基于無線通信網絡的五防閉鎖系統的研發及使用

摘要：目前變電站防誤領域，多采用離線防誤模式（離線模式：電腦鑰匙與五防主機離線，即電腦鑰匙不能實時匯報操作結果，必須回到主控室才能回傳），離線模式在應用過程中也發現了諸多弊端，有必要將其升級為在線模式。無線網絡對變電站站區的全覆蓋可以使得防誤系統從離線模式進入在線防誤（在線模式：電腦在現場操作時，即可實時向五防主機發送在線防誤請求，并匯報操作結果），使得防誤裝置和操作票進行步驟時刻得到值班負責人的監視掌控，減少人為原因造成的跳項、漏項發生，為運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支持。

此外，針對“遙控”、“就地”相結合的倒閘操作，利用無線網絡實時傳輸命令，避免人員在防誤主機與操作現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生電氣誤操作的重要技術保證措施，目前包頭供電局所轄500 kV變電站的防誤閉鎖系統中，防誤主機與五防鑰匙之間的關系為“離線”模式，即防誤主機必須通過鑰匙管理機向五防鑰匙發送任務，當遇有遙控、就地相結合的操作時，由于需要將五防鑰匙在鑰匙管理機與就地操作處來回傳遞，大大影響了操作效率。

基于無線傳輸技術的防誤閉鎖裝置借助變電站無線覆蓋，實現防誤主機與五防鑰匙的“無線”連接，即不論五防鑰匙在變電站的任何角落，防誤主機均可向其發送指令，實現命令無線傳輸，保證操作不發生漏項、跳項等情況，同時提升操作效率。

1   項目研究背景及目的

1.1研究背景

目前國內的微機防誤閉鎖系統大多采用的是“離線”工作模式，即操作過程中五防鎖與微機系統沒有通訊聯系，五防開鎖鑰匙只能順序執行預存的操作內容，但是當操作設備沒有達到指定狀態或電氣設備的狀態臨時有變時，運行人員繼續操作將會有很大的安全隱患。為了保障工作人員和電力設備的安全，同時提高電網的管理效果，需要對就地操作全程監控、進行全方位的指導和監護。這同時也是電網防誤操作發展的方向。

1.2項目目的

在線防誤系統是基于無線通信網絡的五防閉鎖系統，它根據變電站現場實際條件，充分利用已搭建的無線網絡，是倒閘操作、操作過程監控、傳輸、儲存、處理等功能的一種全新的實時在線式防誤系統。

本系統全面實施后，可與解鎖操作機構（開鎖器）、移動終端構成一個靈活、多元、一體化的有機整體，可對倒閘操作過程進行實時監控。同時很好地解決了傳統離線防誤應用模式的不足和效率問題，可降低勞動強度、提高工作效率。使操作管理更加安全化、智能化、高效化，同時也規范了現場操作管理。有效緩解變電站分散、檢修力量不足等問題，并實現遠距離的倒閘操作過程監控、檢修維護與管理，減少生產成本。

系統依托于多項高新技術，如移動應用技術、電子射頻技術、計算機實時通訊技術，有效的管理了現場倒閘操作的規范化。

效益分析：運用本系統后，可使運檢職責更清晰、層次更分明、分工更具體，對運行、檢修人員要求少。相對傳統的變電防誤系統，節約了人力、物力、財力等多方面的成本。有效的減少了事故的發生，保證了電網的安全、穩定運行。同時系統也為后續擴展預留接口，避免系統重復建設問題。

2   項目實施標準

DB/T16436.1－1996《遠動設備及系統接口》

DL/T 364-2010    《光纖通道傳輸保護信息通用技術條件》

GB 9159-2008     《無線電發射設備的安全要求》

DL/T5003－2005   《電力系統調度自動化設計技術規程 》

Q/GDW  1202-2015 《國家電網公司應急指揮中心建設規范》

DL/T5002-2005    《地區電網調度自動化設計技術規程》

GB/T13729-1992   《遠動終端通用技術條件》

IEEE802.3        《以太網通訊標準》

GB 50174-2008    《電子信息系統機房設計規范》

GB 50462-2008    《電子信息系統機房施工及驗收規范》

GB50348-2004     《安全防范工程技術規范》

YD 1392-2005     《無線應用協議(WAP) 網關設備技術要求》

EIA/TIATSB67     《無屏蔽雙絞線系統現場測試傳輸性能規范》

GB6766——2000   《DL/T687-1999微機型防止電氣誤操作裝置通

3   項目建設目標

1)依托500 kV高新變電站內的無線網絡，實現無線通信網絡的覆蓋，并通過無線網絡實現移動終端與五防主機的數據交互；

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，實現在線防誤倒閘操作、過程監控、任務監控、危險點管理等多種功能；

3)形成相關技術規范及技術標準。

4   研發方案

4.1系統軟件框架與硬件配置

4.1.1系統工作原理

在系統軟件中，預先編寫變電站的電氣一次系統接線圖和所有設備的操作規則，并將其固化在防誤主機中。操作人員通過身份驗證登錄防誤系統，然后在防誤圖形軟件中進行模擬操作。防誤圖形軟件對每項操作進行五防邏輯判斷，能動態顯示圖形一次接線圖形及設備狀態，最后生成包含二次項目的完整操作票。模擬試操作結束后，通過無線網絡將操作票傳送到移動終端、解鎖操作機構（開鎖器）開鎖器。然后操作人員攜帶移動終端、開鎖器至現場進行開鎖及倒閘操作。

4.1.2系統通訊模式框圖

圖1 系統通訊模式圖

4.1.3 系統軟件架構設計

采用基于C/S（客戶/服務器）與B/S（瀏覽器/服務器）軟件架構設計，數據服務器作為sever（服務器端）來統一管理受控站的數據，保證有效的審核及監察；受控站的CS客戶端通過與服務器相連接，可實現數據的交互。移動終端可通過WebService進行調用服務端的數據庫中的數據，實現移動終端與服務端的數據交互。

4.1.4 系統硬件配置方案

1）防誤主機

防誤主機包含支持移動終端操作的防誤圖形軟件，使防誤主機與移動終端之間可采用無線通訊方式，實現與移動終端的無線通訊以及操作的實時判斷與操作校驗。

2）移動終端

移動終端可接收防誤主機傳送的操作票，操作時，移動終端實時監控操作票，可根據現場情況，設置暫停操作，也可根據情況取消暫停操作，繼續執行操作票，并向防誤主機反饋任務執行情況。

3）解鎖操作機構

解鎖操作機構（開鎖器）由操作員持有，可以通過無線方式接收防誤主機的操作票，開始操作時，發送當前操作步驟信息至防誤主機，防誤主機實時判斷當前設備是否允許操作，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送過來的監控命令，根據監控命令情況，可暫停操作票，也可繼續執行操作票。在解鎖時，識別解鎖五防鎖具并反饋操作信息。

4）無線網絡

實現防誤主機與移動終端、開鎖器的無線通訊，達到無線傳輸操作票、操作步驟實時判斷、操作任務校驗的效果。

5   系統功能特點

1）實時邏輯判斷：開鎖器每操作一步，防誤主機根據操作邏輯實時判斷當前設備是否允許操作，若允許操作則向開鎖器發送操作許可，允許進行倒閘操作，否則給予用戶提示。操作完成后，開鎖器會將設備狀態信息實時匯報至防誤主機，防誤主機接收設備狀態匯報后更新一次接線圖形，從而達到圖形與現場狀態的統一。

2）操作過程實時跟蹤：在操作過程中，移動終端在無線網絡覆蓋范圍內，可以實時在線接收防誤主機下發的操作票。在防誤主機上顯示每一步的操作任務執行情況，值班長可以方便地實時監控現場的操作情況。

3）操作效率提升：針對遙控、就地結合的倒閘操作，規避了人工傳遞鑰匙的過程，借助無線網絡防誤主機直接發送命令至開鎖器，即將遙控操作模式改為就地操作模式，若在一個操作任務中，有多次遙控、就地操作結合，可大幅提升操作效率。

6   研發內容及步驟

1）具體的理論研究步驟，現場試驗的地點和試驗計劃

本項目理論研究重點突破以下四個問題。

第一，在線防誤系統軟件需要深化開發和完善，優化平臺軟件的結構。其中，客戶端軟件的研發也是本項目的重點和難點之一，客戶端軟件安裝在PC機上，通過網絡與遠端數據服務器相連，實現用戶管理、圖形管理、防誤管理、實時監控、實時防誤判斷、任務監控、用戶權限管理等功能。

第二，研制開鎖器是本項目的首要重點任務，尤其是無線傳輸模塊的研制，是開鎖器研發的重中之重。通過開鎖器的無線連接模塊，可與移動終端進行通訊，也可通過無線網絡直接與防誤主機進行通訊。開鎖器與防誤系統的無線通信，實現開鎖器操作步驟的實時傳輸與信息同步，操作終端每操作一步，設備信息實時回傳至防誤系統，使得運行人員能夠實時掌握現場操作進程。

第三，在線防誤系統通信網絡。在變電站現有通信網絡的基礎上，對變電站的網絡通信接口進行轉換和調試，使其滿足本系統的通信網絡要求，保證系統通信部分的完整性和獨特性。

2）本項目的研究分四個步驟。

步驟一：開發防誤系統軟件和移動終端軟件。使其更好、更快的呈現在客戶端軟件和移動終端軟件上。

步驟二：研發開鎖器，使其在現有網絡條件下，發揮其最大性能與信號強度最佳，借用移動終端將開鎖的信息通過無線網絡傳輸至防誤系統軟件。

步驟三：測試移動終端與開鎖器、移動終端與防誤系統軟件，在變電站和供電局整個通信網絡的暢通性，保證倒閘操作時數據準確、安全、快速的互傳。

步驟四：進行系統的試運行。

3）系統開發路線

項目管理：本項目將嚴格按照軟件工程原則要求，按照項目計劃、需求分析、概念設計、邏輯設計、物理設計、編碼、實現與維護等過程開展工作，對每個過程均需要進行評審。

技術路線：按照系統可行性進行各子系統的劃分，本項目可劃分為：防誤管理子系統、移動管理子系統、開鎖管理。

防誤管理子系統：采用QT + Redis進行開發；

移動管理子系統：采用Eclipse + Sqlite進行開發；

開鎖管理：硬件、結構、嵌入式軟件各專業相互配合與協同；

移動管理子系統與防誤管理子系統主要通過Web Service進行數據交互；

遵循先攻克各子系統技術難點,有必要時可進行技術預研，接著再進行接口的設計，最后才是模塊內部的實現。

7   主要設備技術指標

開鎖器設備

◆   網絡標準:IEEE 802.11 a/b/g/n

◆   工作頻段:2.4 GHz,5.0 GHz

◆   發射功率:<18 dBm

◆   接收靈敏度:-97 dBm

◆   速率:<6 Mbps

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

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

◆   電快速瞬變脈沖群的抗干擾度試驗：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：IEC61000-4-11(GB/T17626.11)

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

◆   低溫試驗：GB2423.1

◆   高溫試驗：GB2423.2

◆   交變濕熱試驗：GB2423.4

◆   抗環境紅外線強度：波長850～980n時≥0.8 mW/cm2

◆   防雨、放塵等級達到GB 4208-84規定的IP54等級要求

◆   接收一次設備操作步驟：≤1 024項

◆   環境溫度：-25～+60 ℃

◆   環境相對濕度：日平均≤95%，月平均≤90%

◆   電源：3.7 V聚合物理離子電池，標配 1 700 mAh

◆   開機啟動電流：(165±20) mA

◆   待機電流：(100±20) mA

◆   最大識別鎖碼數：≤65 536

◆   允許通過的操作回路電流：2 mA～5 A

◆   抗靜電強度：≥1 500 V

◆   抗射頻干擾強度：≤50 dB（μV/m）

◆   抗電源端子傳輸干擾強度：≤70 dB（μV）

◆   抗沖擊強度：≥6g

◆   操作回路額定電壓：≤220 Ｖ 交、直流　

8   項目總結

本系統綜合通信技術、網絡數據融合技術和軟交換技術，通過整合原有無線通信網絡資源，建立了一套實時在線的五防閉鎖平臺，能夠實現操作票的下載、操作票的回傳、實時監控、過程防誤、操作控制等功能，確保正確操作，減少誤操作，提高勞動生產率，用現有人力資源滿足電網大發展及變電站翻番劇增的變電運行管理要求。

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

（本文來源于《電子產品世界》雜志社2020年12月期）