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(jì)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(jī)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(jī)發(fā)出的操作票，然后按照操作票內(nèi)容依次對(duì)電編碼鎖和機(jī)械編碼鎖進(jìn)行解鎖操作，對(duì)運(yùn)行人員的實(shí)際操作進(jìn)行監(jiān)控。操作過程中，電腦鑰匙給出操作提示，運(yùn)行人員按照電腦鑰匙的提示逐步進(jìn)行正確操作。若運(yùn)行人員的實(shí)際操作與電腦鑰匙的提示不符，則電腦鑰匙將發(fā)出報(bào)警并強(qiáng)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(jī)防誤閉鎖裝置，由于技術(shù)條件和設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)防誤操作系統(tǒng)對(duì)于集控站遙控操作的閉鎖。
(3)在單人和檢修參與操作時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)防誤系統(tǒng)對(duì)變電所解鎖操作遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。
??? (4)在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作時(shí)，無法完成聯(lián)絡(luò)線路兩側(cè)防誤聯(lián)鎖問題。
(5)當(dāng)變電所操作量大時(shí)，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(chǎng)存在的實(shí)際問題提出新一代電腦鑰匙的設(shè)計(jì)方案。把電腦鑰匙設(shè)計(jì)成CAN現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)，以FREESCALE工業(yè)級(jí)MCP芯片作為中央處理器，配備自編的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以很好地滿足電力現(xiàn)場(chǎng)對(duì)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(chǎng)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(jì)了2種電腦鑰匙：一種是基于CAN現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(jí)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(kuò)展電路中無線傳感器模塊Chipcon CC2420和語(yǔ)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(kuò)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(jì)
電腦鑰匙軟件開發(fā)基于復(fù)旦大學(xué)嵌入式實(shí)驗(yàn)室自行研發(fā)的FDCX08實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。FDCX08操作系統(tǒng)支持多至8個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行，采用優(yōu)先級(jí)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(hào)量控制功能；支持CAN通信、SCI通信、SPI通信，具有定時(shí)時(shí)鐘功能，可為各個(gè)任務(wù)提供定時(shí)和超時(shí)計(jì)數(shù)服務(wù)；支持MC9S08DZ32的各種中斷，為各個(gè)任務(wù)提供中斷處理服務(wù)。操作系統(tǒng)的要求比較簡(jiǎn)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(shí)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(jí)，主要完成CAN總線、SCI、SPI通信、報(bào)警以及系統(tǒng)檢驗(yàn)任務(wù)；輸入任務(wù)包括遠(yuǎn)方嵌入式“五防”主機(jī)（簡(jiǎn)稱“五防”主機(jī)）下達(dá)的命令任務(wù)，以及由智能鎖具傳來的狀態(tài)信息；每個(gè)控制任務(wù)代表一個(gè)控制通道，輸出任務(wù)是對(duì)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(duì)變電站所有開關(guān)、刀閘、接地線等進(jìn)行統(tǒng)一編碼，使每個(gè)操作閉鎖項(xiàng)都具有一個(gè)唯一的ID號(hào)。為增加操作的可靠性，除識(shí)別鎖編碼外，還要檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)，當(dāng)這2個(gè)條件都滿足時(shí)，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(shí)際操作二部分。當(dāng)進(jìn)入仿真培訓(xùn)功能時(shí)，控制中心 “五防”主機(jī)自動(dòng)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(gè)虛擬的開關(guān)量狀態(tài)表，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yùn)行人員進(jìn)行正確的操作，同時(shí)記錄錯(cuò)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(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)提示運(yùn)行人員將改變過的模擬元件位置恢復(fù)，強(qiáng)制運(yùn)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(chǎng)設(shè)備實(shí)際位置嚴(yán)格保持一致。
“五防”主機(jī)將標(biāo)準(zhǔn)票的操作項(xiàng)按照操作順序傳送給具體實(shí)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(chǔ)器中，并嚴(yán)格按此步驟識(shí)別待操作的設(shè)備編碼,只有設(shè)備與操作票相吻合時(shí)，電腦鑰匙才能打開編碼鎖，開放操作機(jī)構(gòu)或接通操作回路，允許對(duì)設(shè)備進(jìn)行倒閘操作。當(dāng)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(hào)，表示該項(xiàng)操作完成,電腦鑰匙的操作項(xiàng)緩沖區(qū)指針將指向下一個(gè)操作項(xiàng)，直至整張操作票被逐項(xiàng)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(shí)時(shí)地將操作設(shè)備的分、合閘動(dòng)作反饋到主控制室，使主控制室工作人員能及時(shí)監(jiān)視到現(xiàn)場(chǎng)操作的每一步，從而進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能。
4 幾種特殊閉鎖方式的實(shí)現(xiàn)
“五防”主機(jī)對(duì)設(shè)備狀態(tài)信息實(shí)時(shí)刷新，實(shí)時(shí)檢測(cè)開關(guān)、刀閘的狀態(tài)并據(jù)此隨時(shí)校驗(yàn)操作步驟。下面為幾種特殊閉鎖方式的實(shí)現(xiàn)：
(1)線路側(cè)帶電時(shí)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(hào)加在機(jī)械鎖的狀態(tài)輸入端，當(dāng)電腦鑰匙操作此步驟時(shí)，首先識(shí)別鎖編碼，然后判斷線路狀態(tài)，僅當(dāng)此狀態(tài)符合規(guī)程要求時(shí)，機(jī)械編碼鎖才可被打開，接地刀或接地線方可被操作。
(2)對(duì)側(cè)接地刀閉合時(shí)閉鎖出線刀閘
將對(duì)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(hào)，并送入出線刀閘機(jī)械鎖的狀態(tài)輸入端供電腦鑰匙檢測(cè)。當(dāng)對(duì)側(cè)接地刀狀態(tài)符合電腦鑰匙操作狀態(tài)要求時(shí)，機(jī)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(duì)監(jiān)控操作實(shí)施硬接點(diǎn)強(qiáng)制閉鎖，在操作回路中串聯(lián)接入閉鎖常開接點(diǎn)，防止在集控站遠(yuǎn)方操作或當(dāng)?shù)乇O(jiān)控操作中，由于運(yùn)行人員操作不當(dāng)所造成的誤操作，也可解決當(dāng)?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(dòng)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(jiǎn)單確定目標(biāo)是從2個(gè)電腦鑰匙一側(cè)通過還是之間通過，從而驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)操作員是否誤入帶電間隔。
假定目標(biāo)作直線運(yùn)動(dòng)，則目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)于電腦鑰匙位置，只可能有2種情況:目標(biāo)從電腦鑰匙一側(cè)通過;目標(biāo)從2個(gè)電腦鑰匙之間通過，如圖5、圖6所示。
假定目標(biāo)從如圖5所示的2個(gè)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(biāo)運(yùn)動(dòng)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(gè)參數(shù)可以實(shí)測(cè)出來，這樣通過求解上式得到目標(biāo)距離帶電間隔的直線距離d。
假定目標(biāo)從如圖6所示的2個(gè)電腦鑰匙之間通過時(shí)，目標(biāo)距離帶電間隔的直線距離d也可由上式計(jì)算。
通過以上2 種目標(biāo)運(yùn)動(dòng)情況，分別對(duì)應(yīng)2 組目標(biāo)運(yùn)動(dòng)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(biāo)的實(shí)際運(yùn)行軌跡。
采用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，通信技術(shù)和抗干擾技術(shù)設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)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(yùn)行人員長(zhǎng)期以來沉重的誤操作思想包袱，大大減輕了運(yùn)行人員發(fā)生誤操作的可能性，也為現(xiàn)代化運(yùn)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(jí)、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。
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