基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的五防閉鎖系統(tǒng)的研發(fā)及使用

摘要：目前變電站防誤領(lǐng)域，多采用離線防誤模式（離線模式：電腦鑰匙與五防主機(jī)離線，即電腦鑰匙不能實(shí)時匯報操作結(jié)果，必須回到主控室才能回傳），離線模式在應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)了諸多弊端，有必要將其升級為在線模式。無線網(wǎng)絡(luò)對變電站站區(qū)的全覆蓋可以使得防誤系統(tǒng)從離線模式進(jìn)入在線防誤（在線模式：電腦在現(xiàn)場操作時，即可實(shí)時向五防主機(jī)發(fā)送在線防誤請求，并匯報操作結(jié)果），使得防誤裝置和操作票進(jìn)行步驟時刻得到值班負(fù)責(zé)人的監(jiān)視掌控，減少人為原因造成的跳項(xiàng)、漏項(xiàng)發(fā)生，為運(yùn)行提供更安全的保障，為無人值守變電站的倒閘操作提供技術(shù)支持。

此外，針對“遙控”、“就地”相結(jié)合的倒閘操作，利用無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時傳輸命令，避免人員在防誤主機(jī)與操作現(xiàn)場來回傳遞五防鑰匙，提升操作效率。

0   引言

變電站防誤閉鎖裝置時保證不發(fā)生電氣誤操作的重要技術(shù)保證措施，目前包頭供電局所轄500 kV變電站的防誤閉鎖系統(tǒng)中，防誤主機(jī)與五防鑰匙之間的關(guān)系為“離線”模式，即防誤主機(jī)必須通過鑰匙管理機(jī)向五防鑰匙發(fā)送任務(wù)，當(dāng)遇有遙控、就地相結(jié)合的操作時，由于需要將五防鑰匙在鑰匙管理機(jī)與就地操作處來回傳遞，大大影響了操作效率。

基于無線傳輸技術(shù)的防誤閉鎖裝置借助變電站無線覆蓋，實(shí)現(xiàn)防誤主機(jī)與五防鑰匙的“無線”連接，即不論五防鑰匙在變電站的任何角落，防誤主機(jī)均可向其發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)命令無線傳輸，保證操作不發(fā)生漏項(xiàng)、跳項(xiàng)等情況，同時提升操作效率。

1   項(xiàng)目研究背景及目的

1.1研究背景

目前國內(nèi)的微機(jī)防誤閉鎖系統(tǒng)大多采用的是“離線”工作模式，即操作過程中五防鎖與微機(jī)系統(tǒng)沒有通訊聯(lián)系，五防開鎖鑰匙只能順序執(zhí)行預(yù)存的操作內(nèi)容，但是當(dāng)操作設(shè)備沒有達(dá)到指定狀態(tài)或電氣設(shè)備的狀態(tài)臨時有變時，運(yùn)行人員繼續(xù)操作將會有很大的安全隱患。為了保障工作人員和電力設(shè)備的安全，同時提高電網(wǎng)的管理效果，需要對就地操作全程監(jiān)控、進(jìn)行全方位的指導(dǎo)和監(jiān)護(hù)。這同時也是電網(wǎng)防誤操作發(fā)展的方向。

1.2項(xiàng)目目的

在線防誤系統(tǒng)是基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的五防閉鎖系統(tǒng)，它根據(jù)變電站現(xiàn)場實(shí)際條件，充分利用已搭建的無線網(wǎng)絡(luò)，是倒閘操作、操作過程監(jiān)控、傳輸、儲存、處理等功能的一種全新的實(shí)時在線式防誤系統(tǒng)。

本系統(tǒng)全面實(shí)施后，可與解鎖操作機(jī)構(gòu)（開鎖器）、移動終端構(gòu)成一個靈活、多元、一體化的有機(jī)整體，可對倒閘操作過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。同時很好地解決了傳統(tǒng)離線防誤應(yīng)用模式的不足和效率問題，可降低勞動強(qiáng)度、提高工作效率。使操作管理更加安全化、智能化、高效化，同時也規(guī)范了現(xiàn)場操作管理。有效緩解變電站分散、檢修力量不足等問題，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的倒閘操作過程監(jiān)控、檢修維護(hù)與管理，減少生產(chǎn)成本。

系統(tǒng)依托于多項(xiàng)高新技術(shù)，如移動應(yīng)用技術(shù)、電子射頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)實(shí)時通訊技術(shù)，有效的管理了現(xiàn)場倒閘操作的規(guī)范化。

效益分析：運(yùn)用本系統(tǒng)后，可使運(yùn)檢職責(zé)更清晰、層次更分明、分工更具體，對運(yùn)行、檢修人員要求少。相對傳統(tǒng)的變電防誤系統(tǒng)，節(jié)約了人力、物力、財力等多方面的成本。有效的減少了事故的發(fā)生，保證了電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。同時系統(tǒng)也為后續(xù)擴(kuò)展預(yù)留接口，避免系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)問題。

2   項(xiàng)目實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)

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3   項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)

1)依托500 kV高新變電站內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，并通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)移動終端與五防主機(jī)的數(shù)據(jù)交互；

2)在包頭供電局下屬的高新變搭建一套在線五防閉鎖系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線防誤倒閘操作、過程監(jiān)控、任務(wù)監(jiān)控、危險點(diǎn)管理等多種功能；

3)形成相關(guān)技術(shù)規(guī)范及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4   研發(fā)方案

4.1系統(tǒng)軟件框架與硬件配置

4.1.1系統(tǒng)工作原理

在系統(tǒng)軟件中，預(yù)先編寫變電站的電氣一次系統(tǒng)接線圖和所有設(shè)備的操作規(guī)則，并將其固化在防誤主機(jī)中。操作人員通過身份驗(yàn)證登錄防誤系統(tǒng)，然后在防誤圖形軟件中進(jìn)行模擬操作。防誤圖形軟件對每項(xiàng)操作進(jìn)行五防邏輯判斷，能動態(tài)顯示圖形一次接線圖形及設(shè)備狀態(tài)，最后生成包含二次項(xiàng)目的完整操作票。模擬試操作結(jié)束后，通過無線網(wǎng)絡(luò)將操作票傳送到移動終端、解鎖操作機(jī)構(gòu)（開鎖器）開鎖器。然后操作人員攜帶移動終端、開鎖器至現(xiàn)場進(jìn)行開鎖及倒閘操作。

4.1.2系統(tǒng)通訊模式框圖

圖1 系統(tǒng)通訊模式圖

4.1.3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

采用基于C/S（客戶/服務(wù)器）與B/S（瀏覽器/服務(wù)器）軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)服務(wù)器作為sever（服務(wù)器端）來統(tǒng)一管理受控站的數(shù)據(jù)，保證有效的審核及監(jiān)察；受控站的CS客戶端通過與服務(wù)器相連接，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。移動終端可通過WebService進(jìn)行調(diào)用服務(wù)端的數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)移動終端與服務(wù)端的數(shù)據(jù)交互。

4.1.4 系統(tǒng)硬件配置方案

1）防誤主機(jī)

防誤主機(jī)包含支持移動終端操作的防誤圖形軟件，使防誤主機(jī)與移動終端之間可采用無線通訊方式，實(shí)現(xiàn)與移動終端的無線通訊以及操作的實(shí)時判斷與操作校驗(yàn)。

2）移動終端

移動終端可接收防誤主機(jī)傳送的操作票，操作時，移動終端實(shí)時監(jiān)控操作票，可根據(jù)現(xiàn)場情況，設(shè)置暫停操作，也可根據(jù)情況取消暫停操作，繼續(xù)執(zhí)行操作票，并向防誤主機(jī)反饋任務(wù)執(zhí)行情況。

3）解鎖操作機(jī)構(gòu)

解鎖操作機(jī)構(gòu)（開鎖器）由操作員持有，可以通過無線方式接收防誤主機(jī)的操作票，開始操作時，發(fā)送當(dāng)前操作步驟信息至防誤主機(jī)，防誤主機(jī)實(shí)時判斷當(dāng)前設(shè)備是否允許操作，若不符合防誤操作邏輯，則提示用戶不允許操作信息，也可接收移動終端發(fā)送過來的監(jiān)控命令，根據(jù)監(jiān)控命令情況，可暫停操作票，也可繼續(xù)執(zhí)行操作票。在解鎖時，識別解鎖五防鎖具并反饋操作信息。

4）無線網(wǎng)絡(luò)

實(shí)現(xiàn)防誤主機(jī)與移動終端、開鎖器的無線通訊，達(dá)到無線傳輸操作票、操作步驟實(shí)時判斷、操作任務(wù)校驗(yàn)的效果。

5   系統(tǒng)功能特點(diǎn)

1）實(shí)時邏輯判斷：開鎖器每操作一步，防誤主機(jī)根據(jù)操作邏輯實(shí)時判斷當(dāng)前設(shè)備是否允許操作，若允許操作則向開鎖器發(fā)送操作許可，允許進(jìn)行倒閘操作，否則給予用戶提示。操作完成后，開鎖器會將設(shè)備狀態(tài)信息實(shí)時匯報至防誤主機(jī)，防誤主機(jī)接收設(shè)備狀態(tài)匯報后更新一次接線圖形，從而達(dá)到圖形與現(xiàn)場狀態(tài)的統(tǒng)一。

2）操作過程實(shí)時跟蹤：在操作過程中，移動終端在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，可以實(shí)時在線接收防誤主機(jī)下發(fā)的操作票。在防誤主機(jī)上顯示每一步的操作任務(wù)執(zhí)行情況，值班長可以方便地實(shí)時監(jiān)控現(xiàn)場的操作情況。

3）操作效率提升：針對遙控、就地結(jié)合的倒閘操作，規(guī)避了人工傳遞鑰匙的過程，借助無線網(wǎng)絡(luò)防誤主機(jī)直接發(fā)送命令至開鎖器，即將遙控操作模式改為就地操作模式，若在一個操作任務(wù)中，有多次遙控、就地操作結(jié)合，可大幅提升操作效率。

6   研發(fā)內(nèi)容及步驟

1）具體的理論研究步驟，現(xiàn)場試驗(yàn)的地點(diǎn)和試驗(yàn)計(jì)劃

本項(xiàng)目理論研究重點(diǎn)突破以下四個問題。

第一，在線防誤系統(tǒng)軟件需要深化開發(fā)和完善，優(yōu)化平臺軟件的結(jié)構(gòu)。其中，客戶端軟件的研發(fā)也是本項(xiàng)目的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，客戶端軟件安裝在PC機(jī)上，通過網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)服務(wù)器相連，實(shí)現(xiàn)用戶管理、圖形管理、防誤管理、實(shí)時監(jiān)控、實(shí)時防誤判斷、任務(wù)監(jiān)控、用戶權(quán)限管理等功能。

第二，研制開鎖器是本項(xiàng)目的首要重點(diǎn)任務(wù)，尤其是無線傳輸模塊的研制，是開鎖器研發(fā)的重中之重。通過開鎖器的無線連接模塊，可與移動終端進(jìn)行通訊，也可通過無線網(wǎng)絡(luò)直接與防誤主機(jī)進(jìn)行通訊。開鎖器與防誤系統(tǒng)的無線通信，實(shí)現(xiàn)開鎖器操作步驟的實(shí)時傳輸與信息同步，操作終端每操作一步，設(shè)備信息實(shí)時回傳至防誤系統(tǒng)，使得運(yùn)行人員能夠?qū)崟r掌握現(xiàn)場操作進(jìn)程。

第三，在線防誤系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)。在變電站現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，對變電站的網(wǎng)絡(luò)通信接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換和調(diào)試，使其滿足本系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)要求，保證系統(tǒng)通信部分的完整性和獨(dú)特性。

2）本項(xiàng)目的研究分四個步驟。

步驟一：開發(fā)防誤系統(tǒng)軟件和移動終端軟件。使其更好、更快的呈現(xiàn)在客戶端軟件和移動終端軟件上。

步驟二：研發(fā)開鎖器，使其在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)條件下，發(fā)揮其最大性能與信號強(qiáng)度最佳，借用移動終端將開鎖的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至防誤系統(tǒng)軟件。

步驟三：測試移動終端與開鎖器、移動終端與防誤系統(tǒng)軟件，在變電站和供電局整個通信網(wǎng)絡(luò)的暢通性，保證倒閘操作時數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、安全、快速的互傳。

步驟四：進(jìn)行系統(tǒng)的試運(yùn)行。

3）系統(tǒng)開發(fā)路線

項(xiàng)目管理：本項(xiàng)目將嚴(yán)格按照軟件工程原則要求，按照項(xiàng)目計(jì)劃、需求分析、概念設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)、編碼、實(shí)現(xiàn)與維護(hù)等過程開展工作，對每個過程均需要進(jìn)行評審。

技術(shù)路線：按照系統(tǒng)可行性進(jìn)行各子系統(tǒng)的劃分，本項(xiàng)目可劃分為：防誤管理子系統(tǒng)、移動管理子系統(tǒng)、開鎖管理。

防誤管理子系統(tǒng)：采用QT + Redis進(jìn)行開發(fā)；

移動管理子系統(tǒng)：采用Eclipse + Sqlite進(jìn)行開發(fā)；

開鎖管理：硬件、結(jié)構(gòu)、嵌入式軟件各專業(yè)相互配合與協(xié)同；

移動管理子系統(tǒng)與防誤管理子系統(tǒng)主要通過Web Service進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；

遵循先攻克各子系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn),有必要時可進(jìn)行技術(shù)預(yù)研，接著再進(jìn)行接口的設(shè)計(jì)，最后才是模塊內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)。

7   主要設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

開鎖器設(shè)備

◆   網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn):IEEE 802.11 a/b/g/n

◆   工作頻段:2.4 GHz,5.0 GHz

◆   發(fā)射功率:<18 dBm

◆   接收靈敏度:-97 dBm

◆   速率:<6 Mbps

◆   靜電放電抗干擾試驗(yàn)：IEC61000-4-2(GB/T17626.2)

◆   雷擊浪涌抗干擾度試驗(yàn)：IEC61000-4-5(GB/T17626.5)

◆   電快速瞬變脈沖群的抗干擾度試驗(yàn)：IEC61000-4-4(GB/T17626.4)

◆   電壓跌落、短時中斷和電壓漸變的抗干擾度試驗(yàn)：IEC61000-4-11(GB/T17626.11)

◆   工頻磁場抗干擾度試驗(yàn)：IEC61000-4-8(GB/T17626.8)

◆   低溫試驗(yàn)：GB2423.1

◆   高溫試驗(yàn)：GB2423.2

◆   交變濕熱試驗(yàn)：GB2423.4

◆   抗環(huán)境紅外線強(qiáng)度：波長850～980n時≥0.8 mW/cm2

◆   防雨、放塵等級達(dá)到GB 4208-84規(guī)定的IP54等級要求

◆   接收一次設(shè)備操作步驟：≤1 024項(xiàng)

◆   環(huán)境溫度：-25～+60 ℃

◆   環(huán)境相對濕度：日平均≤95%，月平均≤90%

◆   電源：3.7 V聚合物理離子電池，標(biāo)配 1 700 mAh

◆   開機(jī)啟動電流：(165±20) mA

◆   待機(jī)電流：(100±20) mA

◆   最大識別鎖碼數(shù)：≤65 536

◆   允許通過的操作回路電流：2 mA～5 A

◆   抗靜電強(qiáng)度：≥1 500 V

◆   抗射頻干擾強(qiáng)度：≤50 dB（μV/m）

◆   抗電源端子傳輸干擾強(qiáng)度：≤70 dB（μV）

◆   抗沖擊強(qiáng)度：≥6g

◆   操作回路額定電壓：≤220 Ｖ 交、直流　

8   項(xiàng)目總結(jié)

本系統(tǒng)綜合通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)和軟交換技術(shù)，通過整合原有無線通信網(wǎng)絡(luò)資源，建立了一套實(shí)時在線的五防閉鎖平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)操作票的下載、操作票的回傳、實(shí)時監(jiān)控、過程防誤、操作控制等功能，確保正確操作，減少誤操作，提高勞動生產(chǎn)率，用現(xiàn)有人力資源滿足電網(wǎng)大發(fā)展及變電站翻番劇增的變電運(yùn)行管理要求。

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作者簡介：董永永(1970—)，男，高級工程師，現(xiàn)供職于包頭供電局500 kV變電管理處，從事變電運(yùn)行工作。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2020年12月期）