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.docx

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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

华北电力大学

工程硕士专业学位论文

题目：

基于监控五防一体化防误操作方案的研究与实现

英文题目：

ResearchandImplementationofDesignonAnti-errorOperatingforFive-preventionIntegratedSupervisionSystem

专业领域：

电气工程

华北电力大学

声明

本人郑重声明：

此处所提交的工程硕士专业学位论文《基于监控五防一体化防误操作方案的研究与实现》，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。

据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名：

日期：

关于学位论文使用授权的说明

本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：

①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；⑤同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。

（涉密的学位论文在解密后遵守此规定）

作者签名：

导师签名：

日期：

日期：

摘要

随着变电站综合自动化技术的发展，逐步形成了综合自动化监控和微机防误系统的融合，在以数据库一体化为核心的站控层平台上，形成了站控层、间隔层一体的防误操作模式。

本文通过对防误闭锁理论的研究以及对运行中的监控五防一体化体系的分析，提出在线智能程控防误闭锁方案，该方案将站控层一体系统和间隔层逻辑系统结合起来，使测控装置在接收正常的遥控命令的同时还能够接收后台监控五防模块按照操作序列发送的闭锁令和解锁令，使每步操作都经过了五防逻辑判断和操作票顺序闭锁判断。

同时完善网门位置和临时接地刀闸位置的采集与控制，实现了在正常的操作过程中，监控五防一体化系统提供全程的、实时在线的五防逻辑闭锁和操作票顺序闭锁。

关键词：

变电站综合自动化,监控,五防,一体化,智能程控闭锁

ABSTRACT

Withthedevelopmentofsubstationautomaticsystem,itbecomesafusionsystemofcomprehensiveautomaticsupervisionandcomputerizedfoolproof.Basedoncontrollayerofdatabaseintegration,itisananti-erroroperatingsystemofintegratedcontrollayerandspacerlayer.Thisthesisputsforwardthedesignontheintelligentsystemforprogramcontrolofanti-erroroperatingsystemthroughthestudyonthetheoryofanti-misoperationlockingsystemandtheanalysisoffive-preventionintegratedsupervisionSystem.Combiningcontrollayerintegratedsystemwithspacerlayerlogicsystem,itrealizesthatthemonitordevicecanreceivetheorderofremotecontrolandtheorderoflockandunlocksendingbymonitormoduleoffive-preventionsysteminoperatingsequencesatthesametime,andeachoperationisapprovedbyfive-preventionsystemandoperationlock.Inaddition,thedesignimprovesthecollectionandcontrolofnetlocationandtemporarygrounddisconnectorlocationandinnormalsituationfive-preventionintegratedsupervisionsystemprovidesfive-preventionlogiclockandoperationsystemlockforrealtime.

YanZhigang（ElectricalEngineering）

Directedbyprof.DongLei

KEYWORDS:

substationcomprehensiveautomaticsystem,supervision,five-prevention,integrated,intelligentLockingSystem

中文摘要

英文摘要

第一章绪论

1.1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2003-2005年防止电气误操作工作调研报告》中可以看出，2003-2005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43.15万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64.9%[1]。

在这77次误操作事故中，运行责任48次，占62.3%，是主要责任，此外检修责任11次，占14.3%，继保责任11次，占14.3%，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，2003年-2005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2008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5.5%，机构联锁装置11573套，占20.6%，电磁锁2793套，占5.0%，机械程序锁16105套，占28.6%，微机闭锁装置22005套，占39.1%，其它闭锁装置697套，占1.2%。

其中微机闭锁装置套数最多，所占比例最大[1]。

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。

②CRT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。

1.2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1-1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1-2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1-1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

图1-2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1-3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1-3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。

1.3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。

第二章防误操作闭锁及监控系统理论

2.1五防的概念

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2000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2.5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]。

2.2微机五防系统理论

2.2.1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。

2.2.2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。

2.2.2.1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（简称一次接线图）及所有开关、刀闸、网门等设备的正确操作方式保存在防误主机中，当运行人员受票并在防误接线图上进行模拟操作时，系统会根据当前实时的运行状态检验其模拟操作步骤是否符合五防规则。

若操作违背了五防规则，系统将推出对话框，提示正确的操作步骤及有关的操作元件名称和编号。

若符合五防规则，系统将确认你当时的操作步骤，并自动将该步骤登记在当前的操作票上。

整个操作预演过程基于引入的五防操作规则和全站所有设备的实时状态，系统能有效地防止操作票中各种误操作项的出现，保证了操作票的正确性。

2.2.2.2实际操作

现场实际操作有三类：

上位机遥控操作、电脑钥匙就地操作和提示性操作。

遥控操作：

是指需要监控机操作的操作项。

就地操作：

需要运行人员运用电脑钥匙到现场按操作票项的顺序打开操作机构上的编码锁，才能进行的操作。

提示性操作：

不需要运用电脑钥匙进行解锁操作的一些二次项操作（如拉／合保险、确认刀闸在合／分位置、确认已操作等）。

操作预演后，防误主机将己检验通过的操作票传送给电脑钥匙，现场实际操作被严格强制按照预演后生成的操作票顺序进行。

现场操作时需要用电脑钥匙去打开编码锁和确认提示性操作，只有当编码锁与电脑钥匙中存放的操作票所对应的锁号及锁类型完全一致时，才能开锁，并进行解锁操作。

此项操作完毕后，电脑钥匙才能开启下一步操作项所对应的编码锁。

这样就将操作票与硬件操作一一对应起来，杜绝了误操作事故的发生，保证操作的正确性。

操作人员根据电脑钥匙的提示进行实际操作，当操作到应该上位机遥控操作或整个操作完毕时，须将电脑钥匙和防误主机通讯，防误主机根据电脑钥匙上送的操作步数和已操作过的设备状态，更新已操作设备状态至当前实际状态。

同时判断操作票是否已执行到应该上位机遥控操作，若是，则防误主机向监控主机发送操作票中对应设备的解锁命令。

遥控操作完毕，且实时遥信状态返回后，才可进行下一步操作。

在遥控操作之后还需电脑钥匙进行现场开锁操作时，防误主机将当前操作步骤传给电脑钥匙，提示下一步操作内容，如此反复进行下一步操作，直到整个操作结束。

由此看出，整个实际操作过程均在防误主机、电脑钥匙和编码锁的严格闭锁下，强制操作人员按照经过站内现行规则检验合格的操作票步骤进行（包括遥控开关），从而能够达到软、硬件全方位的防误闭锁操作。

2.2.3微机五防闭锁实现方法

变电站需要强制闭锁的一次设备主要有断路器、电动刀闸、隔离刀闸、接地刀闸（临时接地线）、网门等，其中断路器、电动刀闸一般采用电编码锁方式闭锁。

隔离刀闸、接地刀闸（临时接地线）、网门采用机械挂锁与附件配合的方式闭锁。

线路侧验电采用加装验电器方式闭锁。

2.2.3.1断路器闭锁实现方法

变电站中的断路器有两种操作方式，当地变电站的遥控操作（不包含调度远方遥控操作）和就地操作。

微机五防系统对这两种操作方式采用不同的闭锁方式实现闭锁。

1.对遥控操作的闭锁

微机防误系统针对遥控操作正常采用的方式是通过和监控系统通讯，相互配合，完成防止误拉、合断路器。

其实现过程是：

正常运行环境下，站内所有遥控设备是处于五防闭锁状态的。

若当前操作步骤为可遥控操作的设备，则五防机向监控服务端发送遥控解锁命令，请求监控机进行遥控操作。

监控系统收到遥控请求后，解除相应设备的遥控闭锁，可对该设备（而且只能对该设备）进行遥控操作，当遥控完成后，由监控系统告知防误系统遥信变位，防误系统收到遥信变位即认为当前遥控操作已完成，可进行下一步操作，同时监控系统要封锁对该设备的再次遥控操作；如此循环直至所有操作完成。

软件闭锁方式在断路器的操作回路和控制回路中不增加其他任何辅助节点。

2.对就地操作的闭锁

电编码锁用于现场就地操作的断路器、电动隔离开关、电动接地刀闸的闭锁。

电编码锁在电气原理上相当于一个常开接点，通常被串入到相应的电气操作回路中。

闭锁原理如图2-1所示，图中DS是电编码锁。

由于原有的操作回路被切断，就地操作前必须先通过电脑钥匙解锁。

先将电脑钥匙插入电编码锁中，如操作设备的编号和电脑钥匙显示的编号一致，电脑钥匙内部接通操作回路，闭锁解除允许操作，合、分操作后，电脑钥匙检测到操作电流流过，即认为操作结束，可以进行下一项操作。

DS电编码锁要安装在保护屏或开关柜的就地操作按钮的附近，以方便操作为原则，同时该常开节点的接入不能影响遥控操作回路。

图2-1电编码锁闭锁回路图

2.2.3.2电动刀闸闭锁实现方法

电动刀闸有多个地方可以操作：

刀闸机构箱、端子箱（将一个间隔的多把电动刀闸的操作按钮集中在一起）、远方遥控操作。

针对不同的操作有不同的闭锁方式。

1.刀闸机构箱

在机构箱中，有两种操作方法：

一是电动操作按钮，二是手摇操作，这两种操作方法都可以操作刀闸。

闭锁方式如下：

在电