线芯片来设计闭锁接点，不但能解决驱动问题，而且能 利用成熟、先进的1 2 c n 络技术对闭锁接点进行方便、灵活的管理。i c 总线的i o 口扩展芯片可用于m c u d s p 通用i o 口的扩展，其输出可直接驱动l e d 、继电器 等开关控制，可驱动2 5 m a 电流；其输入有键盘输入，定时器传感器等检测输入， 带中断功能。对于远距离很多个控制触点与主机之间的通讯，采用1 2 ci o 扩展技 术，可大大简化多股排线布线不便的问题。 而且，恩智浦半导体( n x p ) 公司紧跟性能发展趋势，将t ：c 速度由1 0 0 k b p s 全 面提升至u 4 0 0 k ，1 m 和3 4 m ：并且，n x p 开发出大量的集线器，中继器，多路复 用器和开关等器件，将1 2 c 技术从芯片间二线通讯的简单应用发展到功能强大而 且全面的控制网络u 副。n x p 公司的1 2 c 新技术有以下优点： 第2 章网络型防误闭锁系统的原理及结构 ( 1 ) 扩展了总线容量，从4 0 0 p f 扩展至u 4 0 0 0 p f ，大大增加了总线可支持器 件的数目，大量的总线管理器件能解决应用中的各种疑难问题。 ( 2 ) 扩展了通讯距离，不再仅仅是同一电路板上几个器件之间的通讯，通 讯距离长达1 0 0 0 米，可以通过线缆来通讯。 ( 3 ) 出色的热插拔功能，应用于系统内部及板机之间的通讯，连接十分可 靠、简洁。 2 3 基于c a n 总线的防误闭锁系统总体结构及特点 根据以上思想，网络型防误系统需包括以下几部分：闭锁接点、现场控制 器、通信网络、网络接口设备以及防误主机。图2 3 给出了这种基于c a n 总线的 网络型防误闭锁系统的总体结构。 防误主机c ! 习监控主机 发网络 千 l 线圆扩一圆国 l - j r +士+0 + l + 攀i - f 攀ii 攀i i 攀i i 攀i i 攀i 图2 - 3 分布式网络型防误闭锁系统的总体结构 网络型防误操作系统以其网络化的优势，提供了一个网络化防误管理的平 台，大大提高了变电站防误操作功能，有效地解决了对变电站五防装置实时监 控的问题，其主要特点可概括如下： ( 1 ) 具有实时监控功能。取消了电脑钥匙，自动完成操作过程中控制、传输 的人机交互对话，对被控锁具能实施远程实时监控，能实时掌握防误管理系统 的运行情况和运行人员的操作情况。 ( 2 ) 由于采集了设备的实时状态信息，解决了多任务并行操作时各组操作之 东北电力大学工学硕士学位论文 间设备实时闭锁的难题。 ( 3 ) 由于防误网络的形成，实现了远程解锁、远程闭锁功能以及站端之间的 联锁问题，提高了防误管理的安全性。 ( 4 ) 由于取消了操作过程中电脑钥匙的使用操作，大大节省了操作时间，提 高了操作效率。 ( 5 ) 匹配性能强，能与其它防误设施灵活组合，能与各类电气设备配套，在 防误规则和运行管理上能根据用户要求进行定制。 ( 6 ) 能与其它监控系统实行有机的防误操作组合，既可将监控系统与本微机 防误系统接口实现后台或远方遥控操作的闭锁功能，也可将防误系统单独组网， 在监控系统下发操作指令的同时也通过防误系统下发操作指令，其遥控操作的 指令符合防误系统开放的闭锁规则及条件时方可执行操作。 ( 7 ) 系统实用性强。智能化的闭锁接点有设备位置采集功能，较好地解决了 某些设备无辅助开关或辅助开关接触不可靠带来的联锁问题。 ( 8 ) 系统或装置出现各种问题能实时自动报警。 2 4 本章小结 总结了变电站电气设备的操作方式，在此基础上提出了闭锁接点的概念， 然后提出了闭锁接点的间隔间与间隔内分布式管理模式。 通过比较几种常用现场总线的技术规范和特点，最终确定采用c a n 现场总 线组成系统的主网络，并论述了间隔内的控制器与闭锁接点之间1 2 c 总线连接方 案，从而确定了网络型防误闭锁系统的整体方案，最后阐述了这种基于c a n 总 线和1 2 c 总线的防误闭锁系统的特点。 第3 章网络型防误闭锁系统的硬件设计 第3 章网络型防误闭锁系统的硬件设计 网络型防误系统的硬件设备包括以下几部分：闭锁接点、现场控制器、通 信网络、网络接口设备以及防误主机。 3 1 闭锁接点的设计 闭锁接点是网络型防误闭锁系统的间隔内执行单元，其作用是对一次设备 的闭锁和位置状态检测。当需要执行倒闸操作时，控制器接收主机命令后向闭 锁接点发送解锁命令，闭锁接点内部电路通电实现解锁，操作人员就可以对一 次设备进行操作。操作任务完成后，当内部电路检测到设备操作完成后中断电 源通路，闭锁接点进入闭锁状态。网络型防误闭锁系统在执行操作任务时要进 行防误逻辑判断，逻辑判断需要的一次设备状态数据必须准确，否则可能导致 判断错误，为了保证一次设备位置状态信息的实时性和可靠性，闭锁接点要具 有一次设备的状态检测功能。在操作任务执行过程中，主机需要获得一次设备 的状态以便继续执行后续任务，所以闭锁接点必须具有内部状态检测功能。 本设计中闭锁接点的主要组成部分有：i o 扩展芯片、固态继电器、信号指 示灯以及霍尔接近开关。基于1 2 c 总线芯片p c f 8 5 7 4 的闭锁接点原理图如图3 1 所 示。 其中i o 扩展芯片使用p c f 8 5 7 4 ，它是p h i l i p s 公司推出的一款带1 2 c 总线，具 有c m o s 电路可使大多数m c u 实现远程i o 口扩展，该器件包含一个8 位准双向口 和一个i 2 c 总线接口，p c f 8 5 7 4 电流消耗很低且口输出锁存具有大电流驱动能力 可直接驱动l e d ，它还带有一条中断接线i n t 可与m c u 的中断逻辑相连，通过 i n t 发送中断信号远端i o 口不必经过1 2 c 总线通信就可通知m c u 是否有数据从 端口输入，这意味着p c f 8 5 7 4 可以作为一个单被控器h 叫n 5 l 。 闭锁接点的开闭由直流固态继电器控制：为了防止“走空程 的发生，闭 锁接点要能够检测被控设备的状态，并将现场状态传回主机进行监控。如图3 1 东北电力火学工学硕士学位论文 图3 1 闭锁接点原理图 接点a 接点b 中所示，a 4 4 e 为霍尔接近开关，将它安置在相应电气设备的动作机构上就可以 实时监测设备的状态。 在图3 一l 中的三个不同颜色的信号灯表达着不同的信息：绿色闪烁信号灯表 明闭锁接点通过自检，正常工作：黄色闪烁信号灯表明闭锁接点自检有故障； 红色闪烁信号灯表明闭锁接点处于紧急退出状态。 3 2 现场控制器的设计 现场控制器的主要作用是控制间隔内设备闭锁接点的通断。在一个间隔设 置一个现场控制器，负责本间隔所有设备闭锁接点的控制。现场控制器还具逻 辑判断功能，可以根据本地设备信息自主完成间隔内设备的逻辑闭锁，在本地 操作或防误主机故障时达到间隔级防误功能。各间隔控制器以及防误主机通过 c a n 总线相连，防误主机根据全站的设备信息和操作轨迹对现场控制器下达闭、 解锁命令，现场控制器接到命令后对相应的闭锁接点进行控制，从而间隔与间 第3 章网络型防误闭锁系统的硬件设计 隔之间可以信息共享，达到间隔之间的逻辑闭锁功能。现场控制器还设有声光 报警单元、检验间隔带电单元和实时时钟单元，其原理如图3 3 所示。 d c d c 隔, 离 。r电源梗块 j l 验电传感器i 西 i 哥 c i ，r 1 k 1 w 发器c 2 5 0h 光电6 1 1 1 隔3 7 离b l 声光报警 c 8 0 5 1 f 0 4 0 1 鳖 匣弋 c 剖 1 2 r 十一a 9 线5 1 接6 口b 割 螺 i 实时时钟l 扣垂 u ty 纠 图3 3 现场控制器原理图 窿 餐 誉 u 现场控制器处理核心采用的是c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机。c 8 0 5 1 f 0 4 0 器件内部有一个控制器局域网( c a n ) 控制器，使用c a n 协议实现串行通信。 该c a n 控制器符合b o s c h 规范2 0 a ( 基本c a n ) 和2 0 b ( 全功能c a n ) ，方便了 c a n 网络通信设计。c a n 控制器包含一个c a n 核、消，g r a m ( 独立于c 8 0 5 1 的 r a m ) 、一个消息处理状态机以及控制寄存器n 。控制器可以工作在高达1 m 位 秒的位速率。 3 2 1 控制器c a n 总线接口设计 网络型防误闭锁系统中，闭锁功能的实现取决于相关设备的状态，而各闭 锁设备的状态信息是依靠通信网络实时传递的。所以系统对网络的可靠性有很 高的要求。c a n 总线的冗余是提高c a n 总线可靠性的有效途径。由于通信电缆 故障发生率远远高于节点的故障发生率，因此，解决总线故障可以采用部分冗 余法n 刚刚啪1 。冗余c a n 总线的设计如图3 4 所示。 当节点发送时，总线控制器通过两个总线驱动器同时向两条总线发送相同 的报文( 不管其中一条总线是否发生故障) 。在接收过程中，判断电路自动选择两 个总线中的一个并将其中的报文送入总线控制器。由于两个总线在传输延时上 不会严格一致两个报文的到达时间有先有后，因此，判断电路以时间优先为选 择原则，即抢先到达者被选中，其报文送入总线控制器。正常情况下，两个总 东北电力大学工学硕士学位论文 图3 _ 4 冗余c a n 接口接线图 线上传送的报文是相同的，因此，无论选择哪一个，这一报文都能被送到总线 控制器去。如果一个总线发生故障，则关闭它与总线控制器之间的信号通道， 而正常总线上的报文仍能顺利送往总线控制器。此外，当发生总线故障时，将 自动向c p u 发出总线故障中断，这时，c p u 发送一个总线故障报警信号，通过非 故障总线通知整个系统。 判断电路中含有两个分别与各自总线对应的可重复触发的单稳态电路 ( 7 4 l s l 2 3 ) 和由两个与非门构成的r s 触发器。它们负责完成两个报文的抢先、滞 后的比较及选择。当总线空闲时，单稳态的输出为低电平，一旦出现报文，帧 起始位将会在单稳态的输入端产生一个触发下降沿，随即单稳态将产生一个高 电平脉冲输出，这个脉冲在单次触发下的输出宽度不小于报文中连续1 2 位的持 续时间( 主动错误标志的最大可能时间) 。由于正常情况下报文中连续出现相同逻 辑位的位数不超过5 位，所以，经报文中对应下降沿的不断触发，这个高电平脉 冲从报文帧起始位下降沿开始一直持续到报文结束。这两个单稳态的输出脉冲 的上升沿表示出了两个报文到达的先后关系，抢先到达者被r s 触发器选中而滞 后者被拒绝。如果其中一个总线因发生故障而无报文时，对应的单稳态就不会 被触发，自然也不会输出脉冲，因此被作为滞后者处理。所以对应的信号通道 第3 章网络型防误闭锁系统的硬件设计 始终被r s 触发器封锁。此外，当发生总线故障时，两个单稳态中只有一个产生 脉冲输出，因而，异或门将会产生总线故障中断信号。当c p u 收到中断后，通过 i o 口分别查询两个单稳态的输出即可对故障定位。 部分冗余法尽管同时使用两条总线，但只有一个总线控制器，因此，在正 常运行状态下即使发生总线冲突也不会造成两个总线的混乱，所以，完全能够 满足c a n 协议的要求m 扣。 3 2 2l2 c 总线接口设计 防误闭锁系统在一个间隔内一般有1 0 个左右的闭锁接点。由于闭锁接点与 现场控制器之间距离通常要几米甚至十几米远，所以p c f 8 5 7 4 与控制器之间用 1 2 c 扩展器芯片p 8 2 8 9 6 相连。p 8 2 8 9 6 可输出4 0 0 0 p f 容性负载，大大增加了总线可 支持器件的数目；远距离传输：3 1 k 1 0 0 0 米，8 5 k 。5 0 米，4 0 0 k 1 0 米，扩展了通讯 距离，不再仅仅是同一电路板上几个器件之间的通讯，通讯距离长达1 0 0 0 米， 可以通过线缆来通讯心驯。其原理如图3 5 所示。 主机 从机 图3 - 51 2 c 器件远距离通信原理图 通信中，先透过b u f f e r ( p 8 2 8 9 6 ) 进行电压准位转换，将准位从5 v 提升至 1 5 v ，以利长程传输，并在路程中运用成对双绞方式，降低杂讯的干扰程度。同 时在收发端用上萧特基二极管，以抑制假性信号。 闭锁接点分布在间隔内的各个电气设备控制回路中，为了方便布线，本设 计应用1 2 c 集线器芯片p c a 9 5 1 6 ，可以方便的进行4 路星型扩展乜们。1 2 c 总线接口 的总体电路图如图3 6 所示。 一 姒 姒 一 一 姒 姒 一 _l|lliil- 东北电力大学工学硕士学位论文 图3 _ 6 1 2 c 总线接口原理图 3 2 3 实时时钟电路设计 控制器需要定期对1 2 c 总线网络设备进行检测，检测开始的时间需要由实时 钟芯片来提供。当控制器出现不正常或检测到电磁锁出现异常时