基于监控五防一体化防误操作方案的研究与实现_硕士学位论文(编辑修改稿)

基于监控五防一体化防误操作方案的研究与实现_硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

参考文献 40 在读期间参加科研和发表论文情况 43 致 谢 44 华北电力大学工程 硕士论文 1 第一章 绪论 研究背景和意义 电力系统的安全运行是国民经济发展的重要保证，电力部门历来十分重视电力系统的安全运行，然而我国每年都会发生很多因操作人员误操作产生的重大事故，造成巨大的生命财产损失。 随 着我国电力工业的发展，电网规模不断扩大，电网结构更加复杂，其输送容量和电压等级也不断增高，误操作事故对电网、设备、人身的安全威胁性更是逐步加剧，由此造成的损失也越来越严重，从 历 年的统计数据看，误操作事故的发生每年都给国家和电力企业造成巨大的经济损失，给安全生产带来重大影响。 从《国家电网公司 20xx20xx年防止电气误操作工作调研报告》中可以看出，20xx20xx年国家电网公司各所属单位共计发生误操作事故 77次，共损失电量 万 KW，人员受伤 5人，死亡 1人。 其中发生五种恶性误操作事故 50次，占误操 作事故总数的 %[1]。 在这 77次误操作事故中，运行责任 48次，占 %，是主要责任，此外检修责任 11次，占 %，继保责任 11次，占 %，其它依次为调度 4次，试验 2次，安装施工 1次 [1]。 另外，从历年的防误操作事故统计分析中可知 :带接地线 (接地开关 )合闸一直是居首位的恶性误操作事故。 此类事故绝大多数是因为设备检修后漏拆临时接地线引起的。 占第 2位的是带电挂地线 (合接地开关 )。 此类事故在早期的统计中并不突出，但在 从 05年至今 均排在恶性误操作事故的第 2位，此类事故往往是由于在操作过程中未进 行验电造成。 有时还会造成人员伤亡，后果比较严重。 误入带电间隔是历年误操作事故中最少的， 20xx年 20xx年共发生 3次，占 6%。 但此类事故对人员安全构成极大威胁，而且其它类型事故，如误分合断路器，带电挂接地线 (合接地开关 )等大多也是由于误入带电间隔引起 [1]。 这些恶性误操作事故的发生，给我们各发、变、供电单位敲响了警钟，使我们认识到防误操作工作的重要性、紧迫性。 目前，在变电站中采用电气防止误操作闭锁装置已成为防止误操作事故的一种重要且行之有效的防范措施。 它对防止电气误操作事故，以至防止进而引发的人身、电网 和设备事故具有重要作用。 据统计， 截止 20xx年 国家电网公司系统闭锁装置装用量共计 56249套，其中电气联锁装置 3706套，占 %，机构联锁装置 11573套，占 %，电磁锁 2793套，占%，机械程序锁 16105套，占 %，微机闭锁装置 220xx套，占 %，其它闭锁装置 697套，占 %。 其中微机闭锁装置套数最多，所占比例最大 [1]。 华北电力大学工程 硕士论文 2 为保证电力系统的安全稳定运行，减少误操作事故的发生，电力行业颁布的《电力系统安全运行规程》中规定了操作票制度及电力五防细则，在厂站内装设了很多防止 误操作的装置。 随着计算机技术的发展，变电站的装置都开始采用微机技术而成为微机型保护装置、微机监控、微机远动、微机录波装置、微机防误闭锁装置 [2]。 打破了过去常规变电站的二次结构，形成了变电站综合自动化系统。 站内的断路器和隔离开关实现了计算机直接遥控操作，即“四遥”功能， 逐步，由基本的监视控制功能向功能综合的体系发展。 变电站实现综合自动化后，变电站二次结构发生了变化，实现了操作监视屏幕化的情况下，监控后台微机操作替代了过去的控制屏把手操作，而且远方微机操作的范围也扩大到隔离开关。 这种情况下，运行部门对监控 后台操作的防误措施提出了新的要求。 变电站自动化系统在设计规则中要求， 为了防止误操作，操作闭锁主要包括： ① 操作出口具有跳、合闭锁功能和具有并发性操作闭锁功能。 ② CRT屏幕操作闭锁功能，只有输入正确的操作命令和监控命令，才有权进行操作控制。 ③ 当站内通信网退出运行时，能满足非 CRT屏幕操作、五防闭锁功能和适应一次设备现场维修操作的五防闭锁功能。 ④ 根据一次设备的实际运行状态，自动实现断路器、隔离开关操作闭锁功能 [3]。 针对这一问题，综合自动化厂家和一些机构，对监控系统中实现防误操作的措施进行了研究。 研究 现状 依据误操作产生的原因， 导致 误操作 的原因主要有三部分 ，分别是运行值班员、检修人员及其他人员的误操作。 运行人员的误操作主要包括误拉、误合隔离开关和断路器、误入间隔等；检修人员的误操作主要包括检修、试验过程误碰运行间隔。 针对可能发生的误操作范围进行防误装置的设置，国内常用的防误系统可以分成三大类：机械型闭锁、电气型闭锁、微机型闭锁。 机械闭锁。 机械闭锁是利用刀闸、开关等设备操作机械传动部分通过互相限位、相互制约来实现相互联锁的闭锁方式。 其特点是闭锁简单、可靠，不需使用开锁钥匙。 这种闭锁实现的前提是一体化设备 ，如单一刀闸、开关柜、组合电器等。 如要实现单元设备间的闭锁就相当困难，因此，其防误功能是有限的 [3]。 电气闭锁。 电气闭锁属于电气逻辑闭锁，它是利用开关、刀闸等设备的辅助接点串接入需要闭锁的设备的电动操作回路中，从而实现设备之间的相互闭锁。 其特点是没有过多的附属设备，外表十分简捷。 这种方式仅适用于电动操作的设备机构上，闭锁逻辑关系不宜太复杂，对辅助开关质量和运行环境要求较高，闭锁功能不华北电力大学工程 硕士论文 3 够完善 [3]。 微机防误闭锁装置。 目前电力系统中使用的微机防误闭锁装置，主流产品是一种离线的防误闭锁系统。 它由计算机主机、电 脑钥匙，若干电气编码锁，机械编码锁等硬件组成，通过设置在系统内的软件实现防误逻辑闭锁功能。 操作人员在操作前需先在防误系统中进行模拟操作，将模拟操作顺序输入到系统中，然后通过专用接口将操作程序传输到电脑钥匙中，操作人员用电脑钥匙到现场按已输入的操作顺序依次打开编码锁实施操作，并采集设备状态以作为下一步能否操作的判据，整个操作完毕后再将电脑钥匙中的状态信息返回给防误主机进行状态更新，以实现防误主机与现场设备状态的一致性。 其特点是防误闭锁逻辑功能由微机五防系统独立完成，理论上能实现较为复杂的程序闭锁功能，其安装、 维护比较方便 [3]。 随着计算机技术和通信技术的发展，厂站自动 化技术得到了长足的发展，传统电气防误闭锁方式不能满足要求，现在厂站内主要采用微机五防系统 ,一般 微机防误系统又可分为独立微机五防系统和一体化五防系统。 独立五防系统是指防误系统独立于监控系统之外的微机防误系统，结构图如图11所示 ，一般通过通信方式（串口或以太网）从监控系统获取位置信息， 实现状态对位；并对运行人员的模拟操作进行监控，进行五防逻辑分析，获取操作信息，打印出符合用户格式要求的操作票，通过光电通讯将操作信息传给电脑钥匙。 电脑钥匙对运行操作 人员的实际操作进行监控，给出提示信息，当操作正确时打开电编码锁或机械编码锁，解除闭锁，允许操作。 当运行操作人员走错间隔操作时，电脑钥匙发出报警，并强制闭锁，显示器上提示告警信息，并提示操作人员应如何进行下一步操作 ， 闭锁机构如图 12所示。 目前独立的微机防误闭锁系统 主要是离线式微机防误闭锁系统。 图 11变电站综合自动化系统和 独立 微机防误系统信息接口示意图 实时数据 虚遥信 虚遥信 实时数据 微机型 防误系统 厂站自动化系统 调度 五防主机 （预演、生成票） 电脑钥匙 实时数据 虚遥信 华北电力大学工程 硕士论文 4 防 误主 机通信管理机单 元控 制 器单 元控 制 器单 元控 制 器单 元控 制 器单 元控 制 器单 元控 制 器单 元控 制 器单 元控 制 器单 元控 制 器单 元控 制 器A C 2 0 0 V电 源C A N. . .数码锁数码锁. . .数码锁数码锁. . .数码锁数码锁. . .数码锁数码锁. . .数码锁数码锁. . .数码锁数码锁. . .数码锁数码锁. . .数码锁数码锁. . .数码锁数码锁. . .数码锁数码锁 图 12 独立五防在线微机防误闭锁系统结构图 基于微机防误系统和监 控系统通信的瓶颈现状以及电力电子技术、变电站自动化技术的发展，在很多地区和综合自动化生产厂家提出了变电站自动化系统和微机五防系统实现监控五防系统一体化设计的愿望和思想。 基于这样的运行和发展需求，逐步形成了监控五防一体化的模式， 结构如图 13所示， 而且这一模式日趋成熟。 一体化的微机五防系统采用一体化设计理念，把变电站实时监控、故障信息系统子站、工程师站、五防一体化以及变电站日常管理融为一体，并且把这几个子系统设计为逻辑上相互独立，可以共用数据库和图形界面，这样既满足了信息共享的要求，又可以按照不同需求单独配 置，满足功能灵活性要求。 基本 满足：（ 1）防误闭锁软件与自动化系统具有统一的数据库，五防模块与自动化系统的其他应用模块一样从同一个实时库获得数据。 （ 2）防误闭锁软件与自动化系 统具有统一的数据库组态，五防数据直接从自动化系统数据中挑选测点 编辑五防属性。 （ 3）防误闭锁软件与自动化系统具有统一的画面编辑，可以直接采用自动化系统的画面作为五防画面 [11]。 一体化微机五防 可以直接在图形上开票，开票过程中具有防误逻辑校验功能，所以这种开票过程中本身包含了模拟预演功能。 实现图、库一体化，所以不存在独立防误的通信环节，大大 提高了系统可靠性。 与独立微机防误闭锁相比，一体化防误不仅具有了独立微机防误系统的各项功能，还有以下优势：（ 1）直接从监控系统数据库获取数据，可以具有更全面的防误功能。 （ 2）取消防误系统和监控系统之间的通信，消除了影响系统稳定性的薄弱环节，防误系统具有更好的可靠性和实时性。 （ 3）五防规则是独立编制的，防误功能具备独立性。 也具备和电脑钥匙通信功能，可通过电脑钥匙和锁具实现现场操作。 （ 4）与监控系统共用统一的数据库、图形系统，节省了工作量，降低了成本。 （ 5）与监控系统的测控装置形成更华北电力大学工程 硕士论文 5 全面防误闭锁功能，即使后台机故 障退出，也具有完备的间隔层全站逻辑闭锁。 （ 6）维护更改方便，不存在监控与防误厂家的管理配合问题，节省了工程制作特别是工程扩建的施工周期。 图 13变电站自动化系统和微机防误系统一体化结构示意图 目前的一体化五防微机防误虽然解决了数据共享的问题，但 仍然是采用电脑钥匙模式的离线式微机防误闭锁系统， 并没有达到在线一体化的操作模式，仍存在以下不足 [3]。 （ 1）防误闭锁系统不能实时取得现场实际位置。 操作期间，防误主机不能在线跟踪操作的执行情况，只有在电脑钥匙回传后，才可以获得相关的操作信 息。 （ 2）“走空程”（ 操作过程漏项） 是这一系统面临的最大安全问题，为了防止“走空程” ， 需要设计式样繁多的固定锁（如位置检测锁）及其安装附件。 （ 3）在操作方式（遥控、手动操作）切换频繁的情况下，电脑钥匙需要多次回传，操作较繁琐。 （ 4）防误闭锁系统的锁具及其附件类型繁多，装设复杂，容易出现可靠性问题，增加了维护和运行的负担。 （ 5）对于站内的操作可以起到防误的功能，但对于远方调度或集控系统的遥控操作则无法起到防误的作用。 由于站控层的五防逻辑和间隔层的逻辑都是独立运行 ,从逻辑上没有统一到操作票顺序中。 目前 的 一体化 五防系统，并没有达到 站级防误闭锁及间隔闭锁相结合的防误系统 [14]，从运行需求的角度看并没有达到统一到操作票逻辑上的统一 逻辑流程，现在无论是 站控层一体系统也好、还是间隔层间隔五防也好，系统 还 是相互分列 的 ，并不是在线一体化五防系统。 监控五防主机 电脑钥匙 测控装置 电编码锁或机械锁 机械锁 开关 /刀闸 地线、网门 华北电力大学工程 硕士论文 6 本文工作 (1) 在广泛查阅文献资料和调研的基础上，对变电站防误系统的发展应用状况进行了综述；阐述了微机五防的原理、五防闭锁的实现方法等相关理论； (2) 在充分分析调研的基础上，提出实施一体化在线五防系统设计思想，在 监控系统传统微机防误模式基础上引入了五防 节点。 解决了五防逻辑 节点和测控五防逻辑的配合问题，实现了真正意义上的一体化在线五防； (3) 在一体化在线五防系统实现过程中，解决了远方调度和集控系统的遥控防误操作闭锁、 操作过程漏项、 五防数据信息实时更新等问题； (4) 结合包头地区前明变一体化在线五防系统建设工程实际，分析了工程实施过程中遇到的问题及其解决方案，并给出了系统投入运行后的效果分析。 说明了一体化在线五防系统的优势。 华北电力大学工程 硕士论文 7 第二章 防误操作闭锁及监控系统理论 五防的概念 为了有效防止运行电气设备误操作引发的人身和重大设备事故，能源部早在1990 年就提出了电气五防的要求，并 以法规形式（能源安保（ 1990） 1110 号文《防止电气误操作装置管理规定》）行文规定了电气防误的管理、运行、设计和使用原则。 按照《规定》， 防误装置的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，提出了五防规定。 五种防范的恶性事故为：（ 1）防止带负荷拉、合刀闸；（ 2）防止误分、误合断路器、负荷开关、接触器；（ 3）防止接地刀闸处于闭合位置时关合断路器、负荷开关；（ 4）防止在带电时误合接地开关；（ 5）防止误入带电间隔 [5]。 原国家电力公司 20xx 年发布的《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》的第二章 “ 防止电气误操作事故 ” 第 条明确规定：采用计算机监控系统时，远方、就地操作，均应具备防误闭锁功能 [6]。 微机五防系统理论 微机五防的原理 微机五防系统是计算机及网络通信技术应用于变电站自动化的结果 [7]。 微机五防系统用于高压开关设备防止电气误操作。 通常主要由主机、电脑钥匙、机械编码锁、电气编码锁、模拟屏等功能元件组成。 微机防误闭锁装置闭锁的设备有四类：开关、刀闸、地线（地线刀闸）、遮栏网门（开关柜门），上述设备 是通过微机锁具（电编码锁和机械编码锁）实现闭锁的，对上述设备须由软件编写操作闭锁规则。 主机是五防系统的大脑，硬件一般采用微机，通过软件来实时接收运行数据，根据设置的条件判断是否满足条件来对电气设备进行操作。 电脑钥匙接受主机生成的操作票，对相应的编码锁具进行操作，并为主机采集虚遥信。 华北电力大学工程 硕士论文 8 微机防误的操作流程 五防主机上电后，先要接收厂站自动化系统发送过来的实遥信，然后读取电脑钥匙采集的虚遥信，与主机的屏幕显示图形对位。 当对位工作正确完成，进行模拟预演。 此后，主机会不断通过与厂站自动化系统进行通信，得 到厂站的实际信息。 其操作过程分为两步：预演操作和实际操作。 其中预演操作保证生成正确的操作票，实际操作保证按操作票的内容顺序执行。 预演操作 本系统事先将各种运行方式的操作运行规程、电气防误操作接线图 (简称一次接线。