（电气工程专业论文）变电站微机防误系统的研究与应用.pdf

羹丕皇三墨堡主堂垡笙塞 a bs t r a c t b a s e do nt h e p r a c t i c e ，t h i sp a p e rp r e s e n t ss u b s t a t i o nd e v i c ef o rp r e v e n t m a l o p e r a t i o ns y s t e mw i t hc o m p u t e rt h a ta d o p t sd i s t r i b u t i v i t yc o n t r o ls y s t e mt h e o r y , r e a l i z e st h a tt h es u b s t a t i o nd e v i c ef o rp r e v e n tm a l o p e r a t i o ns y s t e mc o m b i n ew i t h i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ta u t o m a t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h es u b s t a t i o nd e v i c ef o rp r e v e n t i n gr e a l o p e r a t i o n s y s t e m p r e s e n t ，i tb r i n g sf o r w a r dd e s i g np r i n c i p l ea n dc o n t r o ld e m a n df o rp r e v e n t i n g r e a l - o p e r a t i o ns y s t e mw i t hc o m p u t e r i td e s i g n sa n dr e a l i z e ss u b s t a t i o nd e v i c ef o r p r e v e n tm a l o p e r a t i o ns y s t e mw i t hc o m p u t e ri ns y s t e mh a r d w a r e ，s o f t w a r ea n d c o m m u n i c a t i o na n ds oo n t h e r ea r e m o s t l yh o s tc o m p u t e r , c o n t r o l l e r , l o c k s e t s e l e c t i o na n di n s t a l l a t i o n i nh a r d w a r e ，m a k es u r ef i v e p r e v e n t i o nr u l e s h e e ta n d p r o g r a mi ns o f t w a r eb ya i m i n ga ts u b s t a t i o np r i m a lm a i n - w i r i n gd i a g r a m ，w h i c h r e a l i z e sm a n yf u n c t i o ns u c ha ss e c u r i t yc o n t r o l ，d a t at r a n s m i s s i o n ，r e g u l a t i o nc o n t r o l ， d y n a m i cd i s p l a y , m e m o r yq u e r y , a n ds y s t e mm a i n t e n a n c e ，i tc o n s t r u e ss p e c i a l t yo f d a t aa c q u i s i t i o nt r a n s m i s s i o na n dc o m m u n i c a t i o n ，p u tf o r w a r dt h a t4 8 5 ，b u sl i n ea s c o m m u n i c a t i o ni ns u b s t a t i o n t h es y s t e mi si n s t a l l e dd e b u g g e da n dr u n n i n gi n2 2 0 k v h a i a ns u b s t a t i o n ，r e a c h e se x p e c t e dr e q u i r e m e n t , r e s o l v e sq u e s t i o n sa s l e a p f i o g g i n g a n d “d u m m yr e m o t es i g n a l i n g ”，s u p p l i e san e e do fl o c a lp r a c t i c a lp r o d u c t i o n i na l l u s i o nt od e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nl a t t i c i n g ，i tb r i n g sf o r w a r dt h a tw ec a n a p p l yt h ef l u s ht y p ee t h e r n e tt e c h n o l o g yi n t o 幽ep r e v e n t i n gr e a l o p e r a t i o ns y s t e m c o n s t r u c t e de n t i r e l yf r o mn e wt y p et r a c ku n i ti t s e l fi ne a c ha l t e r n a t i o n i tn e e d n t f u r n i s hs p e c i a la n t i m a l o p e r a t i o ns y s t e mp c t h ek e yo fr e a l i z i n gf u l ld i s t r i b u f i v i t y p r e v e n tm a l o p e r a t i o ns y s t e mp r o j e c t sb a s e d o nn e t w o r k t e c h n o l o g y i s c o m m u n i c a t i o nr e l a t i o nr e f e r e n c e l i s t i n g b e t w e e nd i f f e r e n tt r a c ku n i ta n d e s t a b l i s h m e n to fi n t e r l o c kl o g i cr u l eb a s eo fp r e v e n t i n gm a l o p e r a t i o nc o r r e s p o n d i n g t oe v e r yo p e r a t i o n ， k e y w o r d s ：s u b s t a t i o np r e v e n tm a l - o p e r a t i o ns y s t e m ，c o n t r o l i e r ， o p e r a t i o nr u l es h e e t ，n e t w o r k v 上海大学工程硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：堑! 园兰日期翌：2 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垒竭兰导师签名：盘：盈 日期：堡! ：z 上海大学工程硕士学位论文 第一章概述 电力部门历来重视电力系统的安全运行，为了防止因操作人员误操作而导致 重大事故，造成人员伤亡和设备损坏，大面积停电，引起电网不稳定，造成惨重 的经济损失，普遍采取技术手段来防止误操作。电气设备的防误操作工作从电气 设备的应用时候起就有了。1 9 8 0 年8 月原水利电力部第一次全国电力生产安全 会议上明确指出：误操作事故，除用“两票三制”( 两票指工作票、操作票，三 制指交接班制度、巡回检查制度、设备定期试验轮换制度) 的办法防止外，还可 以在技术上采取一些闭锁装置来避免。采取的技术措施主要就是电磁闭锁装置和 机械程序闭锁装置。一批批电磁闭锁装置和机械程序闭锁装置经过科技人员的研 究陆续产生，在不断研究探索中不断改进和完善，并为此专门制定了防止电气误 操作装置管理规定。我们通常简称防止电气误操作系统为防误系统，称其设备装 置为防误装置，因常采用的原理是分级闭锁，逐级开放，又常称其为防误闭锁装 置。 1 9 9 0 年能源安保 1 9 9 0 i i l 0 号文规定了电气防误的管理、运行、设计 和使用原则，提出防误装置设计应遵循的原则是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，从这个原则出发，提出了“五 防”的规定，是指：防止误分、合开关( 即断路器) ；防止带负荷拉、合隔离开 关( 即刀闸) ：防止带电挂( 合) 接地线( 地刀) ；防止带接地线( 地刀) 合开关 ( 隔离开关) ；防止误入带电间隔。电力系统将能实现“五防”功能和要求的装 置也称为五防装置。 2 0 0 3 年7 月国电公司以国家电网生( 2 0 0 3 ) 2 4 3 号文新出台了“防止电气 误操作装置管理规定”n 3 ，进一步明确了防止电气误操作装置的管理要求，明 确提出：“新建的变电站、发电厂( 1 1 0 千伏及以上电气设备) 防误装置应优先 采用单元电气闭锁回路加微机“五防”的方案。变、配电装置改造加装防误装 置时，应优先采用微机五防或电气闭锁方式”。 实际上，各种误操作事故时有发生。据资料。“介绍，以福建省为例，1 9 9 5 年以来，电网共发生误操作事故2 5 起，带接地线( 地刀) 合闸1 4 次，占总数的 5 6 ，带电挂接地线( 合地刀) 和带负荷拉合刀闸，分别占总数的2 4 和2 0 。分析 上海大学工程硕士学位论文 其原因，有人员违章，也有技术措施不完善。说到底，就是防误系统不完善。 1 1 变电所防误闭锁系统的国内外发展现状 在电力系统中采用的电气防误闭锁的形式有： ( ) 程序挂锁：指使用带有程序编码性质的挂锁对手动操作设备的操作部件 实行加锁控制。由于这种锁易锈蚀、折断，易走空程，且只能应用于简单的接线 方式，目前这种防误装置已基本淘汰。 ( 二) 机械程序锁：指使用带有程序编码性质的机械锁具对手动操作设备的操 作部件实现机械定位控制。该种防误方式适用于l o k v 开关柜间隔，在室外配电 装置中应用很少。其缺点是易卡涩、错位。目前广泛应用于电力系统中老3 5 k y 变电站及1 l o k v 变电站的l o k v 配电装置。 ( 三) 机械闭锁：即利用相关电气设备的机械传动部分通过连杆或连板而实现 的机械互相限位措施。机械闭锁基本取消了各类锁具，简化了运行人员的操作。 缺点是适用面窄，主要应用于开关柜，且对复杂的接线，如分段、跨条等不能实 现闭锁。机械闭锁主要应用于新建或改造变电站的开关柜。 ( 四) 电磁锁：是利用电磁锁的锁栓对手动操作设备的操作部件实行机械定位 控制。这种锁具目前在电力系统中应用广泛。其闭锁原理主要是采集相关开关、 闸刀辅助接点，当满足某一开放条件后接通电磁锁回路，使得锁具开放。优点是 闭锁条件设置灵活、适用于室内、室外配电装置，缺点是复杂结线方式时需要在 电磁锁回路中串接较多的辅助接点，使得电缆敷设繁多、回路易断线等。因此， 电磁锁主要应用于单母线结线或桥结线的配电装置。 ( 五) 电气闭锁：指对电气控制回路及电动操作回路实行电接点控制。其闭锁 回路原理与电磁锁相似，只是它只能用于电动操作的闸刀机构。 这些防误闭锁形式在变电所均存在过，具体采用何种形式，与变电所设备型 式、布置方式有关，而目前变电所主要采用电磁闭锁装置或机械程序闭锁装置来 防止电气误操作事故的发生，说明这两种方式相比较而言较成熟，它是在电力系 统发展过程中经过不断完善和总结发展起来的一套行之有效的防误闭锁方法，但 由于这两种闭锁装置的固有缺点( 回路复杂，间隔多的大站实现起来耗费大量的 电缆，其防误功能随二次接线而定，不易增加和修改，最大的缺点是不能实现完 上海大学工程硕士学位论文 全的五防，一般只能防止断路器、隔离开关、接地隔离开关的误操作，对误入带 电间隔、接地线的挂接( 拆除) 等则无能为力，对复杂接线方式如母联兼旁路很 难单纯用上述任一种闭锁装置来实现闭锁) ，要解决其中某一个问题就需要花费 很大的资金和设备，将使每个设备配上许多辅助设备，尤其是像我公司2 2 0 千伏海安变电所现有的三个电压等级的接线方式均为双母线带旁路母线，而要全 部达到全面闭锁，若仍是用老式的装置型式，更是不可能，这就需要有一种能克 服上述两种闭锁装置的固有缺点的新型防误操作系统。近年来随着电子技术、微 机技术的快速发展，特别是集散控制系统、变电所综合自动化、变电所微机监控 系统的陆续开发使用，出现了采用微型计算机或微处理器控制实现防误闭锁，解 决了这一问题。这种在变电站采用微型计算机或微处理器控制电气防误操作装置 的系统即微机防误系统。虽然国内在此方面的研究也不少，但由于国内整体开发 使用水平比国外还有一定差距，因此国内在此方面还稍逊一筹，如在集散控制， 现场控制技术等方面。但由于国内现在学习国外技术的步伐加快，用的自动化设 备等有不少源自国外及国外的先进技术，如可编程控制器p l c ，通讯技术、总线 技术等，这样一来，与国外拉近了距离。目前国内不少厂家投入人力物力在微机 防误系统研究上，也做出了不少成绩。如南京银山电子有限公司w b f 型，山东淄 博微联电子有限公司w l b 型等。 1 2 控制系统的发展与应用 自2 0 世纪5 0 年代第一台计算机应用于控制以来，工业控制逐步地从单机的 监控、直接数字控制( d d c ) 发展到集散型控制系统( d e s ) 和现场总线控制系统 ( f c s ) ，先后经历了气动、电动、集散型控制系统( d c s ) 以及近期出现的现场总线 控制系统( f c s ) 。 气动、电动控制系统属于模拟控制。生产现场各处的参数通过交送嚣变成统 的模拟信号( 如0 ，0 2 o 1 m p a 的气压信号，0 l o m a 、4 2 0 l a 的直流电流信号， 1 5 v 的直流电压信号等) ，这些信号可送至集中控制室供操作人员纵观生产流 程各处的情况，也可将这些信号可送至控制器，控制器经过计算后产生出类似的 标准模拟信号，控制生产现场的执行器，以实现对生产过程的自动控制”。 随着计算机应用的普及，从2 0 世纪8 0 年代开始出现了数字调节器、p l c 以 上海大学工程硕士学位论文 及有多台计算机递阶构成的集中、分散相集合的集散型控制系统( d c s ) 。在d c s 中，尽管计算机的运算、以及计算机间的通信是采用数字信号，但测量变送仪表 一般仍为模拟仪表，执行接受的一般也为模拟信号，而且这些信号均是对一的。 因此，d c s 属于模拟数字混合系统，并且用于信号传输的信号线很多。d c s 存在 的另问题在于，由于生产d c s 的各厂家的产品自成体系，不具备开放式特性， 故使不同厂家的设备难以互连、互换、互操作，难以组成更大范围信息共享的网 络系统。f c s 则突破了d o s 中通信由专用网络所造成的缺陷，把基于封闭、专用 的解决方案变成基于公开化、标准化的解决方案，即可以把来自 f n 厂家而遵守 同一协议规范的自动化设备，通过现场总线联接成系统，实现综合自动化的各种 功能，同时把d c s 集中与分散相结合的集散型控制系统结构，变成新型全分布式 结构，把控制功能彻底下放到现场，即依靠现场智能设备本身来实现基本功能。 虽然现场总线控制系统与d c s 控制系统相比较具有巨大的优势，但现场总线 取代d c s 也不是一朝一夕的事，除了客户的习惯和费用问题外，大部分现场总线 生产厂家为了保存其d c s 产品的竞争实力，也采用一些现场总线技术对其d c s 系统进行改造，保留了d c s 的控制体系，又吸纳了现场总线技术的优点。 现代分散型控制系统，一般由管理级设备、监控级设备和过程级设备，组成 多级体系，它们通过通信网络互相连接。系统的构成灵活多样，能够提供单机系 统、小型系统、中型系统、大型系统的任意选择和组合。过程级设备由过程控制 器、数字调节器、可编程控制器等组成。监控级设备由简易操作站、局部操作站、 监控操作站、监控计算机等组成，提供接口，与控制器相连接。由单独的过程控 制器配上终端设备可组成单机系统，以用于小型的应用系统。由简易操作站通过 低速通信网，和最多1 6 台单多回路数字调节器相联，组成另一种形式的小型系 统。由局部操作站通过中速通信网和过程控制器相连，并通过接口与可编程控制 器相连，组成中速系统。通过接口与个人计算机相连，可在计算机上进行优化运 算和其它复杂计算。也可通过计算机和其他网络体系相连。由监控操作站、监控 计算机通过通信网和简易操作站、局部操作站、过程控制器相连，并通过接口与 可编程控制器相连，组成大型的系统。目前国内在自动控制系统方面的研究和应 用很多，特别是二十世纪八十年代以来发展较快，与国外相比虽开始起步较晚， 但因此总体比较起来差距不太大。据有关资料介绍，2 0 0 1 年各主要经济领域自 4 上海太学工程硕士学位论文 动控制系统所占份额中，最多的是电力，占3 4 9 ，其次是化工，占2 0 3 。2 0 0 2 年各供应国内的厂家中，国外的有h o n e y w e l l ，横河电机，a b b ，s i r e n s 等，国内 的有新华控制，北京和利时，浙大中控，上海自仪等。 电力系统生产过程是由各级调度中心，各个发电厂、变电所配电网络和广 大客户所组成，是一个分层、分布的系统。在一个发电厂和变电所内部也存在许 多电气设备和热工设备，同样是个分布的系统。我们研究的微机防误闭锁就是采 用典型的分层分布式控制系统。 13 课题来源及研究意义 131 课题来源 针对变电站防误系统现状，我们对防误系统进行了研究，认为防误系统中的 防误锁要求其绝对可靠是不现实的，也是不可能的，提高制造工艺可以做得更好 些，但也不能做至4 绝对可靠。只能通过增加智能性和自检来弥补这个不足。一个 采用微机型计算机技术的完整的防误操作系统应该做到符合如f 设计思路：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，并在电脑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 打开隔离开关、接地锁、网门锁等的电磁锁，不断监视操作过程中开关变位信息， 给出正确的操作提示或错误的告警提示，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。这种方案是目前电力系统技术、管理和运行人 员公认的最佳方案，即全过程监视的智能化防误操作系统。 但长时间以来，我们未能实旌这一方案，主要有以下几点： ( 1 ) 变电站开关现场，操作时要控制的锁数量以及要监视的开关位置信息太 多，达成百上千，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 ) 没有适合于变电站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，是哥十严重的资源浪费，而且这 这些技术用于防误操作造价太高，大马拉小车，是哥十严重的资源浪费，而且这 上海大学工程硕士学位论文 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 ) 操作票专家系统没有成熟和实用化、智能化。以往的操作票专家系统通 用化程度低，对不同的变电站需重新编程，开发周期长，成本高，客户可维护性 低，系统生成后，在实际应用中需要不断随着现场设备配置、操作任务的变更而 修改、完善和扩充。而变电站运行人员对计算机了解甚少难以介入，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系统、变电站仿真培训系统没有 有机地结合在起研究，发挥不出其协调后的潜力，导致系统功能单一，不能彻 底、有效地防止误操作事故的发生。 2 2 0 千伏海安变地处南通市的最北端海安县中部，通过该变电所，北与盐城 电网东台红光变电所、西与泰州电网陆庄变电所相连，是1 9 8 7 年华能一期工程 时华能南通电厂配套工程之一，为向电网供电而建设的枢纽变电所。当时其主设 备均为进口，至今已有十七个年头。变电所现有两台主变，有2 2 0 、1 1 0 、3 5 千 伏三个电压等级，各有出线八回，三个电压等级配电装置的接线方式均为双母线 带旁路母线，在变电所的接线方式中是较完整、较复杂的接线方式之一。变电所 原先采用电磁闭锁装置和机械程序闭锁装置，但由于这两种闭锁装置的固有缺 点，如母联兼旁路很难单纯用上述任一种闭锁装置来实现闭锁，无法闭锁母线接 地线，3 5 千伏开关室内边网门无法闭锁等，为了尽可能达到全面闭锁，我们综合 控制系统和可编程控制器艘u 的应用，探讨了适用海安变电所( 站) 防误操作的微 机防误操作系统。 1 3 2 课题研究意义 本课题将要研究的变电站微机防误系统，不仅可以克服电磁闭锁装置或机械 程序闭锁装置这两种闭锁装置的固有缺点，而且能利用微机防误系统实时采集变 电所系统的运行状态，充分运用其信息系统可以共享的特点，它既可以单独作为 一个系统实施，也可以与变电所综合自动化一起，共事实时采集的数据。如果资 金许可，同时进行实施微机防误系统和变电所综合自动化，如果资金不许可，先 将微机防误系统单独作为个系统实施，将来变电所综合自动化实施时，通过两 个系统的数据传输，可以共享实时采集的数据。该微机防误系统的研究，为电力 部门变电所防误揉作工作提供了有力的工具，适应电力系统防误操作工作的需 6 上海大学工程硕士学位论文 要。2 2 0 千伏海安变微机防误系统的研究，对保证该变电站的设备安全健康运行 提供强有力的支持。微机防误系统在该变电所的应用，将大大提高变电所防误操 作能力，减轻值班人员的工作压力。因为以往在操作中对无法实施闭锁的，只是 由值班员靠自身的业务能力来避免出现误操作，由于防误操作装置的不完善人为 地将压力转移给值班员。 变电站微机防误系统的研究，将使变电站防误系统的水平上一个较大的台 阶，不仅解决海安变的实际问题，其对变电站综合自动化，监控系统自动化等方 向的研究都有重要的参考价值。 1 4 本文的主要工作及论文安排 1 4 1 本文的主要工作 主要工作分为理论研究和应用两部分。理论部分主要是研究瓤型变电站微机 防误系统的理论基础，郎用自动控制系统理论等知识来开展新型微机防误系统的 研究。应用部分是将研究成果应用于工程实践中，应用于2 2 0 千伏变电所。 理论研究主要内容是：新型变电站徽机防误系统的理论基础。微机防误系统 软件部分，编制五防系统规则表。微机防误系统硬件部分，主要是主机功能选取， m p u 可编程控制器的研究设计，锁具( 包括电磁锁、网门锁、临时接地锁) 的功 能选取。 主要是控制器艘u 的研究。它的功能是接受防误系统主机的控制命令，通过 对电磁锁等锁具的电源的控制，对电气设备实旌防误操作，同时要把电气设备当 前的状态信息( 如辅助接点信息) 实时采集传输给防误系统主机。这些电气设备 可以是断路器( 我们在实际工作中习惯上称为开关) ，也可以是隔离开关( 我们在 实际工作中习惯上称为闸刀或刀闸) 。锁具( 包括电磁锁、网门锁、临时接地锁) 要能接受控制器m p u 的控制命令，当控制器m p u 切断锁具的电源时，锁具处于闭 锁状态，拒绝使用方的一切操作；当控制器m p u 接通锁具的电源时，锁具处于解 锁开放状态，使用方可以对其进行操作，同时送出对能表示当前工作状态是断 开或是闭合的辅助接点信号。 应用部分主要内容是：五防系统规则表必须针对该变电所电气一次主接线 上海大学工程硕士学位论文 图，对各种不同的运行方式下的防误方案均能实施，不留死角。主机作为现场管 理机，设在主控制室，般选用普通商用电脑或工控机，配以逆变电源作备用电 源。采用标准4 8 5 ( 或2 3 2 ) 口或c a n 总线或其他总线作通讯网络，实现管理机 与分布式控制器m p u 的通讯。肝u 可编程控制器安装在现场，根据现场位置考虑 安装在每个单元的端予箱内。其便利条件是端子箱内防雨且可装随温湿度自动投 切的驱潮加热器。锁具( 包括电磁锁、网门锁、临时接地锁) 选择要能适应室外 工作环境，防雨防硒：便于安装等。若暂不实施综合自动化系统，要考虑用来连 接防误系统主机和综合自动化系统的接口，这样就能实现综合自动化系统对电气 设备实施防误操作闭锁以及完成与综合自动化的数据共享。 微机防误系统软件基于目前常用的w i n d o s 9 8 2 0 0 0 等平台，需有将变电所主 接线图绘入的较强的绘图功能，能在防误系统主机屏幕上的电气图中显示出现场 各种开关、隔离开关、网门、接地线等的状态，要有很好的实时监测功能，支持 在线打印和远距离发送命令的功能，能设置相应管理权限，授予不同的管理人员 和操作人员权限。 对微机防误系统在2 2 0 千伏变电站的运行进行跟踪分析，总结运行经验，也 是本次工作之一。 1 4 2 论文安排 第一章首先概述了变电站防误操作闭锁系统的基本含义和应用现状，分析了 控制系统的发展过程和应用，介绍了本课题的来源及其研究意义。 第二章提出了微机型防误操作系统的设计原则，即满足实时性、全面性、可 靠性、开放性等要求，根据要求提出了系统的结构，即分层分布式结构。 第三章从数据采集传输与通讯方面入手，提出了数据采集方式，比较了 r s 一2 3 2 与r s 一4 8 5 分别作为组网标准时鲍清况，得出r s 一4 8 5 较适合本系统，分 析了采用r s 一4 8 5 总线组网的相关问题，介绍了串行通信的接收与传送，对串行 接口提出了抗干扰措施，如r s 一4 8 5 收发器的选择时能防静电和抗静电放电冲 击，带故障保护，采用接地技术，瞬态保护中采用隔离和旁路的方法等。 第四章从六个方面分析了主机系统的软件设计，即安全控制、数据传输、规 则控制、动态显示、存储查询、系统维护等，着重分析了规则表的建立和控制器 上海大学工程硕士学位论文 软件设计，介绍了系统工作流程。 第五章提出了防误系统的主要硬件如电磁锁、控制器、主机等为适应系统要 求需达到的技术要求，提出主机采用工控机，电磁锁要适应室外环境，控制器要 适应系统现场工作需要。 第六章2 2 0 千伏海安变电站的微机防误操作系统的安装、调试、运行，适 应了现场电力生产需要。该系统解决了“走空程( 操作过程中漏项) ”，解决了当 前微机防误闭锁装置大多采用的虚遥信方式带来的问题。 通过各变电所目前已完成的光纤通讯网络( 工业以太网) ，将来还可将各变 电所的防误操作系统连接起来，并与调度自动化系统实现连接，达到全系统防误 闭锁。 第七章提出变电站微机防误系统的网络化的趋势。网络化既是变电站规范管 理的需要，又是技术革新的成果，同时，对于推进变电站无人值守化进程也具有 非常重要的作用。 第八章对本课题的工作进行了总结和展望。 上海大学工程硕士学位论文 第二章系统的设计原则与结构 2 。1微机型防误操作系统的设计原则 在倒闸操作中采用的微机型防误操作系统，其防误设施的性能、质量、技术 条件应符合国家部、委、华东及省电力公司有关文件和标准的要求。符合微机 型防止电气误操作装置通用技术条件、防止电气误操作装置管理规定、防止 电气误操作闭锁装置若干规定等。 微机型防误操作系统要紧紧围绕变电所现场设备的具体情况，要求实用、可 靠、简便，贯彻“安全第一，预防为主”的方针，在安全的前提下经济适用。要 考虑在运行的变电所中具备一定的成熟性的基础上，再考虑先进性，即不能盲目 追求技术先进性采用不成熟设备或技术导致在运行中变电所设备上出故障而造 成安全事故。 设备选型与防误方案的确定是成功实施防误闭锁的基础，设计的系统除了应 满足一般防误装置的通用要求如结构简单，维护方便，不影响断路器、隔离开关 等设备的主要技术性能外，还应满足如下基本要求： 实时性 应能实时采集所有一次设备实际位置的变化，防误操作应根据设备的实时位 置经逻辑运算后得出允许或不允许操作的结论。 全面性 首先，应对所有断路器、隔离开关、接地隔离开关、网门锁、接地锁的位置 全面采集；其次，应真正实现室内“五防”、室外“四防”的功能，否则防误系 统将失去意义。 可靠性 系统所包括的软硬件在现场环境下运行应稳定可靠，其产品应通过国家或 网、省公司的鉴定并有入网许可。 开放性 当变电所进行一次设备的新增或拆除时防误系统应能够方便地调整以满足 设备变动后的防误需要。系统在满足防误需要的同时，应能够满足电力系统操作 习惯的需要。 0 上海大学工程硕士学位论文 2 2 系统的控制功能与要求 系统的控制按分布式控制系统考虑，满足防误闭锁功能，从设备上杜绝误操 作事故的发生。 系统内的五防规则表根据变电所一次主接线方式制订，要能根据各个变电所 的不同主接线组态。分隔离开关必须在断路器断开后，而合隔离开关必须在断路 器合上前。挂接地线必须在停电后，送电必须在全部拆除接地线后。 值班员接到调度中心调度员发出的倒闸操作任务预发令后，由副值分项填写 好操作票，即在实时显示系统设备状态的主接线图上按操作顺序点击要操作的设 备，由操作票专家系统生成操作票。由正值进行审核。当正式令下达后，值班员 在变电所主控室防误专用管理机上主接线图上按操作票顺序点击要操作设备，进 行模拟操作。如符合五防规则表，则说明顺序正确，模拟操作成功。若某一步不 符合五防规则表，则显示不能执行此项操作，说明顺序不正确，须进行纠正。模 拟正确后，进行设备操作，操作中微机型防误操作系统按步开放设备供操作，未 开放设备无法操作。 2 3 系统的结构 系统总体结构框图如图2 1 。 总体采用分级分布式控翻结构，引入计算机局域网技术，将各变电站内微机 防误闭锁装置连接起来，网络上分为两大类：子站和主站。主站设在局端的监控 中心，子站则是各个变电站的微机防误系统，通过网络将各子站信息通过串行通 讯送往通讯控制器，经过规约的转换，通过通道传输至主站，主站与予站分布控 制。各个子站，如2 2 0 千伏海安变微机防误系统即是个分布控制系统。 2 2 0 千伏海安变微机防误系统由防误系统管理机( 主机) 、m p u 可编程控制器、 通信网络、锁具( 包括电磁锁、网门锁、临时接地锁) 等组成。这是一个集数据 采集、控制、管理为一体的集散控制系统，防误系统主机( 及打印机) 作为管理 级工作站，各个设备间隔( 单元) 的m p u 可编程控制器构成数据采集与控制，锁 具( 包括电磁锁、网门锁、临时接地锁) 作为执行元件，通过通信网络r 5 2 3 2 或r s 4 8 5 标准接e l 实现数据交换。 上海大学工程硕士学位论文 监控中心 变电站l变电站2 一 墨电站n 一1贾站h 图2 一l 系统总体结构框图 f i g u r e 2 1s y s t e m 系统分层： 第一级：控制站，即在变电所主控室设防误专用管理微机，基于目前常用的 w i n d o s 9 8 2 0 0 0 ，适用性强。 第二级：间隔级，通过通讯网络，现场级设备放在每个单元的端子箱内，包 括端子排、控制器m p u 。 第三级：设备级，即需要具体操作的设备，如隔离开关、断路器、接地开关、 临时接地锁。 2 4 小结 本章提出了微机型防误操作系统的设计原则，即满足实时性、全面性、可靠 性、开放性等要求，系统的控制按分布式控制系统考虑，满足防误闭锁功能，从 设备上杜绝误操作事故的发生。根据要求提出了系统的结构，即分层分布式结构。 上海大学工程硬士学位论文 第三章数据采集传输与通讯 为了达到对整个生产操作过程的监视和控制，必须采用网络和通信手段，收 集分布很广的信息，进行监视和控制。在操作不符合程序要求时，制止错误操作， 以免事故的发生。同时，由于电力系统生产的复杂性，有大量高级应用软件在支 持这个系统的正常运行，在不同的高级应用软件之间霈建立通用的连接模式，采 用现行通用的接口标准，通信规约。目前，国际通行的是i e c 6 1 8 5 0 变电站通信 网络和系统系列标准。 许多4 8 5 网络采用主从协议管理网络控制权。由一个主节点对4 8 5 总线的占 用进行管理，任一时刻都只允许一个节点向总线发送报文，采用这种4 8 5 网络可 以构成主从式控制系统。系统中的主节点采用工业p c 机，通过4 8 5 总线实现对 若干现场设备的监视和控制。这正符合微机防误系统的要求。 3 1微机防误系统中数据采集方式与特点 数据量采集我们习惯称为遥信量采集，在子站海安变微机防误系统中，包括 断路器状态、隔离开关状态、接地线的接地锁状态、网门( 前网门、边网门) 状态、 临时接地线的接地锁状态等。这些信号采用光电隔离方式输入系统。 遥信触点 十2 4 v g n d 图3 - 1 遥信信息采集输入电路 f i g u r e 3 1i n p u tc i r c u i t 1 3 + 5 v g n d 上海大学工程硕士学位论文 断路器位置状态、隔离开关位置状态一般取自辅助开关触点的位置信号，只 要将触点的位置信号采集就可以了。我们假设断路器处于分闸状态，其辅助触点 闭合，+ 2 4 v 经过r c 网络后输入到光耦，光耦中发光二极管发光，光敏三极管导 通，遥信输出低电平0 。若断路器处于合闸状态，其辅助触点断开，发光二极 管不发光，光敏三极管截止，遥信输出高电平“i ”，如表1 ，从而完成了断路器 位置信息的采集。隔离开关位置信息的采集也与之类似。网门( 前网门、边网门) 状态则通过网门锁锁上与否来采集。我们假设网门锁未锁上，其辅助触点闭合， + 2 4 v 经过r c 网络后输入到光耦，光耦中发光二极管发光，光敏三极管导通，遥 信输出低电平“o ”。若网门锁锁上状态，其辅助触点断开，发光二极管不发光， 光敏三极管截止，遥信输出高电平“l ”，从而完成了网门锁位置信息的采集。而 对于接地线、临时接地线状态，则通过接地端接地桩头插入接地锁孔与否来采集。 当接地桩头插入接地锁孔时，推动位置行程开关辅助触点断开，遥信输出高电平 “1 ”，反之为“0 ”，从而完成了接地线、临时接地线位置信息的采集。 表3 一l 断路器状态与遥信码 t a b l e3 1s w i t c ha n dr e m o t em o d e 断路器状态辅助触点光耦状态 遥信码 合闸断开截止 1 分闸闭合导通 0 断路器状态、隔离开关状态、接地线的接地锁状态、网门( 前网门、边网门) 状态、临时接地线的接地锁状态的信号均接入m p u 控制器。 控制器m p u 与电控锁、网门锁、接地锁等执行器用网络线相连。 从整个主站与子站系统来看，通信的总体结构采用分布式的结构形式。它在 通信速度、可靠性和可扩展性方面的指标都很高。系统由监控主机、通讯控制器 和若干子站组成，它的结构分为三层。第一层监控主机为变电所监控层，设在局 端的监控中心，它由通信管理层得到实时数据，承担站内人机接口、监视、管理、 控制等任务。第二层为通讯控制管理层，负责对下层装置进行通信管理，并与远 方调度中心通信，承担着采集控制功能，它可通过传统的r s 一4 2 2 4 8 5 总线、局 站中速网络( l o n w o r k s 及c a n 技术) 或高速标准l a n 技术通信。 上海大学工程硕士学位论文 3 2 r s 一4 8 5 组网及相关问题 根据以往采用r s 2 3 2 串行接口标准通信中出现的数据不符、不完整或丢失 情况，在系统设计初期，我们比较了r s - 2 3 2 和r s - 4 8 5 两种串行通信标准，分 析现场物理环境及适用性后进行通信方式的选择。在选择过程中特别考虑了系统 是处于高压及高辐射的变电站内，物理环境相当恶劣。 3 2 1 通信方式的选择 数字信号的传输距离随着距离的增加和信号传输速率的提高，在传输线上的 反射、串扰、衰减和共地噪声等影响将引起信号的畸变，从而限制了通信距离。 普通的t t l 电路，由于驱动能力差、输入电阻小、灵敏度不高以及抗干扰性能差， 因而信号传输的距离短。r s - 2 3 2 和r s 一4 8 5 都是串行数据接口标准，最初都是由 电子工业协会( e i a ，e l e c t r i ci n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 制定荠发布的。r s 一2 3 2 接口电路的驱动能力要比t t l 电路大，抗干扰能力也大大提高了，但r s 一2 3 2 标 准规定，驱动器允许有2 5 0 0 p f 的电容负载，因而传输距离受到此电容负载的限 制，而且r s 一2 3 2 属于单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题， 故r s 一2 3 2 般用于2 0 m 内的通信。 相对于r s 一2 3 2 的通信距离短、抗干扰能力差等缺点，r s 一4 8 5 具有网络连接 方便、抗干扰性能好、传输距离远等优点。r s 一4 8 5 收发器采用平衡发送和差分 接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上收发器具有高的灵敏度，能检测到低 达2 0 0 m y 的电压，可靠通信的传输距离可达1 2 1 9 米。使用r s 一4 8 5 总线组网，只 需一对双绞线就可实现多系统组成分布式系统，设备简单，价格低廉、通信距离 长。 表3 2 对r s 一2 3 2 与r s 一4 8 5 的特性作了一个全面的比较，结合现场情况及 防误的要求，我们最终选择了r s 一4 8 5 作为组网标准。 上海大学工程硕士学位论文 表3 2r s 一2 3 2 与r s 一4 8 5 比较 t a b l e3 2c o m p a r is o nb e t w e e nr s 一2 3 2a n dr s 一4 8 5 对比项目 r s 一2 3 2 r s 一4 8 5 工作方式单端差分 节点数1 发1 收1 发3 2 收 最大传输电缆长度 1 5 米1 2 1 9 米 最大传输速率2 0 k b s 1 0 m b s 最大驱动输出电压+ 7 2 5 v 一7 v + 1 2 v 驱动器输出信号电平( 负载最小值) 负载 + 一5 v 十一1 5 v+ 一1 5 v 驱动器输出信号电平( 空载最大值) 空载+ - 2 5 v 卜6 v 驱动器负载阻抗( q ) 3 k 7 k 5 4 k 摆率( 最大值) 3 0 v usn a 接收器输入电压范围 + 一1 5 v 一7 v + 1 2 v 接收器输入门限 + 一3 v + 一2 0 0 m v 接收器输入电阻( o ) 3 k 7 k1 2 k 驱动器共模电压一l v + 3 v 接收器共模电压一7 v + 1 2 v 3 2 2 串行接口的抗干扰措施 虽然r s 一4 8 5 串行接口标准的共模抑制能力非常好，但对于工作在变电站这 样的物理环境中，如果忽略抗干扰措施，通信的可靠性也是得不到保证的，甚至 可能造成总线及其连接部件的损坏，而最终达不到预期的效果。 1 、r s 一4 8 5 收发器的选择 接收器防静电和抗静电放电冲击 r s 一4 8 5 接收器差分输入端对“地”的共模电压允许一7 + 1 2 v ，著超过此范 围，器件就可能损坏。在构成r s 一4 8 5 总线网时，采用双绞线作传输线。实践证 明，雷电在传输线上引起瞬变干扰常常会损坏器件，因此防止雷电损坏收发器是 设计中应考虑的问题，也是提高系统可靠性的一项重要措施。可采用加钳位电路 来达到防雷电的目的。 设计中要考虑的另一个问题是抗静电放电冲击。由于各种原因引起的静电， 其电压值可能高达数千伏以上，因此器件就可能由于静电放电的冲击而不能运行 或损坏。有效的办法是选用m a x i m 公司的m a x l 4 8 系列芯片，这些器件能抗4 - 1 5 k v 的静电放电冲击。本系统选用了m k x l 4 8 0 b 芯片。 故障保护“ 上海丈学工程硕士学位论文 r s 一4 8 5 接收器的灵敏度为+ _ 2 0 0 m y ，即差分输入端电压u 厂u 。 ，+ 2 0 0 m y 时输 出逻辑1 ，u 一u e 一2 0 0 v 时输出逻辑0 ，一2 0 0m y u u 。 + 2 0 0 m y 时不确定。当 输入端开路、短路或总线浮空时( 总线上所有驱动器输出为高阻抗) ，若接收器输 出为低电平，则u a r t ( 通用异步收发器) 可能认为是通信帧的起始而引起工作的 不正常。克服此问题的方法，一是选用带故障保护的r s 一4 8 5 收发器，m a x i m 公 司有这种功能的器件；二是对没有故障保护的器件外加上下拉电阻，则可以提供 接收器输入开路和总线浮空的保护，但不能保证接收器输入端短路时的输出高电 平。三是通过软件设计进行故障排除。 r s 一4 8 5 总线在多站联网时，电源的供电情况也有所影响。因此不同站之间 的共模电压可能很高，就有可能损坏收发器。克服这种问题的办法是将各站的串 行通信电气接口与其它站进行电气隔离，这有利于提高系统的可靠性。因而这种 方法需要额外的分立的高速光耦器件和带隔离的d c d c 交换器。本系统采用电 源集中管理，因而可以忽略这种影响。 减少电磁辐射干扰和传输线终端匹配不完善引起的反射 传输线传输的信号含有丰富的谐波分量，而其中的高次谐波，可以通过传输 线向外辐射形成电磁干扰。m a x i m 公司的m a x 4 8 3 ，m a x 4 8 8