摘 要： 論述了電力系統(tǒng)現(xiàn)有防誤操作系統(tǒng)中電腦鑰匙的功能,提出了基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的新型電腦鑰匙的設(shè)計方案，給出了電腦鑰匙的硬件電路以及軟件框架結(jié)構(gòu)。該電腦鑰匙可以滿足各種防誤操作的要求，具有很好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： 電腦鑰匙; 無線傳感器網(wǎng)絡(luò); CAN總線;? 操作系統(tǒng)?
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微機防誤閉鎖系統(tǒng)的電腦鑰匙，用于在操作過程中接收“五防”主機發(fā)出的操作票，然后按照操作票內(nèi)容依次對電編碼鎖和機械編碼鎖進行解鎖操作，對運行人員的實際操作進行監(jiān)控。操作過程中，電腦鑰匙給出操作提示，運行人員按照電腦鑰匙的提示逐步進行正確操作。若運行人員的實際操作與電腦鑰匙的提示不符，則電腦鑰匙將發(fā)出報警并強制閉鎖，從而有效避免誤操作事故的發(fā)生。電腦鑰匙作為防止電力系統(tǒng)誤操作的終端設(shè)備，起著不可忽視的作用[1]。
但是，這種基于離線式電腦鑰匙的微機防誤閉鎖裝置，由于技術(shù)條件和設(shè)計方案的限制還存在如下一些問題：
(1)在很多情況下，無法防止誤入帶電間隔。
(2)無法實現(xiàn)防誤操作系統(tǒng)對于集控站遙控操作的閉鎖。
(3)在單人和檢修參與操作時，無法實現(xiàn)防誤系統(tǒng)對變電所解鎖操作遠程監(jiān)控功能。
??? (4)在實現(xiàn)系統(tǒng)操作時，無法完成聯(lián)絡(luò)線路兩側(cè)防誤聯(lián)鎖問題。
(5)當變電所操作量大時，無法解決多任務(wù)并行操作的問題[2]。
上述存在的問題，癥結(jié)就在于離線式的電腦鑰匙。本文即根據(jù)現(xiàn)場存在的實際問題提出新一代電腦鑰匙的設(shè)計方案。把電腦鑰匙設(shè)計成CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、GSM網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的集線節(jié)點，以FREESCALE工業(yè)級MCP芯片作為中央處理器，配備自編的實時操作系統(tǒng)，可以很好地滿足電力現(xiàn)場對于防誤操作系統(tǒng)的新要求。
1 電腦鑰匙硬件電路
根據(jù)電力系統(tǒng)現(xiàn)場能否鋪設(shè)有線電纜的具體情況，按照與控制中心的聯(lián)絡(luò)方式不同設(shè)計了2種電腦鑰匙：一種是基于CAN現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)，另外一種是基于GSM無線通信網(wǎng)絡(luò)。 圖1為基于CAN現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)的電腦鑰匙硬件系統(tǒng)框圖。圖2為基于GSM無線通信網(wǎng)絡(luò)的電腦鑰匙硬件系統(tǒng)框圖。
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硬件系統(tǒng)電路包含以下幾部分：中央處理器選用FREESCALE公司生產(chǎn)的工業(yè)級芯片MC9S08DZ32，該芯片帶有CAN控制器、SPI接口、SCI接口和鍵盤接口，處理器外圍擴展電路中無線傳感器模塊Chipcon CC2420和語音芯片ISD4002使用SPI總線連接，GSM模塊 TC35I和液晶顯示器模塊LCM12864通過擴展的CD4052數(shù)據(jù)分配器與SCI接口相連。
2 電腦鑰匙軟件設(shè)計
電腦鑰匙軟件開發(fā)基于復(fù)旦大學(xué)嵌入式實驗室自行研發(fā)的FDCX08實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。FDCX08操作系統(tǒng)支持多至8個任務(wù)同時運行，采用優(yōu)先級任務(wù)調(diào)度方法，支持搶先調(diào)度，支持任務(wù)間通信，具有郵局通信和信號量控制功能；支持CAN通信、SCI通信、SPI通信，具有定時時鐘功能，可為各個任務(wù)提供定時和超時計數(shù)服務(wù)；支持MC9S08DZ32的各種中斷，為各個任務(wù)提供中斷處理服務(wù)。操作系統(tǒng)的要求比較簡單，要求該操作系統(tǒng)最大程度地減少系統(tǒng)的開銷，將任務(wù)調(diào)度和系統(tǒng)調(diào)用的時間縮至最小。
FDCX08的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。
系統(tǒng)任務(wù)為最低優(yōu)先級，主要完成CAN總線、SCI、SPI通信、報警以及系統(tǒng)檢驗任務(wù)；輸入任務(wù)包括遠方嵌入式“五防”主機（簡稱“五防”主機）下達的命令任務(wù)，以及由智能鎖具傳來的狀態(tài)信息；每個控制任務(wù)代表一個控制通道，輸出任務(wù)是對不同輸入任務(wù)的響應(yīng)。圖4為電腦鑰匙的軟件結(jié)構(gòu)。
3 電腦鑰匙操作過程
基于網(wǎng)絡(luò)的防誤操作系統(tǒng)對變電站所有開關(guān)、刀閘、接地線等進行統(tǒng)一編碼，使每個操作閉鎖項都具有一個唯一的ID號。為增加操作的可靠性，除識別鎖編碼外，還要檢測設(shè)備狀態(tài)，當這2個條件都滿足時，鎖才能被打開，設(shè)備才允許操作。
操作過程需要模擬演示和實際操作二部分。當進入仿真培訓(xùn)功能時，控制中心 “五防”主機自動將培訓(xùn)操作前的模擬屏狀態(tài)記憶下來，并將仿真培訓(xùn)狀態(tài)下模擬屏各元件的分、合閘位置建立一個虛擬的開關(guān)量狀態(tài)表，實現(xiàn)對仿真培訓(xùn)操作的綜合分析，判斷操作的正誤，給出操作信息，指導(dǎo)運行人員進行正確的操作，同時記錄錯誤的原因和性質(zhì)，并打印出結(jié)果以供今后分析使用。退出仿真培訓(xùn)功能時，計算機會自動提示運行人員將改變過的模擬元件位置恢復(fù)，強制運行人員將模擬屏狀態(tài)恢復(fù)至正確狀態(tài)。從而有效地保證了模擬屏狀態(tài)與現(xiàn)場設(shè)備實際位置嚴格保持一致。
“五防”主機將標準票的操作項按照操作順序傳送給具體實施操作的電腦鑰匙。電腦鑰匙將接收來的操作數(shù)據(jù)有序地放在其內(nèi)部Flash存儲器中，并嚴格按此步驟識別待操作的設(shè)備編碼,只有設(shè)備與操作票相吻合時，電腦鑰匙才能打開編碼鎖，開放操作機構(gòu)或接通操作回路，允許對設(shè)備進行倒閘操作。當設(shè)備完成倒閘操作并重新閉鎖好后,向電腦鑰匙發(fā)出響應(yīng)信號，表示該項操作完成,電腦鑰匙的操作項緩沖區(qū)指針將指向下一個操作項，直至整張操作票被逐項有序地執(zhí)行完畢，有效地避免了誤入間隔和走空程序的問題。電腦鑰匙在操作的全過程中,通過網(wǎng)絡(luò)實時地將操作設(shè)備的分、合閘動作反饋到主控制室，使主控制室工作人員能及時監(jiān)視到現(xiàn)場操作的每一步，從而進一步提高整個系統(tǒng)的綜合性能。
4 幾種特殊閉鎖方式的實現(xiàn)
“五防”主機對設(shè)備狀態(tài)信息實時刷新，實時檢測開關(guān)、刀閘的狀態(tài)并據(jù)此隨時校驗操作步驟。下面為幾種特殊閉鎖方式的實現(xiàn)：
(1)線路側(cè)帶電時閉鎖線路接地刀(或接地線)
通過電壓抽取裝置及狀態(tài)變換器將線路側(cè)帶電與否的信號加在機械鎖的狀態(tài)輸入端，當電腦鑰匙操作此步驟時，首先識別鎖編碼，然后判斷線路狀態(tài)，僅當此狀態(tài)符合規(guī)程要求時，機械編碼鎖才可被打開，接地刀或接地線方可被操作。
(2)對側(cè)接地刀閉合時閉鎖出線刀閘
將對側(cè)接地刀狀態(tài)通過載波送到本側(cè)，然后通過解碼設(shè)備分離出狀態(tài)信號，并送入出線刀閘機械鎖的狀態(tài)輸入端供電腦鑰匙檢測。當對側(cè)接地刀狀態(tài)符合電腦鑰匙操作狀態(tài)要求時，機械鎖方可被打開，出線刀閘才能被操作。
(3)集控站操作閉鎖
系統(tǒng)采用遙控閉鎖繼電器對監(jiān)控操作實施硬接點強制閉鎖，在操作回路中串聯(lián)接入閉鎖常開接點，防止在集控站遠方操作或當?shù)乇O(jiān)控操作中，由于運行人員操作不當所造成的誤操作，也可解決當?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)或通信系統(tǒng)由于雷擊或軟硬件故障、干擾等造成的誤動作。
(4)防止誤入帶電間隔[3-4]
利用傳感器位置信息的解析算法，簡單確定目標是從2個電腦鑰匙一側(cè)通過還是之間通過，從而驗證現(xiàn)場操作員是否誤入帶電間隔。
假定目標作直線運動，則目標運動軌跡相對于電腦鑰匙位置，只可能有2種情況:目標從電腦鑰匙一側(cè)通過;目標從2個電腦鑰匙之間通過，如圖5、圖6所示。
假定目標從如圖5所示的2個電腦鑰匙一側(cè)通過，則滿足：
式中， di表示電腦鑰匙i與目標運動軌跡之間的距離; D表示電腦鑰匙i與電腦鑰匙i+1之間的距離。這3個參數(shù)可以實測出來，這樣通過求解上式得到目標距離帶電間隔的直線距離d。
假定目標從如圖6所示的2個電腦鑰匙之間通過時，目標距離帶電間隔的直線距離d也可由上式計算。
通過以上2 種目標運動情況，分別對應(yīng)2 組目標運動軌跡參數(shù)，可以通過判斷d的大小和變化規(guī)律區(qū)分目標的實際運行軌跡。
采用了先進的計算機技術(shù)，通信技術(shù)和抗干擾技術(shù)設(shè)計的基于網(wǎng)絡(luò)的防誤閉鎖系統(tǒng)電腦鑰匙，以防誤閉鎖為主，又有電力系統(tǒng)仿真培訓(xùn)及管理的實用功能，更能完成以往離線式電腦鑰匙不能解決的任務(wù)，可以實現(xiàn)現(xiàn)場和集控2種操作方式下的防誤閉鎖。合理的網(wǎng)絡(luò)框架設(shè)計可以支持各種通信規(guī)約。
這種防誤閉鎖系統(tǒng)電腦鑰匙，既可以解除運行人員長期以來沉重的誤操作思想包袱，大大減輕了運行人員發(fā)生誤操作的可能性，也為現(xiàn)代化運行操作方式提供了防誤閉鎖方法，可廣泛地應(yīng)用于各種電壓等級、各種復(fù)雜接線的發(fā)電廠和變電站，具有很好的發(fā)展前景。
參考文獻
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