摘 要

中国是世界上人口最多的国家，因此为了满足人们的用电需求，我国的电力行业需要与时俱进，不断发展创新，以应对各种电力事故。近20年来，我国电力行业频繁出现各种各样的事故，造成了重大社会影响。在查阅相关资料之后发现出现这些事故的原因主要是由于高压电的危险性十分高以及其对工业的重要性。这些电力事故往往会造成十分严重的后果，比如大规模的停电事故以及大规模的触电事故等等，这不仅会严重危及到电力行业及周边人员的生命财产安全，也会损坏到国家的财产安全以及国家的经济发展，而这些事故大多都是人为原因造成^[1]。

其中电力系统中的电气误操作是威胁电力设备安全运行的重要因素。在此背景下，本文总结了当前变电站普遍运用的五防系统，分析阐述近几年五防系统的发展历程，研究多种防误闭锁系统的闭锁原理，并分析了每种防误系统的优点和缺点。根据目前以建项目电气钥匙闭锁系统运行情况，尚未实现信息化以及智能化的功能开发，从倒闸隔离操作至钥匙管理等与生产隔离操作密切相关的工作均存在自动化程度低下、管理流程复杂、功能扩展受限等弊端，该系统的经济性和效率迫切需要进行技术更新^[2]。该设计针对变电站钥匙闭锁系统，利用ZigBee无线网络技术实现该系统的在线智能体系。

关键词：防误操作；在线五防技术；ZigBee技术；变电站

Abstract

China is the most populous country in the world. Therefore, in order to meet people's electricity demand, China's power industry needs to keep pace with the times and continuously develop and innovate to cope with various power accidents. In the past 20 years, various accidents have occurred frequently in China's power industry, causing major social impacts. After consulting the relevant materials, the cause of these accidents was mainly due to the high risk of high voltage electricity and its importance to industry. These electric accidents often cause very serious consequences, such as large-scale power outages and large-scale electric shocks. This will not only seriously endanger the lives and property of the power industry and surrounding personnel, but also damage the property security of the country. And the country’s economic development, and most of these accidents are caused by human causes.

Among them, electrical misoperation in the power system is an important factor threatening the safe operation of power equipment. In this context, this paper summarizes the five-prevention system commonly used in current substations, analyzes the development history of five-prevention system in recent years, studies the locking principle of various anti-misoperation locking systems, and analyzes the advantages of each anti-error system. And shortcomings. According to the current operation of the electrical key locking system of the project under construction, the informatization and intelligent function development have not been realized. The work related to the production isolation operation, such as the switching isolation operation to the key management, has low automation and complicated management process. The limitations of function expansion are limited, and the economics and efficiency of the system urgently require technical updates . The design is aimed at the substation key lock system and uses ZigBee wireless network technology to realize the online intelligent system of the system.

Key words: error-proof operation; on-line five-proof technology; ZigBee technology; substation

目录

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的背景 1

1.2 课题研究的目的及意义 2

1.3 国内技术现状 4

1.4 国外技术现状 7

1.5 本章小结 8

第二章 在线式防误闭锁系统方案设计 9

2.1 在线式防误闭锁的原理及特点 9

2.2 系统的总体方案设计 11

2.2.1 正常操作流程设计 12

2.3 系统的网络实施方案 13

2.3.1 ZigBee无线网络通信技术 13

2.3.2 网络系统原理 14

2.4 本章小结 14

第三章 在线式防误闭锁系统的硬件设计 15

3.1 防误主机 16

3.2 智能锁具 17

3.3 电脑钥匙 18

3.4 通讯适配器 19

3.5 ZigBee无线基站 19

3.6 操作柜 20

3.6.1 操作柜中采控核心板设计 20

3.6.1.1 CPU模块 21

3.6.1.2 电源模块 22

3.6.1.3 数字量采集模块 23

3.7 本章小结 24

第四章 在线式防误闭锁系统的软件设计 25

4.1 软件构架设计 25

4.2 软件功能设计 26

4.2.1 图形化模拟及操作票系统功能 26

4.2.2 实时防误功能 26

4.3 软件界面展示 27

4.3.1 软件登陆界面 28

4.3.2 软件系统首页 28

4.3.3 审核操作票界面 29

4.3.4 预存操作票界面 29

4.4 本章小结 30

第五章 研究结果与应用分析 31

5.1 解决的关键技术 31

5.1.1 较为完善的五防功能 31

5.1.2 系统实时在线功能和智能解锁功能 31

5.1.3 智能锁具遥控功能与运行状态分析功能 32

5.2 本章小结 32

第六章 结论与展望 33

6.1 结论 33

6.2 展望 33

参考文献 34

致谢 35

绪论

课题研究的背景

本文主要是为了将电气钥匙闭锁系统向移动化、可视化、功能一体化方向发展。通过总结最近几年来建立新的变电站或者是进行变电站技术改造时遇到的问题，并根据目前已建项目电气钥匙闭锁系统运行情况，尚未实现信息化以及智能化的功能开发，从倒闸隔离操作至钥匙管理等与生产隔离操作密切相关的工作均存在自动化程度低下、管理流程冗繁、功能扩展受限等弊端，系统的经济性、安全性和效率迫切需要技术更新^[3]。

1. 隔离操作效率较低

目前隔离操作过程为现场巡视判断主接线状态及钥匙对位状态，按照巡视结果结合闭锁关系图进行书面推演以完成隔离票拟票过程，现场操作则需进行多区域、多间隔的置换操作和记录，如对于发电机并网操作的钥匙倒换工作准备需进行一周以上。

1. 操作过程不可追朔

由于未设计信息通讯系统，对操作员的操作过程信息没有实时的跟踪和反馈， 并且操作人员不易掌握整体操作进程，不便于后期操作策略优化及对重要操作信息进行追朔。

1. 操作弱点不可识别

由于缺乏信息化历史数据，对于操作推演或实际操作中产生的失误案例无法及时进行记录，不易于后期通过科学算法识别设备操作误区或技能弱点。

1. 闭锁逻辑固化不易拓展

现有机械钥匙系统由于其设计采用机械结构，对于用户新增经验反馈案例或改进性要求很难做到多条件的逻辑组合和拓展。

1. 机械锁具使用寿命短

目前机械锁具的使用寿命约为五至十年，已建项目现场不同程度存在钥匙卡涩， 钥匙置换盒卡死的情况，对于在运机组维护和更换窗口难以协调。

1. 机械钥匙动态管理困难

目前已建项目单台机组电气系统闭锁移交钥匙数量约为五百至六百把，其中现场使用的约两百把，对于倒换过程中产生的暂不使用的钥匙管理存在较大困难。

基于以上情况，本项目拟采用微机五防技术实现与核电站机械钥匙程序闭锁系统部分主接线回路等同效果的电气开关柜“五防”和电气系统间安全逻辑闭锁功能，同时开发钥匙管理、图形模拟操作、工作票管理和操作数据采集功能模块，建立以保障运营期电气安全操作为重点的一体化防误操作演示平台。

课题研究的目的及意义

众所周知，安全问题一直是人们非常重视的问题，在电力系统中，这种问题就显得更加严重。每年都有许多因人员滥用和错位造成的重大事故，导致财产和生命的巨大损失，如大规模停电和电击事故。结合国内外电力系统的发展经验，电力部门颁布了《电力系统安全规程》，确保电力系统安全稳定运行。为了减少人为错误事故的发生，已经详细说明了“两票”制度^[4]。 “五防”的具体定义如下^[5]：

（１）防止误分、合断路器。

（２）防止带负荷分、合隔离开关。

（３）防止带电挂（合）接地线（接地刀闸）。

（４）防止带接地线（接地刀闸）合断路器（隔离开关）。

（５）防止误入带电间隔。

除管理措施外，在硬件和软件技术方面，还先后引进了机械锁五防系统，电磁锁五防系统，电气锁五防系统，微机锁五防系统。其中，经过几年的开发和实践检测，微机防误闭锁系统逐渐成为变电站和电厂的主要防误技术手段。

目前变电站使用的五防系统主要是微机五防系统。微机五防系统可分为两种类型：独立五防系统和一体化五防子系统，但与本课题关系并不大，仅提供简单的图予以参考，如图1-1和1-2所示。

微机防误闭锁系统大都是在Windows操作系统下运行，Windows操作系统本身的漏洞和历史问题使其很容易遭到攻击和病毒感染，导致五防系统本身存在安全隐患，造成不必要的损失。与Windows系统相比，Linux/Unix系统比Windows系统安全的多，在Windows系统可以运行的病毒，到Linux/Unix系统上是无法运行的^[6]，但是目前的Windows系统功能齐全，很难舍弃，故此需要加强Windows系统的安全性能，其中最为关键的是在线通信安全。

为了提高系统的安全性，稳定性，可移植性，可扩展性和计算速度，迫切需要开发一种全面，先进的跨平台的在线式微机防误闭锁系统，以适应不断发展的电力系统安全以及新的生产要求。

图1-1 独立五防系统

图1-2 一体化五防子系统

本次设计利用了在线网络方式进行设计五防系统，将不再是单独运行的，密闭式的五防系统，而是通过网络的实时性和在线模式达到数据共享与网上实时操作的功能。在设计完成以后，理论上可以实现微机的实时模拟开票，可以解决那些由于操作人员的技术不过关而造成的严重问题。此次设计的系统所实现的功能可以完成在无人操作的情况下的倒闸操作和操作票打印，大大节约了人工成本，减少了操作人员的劳动强度，同时加深了变电站的自动化程度，使其能够跟上时代的发展与要求，不至于阻碍社会的发展与我国的经济建设和发展。

国内技术现状

随着电力事业不断发展，电力公司目前面临的实际问题主要是如何将高新技术应用在变电站以及发电厂上来减少成本的消耗。无论是技术开发还是加强安全管理，都迫切需要在变电站实施“无人操作”，实现自动化。由于不同变电站的电气配线和电气设备型号不同，新旧设备，室内外，真空开关和气体开关，以及车柜内的车载开关，设备种类很多。同时，操作人员对现场设备的熟悉程度低于传统的载人变电站，而且更容易发生误操作，虽然变电站要求相关人员一定要严格遵守安全操作规范，但仍不能避免和消除人为错误处理事故。因此，无人值守变电站的防误操作更为重要^[7]。

防误闭锁系统随着相关科技的发展与进步也在不断的发展与更新，机械闭锁是历史上最早出现的防误闭锁方式，随后相继经历了机械程序闭锁、电磁锁和电气连锁几个时期，而后才发展到今天广泛应用的微机防误闭锁系统。

1. 机械防误闭锁系统^[8]
2. 机械锁。广泛运用于防误闭锁系统的发展初期，主要运用于35kV及以下的开关柜和手车柜，如图1-3所示。该方法主要是通过开关柜各个操作部位之间的相互约束和联锁机械结构来实现连续动作的闭锁要求，因此，在这个操作过程中不需要钥匙这一类工具的辅助，就可以正确的按顺序操作。机械联锁具有强度高、不易破坏、检修的工作量小等优点。但是受限于发展初期的技术水平，无法实现与电气元件动作间的联系，即不能达到五防的全部要求。

图1-3 机械联锁示意图

1. 机械程序锁。机械程序锁是在对机械闭锁研究分析基础上开发的。如图1-4所示。与机械连锁方式相比，大大提高了系统的稳定性，但是这样一来也造成了装置的复杂程度很高，不利于操作人员的操作。

图1-4 机械程序锁示意图

1. 电气防误闭锁系统

目前电气防误闭锁系统已经发展的较为完善，可以运用于整个变电站的运行。但是这种系统需要铺设大量电缆，投资的成本巨大，仍然需要进一步的改进来适应时代的发展。

（1）电气回路闭锁。这种闭锁方式是将辅助电气节点引入到开关以及刀闸控制机构中，从而构成电气回路。再根据各个节点的状态来判断操作是否可以进行，若满足操作条件则接通电源，否则不接通。

（2）电磁回路闭锁。该方式与电气回路闭锁原理相同，区别在于这种方式使用的是电磁锁，通过判断条件是否满足来接通或者断开电磁锁的电源。电磁锁原理如图1-5所示。

图1-5 电磁锁原理电路

1. 微机防误闭锁系统^[9]

在以上防误技术的发展背景下，人们开发出了一种新型的名为微机防误闭锁系统的技术，如图1-6所示。发展初期的微机防误系统主要由模拟盘，计算机按键，开关控制器，密码锁，机械码锁等部分组成。模拟屏幕上安装了防误控制器，每个设备的防误操作逻辑都预先存储在控制器中。

图1-6 微机五防系统示意图

微机防误闭锁系统的优点^[10]：

（1）功能更强大。微电脑软件的引入使得实现传统防误锁定装置的防误操作锁定功能变得容易轻松，同时还根据技术的发展增加了许多功能;

（2）计算机密钥可以用于替换多个程序密钥，从而避免在复杂的接线方式下进行密钥转换，极大方便了操作人员的操作，缩短了操作时间;

（3）微电脑锁机械锁的结构简单，可以自由扩展控制锁的编码数量和芯片;

（4）锁定装置仅安装在操作对象上，避免了互锁物体互锁时需要铺设的大量电缆，

节省了人力和物力;

虽然与电气联锁相比，微机防误闭锁系统具有更多的优点，更加有利于变电站的运行，但受限于当时的技术水平，还是存在以下缺点：

（1）此系统与变电站的监控系统完全分离，无法实时监控操作人员的误操作，影响了安全性和可靠性。

（2）由于生成操作票的系统和防误闭锁系统的联系不够紧密，导致系统的自动化程度不高，不能够紧密联系实际。

（3）又由于自动化程度不高，当机械钥匙打开时不利于操纵人员对计算机进行按键上的操作，这在一定程度上增加了操作者的负担。

（4）没有办法防止无票务操作和维护人员的误操作。

（5）在切换操作期间，如果存在改变操作装置的防错结果的装置位移，则根据位移前的状态打开存储在计算机键中的操作票，并且如果操作是此时未暂停，该过程将导致误操作。

（6）当需要执行多个操作任务时，由于计算机密钥解锁方法的限制，多个任务无法同步。

国外技术现状

国外电力系统的发展在上个世纪已经成熟。许多国家使用监控后端软件和电气联锁来满足外国电力系统的逻辑联锁需求，以防止误操作和远程控制操作。

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