CN111917179A - 基于多模物联网的变电站实时在线防误操作系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于多模物联网的变电站实时在线防误操作系统，包括监控主机、五防机、集中器以及终端采集器；所述五防机与所述监控主机通信连接，五防机连接有紧急解锁装置；每一所述五防机通过通信连接有至少一个集中器，每个集中器通过通信连接有若干终端采集器，每个终端采集器分别连接有若干防误智能终端。本发明的锁具操作的安全性得到全面的保障，操作效率得到大幅提升，相比机械程序锁，锁具操作的整体可靠性大幅提升，运行检修人员工作强度和劳动时间大为降低；相比微机防误，可从源头上减少“使用万能钥匙解锁操作，经常发生恶性误操作事故”的问题；实现了智慧化的操作管理，有效地降低了系统造价，避免重复投资，提高投入产出比。

Description

基于多模物联网的变电站实时在线防误操作系统
技术领域
本发明涉及智能电网变电站防止电气误操作系统的技术领域，尤其涉及基于 多模物联网的变电站实时在线防误操作系统。
背景技术
电力行业为防止电气误操作而造成的人身、设备、电网等事故的发生,采用 技术措施对高压设备和场所设置强制性闭锁。强制性闭锁主要用于防止电气误操 作事故，通常采用专门的防止电气误操作系统或装置实现，闭锁对象是断路器、 隔离开关、接地刀闸的就地操作部件和临时接地点、带电场所网门等,在控制回 路设置闭锁接点，并在对应高压设备操作附属操作装置上安装锁具，在锁具解除 后，对应高压设备操作到相应位置后，才能进行下一步操作。
关于强制性闭锁要求，自从有了高压输电和变电技术以来，就有了防止电气 误操作装置，从技术角度，防止因人为错误操作，造成人身、电网、设备等事故 发生。随着各类技术发展进步，防止电气误操作装置及系统先后经历机械类，微 机类，监控类等三个主要类型。1894年法国人首先发明了机械程序联锁；二十 世纪八十年代，中国人发明了微机防误装置；本世纪初，中国人又研制发明了监 控防误系统。一百多年来，经过了几代技术的发展变迁，防止电气误操作系统已 成为电力设备强制闭锁的主要技术装备和安全技术措施，在我国及世界电力行业 得到广泛应用，为防止电气误操作事故起到了重要作用，有效保障电力行业运行 及检修人员的人身安全，保障电网安全运行，保护电力设备安全使用，为全社会 安全高效使用电能，提供重要技术安全支撑。
由于各类技术的发展日新月异，现有的机械程序锁及机械联锁、微机型防止 电气误操作系统、监控防误系统等，不能完全满足和实现智能电网及智能变电站 的发展需要。各类形式防误装置系统，存在一定程度的不足(或缺陷)。由于这 个原因，每年仍发生一系列因误操作导致的重大事故，造成人员伤亡和设备损毁。
机械程序锁采用一个间隔一把钥匙或一把锁具一把钥匙，不能适应变电站自 动化系统发展需要，主要存在以下问题：1、安装较复杂，调试困难，维护工作 量大；2、操作非常繁琐；3、锁具易锈蚀，产生卡塞，程序锁程序容易出错；4、 智能程度低，无法和现代化变电站监控配套及交互。
微机型防止电气误操作系统基于离线式锁具管理及开锁技术设计，通常由防 误主机、电脑钥匙和编码锁具三部分组成。通过对“微机型防止电气误操作系统” 构成和主要部件功能的分析可以看出，该类系统的技术的不足(或缺陷)主要有 三个方面：
(1)、系统中的主要部件防误主机与编码锁具间没有直接的信息交互通道， 不能实现信息互传；与电脑钥匙间虽然可以间断式通讯，但不能保证实时在线(实 现实时信息互传)，所以各部件间很容易出现信息交互脱节和操作实时性无法得 到保障的问题；这就导致在设备的倒闸操作过程中容易出现“走空程序”的问题； 因此，存在发生恶性误操作事故的风险；空程序在防误程序执行中，编码锁开锁 后，编码锁控制的对象未从原有位置变位到规定位置，可执行下一步操作程序；
(2)、系统的工作流程为串联式结构(系统整体的可靠性为各部件个体可靠 性的乘积)，在工作过程中，一旦一个部件出现问题，系统的工作流程将被迫中 断，这就要求各部件要有尽可能高的个体可靠性；
(3)在系统的各部件中，电脑钥匙是最关键的一个，它既是系统锁具操作 的主要工具，也是系统信息沟通的桥梁；也正是因为这样，系统赋予其众多的功 能，导致其结构过于复杂；另外，工作条件(既要操作机械锁、又要操作电气锁) 和环境又极为严苛，电脑钥匙还要承受操作过程中产生的过电压，所以在锁具操 作过程中经常出现电脑钥匙机械损坏的现象；一旦损坏，倒闸操作就要通过解锁 钥匙操作来完成，在这个过程中，很容易发生恶性误操作事故；
监控防误系统是在变电站监控系统中实现变电站防误功能，监控防误系统需 要结合变电站基建和技改实施比较方便，单独实施变电站防误改造工作量较大。 防误闭锁逻辑和监控逻辑在同一系统中，容易引起混乱，防误闭锁逻辑效验比较 困难，目前没有很好的解决方案。机械连锁和电气闭锁只能解决变电站部分设备 的闭锁，如主刀闸和接地刀闸之间的机械闭锁，开关和刀闸之间的电气闭锁等， 无法实现变电站全站的五防闭锁要求。
发明内容
发明目的：为克服现有技术中机械程序锁、微机防误、监控防误等的不足， 本发明提供了基于多模物联网变电站实现实时在线防止电气误操作系统，该系统 的安全可靠性高，有力保障变电站运行检修操作的正常进行，安全高效，减少不 必要的辅助设施投资。
技术方案：
基于多模物联网的变电站实时在线防误操作系统，包括监控主机、五防机、 集中器以及终端采集器；所述五防机与所述监控主机通信连接，五防机连接有紧 急解锁装置；每一所述五防机通过通信连接有至少一个集中器，每个集中器通过 通信连接有若干终端采集器，每个终端采集器分别连接有若干防误智能终端；
集中器包括信息收集模块及信息中转模块，信息收集模块与终端采集器的信 息传输模块通信连接，并接收各个终端采集器采集的监测信息；信息中转模块与 终端采集器的信息传输模块通信连接，将信息收集模块收集的各终端采集器采集 的监测信息发送至五防主机中进行防误逻辑判断，并接收五防机发送的输出控制 信息，并将其发送至终端采集器的信息传输模块；
终端采集器包括开关量输入单元、开关量输出单元、信息传输模块以及为其 供电的电源模块，每个终端采集器的开关量输入单元和开关量输出单元均与防误 智能终端、高压带电显示闭锁装置或可遥控空气开关连接，分别进行开关量实时 监测和输出控制；信息传输模块分别与终端采集器的开关量输入单元和开关量输 出单元连接，并将开关量输入单元的开关量实时监测信息发送至集中器，同时接 收集中器发送的输出控制信息并发送至防误智能终端或可遥控空气开关。
所述五防机与监控主机采用IEC61850规约通信连接，所述集中器与所述五 防机采用以太网通信连接，所述终端采集器采用HPLC通信网络、4G或5G移动 通通讯网络或无线专用通讯网络与集中器连接，所述终端采集器采用载波通信或 无线专用通讯网络与防误智能终端连接；其中，无线专用通讯网络采用NB-IoT- G 230MHz解决方案或LoRa-WAN无线局域网方案。
所述防误智能终端为电动开关设备监控装置、手动刀闸智能锁具、接地智能 锁具或网门智能锁具。
所述防误智能终端包括锁具及其闭锁机构、控制模块、紧急解锁模块、物联 网通讯模块以及为其供电的电源模块；所述闭锁机构与终端采集器的开关量输入 单元通信连接，所述控制模块与所述终端采集器的开关量输出单元通信连接，接 收其发送的输出控制信息，并据此控制所述闭锁机构开闭，同时将所述闭锁机构 相应的闭锁状态和设备状态信息通过开关量输入单元反馈给终端采集器。
所述高压带电显示闭锁装置具备物联网通讯模块，所述物联网通讯模块采用 载波通信与所述终端采集器相连接；所述高压带电显示闭锁装置将其监测到的高 压设备是否带电的信息通过所述物联网通讯模块发送给所述终端采集器。
有益效果：
1、锁具操作的安全性得到全面的保障，操作效率得到大幅提升：
在日常检修、巡视及倒闸操作过程中，通过物联网操作锁具成为锁具操作的 首选方式。安全性方面：实现了锁具操作过程中监控管理工作站、闭锁锁具与监 控系统的高效协同与配合：监控管理工作站负责锁具操作的正确性判断，为主控； 监控系统负责监测电控操作设备的实时状态；防误闭锁锁具负责提供离线设备 (临时地线、网门)的实时状态，这样就达到了“倒闸操作全过程实时监控、防 误逻辑实时判断、设备状态实时对位”的效果，进而提供了一种实时化的、全面 的锁具操作解决方案，使锁具操作的安全性得到全面的保障。
操作效率方面：智能锁具操作流程大大简化，典型的操作流程是：模拟预演 --下发任务--启动锁具—锁具解锁，在锁具操作过程中，不需要携带智能和防误 电脑钥匙；不需要进行设备状态的人工提取和确认操作；不需要进行任何人工汇 报工作。这样，使倒闸操作的效率得到大幅提升。
2、相比机械程序锁：锁具操作的整体可靠性大幅提升，运行检修人员工作 强度和劳动时间大为降低。
3、相比微机防误：由于多种操作方式并存，这样可尽量避开传统系统存在 的“电脑钥匙损坏概率高”的问题，而从源头上减少“使用万能钥匙解锁操作， 经常发生恶性误操作事故”的问题。内置在锁具中或设置在设备上的各类检测传 感器可根据需要检测智能锁具状态(如：锁开/闭、电池电量、信号强度、报警 及故障信息等)和高压设备状态(如：设备分/合、带电、门开/闭、内部温湿度、 振动/倾斜、内部气体含量等)。这些状态信息为实现高效的智能化管理奠定了基 础。
4、实现了智慧化的操作管理：可实现倒闸操作全过程实时监控、防误逻辑 智能化判断、设备状态实时对位、接地线状态实时监测、设备异常报警、不正确 行为记录与报警和操作信息自动存储、自动分析等智能化管理功能。使锁具操作 实现了智慧化。
5、本发明的防误系统独立运行，对其他设备的运行无影响，在其它电气设 备或系统故障时，仍可完成防误闭锁功能。间隔层智能防误装置不但可以实现间 隔层的防误，把测控装置之间的相互通信实现的闭锁，转化为由智能防误装置来 实现，减轻了系统的复杂程度和不同厂家测控互连的难度，以及逻辑变化后或增 加间隔层后维护的难度，还可以实现一键顺控的防误闭锁功能。不仅可以实现高 压带电显示闭锁装置、可遥控空气开关、智能解锁钥匙管理装置等无缝融入到全 站的防误系统中，而且还可以方便的接入集控防误系统，有效地降低了系统造价， 避免重复投资，提高投入产出比。
附图说明
图1为本发明的多模物联网变电站实时在线防误系统总体架构图。
图2为本发明的多模物联网在线防误系统的原理图。
图3为本发明的多模物联网变电站实时在线防误系统的工作流程图。
图4为本发明的多模物联网变电站实时在线防误系统的防误操作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
图1为本发明的多模物联网在线式防误系统总体架构图，并完整融入基于应 用层、平台层、网络层、感知层的电力物联网的系统架构中。如图1所示，本发 明的双模物联网变电站实时在线防误系统包括依次连接的监控主机、五防机及至 少一个集中器，每个集中器分别连接有若干终端采集器，每个终端采集器分别连 接有若干防误智能终端、高压带电显示闭锁装置或可遥控空气开关；
其中，五防机安装在监控设备室内，与监控主机采用有线专用通讯网络(IEC61850规约)通信连接，监控主机用于变电站模拟预演、实时防误逻辑判 别、在线防误操作、远程操作监控、一键顺控以及信息交互；五防机通过通信适 配器与紧急解锁装置连接，其中通信适配器采用wifi或私有协议规约等通信方 式；集中器安装在控制设备室内，与五防机采用有线专用通讯网络通信连接，在 本发明中，集中器与五防机之间采用以太网通信连接；集中器包括信息收集模块 以及与信息收集模块通信连接的信息中转模块，信息收集模块与终端采集器的信 息传输模块通信连接，并接收各个终端采集器采集的监测信息；信息中转模块与 终端采集器的信息传输模块通信连接，通过有线专用网络传输将信息收集模块收 集的各终端采集器采集的监测信息发送至五防主机中进行防误逻辑判断，并接收 五防机发送的输出控制信息，并将其发送至终端采集器的信息传输模块；终端采 集器安装在设备现场间隔室，通过有线专用通讯网络、4G或5G移动通通讯网络 或无线专用通讯网络与集中器连接，其中，有线专用通讯网络通常就是电力系统 内部网络，在此处为HPLC(高速电力线载波)通信网络；无线专用通讯网络有： 华为的NB-IoT-G 230MHz解决方案(将5G技术4G化,SingleRAN技术行业化方 案)和使用较普遍的LoRa-WAN无线局域网方案；终端采集器包括开关量输入单 元(DI)、开关量输出单元(DO)、信息传输模块及为其供电的电源模块，每个终 端采集器的开关量输入单元(DI)和开关量输出单元(DO)均通过有线专用通讯 网络(载波通信)与防误智能终端或可遥控空气开关连接，分别进行开关量实时 监测和输出控制；信息传输模块分别与终端采集器的开关量输入单元和开关量输 出单元连接，并将开关量输入单元的开光量实时监测信息发送至集中器，同时接 收集中器发送的输出控制信息并发送至防误智能终端；终端采集器通过开关量输 入单元采集防误智能终端或可遥控空气开关的开关信息、位置信息、是否带电信 息以及用于防误逻辑判别的其他设备信息。并且，通过物联网的方式，监控主机 下发经过防误逻辑判别的操作程序，并在线监测高压开关设备、防误智能终端、 可遥控空气开关等的工作状态。
防误智能终端安装在设备现场间隔室设备处，是机电一体的智能锁具，包括 锁具及其闭锁机构、控制模块、紧急解锁模块、定位模块、物联网通讯模块、电 源模块以及充电电池；其中，电源模块与充电电池连接，并为充电电池进行充电； 闭锁机构、控制模块、物联网通讯模块及紧急解锁模块均与电源模块和充电电池 连接，可以通过电源模块供电或通过充电电池供电；闭锁机构分别与终端采集器 的开关量输入单元与控制模块连接，开关量输入单元获取闭锁机构的开关量信息； 定位模块用于定位防误智能终端的位置信息，控制模块与终端采集器的开关量输 出单元通信连接，接收其发送的输出控制信息，并据此控制闭锁机构开闭，同时 将闭锁机构相应的闭锁状态、位置信息和高压设备状态等信息通过开关量输入单 元反馈给终端采集器。其中，物联网通讯模块采用载波及无线通信两种通信模式。
在本发明中，防误智能终端为电动开关设备监控装置(断路器和刀闸)、手 动刀闸智能锁具、接地智能锁具、网门智能锁具等。
高压带电显示闭锁装置具备物联网通讯模块，并通过物联网通讯模块与终端 采集器相连接，采用载波通信方式。高压带电显示闭锁装置将监测到高压设备是 否带电的信息，通过物联网通讯模块发送给终端采集器，用于防误逻辑判别。
五防机与监控主机之间采用的均为IEC61850规范；由于智能化变电站各设 备及系统之间数据交互采用统一的IEC61850标准，为防误闭锁装置和自动化装 置互联与互操作性提供了技术依据，两者之间的数据交互困难的问题已经不复存 在，可以在误闭锁装置独立的基础上实现信息统一和共享。实现方式：五防主机 从监控系统获得全站SCD文件，通过MMS服务直接从集中器或监控主机获取五防 逻辑需要的实遥性、遥测数据；五防主机通过MMS服务为监控系统提供网门、地 线等手动设备的位置信息。
本发明中，受控站接受到操作任务后，首先在受控站的监控主机上调用指令 票，指令票经系统分析后，发送给受控站的五防主机进行逻辑验证。验证结果返 回到监控主机进行人工确认，确认通过后，由监控主机自动实现控制操作。过程： 监控主机把要操作的设备向五防主机发送解锁请求，五防主机接收到解锁请求后， 进行实时防误闭锁逻辑验证，通过后，对防误智能终端下达解锁操作命令，防误 智能终端解锁成功后，五防主机向监控主机发送允许操作指令，监控主机接收到 指令后向集中器下达遥控执行命令。遥控操作完成后，五防主机主动对防误智能 终端下达闭锁操作命令，恢复闭锁。如此自动顺序进行，直到操作结束。如果操 作过程出现事故或异常，系统自动停止，由运行人员干预处理。
监控中心接受到操作任务后，首先在调度中心的监控主机上调用指令票，此 指令票发送到受控站的远动装置，由受控站的远动装置进行操作步骤分解。然后 发送给受控站的五防主机进行防误逻辑验证，验证通过后受控站的远动装置把操 作步骤上送到调度中心监控主机进行人工确认。确认通过后，由受控站的远动装 置自动实现控制操作。过程同受控站，两者不同在于监控系统的执行对象发生了 变化，由受控站的监控主机变成了远动装置。
本发明通过采集高压电气设备位置信息，设备是否带电信息，场所是否带电 信息，以及用于防误逻辑判别的其他设备信息；同时，通过多模通信方式，下发 经过防误逻辑判别的操作程序，执行倒闸操作，在线监测智能锁具、可遥控空气 开关的工作状态。
本发明的智能变电站各设备及系统之间数据交互采用统一的IEC61850标准， 强调互联与互操作性，实现防误闭锁装置和自动化装置之间数据交互不像传统变 电站那样，缺乏统一通讯标准，解决了互联困难的问题，实现在智能变电站中是 完全可以做到保持防误闭锁装置独立性基础上的信息统一和共享的。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式 中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种 等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护。

Claims (5)

1.基于多模物联网的变电站实时在线防误操作系统，其特征在于：包括监控主机、五防机、集中器以及终端采集器；所述五防机与所述监控主机通信连接，五防机连接有紧急解锁装置；每一所述五防机通过通信连接有至少一个集中器，每个集中器通过通信连接有若干终端采集器，每个终端采集器分别连接有若干防误智能终端；
集中器包括信息收集模块及信息中转模块，信息收集模块与终端采集器的信息传输模块通信连接，并接收各个终端采集器采集的监测信息；信息中转模块与终端采集器的信息传输模块通信连接，将信息收集模块收集的各终端采集器采集的监测信息发送至五防主机中进行防误逻辑判断，并接收五防机发送的输出控制信息，并将其发送至终端采集器的信息传输模块；
终端采集器包括开关量输入单元、开关量输出单元、信息传输模块以及为其供电的电源模块，每个终端采集器的开关量输入单元和开关量输出单元均与防误智能终端、高压带电显示闭锁装置或可遥控空气开关连接，分别进行开关量实时监测和输出控制；信息传输模块分别与终端采集器的开关量输入单元和开关量输出单元连接，并将开关量输入单元的开关量实时监测信息发送至集中器，同时接收集中器发送的输出控制信息并发送至防误智能终端或可遥控空气开关。
2.根据权利要求1所述的基于多模物联网的变电站实时在线防误操作系统，其特征在于：所述五防机与监控主机采用IEC61850规约通信连接，所述集中器与所述五防机采用以太网通信连接，所述终端采集器采用HPLC通信网络、4G或5G移动通通讯网络或无线专用通讯网络与集中器连接，所述终端采集器采用载波通信或无线专用通讯网络与防误智能终端连接；其中，无线专用通讯网络采用NB-IoT-G 230MHz解决方案或LoRa-WAN无线局域网方案。
3.根据权利要求1所述的基于多模物联网的变电站实时在线防误操作系统，其特征在于：所述防误智能终端为电动开关设备监控装置、手动刀闸智能锁具、接地智能锁具或网门智能锁具。
4.根据权利要求1所述的基于多模物联网的变电站实时在线防误操作系统，其特征在于：所述防误智能终端包括锁具及其闭锁机构、控制模块、紧急解锁模块、物联网通讯模块以及为其供电的电源模块；所述闭锁机构与终端采集器的开关量输入单元通信连接，所述控制模块与所述终端采集器的开关量输出单元通信连接，接收其发送的输出控制信息，并据此控制所述闭锁机构开闭，同时将所述闭锁机构相应的闭锁状态和设备状态信息通过开关量输入单元反馈给终端采集器。
5.根据权利要求1所述的基于多模物联网的变电站实时在线防误操作系统，其特征在于：所述高压带电显示闭锁装置具备物联网通讯模块，所述物联网通讯模块采用载波通信与所述终端采集器相连接；所述高压带电显示闭锁装置将其监测到的高压设备是否带电的信息通过所述物联网通讯模块发送给所述终端采集器。
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