基于无线通信网络的五防闭锁系统的研发及使用

摘要：目前变电站防误领域，多采用离线防误模式（离线模式：电脑钥匙与五防主机离线，即电脑钥匙不能实时汇报操作结果，必须回到主控室才能回传），离线模式在应用过程中也发现了诸多弊端，有必要将其升级为在线模式。无线网络对变电站站区的全覆盖可以使得防误系统从离线模式进入在线防误（在线模式：电脑在现场操作时，即可实时向五防主机发送在线防误请求，并汇报操作结果），使得防误装置和操作票进行步骤时刻得到值班负责人的监视掌控，减少人为原因造成的跳项、漏项发生，为运行提供更安全的保障，为无人值守变电站的倒闸操作提供技术支持。

此外，针对“遥控”、“就地”相结合的倒闸操作，利用无线网络实时传输命令，避免人员在防误主机与操作现场来回传递五防钥匙，提升操作效率。

0   引言

变电站防误闭锁装置时保证不发生电气误操作的重要技术保证措施，目前包头供电局所辖500 kV变电站的防误闭锁系统中，防误主机与五防钥匙之间的关系为“离线”模式，即防误主机必须通过钥匙管理机向五防钥匙发送任务，当遇有遥控、就地相结合的操作时，由于需要将五防钥匙在钥匙管理机与就地操作处来回传递，大大影响了操作效率。

基于无线传输技术的防误闭锁装置借助变电站无线覆盖，实现防误主机与五防钥匙的“无线”连接，即不论五防钥匙在变电站的任何角落，防误主机均可向其发送指令，实现命令无线传输，保证操作不发生漏项、跳项等情况，同时提升操作效率。

1   项目研究背景及目的

1.1研究背景

目前国内的微机防误闭锁系统大多采用的是“离线”工作模式，即操作过程中五防锁与微机系统没有通讯联系，五防开锁钥匙只能顺序执行预存的操作内容，但是当操作设备没有达到指定状态或电气设备的状态临时有变时，运行人员继续操作将会有很大的安全隐患。为了保障工作人员和电力设备的安全，同时提高电网的管理效果，需要对就地操作全程监控、进行全方位的指导和监护。这同时也是电网防误操作发展的方向。

1.2项目目的

在线防误系统是基于无线通信网络的五防闭锁系统，它根据变电站现场实际条件，充分利用已搭建的无线网络，是倒闸操作、操作过程监控、传输、储存、处理等功能的一种全新的实时在线式防误系统。

本系统全面实施后，可与解锁操作机构（开锁器）、移动终端构成一个灵活、多元、一体化的有机整体，可对倒闸操作过程进行实时监控。同时很好地解决了传统离线防误应用模式的不足和效率问题，可降低劳动强度、提高工作效率。使操作管理更加安全化、智能化、高效化，同时也规范了现场操作管理。有效缓解变电站分散、检修力量不足等问题，并实现远距离的倒闸操作过程监控、检修维护与管理，减少生产成本。

系统依托于多项高新技术，如移动应用技术、电子射频技术、计算机实时通讯技术，有效的管理了现场倒闸操作的规范化。

效益分析：运用本系统后，可使运检职责更清晰、层次更分明、分工更具体，对运行、检修人员要求少。相对传统的变电防误系统，节约了人力、物力、财力等多方面的成本。有效的减少了事故的发生，保证了电网的安全、稳定运行。同时系统也为后续扩展预留接口，避免系统重复建设问题。

2   项目实施标准

DB/T16436.1－1996《远动设备及系统接口》

DL/T 364-2010    《光纤通道传输保护信息通用技术条件》

GB 9159-2008     《无线电发射设备的安全要求》

DL/T5003－2005   《电力系统调度自动化设计技术规程 》

Q/GDW  1202-2015 《国家电网公司应急指挥中心建设规范》

DL/T5002-2005    《地区电网调度自动化设计技术规程》

GB/T13729-1992   《远动终端通用技术条件》

IEEE802.3        《以太网通讯标准》

GB 50174-2008    《电子信息系统机房设计规范》

GB 50462-2008    《电子信息系统机房施工及验收规范》

GB50348-2004     《安全防范工程技术规范》

YD 1392-2005     《无线应用协议(WAP) 网关设备技术要求》

EIA/TIATSB67     《无屏蔽双绞线系统现场测试传输性能规范》

GB6766——2000   《DL/T687-1999微机型防止电气误操作装置通

3   项目建设目标

1)依托500 kV高新变电站内的无线网络，实现无线通信网络的覆盖，并通过无线网络实现移动终端与五防主机的数据交互；

2)在包头供电局下属的高新变搭建一套在线五防闭锁系统，实现在线防误倒闸操作、过程监控、任务监控、危险点管理等多种功能；

3)形成相关技术规范及技术标准。

4   研发方案

4.1系统软件框架与硬件配置

4.1.1系统工作原理

在系统软件中，预先编写变电站的电气一次系统接线图和所有设备的操作规则，并将其固化在防误主机中。操作人员通过身份验证登录防误系统，然后在防误图形软件中进行模拟操作。防误图形软件对每项操作进行五防逻辑判断，能动态显示图形一次接线图形及设备状态，最后生成包含二次项目的完整操作票。模拟试操作结束后，通过无线网络将操作票传送到移动终端、解锁操作机构（开锁器）开锁器。然后操作人员携带移动终端、开锁器至现场进行开锁及倒闸操作。

4.1.2系统通讯模式框图

图1 系统通讯模式图

4.1.3 系统软件架构设计

采用基于C/S（客户/服务器）与B/S（浏览器/服务器）软件架构设计，数据服务器作为sever（服务器端）来统一管理受控站的数据，保证有效的审核及监察；受控站的CS客户端通过与服务器相连接，可实现数据的交互。移动终端可通过WebService进行调用服务端的数据库中的数据，实现移动终端与服务端的数据交互。

4.1.4 系统硬件配置方案

1）防误主机

防误主机包含支持移动终端操作的防误图形软件，使防误主机与移动终端之间可采用无线通讯方式，实现与移动终端的无线通讯以及操作的实时判断与操作校验。

2）移动终端

移动终端可接收防误主机传送的操作票，操作时，移动终端实时监控操作票，可根据现场情况，设置暂停操作，也可根据情况取消暂停操作，继续执行操作票，并向防误主机反馈任务执行情况。

3）解锁操作机构

解锁操作机构（开锁器）由操作员持有，可以通过无线方式接收防误主机的操作票，开始操作时，发送当前操作步骤信息至防误主机，防误主机实时判断当前设备是否允许操作，若不符合防误操作逻辑，则提示用户不允许操作信息，也可接收移动终端发送过来的监控命令，根据监控命令情况，可暂停操作票，也可继续执行操作票。在解锁时，识别解锁五防锁具并反馈操作信息。

4）无线网络

实现防误主机与移动终端、开锁器的无线通讯，达到无线传输操作票、操作步骤实时判断、操作任务校验的效果。

5   系统功能特点

1）实时逻辑判断：开锁器每操作一步，防误主机根据操作逻辑实时判断当前设备是否允许操作，若允许操作则向开锁器发送操作许可，允许进行倒闸操作，否则给予用户提示。操作完成后，开锁器会将设备状态信息实时汇报至防误主机，防误主机接收设备状态汇报后更新一次接线图形，从而达到图形与现场状态的统一。

2）操作过程实时跟踪：在操作过程中，移动终端在无线网络覆盖范围内，可以实时在线接收防误主机下发的操作票。在防误主机上显示每一步的操作任务执行情况，值班长可以方便地实时监控现场的操作情况。

3）操作效率提升：针对遥控、就地结合的倒闸操作，规避了人工传递钥匙的过程，借助无线网络防误主机直接发送命令至开锁器，即将遥控操作模式改为就地操作模式，若在一个操作任务中，有多次遥控、就地操作结合，可大幅提升操作效率。

6   研发内容及步骤

1）具体的理论研究步骤，现场试验的地点和试验计划

本项目理论研究重点突破以下四个问题。

第一，在线防误系统软件需要深化开发和完善，优化平台软件的结构。其中，客户端软件的研发也是本项目的重点和难点之一，客户端软件安装在PC机上，通过网络与远端数据服务器相连，实现用户管理、图形管理、防误管理、实时监控、实时防误判断、任务监控、用户权限管理等功能。

第二，研制开锁器是本项目的首要重点任务，尤其是无线传输模块的研制，是开锁器研发的重中之重。通过开锁器的无线连接模块，可与移动终端进行通讯，也可通过无线网络直接与防误主机进行通讯。开锁器与防误系统的无线通信，实现开锁器操作步骤的实时传输与信息同步，操作终端每操作一步，设备信息实时回传至防误系统，使得运行人员能够实时掌握现场操作进程。

第三，在线防误系统通信网络。在变电站现有通信网络的基础上，对变电站的网络通信接口进行转换和调试，使其满足本系统的通信网络要求，保证系统通信部分的完整性和独特性。

2）本项目的研究分四个步骤。

步骤一：开发防误系统软件和移动终端软件。使其更好、更快的呈现在客户端软件和移动终端软件上。

步骤二：研发开锁器，使其在现有网络条件下，发挥其最大性能与信号强度最佳，借用移动终端将开锁的信息通过无线网络传输至防误系统软件。

步骤三：测试移动终端与开锁器、移动终端与防误系统软件，在变电站和供电局整个通信网络的畅通性，保证倒闸操作时数据准确、安全、快速的互传。

步骤四：进行系统的试运行。

3）系统开发路线

项目管理：本项目将严格按照软件工程原则要求，按照项目计划、需求分析、概念设计、逻辑设计、物理设计、编码、实现与维护等过程开展工作，对每个过程均需要进行评审。

技术路线：按照系统可行性进行各子系统的划分，本项目可划分为：防误管理子系统、移动管理子系统、开锁管理。

防误管理子系统：采用QT + Redis进行开发；

移动管理子系统：采用Eclipse + Sqlite进行开发；

开锁管理：硬件、结构、嵌入式软件各专业相互配合与协同；

移动管理子系统与防误管理子系统主要通过Web Service进行数据交互；

遵循先攻克各子系统技术难点,有必要时可进行技术预研，接着再进行接口的设计，最后才是模块内部的实现。

7   主要设备技术指标

开锁器设备

◆   网络标准:IEEE 802.11 a/b/g/n

◆   工作频段:2.4 GHz,5.0 GHz

◆   发射功率:<18 dBm

◆   接收灵敏度:-97 dBm

◆   速率:<6 Mbps

◆   静电放电抗干扰试验：IEC61000-4-2(GB/T17626.2)

◆   雷击浪涌抗干扰度试验：IEC61000-4-5(GB/T17626.5)

◆   电快速瞬变脉冲群的抗干扰度试验：IEC61000-4-4(GB/T17626.4)

◆   电压跌落、短时中断和电压渐变的抗干扰度试验：IEC61000-4-11(GB/T17626.11)

◆   工频磁场抗干扰度试验：IEC61000-4-8(GB/T17626.8)

◆   低温试验：GB2423.1

◆   高温试验：GB2423.2

◆   交变湿热试验：GB2423.4

◆   抗环境红外线强度：波长850～980n时≥0.8 mW/cm2

◆   防雨、放尘等级达到GB 4208-84规定的IP54等级要求

◆   接收一次设备操作步骤：≤1 024项

◆   环境温度：-25～+60 ℃

◆   环境相对湿度：日平均≤95%，月平均≤90%

◆   电源：3.7 V聚合物理离子电池，标配 1 700 mAh

◆   开机启动电流：(165±20) mA

◆   待机电流：(100±20) mA

◆   最大识别锁码数：≤65 536

◆   允许通过的操作回路电流：2 mA～5 A

◆   抗静电强度：≥1 500 V

◆   抗射频干扰强度：≤50 dB（μV/m）

◆   抗电源端子传输干扰强度：≤70 dB（μV）

◆   抗冲击强度：≥6g

◆   操作回路额定电压：≤220 Ｖ 交、直流　

8   项目总结

本系统综合通信技术、网络数据融合技术和软交换技术，通过整合原有无线通信网络资源，建立了一套实时在线的五防闭锁平台，能够实现操作票的下载、操作票的回传、实时监控、过程防误、操作控制等功能，确保正确操作，减少误操作，提高劳动生产率，用现有人力资源满足电网大发展及变电站翻番剧增的变电运行管理要求。

参考文献：

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作者简介：董永永(1970—)，男，高级工程师，现供职于包头供电局500 kV变电管理处，从事变电运行工作。

（本文来源于《电子产品世界》杂志社2020年12月期）