一種間隔層保護(hù)測(cè)控裝置防誤操作的方法

一種間隔層保護(hù)測(cè)控裝置防誤操作的方法

0與自動(dòng)化系統(tǒng)的集成及為提高防誤操作提供了條件這五個(gè)防御功能將觸發(fā)能源系統(tǒng)在能源系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的設(shè)備和維護(hù)人員的安全，并將繼續(xù)發(fā)展作為能源系統(tǒng)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的重要功能。為了有效防范電氣設(shè)備誤操作引發(fā)的人身和重大設(shè)備事故,我國(guó)早在1990年就提出了電氣設(shè)備五防的要求,并以法規(guī)形式規(guī)定了電氣防誤的管理、設(shè)計(jì)和使用原則。防誤裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則是:凡有可能引起誤操作的高壓電氣設(shè)備,均應(yīng)裝設(shè)防誤裝置和相應(yīng)的防誤電氣閉鎖回路,并明確規(guī)定110kV及以上電壓等級(jí)的電氣設(shè)備應(yīng)優(yōu)先采用電氣防誤聯(lián)鎖的設(shè)計(jì)原則。當(dāng)前變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)正向現(xiàn)代緊湊型方向發(fā)展?，F(xiàn)代緊湊型變電站自動(dòng)化系統(tǒng)集成可分為間隔層和站控層2個(gè)層次。間隔層的集成是構(gòu)筑一個(gè)通用的硬件和軟件平臺(tái),面向間隔內(nèi)的控制、保護(hù)、監(jiān)視、操作閉鎖、診斷和計(jì)量等功能集成在這個(gè)通用平臺(tái)上。通用的軟件平臺(tái)指的是在多功能硬件裝置內(nèi)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)輸入及數(shù)據(jù)庫(kù)和功能軟件,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和功能協(xié)調(diào)優(yōu)化,這樣,原來(lái)間隔內(nèi)必須執(zhí)行的功能將不再配置專(zhuān)用的硬件裝置。站控層的集成是將自動(dòng)化需要在站控層處理的各個(gè)功能通過(guò)站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)組合在統(tǒng)一的系統(tǒng)中,這樣,原來(lái)面向不同任務(wù)的分隔系統(tǒng)和多個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)就不再需要,從而簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議。這種簡(jiǎn)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議為間隔層保護(hù)測(cè)控裝置防誤操作的實(shí)現(xiàn)提供了充分的條件。目前,一次設(shè)備也在向不斷智能化的方向發(fā)展。SF6斷路器的操作能量已減少到最初的20%,并有望進(jìn)一步減少到10%。操作能量的大幅度減少將斷路器的斷開(kāi)與閉合操作由電力電子和微機(jī)組成的控制裝置執(zhí)行。實(shí)現(xiàn)間隔內(nèi)自動(dòng)閉鎖和五防功能,保證設(shè)備和人身安全已成為集成開(kāi)關(guān)設(shè)備系統(tǒng)智能化的重要表現(xiàn)之一。一次設(shè)備的智能化也對(duì)保護(hù)測(cè)控裝置的功能提出了更高的要求,在間隔層保護(hù)測(cè)控裝置中實(shí)現(xiàn)防誤操作正是這一發(fā)展趨勢(shì)的需要。在間隔層保護(hù)測(cè)控裝置中實(shí)現(xiàn)防誤操作,必然會(huì)遇到以下問(wèn)題:①如何建立五防規(guī)則庫(kù);②如何驗(yàn)證五防規(guī)則庫(kù);③如何配置五防聯(lián)鎖裝置信息;④如何管理五防規(guī)則庫(kù)。對(duì)監(jiān)控后臺(tái)而言,這4個(gè)問(wèn)題不難解決,但在只有簡(jiǎn)單液晶顯示界面和少量功能鍵鍵盤(pán)的保護(hù)測(cè)控裝置中解決這些問(wèn)題就變得較為困難。本文闡述了ISA系列保護(hù)測(cè)控裝置防誤操作的實(shí)現(xiàn)方法。1間隔層保護(hù)測(cè)控裝置防誤操作變電站五防功能的實(shí)現(xiàn)方法經(jīng)歷了機(jī)械防誤、電氣防誤和微機(jī)防誤3個(gè)階段?，F(xiàn)在普遍應(yīng)用的系統(tǒng)模式主要由機(jī)械鎖、電氣鎖、電腦鑰匙和五防主機(jī)構(gòu)成,沒(méi)有在間隔層保護(hù)測(cè)控裝置中配置任何五防功能。在變電站集控中心或調(diào)度遠(yuǎn)方操作變電站斷路器和電動(dòng)刀閘時(shí),如果遠(yuǎn)方操作員站沒(méi)有五防閉鎖功能,將很容易引起誤操作。此外,在站層監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中,變電站開(kāi)關(guān)和刀閘等操作機(jī)構(gòu)的位置信息需經(jīng)歷多個(gè)通信環(huán)節(jié)的影響,很難始終保持較高的實(shí)時(shí)性。在間隔層保護(hù)測(cè)控裝置中實(shí)現(xiàn)防誤操作最突出的優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)時(shí)性,因?yàn)檎緦颖O(jiān)控實(shí)時(shí)庫(kù)的數(shù)據(jù)來(lái)源于間隔層保護(hù)測(cè)控裝置。在間隔層再加一級(jí)防護(hù)措施將更安全、可靠,前提是間隔層保護(hù)測(cè)控裝置CPU負(fù)載低,通信速率高,現(xiàn)場(chǎng)總線具有足夠的帶寬并支持全雙工通信模式(保證實(shí)時(shí)響應(yīng)速度)。圖1為有關(guān)間隔層保護(hù)測(cè)控裝置防誤操作實(shí)現(xiàn)的流程圖。通過(guò)監(jiān)控后臺(tái)配置工具建立間隔層保護(hù)測(cè)控裝置的五防規(guī)則庫(kù)的方法直觀、方便、易于管理,但如何使裝置程序識(shí)別規(guī)則并獨(dú)立進(jìn)行規(guī)則校驗(yàn)是我們必須面對(duì)的難點(diǎn)。另一個(gè)難點(diǎn)是在變電站自動(dòng)化項(xiàng)目的調(diào)試階段如何高效地驗(yàn)證規(guī)則的正確性。這些問(wèn)題的解決取得了良好的效果和用戶(hù)反饋。1.1間隔層的通信當(dāng)前,變電站自動(dòng)化系統(tǒng)間隔層保護(hù)和測(cè)控裝置有2種典型的組網(wǎng)方式:①作為獨(dú)立的以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接入站控以太網(wǎng);②通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)、CAN、RS-485等現(xiàn)場(chǎng)總線組成子網(wǎng),再經(jīng)通信網(wǎng)關(guān)接入站控以太網(wǎng)。2種組網(wǎng)方式下間隔層保護(hù)測(cè)控裝置五防規(guī)則庫(kù)的配置和在線校驗(yàn)方式會(huì)有所不同,通信網(wǎng)關(guān)必須是嚴(yán)格定義下的網(wǎng)關(guān)而不是傳統(tǒng)的通信管理機(jī)。也就是說(shuō),通信管理機(jī)完全不是數(shù)據(jù)源,因?yàn)闊o(wú)論采用何種查詢(xún)方式,它的采集數(shù)據(jù)并不完全實(shí)時(shí)。在網(wǎng)關(guān)應(yīng)用角色下,通信管理機(jī)所承擔(dān)的工作就是協(xié)議轉(zhuǎn)換和路由的作用。裝置間相互通信獲取聯(lián)鎖實(shí)時(shí)信息,這是系統(tǒng)對(duì)間隔層保護(hù)測(cè)控裝置提出的全新要求。顯然,通信在間隔層五防的實(shí)現(xiàn)方案中扮演了極為重要的角色。在間隔層主要采用工業(yè)以太網(wǎng)和CANBus的通信方案,裝置之間可以相互通信?？紤]到間隔層保護(hù)測(cè)控裝置的數(shù)目較多,在工業(yè)以太網(wǎng)情況下采用UDP協(xié)議而不是TCP協(xié)議。1.2保護(hù)測(cè)控裝置五防規(guī)則庫(kù)的存儲(chǔ)保護(hù)測(cè)控裝置軟件開(kāi)發(fā)采用分層及模塊化設(shè)計(jì)方法,ISA系列保護(hù)測(cè)控裝置目前采用32位DSP嵌入式平臺(tái),與間隔層防誤閉鎖操作相關(guān)的模塊主要有以太網(wǎng)通信模塊、CAN網(wǎng)通信模塊、控制命令接口模塊、五防規(guī)則庫(kù)及控制出口模塊等。模塊間的關(guān)系如圖2所示。間隔層每個(gè)保護(hù)測(cè)控裝置的五防規(guī)則庫(kù)是站控層五防規(guī)則庫(kù)的子集。五防規(guī)則庫(kù)的中間碼按遙控通道的索引存儲(chǔ)在Flash存儲(chǔ)器中。保護(hù)測(cè)控裝置防誤閉鎖分為間隔內(nèi)閉鎖和間隔間聯(lián)鎖:間隔內(nèi)閉鎖因?yàn)閷?shí)時(shí)庫(kù)就在裝置本地而變得簡(jiǎn)單;間隔間聯(lián)鎖的信息一部分來(lái)源于裝置本地,另一部分則來(lái)源于聯(lián)鎖裝置。保證聯(lián)鎖裝置信息的實(shí)時(shí)性,是間隔層防誤閉鎖的重點(diǎn)。顯然,獲取裝置聯(lián)鎖信息的查詢(xún)方法有2種:定時(shí)巡檢和實(shí)時(shí)查詢(xún)。定時(shí)巡檢實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)容易,但是為了保證實(shí)時(shí)性,巡檢周期不能太長(zhǎng),這就增加了現(xiàn)場(chǎng)總線的負(fù)荷。實(shí)時(shí)查詢(xún)是在遙控選擇命令到達(dá)后啟動(dòng)聯(lián)鎖通信,所要考慮的問(wèn)題是能否及時(shí)發(fā)送遙控返校信息。遙控返校的超時(shí)通常大于15s,經(jīng)過(guò)10臺(tái)裝置的有效測(cè)試發(fā)現(xiàn)這種方法可在3s內(nèi)完成。遙控選擇命令啟動(dòng)通信的方法是最終的解決方案。1.3防規(guī)則智能校驗(yàn)遙控命令的執(zhí)行過(guò)程可按有五防閉鎖和無(wú)五防閉鎖進(jìn)行分類(lèi)。裝置對(duì)每個(gè)遙控通道設(shè)置五防閉鎖投退軟壓板,軟壓板投入的遙控通道收到遙控選擇命令時(shí),將進(jìn)行五防規(guī)則校驗(yàn)。具有五防閉鎖功能的遙控通道的閉鎖規(guī)則又分為間隔內(nèi)閉鎖和間隔間聯(lián)鎖2種情況,本間隔閉鎖因?yàn)閷?shí)時(shí)庫(kù)就在本裝置而變得簡(jiǎn)單。在此僅討論間隔間聯(lián)鎖的遙控過(guò)程。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3所示,包括:①遙控選擇命令到達(dá);②從Flash存儲(chǔ)器調(diào)入對(duì)應(yīng)遙控通道五防規(guī)則腳本執(zhí)行碼;③判斷是否有聯(lián)鎖,如果有聯(lián)鎖則先啟動(dòng)聯(lián)鎖通信,獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),沒(méi)有聯(lián)鎖則直接進(jìn)入下一步;④將五防規(guī)則中間碼輸給腳本引擎;⑤根據(jù)運(yùn)算結(jié)果回送遙控返校正確/失敗。2腳本語(yǔ)言的設(shè)計(jì)建立五防規(guī)則庫(kù)是實(shí)現(xiàn)五防功能的重要環(huán)節(jié),五防規(guī)則庫(kù)的可讀性非常重要。采用表格的方法建立規(guī)則庫(kù)方法繁瑣、可讀性也差。建議設(shè)計(jì)一種腳本語(yǔ)言,在裝置程序中加載腳本引擎,將裝置程序的升級(jí)和五防規(guī)則的建立分離開(kāi)來(lái),做到規(guī)則的建立和裝置程序無(wú)關(guān),這樣實(shí)現(xiàn)間隔層五防功能將變得非常容易。對(duì)于不同的用戶(hù)要求和不同的五防規(guī)則,只需用這種語(yǔ)言編寫(xiě)不同的規(guī)則腳本,不會(huì)影響原有應(yīng)用程序的穩(wěn)定性。我們?cè)O(shè)計(jì)了一種類(lèi)BASIC的腳本語(yǔ)言ISAScript。2.1isascript的開(kāi)發(fā)腳本語(yǔ)言是一種解釋性語(yǔ)言,需要腳本虛擬機(jī)才能運(yùn)行。腳本程序自身與硬件平臺(tái)操作系統(tǒng)無(wú)關(guān),而腳本虛擬機(jī)與硬件平臺(tái)及操作系統(tǒng)相關(guān)。腳本的執(zhí)行方式有2種:解釋執(zhí)行和編譯執(zhí)行。解釋執(zhí)行的效率較低,而且不適于在裝置中運(yùn)行,所以選擇編譯執(zhí)行方式。腳本的編程和編譯在PC機(jī)執(zhí)行,針對(duì)這一點(diǎn)選擇VC++為開(kāi)發(fā)工具,開(kāi)發(fā)ISAScript的編譯器。編譯器的開(kāi)發(fā)輔助工具有很多,YACC(yetanothercompiler-compiler)是目前較為流行的compiler-complier。不采用YACC主要是基于以下考慮:①I(mǎi)SAScript的文法較簡(jiǎn)單,采用自頂向下的遞歸下降分析方法;②YACC接受的文法是LALR(1)文法,相對(duì)于自頂向下的遞歸下降分析方法要復(fù)雜得多。本文主要描述ISAScript腳本語(yǔ)文的設(shè)計(jì)及其在間隔層五防實(shí)現(xiàn)中的應(yīng)用。關(guān)于編譯原理只是術(shù)語(yǔ)的引用,不進(jìn)行解釋。為了描述方便,將按照編譯器基本組成的順序來(lái)闡述ISAScript語(yǔ)言和編譯器的設(shè)計(jì)思路。編譯器的基本構(gòu)成見(jiàn)圖4。2.2基于不同所使用的標(biāo)記詞法分析程序?qū)⒆址髯優(yōu)橛浱?hào)流并將詞法分析程序設(shè)計(jì)為子程序,每當(dāng)語(yǔ)法分析程序需要一個(gè)單詞時(shí),調(diào)用該子程序。ISAScript腳本程序由標(biāo)識(shí)符組成,而標(biāo)識(shí)符又由字母、數(shù)字、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)組成。根據(jù)標(biāo)識(shí)符的功能,腳本程序中所使用的標(biāo)識(shí)符可分為:保留字、變量、數(shù)值和操作符。保留字有:dim,if,then,else,endif,repeat,until,return,not,and,or,integer,real,bool,get,put,print。變量的定義以字母開(kāi)頭,可以包含26個(gè)字母和數(shù)字。除了前面提過(guò)的別名和實(shí)時(shí)庫(kù)變量的使用外,變量在使用之前必須明確定義其類(lèi)型。變量類(lèi)型有:integer(整型),real(實(shí)型),bool(布爾型)。數(shù)值的含義比較簡(jiǎn)單,就是整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù),由數(shù)字和小數(shù)點(diǎn)構(gòu)成。操作符有:賦值運(yùn)算符(:=)、關(guān)系運(yùn)算符(>,<,=,>=,<=,<>)、加減乘除運(yùn)算符(+,-,*,/)。2.3編碼的父規(guī)則語(yǔ)法樹(shù)是程序結(jié)構(gòu)的一個(gè)樹(shù)形表示,搜索語(yǔ)法樹(shù)的結(jié)點(diǎn)信息,并將這些信息翻譯為中間代碼。在規(guī)則之間需要傳遞信息,例如:當(dāng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)符號(hào)時(shí)把它送入符號(hào)表,編譯程序還希望它的父規(guī)則(事實(shí)上使用此標(biāo)識(shí)符的規(guī)則)在符號(hào)描述中也要能夠被訪問(wèn)。父規(guī)則有一個(gè)指針指向它的幾個(gè)子規(guī)則。本質(zhì)上規(guī)則是分層的,同一個(gè)父規(guī)則的子規(guī)則處于同一層,并能互訪。子規(guī)則能夠返回一個(gè)值到父規(guī)則。程序定義一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)TreeNode()來(lái)構(gòu)造語(yǔ)法樹(shù)的結(jié)點(diǎn)。程序采用自頂向下的遞歸分析方法來(lái)構(gòu)造語(yǔ)法樹(shù),語(yǔ)法樹(shù)支持右遞歸規(guī)則,不允許左遞歸。2.4通用匯編碼編譯程序所使用的中間碼有多種形式,ISAScript采用的是目前編譯器普遍采用的四元式。四元式的4個(gè)組成部分為:算符op、第1個(gè)運(yùn)算對(duì)象arg1、第2個(gè)運(yùn)算對(duì)象arg2以及運(yùn)算結(jié)果result。四元式類(lèi)似于三地址指令,因此可看成一種虛擬機(jī)的通用匯編碼。編譯器使用指針管理中間碼,而不是立即產(chǎn)生代碼到一個(gè)大的數(shù)組。這樣做有2個(gè)好處:①使用指針便于代碼片段的連接,而且去掉某些指令時(shí)不需要更新所有的跳轉(zhuǎn),優(yōu)化也因此變得相應(yīng)簡(jiǎn)單。②編譯器更容易改寫(xiě)指令來(lái)適應(yīng)新的虛擬機(jī),因?yàn)橹恍韪淖儚闹虚g代碼到最終代碼的翻譯步驟。2.5基于dsp的腳本虛擬機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)是腳本引擎中非常重要的組件。設(shè)計(jì)時(shí)將焦點(diǎn)集中到速度上。編譯器用寄存器進(jìn)行操作而不是堆棧,堆棧只在函數(shù)傳遞參數(shù)時(shí)使用。因此設(shè)計(jì)的虛擬機(jī)是加載(load)/存儲(chǔ)(store)型機(jī)器,在運(yùn)算時(shí)必須加載每個(gè)用到的值,在計(jì)算后存儲(chǔ)每個(gè)結(jié)果。就虛擬機(jī)設(shè)計(jì)而言,堆棧機(jī)器非常容易實(shí)現(xiàn),因?yàn)楫?dāng)計(jì)算一個(gè)表達(dá)式時(shí)不需要臨時(shí)變量來(lái)存儲(chǔ)中間結(jié)果,而是把所有數(shù)據(jù)放入堆棧。但三地址代碼更84直觀,因此更容易優(yōu)化。這是選擇加載/存儲(chǔ)機(jī)器模型的理由。雖然腳本虛擬機(jī)最終是在ISA系列裝置的32位DSP平臺(tái)上運(yùn)行,但是可以在PC機(jī)上設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。考慮到DSP軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)支持的是GNUC標(biāo)準(zhǔn),在設(shè)計(jì)腳本虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)程序時(shí)也按這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)編程。在PC機(jī)上測(cè)試正確后再進(jìn)行移植,并和裝置的應(yīng)用程序合并。2.6基于預(yù)動(dòng)設(shè)備的預(yù)動(dòng)編碼中間代碼非常易于被腳本虛擬機(jī)理解。五防規(guī)則的腳本程序可讀性更強(qiáng)。與單裝置有關(guān)的五防規(guī)則存儲(chǔ)在裝置的Flash存儲(chǔ)器中,對(duì)腳本進(jìn)行預(yù)編譯,再將正確的腳本下裝并存儲(chǔ)在裝置中,可以隨時(shí)提取和查看。這種方法可以節(jié)省存儲(chǔ)空間,但腳本的翻譯工作在裝置上需要再運(yùn)行一次,腳本虛擬機(jī)代碼因?yàn)榘g工作而變得龐大起來(lái),同時(shí),這一方法也犧牲了五防規(guī)則的校驗(yàn)速度。為了實(shí)現(xiàn)速度和可讀性的一種均衡,對(duì)上述方法進(jìn)行改進(jìn),即把中間碼翻譯為虛擬機(jī)可以執(zhí)行的二進(jìn)制機(jī)器碼,機(jī)器碼和五防規(guī)則腳本均下裝到裝置。2.7控制板及隔離刀閘的操作規(guī)則以發(fā)電廠220kV升壓站雙母線主接線開(kāi)關(guān)的電動(dòng)隔離刀閘的操作規(guī)則為例,說(shuō)明如何用腳本建立五防規(guī)則。部分主接線如圖5所示。斷路器183及所有刀閘都是可控的,它們的位置信息由一臺(tái)PRS741測(cè)控裝置采集,PRS741最多可提供8個(gè)遙控對(duì)象的遙控通道。隔離刀閘1833的合操作規(guī)則為:斷路器183處于分位置,接地刀閘1836,18336,18316處于分位置。用ISAScript建立的五防規(guī)則庫(kù)為:返回值為1表示可以遙控,為0表示閉鎖。3防平臺(tái)配置因?yàn)槲宸酪?guī)則腳本的編譯和測(cè)試工作主要在監(jiān)控工作站完成,為了直觀反映信息點(diǎn)與一次設(shè)備的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在編寫(xiě)規(guī)則庫(kù)時(shí)需要從站控層數(shù)據(jù)庫(kù)中提取設(shè)備的名稱(chēng)。在無(wú)人值班的集控中心模式下,只需就地配置五防規(guī)則庫(kù)。根據(jù)上述需求,開(kāi)發(fā)了間隔層五防規(guī)則庫(kù)配置工具。配置工具具有下述功能:①?gòu)恼究貙颖O(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入廠站、間隔、裝置和五防規(guī)則庫(kù)信息;②配置裝置參數(shù)(裝置型號(hào)、通信端口和地址);③提供腳