（电力系统及其自动化专业论文）在线式防误闭锁系统的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 在线式防误闭锁系统的研究，是本 人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。据本人所知。除了文中特剔加以标注和致谢之处外。论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的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。 学位论文作者签名：罢三垒 日期；兰! 坐! ， 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：盟 日 期：型：! ! ：! p 导师签名：兰至垄 日 期：皇竺：! 兰：多 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 “五防”的背景和重要意义 电力系统历来十分重视系统的安全运行，但每年总会发生因电气误操作而导致 的各类事故，造成了许多不必要的损失；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。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。为了实现电力设备的安全可靠运行，防止电 气误操作的发生，电力部门强制推行高压开关设备必须安装防误操作装置，以达到 “五防”的要求，即1 1 1 ： ( 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。 1 9 9 1 年以前全国电气误操作事故每年在2 0 0 次以上，1 9 9 1 年后，事故次数逐 年减少，到1 9 9 5 年事故次数已接近1 0 0 次。事实表明，始于八十年代初的防止电 气误操作装置的应用收到明显效果。 近年来，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，实现对全变电站的输、配电设备的自动监视、 测量、控制和继电保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。变电站综合自动 化系统具有功能综合化j 结构微机化、操作监视屏幕化、运行管理智能化等特征。 随着越来越多的新技术在电力系统中的应用以及这些技术的可靠性显著提高，变电 站综合自动化的水平也越来越高，设备的可靠性越来越高，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，从而给防 误操作系统提出了更高的要求。 1 2 防误闭锁系统的发展 防止误操作是一个复杂的综合性问题，因为各种电气操作都需要人作用于设备 而发生，不仅与设备的运行状态有关，而且与操作者的技术水平、心理素质、情绪 状况和现场环境熟悉程度有关。所以尽管一直强调电力系统安全操作规程，人为误 操作事故仍然不能避免和杜绝。制定防止误操作的措施是人们长期经验的积累和总 结，它包括管理措施和技术措施。操作票制度、工作票制度、岗位责任制度等属于 i 华北电力大学硕士学位论文 管理措施。在管理措施方面的研究是基于人工智能应用，如操作票专家系统。技术 措施是指应用机械结构或电气原理对设备的操作机构进行强制闭锁，即变电站防误 闭锁系统。 随着电力系统的发展，防误闭锁系统也不断的更新换代：最早出现的闭锁方式 为机械闭锁，随后经历了机械程序闭锁、电磁锁和电气连锁几个时期，发展到今天 广泛应用的微机防误闭锁系统 2 l a l t 4 j 。 一、机械防误闭锁系统 1 机械联锁。这是防误闭锁系统发展的初期阶段。主要用于3 5 k v 及以下的开 关柜、手车柜。这一时期的防误闭锁系统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、刀闸和前后网门自耀序 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。然而机械锁只能 在开关柜内部机械动作相关部位之间应用，与电气元件动作间的联系用机械闭锁无 法实现。对两柜之间或开关柜与柜外配电设备之间的闭锁要求也鞭长莫及。所以在 开关柜上，虽以机械闭锁为主，还需辅以其他闭锁方法，方能达到全部五防要求。 2 ：机械程序锁。机械程序锁是在机械闭锁的基础上发展起来的。这种闭锁的 基本原理是：根据现场一次设备的操作顺序，制造出符合现场实际操作的程序锁， 在进行实际操作时，必须根据预先设定的操作顺序进行，否则程序锁的钥匙将取不 下来，无法进行下一步操作，从而防止了误操作的发生。这种闭锁装置比机械联锁 有了较大进步，即不仅仅依赖于操作人员填写操作票和执行操作票的技术素质进行 防误操作，而且由于程序锁本身程序的设定，对操作人员发生人为误操作设置了客 观的制约因素，因而闭锁功能的可靠性较机械联锁提高了一大步。但是，机械程序 锁功能全靠硬件这一手段来实现，造成了装置的复杂程度很高，操作过程中，操作 人员所携带的工具太多，操作手续繁杂，从而大大延长了操作时间，增加了操作人 员的劳动强度。 机械型闭锁装置在实际运用中存在以下缺点： ( 1 ) 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。 2 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 具有较灵活闭锁方式的程序锁虽然能够满足复杂结线方式的闭锁要求。但由 于闭锁方案中必须设置母线倒排锁，使得操作工程中钥匙的传递和转换十分麻烦。 繁琐的操作步骤和过多的钥匙转换，限制了程序锁在大型变电站中的应用。 ( 3 ) 老式锁具容易发生卡涩和锈蚀，延长了操作时问，使运行人员很难应付。 二、电气防误闭锁系统 1 电气联锁。电气闭锁是利用二次电缆将断路器、隔离开关和接地刀闸的辅助 接点连接成相应的逻辑电路接入操作回路中，用以接触或断开操作对象的电源而进 行闭锁的一种方式，主要通过断路器和隔离开关等相关设备的辅助接点联接来实现 闭锁。电气联锁一般只能防止断路器、隔离开关和接地刀闸的误操作，对误入带电 间隔、接地线的挂接( 拆除) 等则没有任何约束。而且这种方式需要接入大量的二 次电缆，尤其是对回路复杂，设备间隔多的系统实现起来需要耗费更多电缆，其防 误功能随二次接线而定，接线方式较为复杂，不易增加和修改，且运行维护较为困 难，运行中还存在隔离开关辅助接点不可靠的问题。 2 电磁闭锁。电磁闭锁中需要的设备主要为电磁锁，电磁锁是根据电磁间吸原 理来控制锁自身的开闭，主要用于手动操作的断路器、隔离开关和接地刀闸之间的 闭锁，通过断路器和隔离开关操作机构的辅助开关触点组成的电气联锁电路中控制 电磁锁线圈电源的接通与否来实现的。电磁闭锁的原理类似电气联锁，只是闭锁对 象的操作方式和闭锁实现的手段不同。 电磁锁分为户内电磁锁和户外电磁锁。户内电磁锁由电磁和机械两部分组成， 机械部分包括锁壳体、锁盖板、所栓、复位弹簧、锁定机构和专用解锁钥匙组成； 电气部分包括指示灯、电磁铁、行程开关等。户外电磁锁和户内电磁锁工作原理基 本相同，只是在对防雨、防潮和防腐蚀的设计上不同。电磁锁的接线原理如图1 1 所示。 图1 - 1 电磁锁原理电路 在全国第三次“五防”工作会议通过的防止电气误操作装置管理规定就曾 规定：“户外1 1 0 k v 及以上复杂结线，应优先采用电气联锁和电磁锁方案。”通过电 缆连接，电气联锁和电磁锁实现了复杂的闭锁逻辑，但也发现了以下问题： 3 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 闭锁逻辑复杂时需要敷设大量电缆，引入多个辅助接点；辅助接点很不可靠， 且在阴雨天易发生接地故障，导致判断失误。 ( 2 ) 只能进行本单元的闭锁。 ( 3 ) 对于有临时接地线的情况不能闭锁。 三、微机防误闭锁系统 随着计算机和微电子技术的发展，出现了微机防误闭锁系统。早期的微机防误 系统主要由模拟盘、电脑钥匙、开关控制器、电编码锁、机械编码锁和其他部分组 成。在模拟屏上装有防误控制器，控制器内预存了每个设备的防误操作逻辑，操作 执行前先在模拟屏上进行模拟操作预演，预演过程中控制器对模拟操作进行五防逻 辑判断，对不符合五防逻辑的操作进行报警，符合五防逻辑的操作进行记录，预演 结束后将操作票传到电脑钥匙，电脑钥匙根据保存的操作序列对现场设备进行一一 解锁，保证倒闸操作的正确执行。电脑钥匙在执行每一步操作时，首先采集编码锁 的编码，然后判断是否为当前操作对应的编码锁，若是则电脑钥匙允许内部机构对 编码锁进行解锁操作，否则电脑钥匙不能够进行解锁操作并且发出声音报警。操作 结束后电脑钥匙将一次设备的变位信息回传到防误控制器，以备下次模拟操作使 用。随着操作票专家系统的推广和应用，出现了一种新的防误闭锁系统现代微 机防误闭锁系统。它与早期的微机防误闭锁系统的主要区别是增加了在微机上运行 的操作票专家系统，操作票由专家系统自动生成，也可以手动开票；专家系统内建 一次系统主接线图和设备操作逻辑规则库，可以进行操作票的模拟预演，预演通过 的操作票通过串口传到电脑钥匙，然后拿电脑钥匙进行现场倒闸操作。 微机防误闭锁系统克服了以上几种闭锁系统的缺点，是防误闭锁发展过程中的 现代化阶段，它凭借微机的强大的软件功能，将防误闭锁的逻辑关系软件化，所有 的逻辑运算全都依靠软件实现，实现了防误闭锁的智能化。 微机防误闭锁装置的优点： ( 1 ) 功能更强大。微机软件的引入，使传统防误闭锁装置难于或无法实现的防 误闭锁功能得以轻松顺利实现，而且在传统防误功能之外新增大量附加功能，例如 操作票自动生成功能，通过专家系统自动生成典型操作票，大大减轻了操作人员的 劳动负荷，减少了人为误操作因素； ( 2 ) 用一把电脑钥匙便可以代替众多的程序钥匙，避免了在复杂接线方式下操 作的钥匙转换，大大方便了运行人员倒闸操作，缩短了操作时间； ( 3 ) 微机闭锁机械锁结构简单，控制锁编码位数可以扩大编码数量，编码片可 自由更换； ( 4 ) 仅在操作对象上安装闭锁装置，避免了闭锁对象之间互锁时需要敷设的大 4 华北电力大学硕士学位论文 量电缆，简化了施工，方便系统扩建，提高了可靠性； 微机防误闭锁系统与电气联锁相比更好地实现了变电站防误操作，但在运行过 程中同时存在如下缺点： ( 1 ) 早期微机锁系统完全与变电站监控系统分离，导致防误闭锁系统缺乏有效 的实时数据源，影响了防误的有效性，安全可靠性。 ( 2 ) 未将操作票生成专家系统与防误闭锁系统很好她结合在一起，系统智能化 程度不高。 ( 3 ) 自动化程度不高，电脑钥匙开机械锁时操作不便，某种程度上加重了操作 人员的负担。 ( 4 ) 对于无票操作和检修人员的操作不能进行防误闭锁。 ( 5 ) 在倒闸操作过程中，若有改变被操作设备防误判断结果的设备变位发生， 由于电脑钥匙存储的操作票是根据变位前的状态开出的，若此时不中止操作过程则 会引发误操作。 ( 6 ) 在有多个操作任务需要执行时，由于电脑钥匙解锁方式的局限性，不能实 现多个任务同步执行。 以上防误闭锁系统在各种场合得到了广泛应用，对各等级变电站的防误操作起 到了十分重要的作用，但目前实际使用的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。 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，即在线式防误闭锁系统，这种闭锁系统 充分发挥了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。在线式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， 也是本文研究的主要内容，在线式防误系统在第二章详细介绍l 5 】【6 1 。 1 3 本文所做的工作 本文紧紧把握电力系统防误闭锁系统的发展方向，以构建在线式防误闭锁系统 为目标，主要做了以下几方面工作： 1 全面总结目前变电站广泛应用的防误操作闭锁系统，介绍了防误闭锁系统的 发展过程，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 5 华北电力大学硕士学位论文 误系统的优点和存在的问题，并在此基础上指出防误闭锁系统的发展方向。 2 提出在线式防误闭锁系统的思想，介绍了在线式防误系统的功能结构和特点， 对几种在线式防误系统实现方式进行了可行性分析，并在此基础上提出在线式防误 系统的一种技术先进、性能可靠的解决方案：采用c a n 总线连接防误主机和间隔内 的防误控制器，实现主机到间隔级的数据通讯；间隔内的防误锁具经单总线与控制 器相连，受控制器统一管理和控制，实现了间隔内的通讯；系统主机经过c a n 网 络和单总线网络与防误锁通信，实现了防误锁具的远程在线监控。 3 根据系统整体方案，首先设计了在线式防误闭锁系统的硬件设备。整个系统 由以下几部分组成：防误主机、串口转c a n 总线接口卡、防误控制器、现场锁具 以及网络通讯电缆。防误控制器主要由单片机、c a n 接口电路、单总线接口电路、 串口电路、实时钟电路和电源电路组成，现场锁具由主功能芯片、驱动输出电路、 状态量采集电路和机械部分组成。 4 在硬件设计的基础上进行了系统应用软件的设计。应用软件包括防误主机监 控软件和控制器通讯软件两部分。主机监控软件功能包括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以及与智能操作票专 家系统的通信功能。控制器软件功能包括：管理间隔内防误锁具和执行主机下发的 各种操作任务；当主网络发生故障时，控制器能够根据保存的间隔防误操作规则进 行逻辑判断，防止误操作发生。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章在线式防误闭锁系统 为了实现。五防”，人们想出了各种各样的方法，先后开发出了各种防误装置： 诸如机械程序锁、机械闭锁、电磁闭锁等，这是第一代防误装置；随着计算机和电 子技术的发展和普及，又开发出了以电脑钥匙为核心的微机型防误系统，这是第二 代防误操作系统，使防误装置进入到了微机控制时代。这些防误装置的推出，为 电力系统的安全运行做出了重大贡献。但是，这些装置都存在需要改进之处，第一 代防误装置中电气联锁需要接入大量的二次电缆，且只能实现一个间隔内的相邻设 备的闭锁，对于全站联合闭锁实现起来非常困难，甚至不可能实现。第二代微机防 误闭锁装置充分发挥计算机的逻辑处理能力，通过软件模拟判断能比较容易的实现 复杂的闭锁逻辑控制，相比第一代闭锁系统有了较大的进步，但是微机闭锁装置同 时也带来了新的问题，诸如容易走空程序，且都需用电脑钥匙操作，增加了大量的 附加操作，为了在倒闸操作时能够顺利进行，必须由运行人员对锁具进行定期检查 和维护等。 随着变电站综合自动化的应用，运行人员在显示器上就能够观察一次系统的运 行参数，而对于防误系统的实时状态却一无所知，要监视防误系统的状态，必须到 现场进行巡视。另一方面，随着变电站遥控操作的逐渐普及，使得采用电脑钥匙手 动开锁的防误系统难以适应变电站自动化的发展，电力系统希望开发出能克服上述 第一代、第二代防误装置缺陷并能与综合自动化接口的智能型的在线式防误操作系 统。 2 。1 在线式防误闭锁系统的原理及特点 在线式防误操作闭锁系统是在综合现有防误系统优点的基础上提出的，是由系 统主机、网络控制器、工业现场局域网、间隔控制节点和各种间隔内防误锁具构成 的在线式综合测控系统。 系统主机为p c 机或工业控制计算机，是整个在线式防误系统的核心，上面运 行监控软件。监控软件负责对整个系统进行管理和监控，与现场节点进行循环通讯， 检测每个节点及对应的间隔内电磁锁的通讯连接状况，并且将采集的电磁锁及开关 设备的状态信息进行记录，发现异常情况给出告警信息。 由网络控制器、防误控制器及通讯电缆构成分布式防误操作测控网络，将防误 主机与防误锁具连接起来，实现防误主机与现场测控装置的信息交互，一次设备的 位置状态及锁具的解闭锁状态可实时地传送到防误主机上，防误操作主控软件据此 更新一次系统图上的设备状态，并通过网络向防误锁具发出开、闭锁控制指令，完 7 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 1 在线式防误闭锁系统 成整个倒闸操作过程的防误功能；整个测控网络既自成体系，又是一个开放的系统， 可与变电站综自系统等第三方设备连接，实现信息共享，还可利用站际光纤信道， 实现集控主站与子站的通讯，便于工作人员在主站监视多个子站的倒闸操作进程与 设备状态变化，构成集控化管理的变电站倒闸防误操作模式。 在线式防误闭锁系统采用先进的通讯技术、传感技术和计算机技术，具有以往 防误系统没有的特点； 1 与电脑钥匙型防误闭锁系统相比，在线式防误闭锁系统的突出特点就是大大 简化了防误闭锁系统的执行过程。在微机防误闭锁系统中，首先需要通过串口或其 他通讯方式把操作任务传给电脑钥匙，然后拿电脑钥匙去现场对锁具进行解锁操 作，完成倒闸操作后还需要对锁具进行闭锁操作，倒闸过程中需要进行大量的闭锁 设备操作；执行过程中若遇到远程监控的操作，则需将钥匙拿回监控室与主机进行 通讯，由主机完成当前步骤的倒闸操作，然后取回电脑钥匙继续操作，加重了倒闸 操作的工作强度。在线式防误闭锁系统最大程度的缩减了人为干预因素，解闭锁操 作完全由网络系统自动控制，主机监控软件根据操作序列向网络设备发送操作命 令，网络闭锁设备会根据操作任务自动解锁，运行人员只需将锁具与一次设备的闭 锁部位移开就可以操作，操作完成后将锁具归位即可。 2 防误装置具有自诊断功能。防误主机实时监视所有防误装置的工作状态，能 及时发现和报告装置异常信息，确保系统可靠运行。 3 智能化的防误锁具。防误锁具能够检测闭锁对象的状态信息，主机或防误控 制器利用采集的状态信息判断操作任务的执行情况，防止空程序的发生；主机还可 以根据锁具检测的设备状态信息进行防误逻辑判断，确保操作步骤在“五防”逻辑 程序的监控下执行。 4 硬件接线得以简化。防误逻辑的实现通过软件编程控制，除了锁控制输出以 8 华北电力大学硕士学位论文 及状态量的采集输入接口，不需要其他接点的串并联，这样传统的实现闭锁逻辑的 二次回路就被大大简化了 5 操作时间短，有利于倒闸操作的快速完成。解闭锁命令的执行通过网络和微 控制器实现，命令的执行时间可以达到毫妙级，大大优于采用电脑钥匙的人工操作 解锁方式。 6 在线式防误系统可以在线获得状态的变位信息，为防误逻辑判断提供可靠的 实时数据。 7 在线式防误闭锁系统可以同时执行多个操作任务，缩短倒闸操作执行时间， 提高了效率。 8 操作结果实时反馈到主机上，主机综合所有设备的当前状态对每个任务执行 防误判断，保证操作任务正确执行。 2 2 在线式防误闭锁系统的解决方案 随着无线通讯和现场总线技术的发展和应用，在微机防误闭锁系统的基础上充 分采用先进技术，提出了几种在线式防误闭锁系统解决方案。 一、基于蓝牙技术的在线式防误操作系纠7 】嗍 蓝牙技术是由蓝牙特别兴趣组( s i g ) 于1 9 9 8 年提出的，随后得到了迅猛发展， 广泛应用于电子、通讯、电脑外设、数码产品等很多领域。蓝牙技术是用微波无线 通讯技术取代数据电缆来完成点对点或点对多点短距离通信的一种通信技术，利用 蓝牙技术，可以将各个设备连成一个p i c o n e t ( 即匹克网) ，或将几个p i c o n e t 图2 - 2 蓝牙型防误闭锁系统构成图 进一步互联，组成更大的分布式网络。蓝牙技术在全球通用的2 4 g h zi s m ( 工业、 9 华北电力大学硕士学位论文 科学、医学) 频段，蓝牙的数据速率为i m b s 。从理论上来讲，以2 4 g h z i s m 波段 运行的技术能够使相距3 0 m 以内的设备互相连接，传输速率可达到2 m b s ，但实际 上很难达到。 如图2 2 为利用蓝牙技术设计的防误闭锁系统的构成图。其中检测单元用于收 集变电站内各电器设备的状态，如对开关、刀闸的分合，两门的开闭，母线、线路 的电压等信息进行收集，它由开关量输入和模拟量输入单元组成。防误电脑主机用 于接受现场检测单元发送的实时信息并进行处理，根据主机内设的逻辑判断作出各 项处理决定，其指令可直接传送至电脑钥匙，也可以通过蓝牙主机发送至电脑钥匙。 在使用电脑钥匙进行现场操作过程中，每完成一步操作，电脑钥匙就会将操作结果 通过蓝牙接口经蓝牙基站传送回防误主机，防误主机根据操作返回的结果和测控单 元获得的状态信息对下面的操作进行“五防”逻辑判断，当出现事故跳闸等突发事 件时，当前要进行的操作可能已经不符合“五防”闭锁逻辑，这时防误主机就可以 通过蓝牙网络与电脑钥匙进行通信，中止当前操作的执行，从新开出符合“五防” 闭锁逻辑的操作票，然后根据新的操作票继续进行倒闸操作。 基于蓝牙技术的防误闭锁系统虽然在一定程度上实现了网络功能，但它还不是 完全的在线式防误闭锁系统，只是在操作过程中通过电脑钥匙作为连接工具，才能 实现防误主机与现场锁具的通讯，当操作完成后电脑钥匙就失去作用，防务主机和 现场锁具就会独立运行，防误主机不再能够检测现场设备的状态，系统也就不再是 一个在线式系统。蓝牙技术通讯距离一般为1 0 m ，防误系统组网时需要较多的蓝牙 基站，系统连接过于复杂。另外，倒闸过程的操作方式基本没有变化，还是需要操 作人员操作电脑钥匙和现场锁具，没有减轻运行人员的工作强度。 变电站自动化系统的通信采用的大都是信号电缆，蓝牙技术是一种新兴的通讯技 术，在变电站设备区的强磁场下能否正常工作及对二次设备的影响还有待检验。 二、基于可编程控制器( p l c ) 的在线式防误操作系统【9 】【l 0 】 p l c 即可编程控制器，主要由中央处理单元、存储器、输入输出接口和电源部 分组成。 基于p l c 的在线式防误闭锁系统构成如图2 3 所示。p l c 通过串行口通讯与防 误主机组成通讯网络，主机可以通过网络与p l c 交换信息，p l c 通过其i o 接口实 现状态量的采集和驱动电磁锁动作。 基于p l c 的防误闭锁系统与基于蓝牙技术的在线式防误系统相比是一个真正 的网络系统，它实现了防误电磁锁的网络自动控制，能够在线采集电磁锁和一次设 备的状态，完全脱离了用电脑钥匙手动操作电磁锁的模式，实现了微机防误由离线 到在线方式的转变。该系统通过r s 4 8 5 总线组网，网络结构比较简单，但是随着变 1 0 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 3 基于p l c 的防误闭锁系统构成图 电站自动化水平的要求不断提高，r s 4 8 5 总线已逐渐被性能更优越的其它现场总线 所代替。每个锁对象需要采集三个状态量和输出一个控制量，这样每把电磁锁与控 制器之间需要8 根连接线，一个控制器连接数把电磁锁则需要大量的电缆。开关量 的采集采用模拟电路送到p l c 的i o 接口，距离较远，容易受干扰。p l c 的i o 接 口数量有限，对系统的扩展造成了一定的限制。 2 3 新型在线式防误闭锁系统解决方案的提出 2 3 1 现场总线的选型 由于现场总线技术在减少系统线缆，简化系统安装、维护和管理，降低系统的 投资和运行成本，、增强系统性能等方面的优越性，引起人们的广泛注意，得到大范 围的推广，导致了自动控制领域的一场革命。 现场总线的功能是：经济、安全、可靠地传递信息；正确使用所传信息； 及时处理所传信息。经济性要求现场总线在传递信息的同时，解决现场装置的供 电问题，并要求传输介质较廉价。安全性要求现场总线解决防爆问题。可靠性要求 现场总线解决环境适应性问题，包括电磁环境适应性、气候环境适应性、机械环境 适应性。 目前，工控领域己发展出多种现场总线，各现场总线标准也有较大差别，其用 途也不尽相同，下面简要介绍几种常用的现场总线，并从中选出适合防误闭锁系统 的现场总线类型。 一、基金会现场总线 华北电力大学硕士学位论文 基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 。其前身是以美国f i s h e r - r o s e m o u n t 公司为首，联合a b b 等制定的i s p 协议。基金会总线分低速h 1 和高速h 2 两种通 信速率。h 1 的传输速率为3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 0 0 m ，可支持总线供电，支 持安全防爆环境。h 2 的传输速率可为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种，其通信距离分别为 7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射。 基金会现场总线的主要技术内容包括有：f f 通信协议；用于完成开放互联中第 2 7 层通信协议的通信栈；用于描述设备特征、参数、属性及操作接口的d d l 设 备描述语言。 二、c a n 总线 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线是德国b o s c h 公司从2 0 世纪8 0 年代初为解 决现代汽车中众多的控制与测试仪表之间的数据交换而开发的一种串行数据总线， 目前已成为国际标准化组织i s 0 1 1 8 9 8 标准，总线规范为2 ，它是一种有效支持分布 式控制或实时控制的串行通信网络，c a n 总线的应用范围遍及从高速网络到低成本 的多线路网络。在自动化电子领域、发动机控制部件、传感器、抗滑系统等应用中， c a n 总线的位速率可高达1 m b p s 。c a n 总线广泛的应用与其良好的性能密切相关， 其特点如下： ( 1 ) c a n 总线网络上的节点可分成不同优先级，可以满足不同的实时要求； c a n 总线采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当2 个结点同时向网络发送消息时， 优先级低的结点主动停止发送数据，而优先级高的结点可以不受影响继续发送信 息，有效地避免了总线冲突；按结点类型分成不同的优先级，可以满足不同的实时 要求。 ( 2 ) c a n 总线可以点对点、一点对多点及全局广播几种方式传送和接收数据。 ( 3 ) c a n 总线可实现全分布式多机系统，且无主、从之分，网络上任意一个结 点均可在任意时刻、主动地向其他结点发送信息，通讯方式灵活，利用这一特点， 可以方便地构成多机备份系统。 ( 4 ) c a n 总线结点具有自动关闭功能，当结点严重错误时，自动切断与总线的 联系，这样可以不影响总线的正常工作。 ( 5 ) c a n 总线采用循环冗余校验c r c ( c y c l i c r e d u n d a n c yc h e c k ) 及其他校验措 施，保证了极低的信息出错率。 ( 6 ) c a n 总线支持4 类报文帧：数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。采用短帧结 构，每帧有效字节数为8 个，这样传输时间短，受干扰的概率低，重发时间短，且 具有良好的检错效果。 ( 7 ) c a n 总线直接通讯距离最远可达1 0 k i n ( 传输率为5 k b p s ) ，通讯速率最高可 1 2 华北电力大学硕士学位论文 达1 m b p s ( 传输距离为4 0 m ) 。 ( 8 ) c a n 总线用户接口简单，编程方便，很容易构成用户系统。 ( 9 ) c a n 总线上的节点数理论上可达2 0 0 0 个，实际可达1 1 0 个。 ( 1 0 ) 通讯介质可采用廉价的双绞线，无特殊要求。 ( 1 1 ) 用户接口简单，编程方便，很容易构成用户系统。 ( 1 2 ) 开发系统廉价，o e m 用户容易操作。i n t e l ，p h i l i p s 等芯片厂商均生产带有 c a n 接口的8 0 c 5 1 芯片。 三、l o n w o r k s 总线 l o n w o r k s 是美国e c h e l o n 公司于1 9 9 1 年3 月推出的一种局部操作网络，l o n 是l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k 的简称。l o n w o r k s 是一种使用较为广泛的全分布的测控 网络，其最大特点是拥有三个c p u 的神经元芯片( n e u r o nc h i p ) 和利用网络变量( 隐式 报文) 及显式报文进行数据传输，大大缩短了网络的开发时间。l o n w o r k s 是目前流 行的现场总线中唯一能跨越传感器执行器总线、设备总线和现场总线三个层次的现 场总线技术。 l o n w o r k s 的技术特点： ( 1 ) 开放性，通讯介质开放，可在任何通讯介质下通讯，包括双绞线、电力线、 同轴电缆、射频电缆、红外线等，并且多种介质可以在同一网络中混合使用。 ( 2 ) 网络协议开放，对任何用户平等。 ( 3 ) 互操作性，l o n w o r k s 通讯协议l o n t a l k 是符合国际标准化组织( i s o ) 定义的 开放系统互连( ( o s i ) 模型。任何制造商的产品都可以实现互操作。 ( 4 ) l o n w o r k s 技术的一个测控网络上的节点数，可达3 2 0 0 0 个。 ( 5 ) 通信的每帧有效字节数，可以从0 到2 2 8 个字节。 ( 6 ) l o n w o r k s 直接通信距离长达2 7 0 0 m ( 双绞线，7 8 k b p s ) 。 ( 7 ) 通信速度可达1 2 5 m b p s 此时有效距离为1 3 0 m 。 ( 8 ) l o n w o r k s 网络通讯采用了“网络变量”，使网络通讯的设计简化成为参数 设置，增加了通信的可靠性。 ( 9 ) l o n w o r k s 技术基本元件- n e u r o n 芯片中有3 个8 位c p u ：第一个c p u 为介质访问控制处理器；第二个c p u 为网络处理器，处理l o n t a l k 协议第- - n 第六 层；第三个c p u 是应用处理器，它执行由用户编的代码及用户的代码新调用的操作 系统。神经元n e u r o n 芯片的编程语言为n e u r o nc ，它是从a n s i c 中派生出来的， 并对a n s i c 进行了删补。 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 0 ) n e u r o n 芯片具备通信与控制功能，并且固化了i s o 0 s i 的全部7 层协议 以及3 4 种常见的y o 控制对象。 四、h a r t 总线 h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) ，可寻址远程传感器高速通道的 开放通信协议，是美国r o s e m c n 公司于1 9 8 5 年推出的一种用于现场智能仪表和控 制室设备之间的通信协议。 h a r t 通信采用的是半双工的通信方式，协议参考i s o o s i ( 开放系统互连模 型) ，采用了它的简化三层模型结构，即第一层物理层，第二层数据链路层和第七层 应用层。 在h a r t 协议通信中，主要的变量和控制信息由4 2 0 m a 传送，在需要的的 情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过h a r t 协议访问。 h a r t 协议采用基于b e l l 2 0 2 标准的f s k 频移键控信号，在低频的4 2 0 m a 模拟信号上叠加幅度为0 5 m a 的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为 1 2 m b p s 。由于f s k 信号的平均值为0 ，不影响传送给控制系统模拟信号的大小， 保证了与现有模拟系统的兼容性。 h a r t 装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经过1 0 多年的发展， h a r t 技术在国外己经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。 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。c a n 总线适用于小型的，实时性 要求高的系统。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。因此本系统采用c a n 总线作为网络通讯方式。 2 3 2 间隔内设备连接方案 在线式防误闭锁系统中，每个间隔内大约有7 、8 把电磁锁，每把电磁锁的功 能实现需要最少3 个开入信号和1 个开出信号，1 个间隔的开入信号和开出信号大 约3 0 个左右。现有在线式防误闭锁系统的研究方案中，每个信号都通过单独的两 条电缆传递，这样间隔内将需要布置大量的电缆，系统实现的难度较大，很难得到 广泛应用。解决这个问题的途径就是电磁锁的智能化，将开入开出信息在电磁锁内 转化成某一类信号，然后再通过共用的通讯电缆传递到控制器，使电缆数量减少到 原来一把电磁锁需要的数量。单总线技术将通讯、信号的输入输出及控制等功能集 1 4 华北电力大学硕士学位论文 中到了一个芯片内，采用单总线芯片来设计电磁锁，不仅能够很好的实现上述功能， 而且电磁锁的复杂度增加不大，能较好的控制设备成本，是电磁锁智能解决方案的 首选。 图2 - 4 采用单总线技术前间隔内接线图 图2 - 5 采用单总线技术后的间隔内接线图 单总线技术是m a x i m 的全资子公司d a l l a s 公司开发的专利技术，通过一根 线解决了地址、数据、控制和供电，降低了系统成本并简化了设计。单总线器件按 照串行协议进行供电和数据通信，能够以无与伦比的优势为系统增添特定功能，大 大简化系统的连接方式。单总线技术的特点如下： ( 1 ) 只需一根信号线和一根地线就可实现数据、地址、控制信号和电源的传输， 接线非常简单。 ( 2 ) 每条单总线上可以连接一个单总线器件，也可以同时连接几十个单总线器 件组成单总线网络。 ( 3 ) 每个单总线器件都有唯一的6 4 位光刻r o m 码，可以从网络上选出特定器 件进行操作。 ( 4 ) 单总线芯片接1 3 提供额外的e s d 保护，远程通讯时具有较高的抗干扰性能。 ( 5 ) 单总线芯片的功能多种多样，包括模数转换器、存储器、温度传感器、可 编址开关等。 华北电力大学硕士学位论文 ( 6 ) 单总线网络采用数字信号通信，提高了传输的可靠性。 由于单总线技术的以上优点，可以非常方便的采用单总线技术设计测控网络。 变电站内的干扰源较多且干扰强度较大，为了保证单总线通信的可靠性，必须 减少单总线网络的通讯距离，以降低各种干扰源对信号质量的影响，故不能将电磁 锁通过单总线直接连接到系统主机。当系统主网络发生故障时，为了保障防误闭锁 功能的实现，系统应具有后备的防误逻辑控制功能。基于以上两点，系统设计中在 每个间隔内设置了控制器。 防误控制器负责问隔内智能锁具的管理，通过发送单总线网络命令，控制器可 以检测出单总线上的设备数量，通过与已记录的设备信息进行比较能够检测出哪个 设备是新接入单总线网络的，也能够发现与网络断开的设备，从而实现单总线网络 设备的管理功能。除了网络管理功能，控制器还负责接收防误主机发送的锁具操作 命令，然后进行“五防”逻辑判断，根据判断结果决定是否向单总线网络发送解闭 锁命令。 控制器还应具有液晶显示和语音报警功能。当控制器接收到主机下发的操作命 令后，将操作任务显示在液晶显示器上方便操作人员查看当前的操作任务。语音芯 片内保存了五防提示术语，随时对防误系统的状态变化进行提示，引导操作人员进 行倒闸操作。 2 4 本章小结 在微机防误闭锁的基础上提出了在线式防误闭锁系统的概念，设计了在线式防 误闭锁系统的整体结构，总结了在线式防误系统的优点，表明在线式防误闭锁系统 与微机防误操作系统相比具有很大的优越性。 通过借鉴其他在线式测控系统，提出了几种在线式防误闭锁系统的参考模型， 并分析了其优缺点，对其可行性进行了比较，最终确定采用现场总线型防误闭锁系 统。 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电磁锁之间的单总线连接方案，最终 确定了在线式防误闭锁系统的整体方案。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 第三章间隔层单总线技术论证 采用单总线技术设计电磁锁操作与控制检测回路是组成在线式防误闭锁系统 的关键。单总线技术是一种新兴的测控技术，系统线路结构简单，硬件成本低，用 计算机或单片机直接进行控制，软件开发直观、容易，可以广泛应用于环境状态监 测系统、实时气象监测系统( 自动气象站) 、军用仓库调控系统、农业塑料大棚测控 系统、宾馆楼宇监控系统、停车收费系统、考勤管理系统等领域。在线式防误操作 系统的控制器与电磁锁的连接也是一个网络测控系统，单总线技术完全能够满足控 制器与电磁锁之间的通讯要求，实现在线式防误闭锁系统间隔内测控网络的简化。 3 1 单总线芯片硬件结构 单总线系统定义了一根信号线，相当于把计算机的地址线、数据线、控制线合 为一根信号线对外进行数据交换，总线上的每个器件都能够在需要的时间被驱动。 为了区分这些芯片，厂家在生产每个芯片时，内部都保存了个r o m 码，通过寻 址命令读出r o m 码，就能把芯片识别出来。这样就能使这些器件挂在一根信号线 上进行码分多址、串行分时数据交换，组成一个自动测控系统，甚至还可以用单总 线组成一个微型局域网。 厂家对每个芯片用激光刻录一个6 4 位二进制r o m 代码。从最低位开始，前8 位是族码，表示产品的分类编号；后面的4 8 位是一个唯一的序列号；最后8 位是 前5 6 位的c r c ( c y c l i c r e d u n d a n c y c h e c k ) 校验码。c r c 称为循环冗余码检测，是数 据通信中校验数据传输是否正确的一种方法。在使用时，总线命令者读入r o m 中 6 4 位二进制码后，将前5 6 位按c r c 多项式( f + + j 4 + 1 ) 计算出c r c 值，然后 同r o m 中高8 位的c r c 值比较，若相同则表明数据传输正确，否则要求重传。4 8 位序列号是一个1 5 位的十进制编码，这么长的编码完全可为每个芯片编制一个全 世界唯一的号码，也称为身份证号，可以被寻址识别出来。在防误闭锁系统的应用 中，必须为每把锁具配置一个与其他锁具不同的编号，这样在进行倒闸操作时才能 够将操作设备与其他设备区别开，保证操作的正确。传统的锁编码采用并行排列的 两行塑料柱或按键，编码扩展很不方便，不利于系统扩建。电磁锁若采用单器件设 计，则器件内部6 4 位的r o m 代码可以代替电磁锁的编码，电磁锁不需要增加其他 的编码设计就能被系统识别。变电站内的电磁锁数一般从几十把到几百把，6 4 位的 编码长度完全能够满足电磁锁数的需要。器件代码本身具有的c r c 校验序列，为防 误系统的设备判断提供了又一个保证，提高了防误闭锁系统的防误水平。 芯片内还含有收发控制和电源存储电路。这些芯片采用c m o s 技术，耗电量都 1 7 华北电力大学硕士学位论文 很小( 空闲时几z w ，工作水u h m w ) ，故一般不用另附电源。单总线上通常处于高电 位( s v 左右) ，每个器件都要在需要时驱动它。因此，挂在总线上的每个器件必需是 漏极开路或者是三态输出的，这样不工作时不会给总线增加功耗。 3 2 单总线通讯协议 图3 - 1 单总线器件接口电路 单总线技术实现的硬件简单，且芯片品种繁多，在适当的外部电路中能完成复 杂的操作，这些功能的实现，则依赖良好的软件环境支持。作为一种与目前大多数 标准串行数据通信方式不同的串行数据传输方式，它有自己独特的通信协议单 总线协议。 单总线协议定义了如下几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、写0 时隙、写l 时 隙和读时隙。所有这些信号，除了应答脉冲以外，都由主机发出同步信号，并且所 有的命令和数据都是字节低位在前，这一点与多数标准串行通信方式不同。 1 复位应答脉冲 图3 - 2 单总线初始化时序图 复位和应答脉冲即组成单总线协议的初始化序列，时序如图3 2 所示。微处理 机的i ，o 口输出低电平，拉低总线并保持总线为低电平至少4 8 0 a s ，然后主机释放 总线，上拉电阻将总线拉高，如果总线上己挂有1 片或多片单总线芯片，由芯片通 过单总线接口引脚检测到上升沿后，延时1 5 6 0 z s ，接着芯片通过内部电路将总 线拉低6 0 2 4 0 j ，即为应答脉冲，通过读取微处理机的i 0 状态便检测到单总线 芯片的存在。 1 8 华北电力大学硕士学位论文 2 写0 1 时序 微处理机对单总线芯片的所有控制命令均由写0 和写“1 两种信号组合而成。在写 时隙起始后的1 5 6 0 t s 之间，单总线器件将采样总线状态。如果采样为高电平，则向 该器件写入“1 ”，如图3 - 3 所示：如果采样值为低电平，则写入“0 ”，如图3 - 4 所示。 图3 - 3 单总线写“1 ”时隙 图3 - 4 单总线写“0 ”时隙 3 读时隙 单总线芯片在读时隙向微处理机传送数据。每个读时隙由主机发出同步信号 后，单总线器件向总线上发送0 或1 ，若发送“1 ”，则保持总线为高电平，若发送 “0 ”，则拉低总线。单总线器件在完成读时隙后释放总线，上拉电阻将总线拉高至空 闲状态，时序如图3 5 所示。 图3 - 5 单总线读时隙 单总线芯片完成一次通讯大体经过以下几个步骤： ( 1 ) 复位过程； ( 2 ) r o m 功能命令过程； ( 3 ) 其他功能命令及数据传输。 每次单总线通讯过程必须从复位命令开始，单总线芯片检测到复位命令后向主 机发送