【摘要】为了实现变电站综合自动化管理，提高电力系统安全运行的可靠性，在传统电气闭锁系统的基础上，根据“五防”规则，采用微处理器技术、自动控制理论和红外通信技术设计了一种微机五防闭锁系统。该系统可以在五防主机上模拟开具操作票，实现电气倒闸操作，适用于各变电站的综合自动化管理。
【关键词】微机五防闭锁系统;电脑钥匙;数据通信模块;设计
1.引言
为有效防止运行中电气设备误操作引发事故，提出电气设备“五防”要求，即防止带负荷误拉、误合隔离开关;防止误拉、误合断路器、负荷开关、接触器;防止接地开关处于闭合时关合断路器、负荷开关;防止带电挂接地线或合接地隔离开关;防止误入带电间隔[1][2][3]。“五防”是变电站防误闭锁系统的主要内容，可靠完善的“五防”闭锁系统对提高电力系统的供电质量，保证运行的稳定性和安全性有着十分重要作用。
2.系统总体设计
微机五防闭锁系统由图形化操作票系统、五防主机、工控主机、电脑钥匙和锁具等模块组成，图形化操作票系统实现操作票产生、预演、查询和打印等功能;工控主机将模拟完成操作票信息传输给电脑钥匙并管理系统电源;电脑钥匙负责接收操作票，并执行控制与操作闭锁功能，如操作票与电编码锁信息匹配则按信息内容打开对应的锁具，同时验证锁码，验电解锁和信息回传功能[4][5];锁具实现对各手动设备闭锁。微机五防系统最主要的模块为电脑钥匙，是微机闭锁命令传输的关键部件[6]。系统总体设计如图1所示。
图1 系统总体结构图
图2 电脑钥匙总体结构框图
3.硬件设计
3.1 电脑钥匙设计
微机五防闭锁系统的核心部件—电脑钥匙以MCU为控制核心的外围扩展功能模块典型控制系统。电脑钥匙由微控制器MCU、液晶显示模块、键盘输入模块、语音模块、实时时钟模块、信息存储模块、红外通信模块和电源模块等组成。液晶模块显示操作票信息;键盘输入模块控制对电脑钥匙的操作;语音模块为系统提供阶段性的操作提示和出错报警提示;信息存储模块实现操作票信息在电脑钥匙中的存储功能;红外通信模块将电脑钥匙中的操作票信息与电气编码锁中的编码信息匹配，只有正确且对应的操作票信息才能打开相应电编码锁，执行所需操作。电源模块主要为系统提供工作电压[7][8]。电脑钥匙结构框图如图2所示。
3.2 数据通信模块设计
系统通信模块分为两类，一类是串口通信模块，采用有线方式实现五防主机和工控主机间的通信;另一类是红外通信模块，实现电脑钥匙和工控主机间的数据传输[9]。
（1）串口通信模块：五防主机与工控主机间用串口实现数据通信;由于两者电气规范不一致，因此完成PC机与微控制器间的数据通信必须进行电平转换。考虑到传输距离和通信的可靠性及稳定性，选择使用电平转换芯片MAX232A进行电平转换[10]。
（2）红外通信模块：电脑钥匙采用红外方式与电编码锁进行通讯。采用主从式红外通信方式，主机的红外发射和接收电路与从机相同。由于单片机本身并不具备红外通信接口，但可用单片机的串行接口与片外的红外发射电路和接收电路组成红外串行通信接口[11]。
3.3 电编码锁及开锁电路的设计
闭锁功能的现场执行装置称为锁具，锁具应该满足安全性、可靠性和经济实用性的要求。锁具通常分为电编码锁和机械挂锁[12]。
（1）电编码锁：电编码锁开关、电动刀闸以及一些电气设备的闭锁，它串联在操作回路中，当电脑钥匙检验其编码和锁类型与操作票信息一致时，就将操作回路短接，使操作得以继续;否则，即使合上操作机构电源开关也无法操作。
图3 电脑钥匙主程序流程图
（2）机械挂锁及开锁电路：机械挂锁用于各种手动设备的闭锁。采用塑料编码片进行编码，利用每个编码片上带有10个小圆柱进行编码，共有210=1024种组合。圆柱保留下来的表示编码“1”;圆柱被剪掉的表示编码“0”。电脑钥匙通过编码输入器对不同的机械挂锁进行身份识别。
4.软件设计
4.1 电脑钥匙软件设计
系统上电后，首先对电池电量进行检查，确保电池供电充足;然后对各模块进行初始化操作，包括液晶初始化、语音芯片初始化、时钟芯片和EEPROM初始化等，初始化之后，显示电脑钥匙主菜单，用户可以通过按键选择所需执行的操作，主程序调用各模块子程序，执行电脑钥匙各功能。其主要流程图如图3所示。
电脑钥匙软件设计按功能可分为LCD显示模块、键盘模块、语音模块、时钟模块和信息存储模块，每个模块都由相应的头文件和源文件组成，主要实现如下功能：1）上电自检功能：电脑钥匙上电自检，检查电池供电是否充足，若不足，则先对其电池充电;2）液晶显示功能：编写程序驱动液晶显示器，显示操作票信息和各步骤提示信息，要求界面人性化，便于操作;3）键盘功能：通过键盘选择要执行的操作;4）实时时钟功能：对时钟芯片进行初始化，并设置定闹中断，产生秒中断，在液晶屏上显示当前操作的时间;5）语音功能：对系统的各个阶段和各个步骤进行语音提示，对错误的操作进行语音报警;6）信息存储功能：存储操作票信息;7）看门狗程序设计：一旦程序跑飞，启动看门狗程序，将程序复位。
4.2 通信协议设计
当工控主机与五防主机进行操作票传输时使用串口通信程序，通信帧格式为：1位起始位、8位数据位、1位停止位，无奇偶校验位，波特率为19200bps。程序中首先对ATMega128异步串行USART控制和状态寄存器进行初始化，五防主机与工控主机之间采用ASCII码指令通信，ASCII码指令构成如下：发送的信息+0x0A，采用这种指令构成只要是为了方便判断串口发送数据是否完成。
图4 生成操作票主界面
4.3 上位机软件开发平台
上位机软件基于Visual Graph和Delphi软件开发平台设计用户操作界面。图形化操作票系统只需要变电站运行人员用鼠标在接线图上进行操作，就可以生成操作票。不仅比较简单、直观，而且还可以对生成的操作票执行预演操作，保证了生成操作票的正确性。由生成操作票、预演操作票、传输操作票、保存操作票、打印操作票等模块组成。
（1）生成操作票：操作票是记录倒闸操作顺序的票单，所以操作票的正确与否关系到倒闸操作的正确性。微机五防系统生成的操作票是满足“五防”要求的，即满足防止带负荷分、合隔离开关，防止误分、误合断路器、负荷开关、接触器，防止接地开关处于闭合位置时关合断路器、负荷开关，防止在带电时误合接地开关，防止误入带电隔室[13]。生成操作票主界面如图4所示。
（2）传输操作票：是指将操作票信息由五防主机传输给电脑钥匙的过程，首先五防主机将操作票传给工控主机，然后再通过红外通信方式，由工控主机传给电脑钥匙。上位机上的通信主要通过串口通信完成。当电脑钥匙在现场执行完操作票的步骤后，需要将操作票信息回传给五防主机，操作票回传也主要通过串口通信来完成。
5.结论
从系统性能上分析，本系统具有如下特点。1）安全性高：图形开票产生操作票的每一步都经过防误检验，保证安全;2）效率高：系统可快速生成正确的操作票;3）交互性良好：拥有良好的人际交互界面，操作简单;4）可移植性强：程序设计采用模块化设计方法，程序可移植性强[14]。本系统满足微机五防闭锁基本要求，但是在系统可靠性和结构、功能上还有进一步完善的空间。
参考文献
[1]黄金生.综合自动化变电所防误闭锁装置浅析[J].浙江电力，2001，3：62-64.
[2]丁书文，黄训诚，胡起宙.变电站综合自动化原理及应用[M].中国电力出版社，2003.
[3]李东.UT-2000微机防误装置在自动化变电站应用[J].广西工学院学报，2007，4：63-67.
[4]谢祥有.电力五防中防误闭锁嵌入式控制单元的设计与实现[D].浙江大学，2012.
[5]程法庆.五防闭锁装置的应用模式分析及展望[J].天津电力技术，2003，4：43-45.
[6]张永江.电气二次防误闭锁与微机防误闭锁共同运行的必要性[J].新疆电力技术，2013，01.
[7]刘平，张贺伟，孙红燕.变电站网络化五防闭锁系统的研究[J].河北电力技术，2009，04：24-25.
[8]高建峰.浅谈电力装置运行发展[J].电力系统工程，2010，62.
[9]杨新宇，朱肃生.变电站安全生产综合保障系统[J].电子世界，2010，11：62-64.
[10]张明清.变电站微机防误装置的改造[J].电工电气，2011，09：43-45.
[11]张世文.浅谈如何防止电气误操作[J].中国高新技术企业，2009，2：78-79.
[12]石洪仁.综合自动化站的五防闭锁系统设计与应用研究[D].华南理工大学，2012.
[13]Yang jun yun.Realization of Rules Conversing Software During Five-Prevention Operation[J].Software Technique，2003，22（6）：58-60.
[14]庄宗源.基于图论理论的通用化操作票微机生成系统[J].广东电力，2001（8）：54-57.
作者简介：
王振华（1981—），男，91515部队工程师。
萧耀友（1977—），男，91515部队工程师。