一種新型智能化五防系統的研究

第五阻止誤差管理系統是中國能源公司為避免在傳輸和配電過程中出現故障而開發的一套系統。五防的主要內容是防誤入帶電間隔,誤拉合開關,帶負荷拉合刀閘,帶電合地刀(掛地線),帶地刀(地線)合閘。倒閘誤操作是關系變配電安全的關鍵之一,由于已多次引發嚴重事故,因此電力行業下決心必須根除該安全隱患。近幾年來,武漢鋼鐵集團有限公司開始了第3次大型技術改造工程,由于此次技術改造中所有需改造或新建的變電站均承擔向武鋼各個甲級要害部門供電的任務,對可靠性要求非常高,所以這些變電站五防系統的方案設計也就備受關注。1五防系統的類型1.1回傳電腦嘴唇離線式微機五防系統主要由3個部分組成,即五防主機(或五防模擬屏)、電腦鑰匙以及現場鎖具。其特點是:五防主機(或五防模擬屏)將模擬預演后的正確操作步驟傳輸到電腦鑰匙,其后的操作即以電腦鑰匙為主來完成閉鎖鎖具的解鎖工作。在此操作期間,防誤主機不能在線跟蹤操作的執行情況,只有在電腦鑰匙回傳后才可以獲得相關的操作信息。在操作方式切換頻繁的情況下,電腦鑰匙需要多次回傳,操作較繁瑣,而且存在離線式微機防誤閉鎖系統不能實時取得現場實際位置、特殊運行方式下防誤操作邏輯存在沖突、操作不到位的設備不能重復操作、多個操作任務無法同時輸入電腦鑰匙、裝拆地線的操作不能用微機五防嚴格閉鎖等問題。1.2系統的基本情況在線式微機五防系統主要由3個部分組成,即防誤主機(或五防模擬屏)、分布式現場總線及現場鎖具。其設計目標是通過分布式現場總線將防誤主機與現場鎖具連接起來,由防誤主機直接控制鎖具的解鎖和閉鎖操作,同時,具備鎖具閉鎖狀態及設備狀態的實時采集功能,操作過程完全取消電腦鑰匙。在線式微機五防系統又細分為集中式閉鎖控制和分布式閉鎖控制兩種情況。(1)所謂集中式閉鎖控制是指每個需要閉鎖的設備均需要一個單獨的鎖具,此鎖具本身不具有邏輯判斷功能,僅是五防后臺機邏輯判斷的執行元件,所有的邏輯判斷和動作指令均在五防后臺機上,所以稱之為集中式閉鎖控制。(2)分布式閉鎖控制是指在每一個間隔(可含多個斷路器、隔刀、地刀)的匯控柜內設置一個分布式閉鎖元件,該閉鎖元件本身具有邏輯判斷功能,可存儲本間隔內多種運行方式和閉鎖條件,并對多個設備進行解鎖。在線式微機防誤裝置具有設備狀態信息真偽性識別功能,克服了電腦鑰匙型微機防誤裝置操作復雜、事故處理和檢修調試時必須解鎖、設備狀態信息不可靠、容易走空程等缺點,但同時也具有安裝不方便,維護成本高,對網絡過分依賴、閉鎖覆蓋面不夠廣(如臨時地線點、網門)等缺點。2新型五防系統的應用2.1系統總體結構在武鋼開展的對系列變電站實施大型技術改造的工程中,采用的微機五防系統為綜合性分層分布式結構,構架了有線、無線網絡與各種智能化子系統和智能化鎖具相結合的立體化系統,可以全方位地覆蓋站內需要閉鎖的一切設備,克服了離線式和在線式系統的各自缺點。系統結構分為3層,如圖1所示,分別為站控層、間隔層和過程層。站控層主要由微機五防系統主機、五防模擬操作屏、打印機等組成,主要負責與變電站監控系統進行信息交互,獲取設備位置狀態,管理、查詢、儲存操作票,設備操作模擬預演、信息打印等。間隔層則主要負責五防系統的組網和設備的管理,包括五防網絡控制器、無線路由器、電腦鑰匙、分布式鎖具控制器、智能地線管理器、鑰匙管理機等設備。而過程層則包括各種五防鎖具,如遙控閉鎖控制器、地線檢測閉鎖機構、電編碼鎖、機械編碼鎖、高壓帶電顯示閉鎖裝置等設備。2.2防模擬操作屏的使用在武鋼本次對系列變電站實施的技術改造工程中采用的微機五防系統,運用了模塊化分層分布式的控制技術,采用工業級主機,雙機熱備冗余,無擾動切換;電源系統采用了二次穩壓、分布式電源技術;功能模塊互連采用工業現場總線。該系統將以往變電站中五防系統的控制屏、模擬屏和信號返回屏實行了三屏合一,并同時應用了計算機技術、紅外傳輸技術、電腦語音合成、RFID識別、GPRS、藍牙等技術,實現智能操作票及工作票兩票系統,檢修票模擬預演,多屏聯網,操作票追憶及瀏覽,設備狀態共享及統計,閉鎖監控操作等功能,技術水平在國內處于領先地位。在五防系統的工控主機中,預先存儲著五防模擬操作屏上所有一次設備的操作規則,當運行人員在模擬屏上模擬預演操作票時,工控主機會對每一項操作票逐一進行判斷,若符合“五防”原則,則通過;若違反“五防”原則,則對該項操作做出告錯報警,以提示用戶重新檢查操作項的內容。模擬預演結束后,模擬屏會提示用戶將電腦鑰匙插入鑰匙傳輸口進行接票。用戶接完操作票之后,由運行人員持該電腦鑰匙到現場進行操作或通過五防專用網絡進行遠程解鎖。使用電腦鑰匙操作時,電腦鑰匙按照預演正確的順序顯示當前操作項,運行人員依照電腦鑰匙提示的設備號將電腦鑰匙插入相應的編碼鎖內,若正確,則開啟其閉鎖機構,運行人員可就地進行斷路器操作、電動隔離開關操作或打開機械編碼鎖進行倒閘操作。操作該項內容后,電腦鑰匙將自動顯示下一項操作內容。若不正確,將不能開鎖,并發出語音報警,以提醒操作人員。操作完成后,電腦鑰匙會將此次操作任務的設備狀態信息回傳到工控主機。根據工控主機回傳的操作項,五防模擬操作屏將對應的設備進行變位刷新,從而使設備的狀態與現場的設備狀態保持一致,實現與現場設備自動對位的功能。在設備采用遙控閉鎖繼電器閉鎖時,可采用遠程解鎖功能。當五防預演通過,開出正確的操作票后,即可以啟動遠程解鎖功能,運行人員可在變電站監控系統的主機上按操作票進行遙控操作。當操作正確,則可依次往下操作;若操作錯誤,將不能開鎖,并由五防模擬操作屏發出語音報警,提醒操作人員。2.3無線網絡及無線系統五防系統支持有線和無線兩種通訊網絡。系統的后臺主機采用現場總線通過微機五防網絡控制器與分布式鎖具控制器、智能地線管理器、鑰匙管理機等智能設備實現通訊,采集這些智能設備閉鎖的刀閘、地線、網門等設備的狀態,并實現遠程解/閉鎖控制。電腦鑰匙可通過無線網絡與五防系統的后臺主機通訊,保證了系統狀態的實時刷新、操作過程的全程實時跟蹤。該系統支持以下3種工作模式:①有線實時模式;②無線實時模式;③綜合實時模式。常規狀態下,由有線網絡或無線網絡構建實時數據傳輸通道,保證系統狀態的實時刷新、操作過程的全實時跟蹤等功能;有線與無線兩種網絡通道互為冗余,這樣可以使系統更加安全可靠,系統既能支持在線操作,也能支持離線操作,為操作人員提供更加靈活方便的操作手段。本站的無線網絡采用獨特的微功耗環保網絡,發射功率小于1MW,遠遠低于“無線電管理委員會”規定的超過100MW要申報的規定,不會對變電站其他設備的正常運行和工作人員的健康產生不良影響。與目前許多其他變電站采用的藍牙無線網絡相比,本站的無線網絡通訊距離可達70m以上,而一般藍牙的通訊距離僅為10m;本站的無線網絡通訊速率可達250kb/s,設備接入網絡時間小于30ms,而一般藍牙網絡的通訊速率僅為4～20kb/s,設備接入網絡時間一般在3s以上。2.4控制電路的操作本站對每個需要遙控的電動設備都設置了一個遙控閉鎖繼電器,通過將遙控閉鎖繼電器的常開接點串接在遙控、就地操作的控制回路中,來實現對電動設備操作的強制閉鎖,如圖2所示。由分布式鎖具控制器對遙控閉鎖繼電器進行控制管理,分布式鎖具控制器有4個通道,每個通道可管理多達32個遙控閉鎖繼電器。在遙控操作時,操作人員首先應在五防系統模擬操作屏上進行模擬預演,當五防預演通過,開出正確的操作票后,再啟動遠程解鎖功能。五防系統的后臺主機通過網絡向相應的遙控閉鎖繼電器發送解鎖命令,控制閉鎖接點預先吸合,相當于遙控投退遠方操作壓板。操作人員可在變電站監控系統主機上按操作票進行遙控操作,當操作正確且完成后,五防系統的后臺主機則通過監控系統主機或遙控閉鎖繼電器將現場開關狀態采回,設備狀態位置正確后才允許進行下一步操作,從而達到有效防止走空程的目的。遙控閉鎖繼電器除了可以進行遠程解鎖外,也還可通過智能電腦鑰匙在現場進行手動解鎖。分布式鎖具控制器采用屏蔽雙絞線作為系統的總線向遙控閉鎖繼電器供電,只有接受到解鎖命令時才將電源加到系統總線上。平常,系統總線均與大地短接,這樣即使是在遭受雷擊的情況下也不會損壞閉鎖元件或使開關誤動。這種冷閉鎖技術的采用,大大提高了系統的可靠性。2.5規范管理,保障安全生產地線管理器是用來管理變電站內所使用的臨時接地線的智能電子設備。該地線管理器可以與五防系統主機聯網使用,也可以獨立運行使用。使用地線管理器,不但可以解決目前微機五防系統對臨時接地線無法識別管理的問題,還能查詢地線是否在地線室的指定位置,做到按章使用,規范管理,有記錄,可查詢,防止隨意的混亂使用,為電力安全生產提供有力的保障。系統由地線管理主機與檢測閉鎖機構組成,主機負責管理控制檢測閉鎖機構,并向五防系統主機提供地線的當前狀態以及執行五防系統主機解、閉鎖命令。檢測閉鎖機構主要負責檢測識別地線與閉鎖解鎖地線。檢測閉鎖機構的個數可根據地線的數量進行配置,一個主機最多可以管理64個檢測閉鎖機構。臨時接地線閉鎖由臨時接地線、地線樁和機械編碼鎖構成,如圖3所示。現場安裝時,首先在應掛地線的地方焊上地線樁,不掛地線時,則將機械編碼鎖鎖在地線樁上,此時不能掛臨時接地線。當需掛地線時,五防系統的后臺主機會發岀解鎖命令,此時可使用電腦鑰匙將機械編碼鎖解鎖,再通過地線管理器解鎖臨時地線,將臨時地線從地線室取出后裝入地線樁,再鎖上機械編碼鎖即可。2.6高壓充放電顯示開關高壓帶電顯示閉鎖裝置是一種用于防止誤入帶電間隔、誤碰帶電設備、帶電掛地線等人為誤操作事故的防誤裝置。在武鋼本次對系列變電站實施的技術改造工程中,采用了一系列可應用于開關柜、環網柜、GIS組合電器、電纜頭、高壓母線、戶外敞開式設備等各種場所的高壓帶電顯示閉鎖裝置。這些高壓帶電顯示閉鎖裝置具有驗電提示、防誤鑰匙解鎖、電氣閉鎖接點、無線通訊接口等功能;在工作模式上有感應式和接觸式兩大類,工作電源有交流、直流和不需要電源等多種方式;結構上提供了內嵌式和表面安裝兩種方式。高壓帶電顯示閉鎖裝置實現強制性閉鎖的方法有以下幾種:(1)將高壓帶電顯示裝置輸出的有電/無電驗電接點(YJD)“串聯”在電動隔離刀閘的控制回路中,構成電氣閉鎖。(2)將高壓帶電顯示裝置輸出的有電/無電驗電接點(YJD)接入微機防誤閉鎖裝置的驗電器中,構成邏輯閉鎖。操作流程是:用電腦鑰匙先驗電,無電后才能對接地刀閘或接地線進行解鎖操作。(3)將高壓帶電顯示裝置輸出的有電/無電驗電接點(YJD)直接“串聯”在新型電控鎖的電源控制回路中,利用電控鎖對手動隔離刀閘或接地線實施強制性閉鎖。2.7密鑰管理機和五防系統密鑰2.7.1智能控制單裝解鎖控制的應用當微機防誤閉鎖裝置出現故障或需要緊急解鎖時,可使用解鎖鑰匙進行操作。但對于解鎖鑰匙的管理,一直沒有很好的辦法。解鎖鑰匙的保管有采取用信封封存,使用時拆封登記的辦法;也有將解鎖鑰匙鎖在抽屜保管的辦法。但是也有隨意使用解鎖鑰匙的現象。這些原始的管理辦法,既不能保證解鎖鑰匙的正確使用,又增加了值班人員的工作量,也無法科學地統計是設備故障還是微機五防系統裝置故障造成的解鎖操作問題;不便于對設備的管理,更為嚴重的是,解鎖鑰匙的隨意使用會使一些值班人員養成一種習慣性的違章,為造成惡性誤操作埋下隱患。根據《2003～2005年以來國家電網公司防止電氣誤操作工作總結及調研報告》的統計,因組織措施原因造成的誤操作事故共發生了120次,其中因擅自解鎖造成的誤操作事故達29次,占組織措施的24.2%,排在第1位,如圖4所示。在武鋼本次對系列變電站實施的技術改造工程中采用的智能鑰匙管理機,是一套集智能解鎖和緊急解鎖鑰匙管理為一體的新一代鑰匙管理機,具有完善的解鎖鑰匙的管理功能和緊急解鎖票的開票、申請、批準、傳票、記錄、查詢和統計等功能。鑰匙管理機支持如下3種緊急解鎖方式(見圖5):(1)ic卡解鎖法操作人員輸入解鎖原因后,由當地負責人用高級別IC卡以刷卡的方式批準解鎖。(2)網絡解鎖操作人員和批準人先后通過網絡登陸操作密碼,輸入解鎖原因,批準解鎖后,艙門可以打開。(3)短信回復批準解鎖操作人員輸入解鎖原因后,智能鑰匙管理機自動將短信發送至批準人的手機上,批準人通過短信回復批準解鎖。智能鑰匙管理機收到批準解鎖信息回復后,會自動向智能解鎖鑰匙傳送解鎖票或打開緊急解鎖鑰匙艙門。2.7.2智能解鎖嘴唇五防系統鑰匙分為兩級,第1級為智能解鎖鑰匙,優先使用;第2級為緊急解鎖鑰匙,限制使用。智能解鎖鑰匙只能對授權的設備進行解鎖,緊急解鎖鑰匙可以對任意設備進行解鎖。智能解鎖鑰匙具有以下主要功能:(1)可接收授權解鎖指令;(2)具有識別鎖碼功能;(3)具有按