天生橋一級水電站五防系統(tǒng)改造

范 銘

（廣東能源集團有限公司天生橋一級水電開發(fā)有限責任公司水力發(fā)電廠，貴州 興義 562400）

1 前言

天生橋一級水電站位于貴州安龍縣與廣西隆林縣交界處，是紅水河水電資源梯級開發(fā)的龍頭電站。電站有4 臺型號相同的發(fā)電機組，電氣主接線采用“發(fā)-變-線”接線方式，無高壓開關(guān)站。廠用電系統(tǒng)主要有10 kV 和400 V 兩級廠用電，10 kV 廠用電共5 段，400 V 廠用電共19 段，外來廠用電線路共3 條。

2 原五防系統(tǒng)存在的主要問題

電站原五防系統(tǒng)為機械程序鎖系統(tǒng)，共使用約500 把機械鎖，通過機械鎖之間的相互閉鎖實現(xiàn)五防功能。投運近10 年，主要存在以下問題：

（1）GIS、勵磁系統(tǒng)等設(shè)備改造后，裝設(shè)在原設(shè)備上的機械鎖不能與新設(shè)備有效融合，導(dǎo)致部分防誤功能失效。

（2）機械程序鎖系統(tǒng)操作路徑唯一且較為繁瑣，運行人員編制操作票時需符合機械程序鎖順序，執(zhí)行操作時需帶上操作流程指南，導(dǎo)致操作效率低下。

（3）機械卡滯等偶發(fā)性故障需臨時處理，增加了操作的不確定性。

基于以上原因，為完善電站防誤功能，減輕運行人員工作強度和提升工作效率，需對五防系統(tǒng)進行升級改造。

3 五防系統(tǒng)改造功能需求

3.1 電站使用過的兩套五防系統(tǒng)分析

電站投產(chǎn)20 多年來，先后使用過兩套五防系統(tǒng),第一套五防系統(tǒng)采用藍牙微機防誤閉鎖系統(tǒng),第二套五防系統(tǒng)采用機械程序鎖系統(tǒng)。

3.1.1 藍牙微機防誤閉鎖系統(tǒng)分析

藍牙微機防誤閉鎖系統(tǒng)，屬于老式微機防誤系統(tǒng)的一種，該系統(tǒng)將藍牙及同步編碼多分址技術(shù)運用到系統(tǒng)中去，通過構(gòu)造一個小型無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)實現(xiàn)了防誤主機與電腦鑰匙、以及電腦鑰匙之間的無線信息同步，以實現(xiàn)實時防誤功能并提高了倒閘操作的效率[1]。但實際使用效果不理想，存在以下問題：

（1）藍牙微機五防閉鎖系統(tǒng)在設(shè)備操作過程中經(jīng)常因藍牙數(shù)據(jù)傳輸故障等原因?qū)е碌归l操作過程中五防功能被迫中斷，使后續(xù)倒閘操作在失去防誤閉鎖安全保障的情況下進行。

（2）藍牙微機五防閉鎖系統(tǒng)在10 kV 廠用電開關(guān)柜改造之后，由于開關(guān)柜控制系統(tǒng)采用了542 PLUS一體化控制器，沒有對應(yīng)的強電回路，工作原理發(fā)生了變化，使藍牙微機五防閉鎖系統(tǒng)電腦鑰匙無法正常使用，導(dǎo)致藍牙微機五防閉鎖系統(tǒng)功能在廠用電開關(guān)上無法正常實現(xiàn)[2]。

3.1.2 機械程序鎖系統(tǒng)分析

機械程序鎖系統(tǒng)可以確保按照電氣操作的基本原則和邏輯執(zhí)行操作，且僅當上一操作順序的設(shè)備操作到位后，用該設(shè)備的操作閉鎖鑰匙置換出下一步操作設(shè)備的操作鑰匙，才能進行下一步操作，杜絕人為改變操作步驟的可能性[3]。但存在以下問題：

（1）機械程序鎖系統(tǒng)難以進行調(diào)整和擴展，當設(shè)備改造后防誤功能極有可能失效。

（2）機械程序鎖系統(tǒng)是以設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌霭l(fā)點進行防誤邏輯即解鎖流程設(shè)計，若需從流程中間啟動解鎖流程，則需使用萬能鑰匙，此時防誤功能可能失效。

（3）機械程序鎖系統(tǒng)施工安裝時需要在電氣設(shè)備柜體或本體上開孔，或需要對電氣設(shè)備操作機構(gòu)進行改造，破壞了設(shè)備的完整性。

3.2 五防系統(tǒng)改造需求分析

電站五防系統(tǒng)主要配置在機組段和廠用電，控制設(shè)備為斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、接地線、電氣設(shè)備柜門或網(wǎng)門。以上設(shè)備除220 kV 調(diào)度管轄設(shè)備以計算機監(jiān)控系統(tǒng)遠方操作為主要操作方式外，均以現(xiàn)地操作為主要操作方式，大部分為室內(nèi)設(shè)備，少部分為室外設(shè)備，其中壩區(qū)廠用電距離廠房較遠。另外，一部分斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)的分合閘信號并未送入計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

機組段設(shè)備情況：除發(fā)電機中性點接地開關(guān)操作機構(gòu)和柜門無任何閉鎖外，18 kV 隔離開關(guān)和220 kV 斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)均有自帶的電氣邏輯閉鎖，接地樁無任何閉鎖。

廠用電設(shè)備情況：35 kV 外來廠用電開關(guān)柜柜門、PT 柜柜門無任何閉鎖，10 kV 開關(guān)柜均有自帶的機械閉鎖、電氣邏輯閉鎖，10 kV 廠用電各段PT柜柜門無任何閉鎖，10 kV 廠用變壓器柜門或網(wǎng)門大部分無任何閉鎖，接地樁無任何閉鎖。

通過比較分析電站先后使用過的兩套五防系統(tǒng)優(yōu)缺點和前往其它水電站及五防系統(tǒng)設(shè)備廠家考察調(diào)研，結(jié)合電站設(shè)備實際，確定電站五防系統(tǒng)改造主要需求如下：

（1）五防系統(tǒng)應(yīng)簡單、可靠、擴展性好。

（2）五防系統(tǒng)的安裝不會對設(shè)備的功能、結(jié)構(gòu)造成影響。

（3）五防系統(tǒng)具備較強的獨立性，五防系統(tǒng)的安裝不會對其它設(shè)備造成影響，不會造成設(shè)備操作的不便，其它設(shè)備的改造也不會對五防系統(tǒng)造成影響。

（4）五防系統(tǒng)應(yīng)符合國家和行業(yè)標準要求，特別是滿足網(wǎng)絡(luò)安全和國產(chǎn)化要求。

3.3 五防系統(tǒng)選型及特殊要求

基于電站五防系統(tǒng)改造需求分析，決定采用微機防誤系統(tǒng)中的智能防誤系統(tǒng)，并提出以下特殊要求：

（1）智能防誤系統(tǒng)支持離線模式、在線模式和混合模式。

（2）智能防誤系統(tǒng)不采用電氣編碼鎖，目的是不破壞電氣設(shè)備控制部分原始設(shè)計和結(jié)構(gòu)。

（3）智能防誤系統(tǒng)不采用專用地線頭、專用接地樁，接地樁的強制閉鎖通過使用專門設(shè)計的金屬閉鎖盒來實現(xiàn)，目的是規(guī)避接地線和接地頭改接、接地樁打孔或接地扁鐵更換帶來的合規(guī)性方面的問題。

（4）智能防誤系統(tǒng)使用的鎖具種類應(yīng)盡量少，便于后期維護管理。

4 項目實施

4.1 五防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

經(jīng)電站人員與廠家人員共同研究，確定了五防系統(tǒng)（智能防誤系統(tǒng)）的具體結(jié)構(gòu)和功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，分為站控層、間隔層、執(zhí)行層。

圖1 五防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

站控層設(shè)備包含防誤主機、防誤工作站、正向隔離裝置。防誤主機、正向隔離裝置安裝在電站綜合機房指定機架，防誤工作站安裝在運行后臺即辦票室。防誤主機和防誤工作站負責五防系統(tǒng)軟件平臺搭建，是整個五防系統(tǒng)的核心。電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)向防誤主機傳送設(shè)備狀態(tài)信號，防誤主機不向計算機監(jiān)控系統(tǒng)傳送閉鎖信號或設(shè)備狀態(tài)信號，在計算機監(jiān)控系統(tǒng)和防誤主機之間配置正向隔離裝置，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信號的單向傳輸，滿足網(wǎng)絡(luò)安全要求。防誤工作站是人機交互中心，維護人員通過防誤工作站對五防系統(tǒng)進行常規(guī)維護，運行人員通過防誤工作站進行模擬開票、下發(fā)操作任務(wù)等日常操作。

間隔層包含通信適配器、電腦鑰匙、VW-Net 無線局域網(wǎng)。通信適配器、電腦鑰匙和防誤工作站布置在一起，VW-Net 無線局域網(wǎng)由安裝在廠房各層的ZigBee 基站構(gòu)建。通信適配器是防誤工作站與電腦鑰匙通信的紐帶，具備電腦鑰匙在位檢測、充電、指示功能。電腦鑰匙接收防誤工作站通過通信適配器或VW-Net 無線局域網(wǎng)下發(fā)的操作任務(wù)，執(zhí)行五防鎖具解鎖操作和回傳解鎖記錄。VW-Net 無線局域網(wǎng)為單獨組網(wǎng)形式，不與其它數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進行交互，網(wǎng)絡(luò)安全性高[4]，為在線模式時提供穩(wěn)定的通信通道。

執(zhí)行層主要包含機械編碼鎖、開關(guān)閉鎖盒，用于對設(shè)備操作機構(gòu)進行強制閉鎖。

4.2 項目施工

4.2.1 施工規(guī)劃

現(xiàn)場施工結(jié)合機組年度檢修工作開展，機組檢修期間相應(yīng)10 kV 廠用電也會開展檢修工作，現(xiàn)場施工分5 次進行，即電站每臺機組檢修入場施工1次，最后再入場收尾1 次，施工流程見圖2。

圖2 施工流程

為確保施工安全，廠家施工人員按照電站管理要求辦理施工許可手續(xù)，開具工作票，由電站人員監(jiān)督、配合開展工作。

4.2.2 五防鎖具安裝

每臺機組段五防鎖具安裝流程相同。先拆除原五防系統(tǒng)機械鎖具，對室外機械鎖具拆除后遺留的孔洞進行防雨封堵處理。再根據(jù)新五防系統(tǒng)閉鎖控制要求裝設(shè)機械編碼鎖、開關(guān)閉鎖盒，使用電腦鑰匙讀取鎖碼值并做好記錄。機械編碼鎖根據(jù)所控制設(shè)備進行命名并安裝銘牌。整個電站安裝使用機械編碼鎖近500 把，開關(guān)閉鎖盒120 余個，固定鎖2 把，屏柜門鎖2 把。

4.2.3 接地樁閉鎖盒設(shè)計和安裝

接地樁強制閉鎖通過安裝接地樁閉鎖盒實現(xiàn)，接地樁閉鎖盒結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 接地樁閉鎖盒結(jié)構(gòu)

圖 4 ZigBee 基站安裝總圖

接地樁閉鎖盒采用不銹鋼材料制作，由外罩和底座兩部分組成，尺寸經(jīng)現(xiàn)場測試確定，能完全罩住接地樁和接地線接地端。安裝方法為將底座穿過接地樁用螺絲固定在地面上，外罩扣在底座上，機械編碼鎖掛在外罩和底座伸出部分構(gòu)成的鎖鼻上。

4.2.4 VW-Net 無線局域網(wǎng)搭建

只在廠房內(nèi)有五防鎖具的樓層搭建VW-Net 無線局域網(wǎng)，廠房外區(qū)域使用離線模式。施工人員手持ZigBee 基站測量信號強度，確定廠房每層所需基站數(shù)量和安裝位置，先布設(shè)供電線路再安裝ZigBee基站。ZigBee 基站電源取自電站公用逆變電源，電源柜利用原五防系統(tǒng)電磁鎖柜，廠房每層基站均從電源柜獨立取電，配置獨立的電源空開。ZigBee 基站安裝總圖見圖4。

4.2.5 五防系統(tǒng)基本框架組建

首臺機組段五防鎖具安裝完成后，進行五防系統(tǒng)組建。先將防誤主機、防誤工作站、通信適配器、電腦鑰匙安裝就位，上電完成基礎(chǔ)配置，再根據(jù)電站主接線圖、廠用電接線圖完成模擬圖繪制，最后將首臺機組段五防鎖具名稱、鎖碼值錄入五防系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，建立五防鎖具與模擬圖中設(shè)備一一對應(yīng)的關(guān)系，五防系統(tǒng)基本框架組建完成。

4.2.6 計算機監(jiān)控系統(tǒng)與五防系統(tǒng)通信

五防系統(tǒng)組建完成后，計算機監(jiān)控系統(tǒng)與五防系統(tǒng)通信由電站人員、計算機監(jiān)控系統(tǒng)廠家人員、五防系統(tǒng)廠家人員共同完成。先由電站人員在計算機監(jiān)控系統(tǒng)開關(guān)量點表中挑選出五防系統(tǒng)需要的開關(guān)量形成五防系統(tǒng)開關(guān)量點表，再由計算機監(jiān)控系統(tǒng)廠家人員、五防系統(tǒng)廠家分別在計算機監(jiān)控系統(tǒng)和五防系統(tǒng)進行配置，實現(xiàn)計算機監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)正向隔離裝置向五防系統(tǒng)單向傳送五防系統(tǒng)所需開關(guān)量點表通信功能。

4.2.7 防誤邏輯設(shè)置

防誤邏輯的設(shè)置是五防系統(tǒng)改造的核心環(huán)節(jié)，決定了五防功能完善與否。五防是指：防止誤分、合斷路器；防止帶負荷分、合隔離開關(guān)；防止帶電掛（合）接地線（接地開關(guān)）；防止帶地線送電；防止誤入帶電間隔[5]。智能鎖控系統(tǒng)的邏輯設(shè)置，就是設(shè)置設(shè)備的操作閉鎖條件，具體到執(zhí)行層就是設(shè)置五防鎖具的解鎖條件。防誤邏輯的設(shè)置由電站人員和廠家人員共同完成，電站人員提出防誤邏輯，廠家人員在五防系統(tǒng)內(nèi)按照電站人員要求進行設(shè)置。防誤邏輯設(shè)置原則見表1。

表1 防誤邏輯設(shè)置原則

4.3 項目驗收

為保證項目施工達到預(yù)期要求，在項目施工各階段進行階段性驗收，分為五防鎖具驗收、防誤功能驗收和整體功能驗收3 個層級。

4.3.1 五防鎖具驗收

五防鎖具驗收在每臺機組段五防鎖具安裝完成后各開展一次，主要目的是確保五防鎖具安裝情況和五防系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的配置情況完全一致。由2 組人員獨立進行，每組2 人，一是核對五防鎖具是否全部正確、可靠安裝到位，二是核對五防鎖具名稱是否和所控制設(shè)備相符，三是核對五防鎖具鎖碼值是否和五防系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫配置一致。

4.3.2 防誤功能驗收

在每臺機組段防誤邏輯設(shè)置完成后，進行防誤功能驗收，分為防誤邏輯測試和五防鎖具解鎖測試兩部分。

防誤邏輯測試：在五防工作站模擬開票，滿足防誤條件時允許操作，不滿足防誤條件時不允許操作且有報警提示。對機組段所有設(shè)備進行模擬開票測試，驗證防誤邏輯設(shè)置正確有效。

五防鎖具解鎖測試：對機組段所有五防鎖具進行解鎖操作，不進行設(shè)備實際操作。使用兩把電腦鑰匙A 和B，電腦鑰匙A 下發(fā)有操作任務(wù)去解鎖五防鎖具C，電腦鑰匙B 未下發(fā)有操作任務(wù)，先用電腦鑰匙B解鎖五防鎖具C，此時電腦鑰匙B報錯誤提示，再用電腦鑰匙A 解鎖其它五防鎖具，此時電腦鑰匙A報錯誤提示，最后再用電腦鑰匙A解鎖五防鎖具C，此時電腦鑰匙A 顯示操作正確。對機組段所有五防鎖具進行同樣測試，驗證五防鎖具防誤功能有效。

4.3.3 整體功能驗收

項目施工全部完成后，經(jīng)過五防鎖具驗收、防誤功能驗收，五防系統(tǒng)經(jīng)過數(shù)次迭代，防誤邏輯已基本確定，五防系統(tǒng)使用方法也基本確定，此時開展整體功能驗收。一是測試五防系統(tǒng)站控層、間隔層設(shè)備性能指標是否滿足要求，如電腦鑰匙持續(xù)工作時間是否達到要求。二是測試在線模式、離線模式是否穩(wěn)定。三是在組段檢修工作結(jié)束恢復(fù)備用過程中，實操驗證防誤邏輯是否正確和五防系統(tǒng)整體功能是否符合要求。

5 五防系統(tǒng)改造后使用情況

電站未使用五防系統(tǒng)的電子票等擴展功能，只使用其核心的防誤功能。當有操作任務(wù)時，運行人員在五防工作站按照已簽發(fā)的紙質(zhì)操作票操作順序模擬開票，對紙質(zhì)操作票進行防誤邏輯驗證，模擬開票成功后將操作任務(wù)下發(fā)至電腦鑰匙，操作過程中需要解鎖五防鎖具時使用電腦鑰匙解鎖。

電站共配置有3 把電腦鑰匙，可以同時允許3組操作人員進行操作。在工作模式上，有離線模式、在線模式供運行人員自由選擇，廠房外設(shè)備操作只能使用離線模式。使用在線模式時，防誤工作站模擬圖中設(shè)備狀態(tài)實時刷新，能實時監(jiān)視操作過程。使用離線模式時，設(shè)備狀態(tài)在操作結(jié)束電腦鑰匙回傳操作任務(wù)后刷新。

為正確完整實現(xiàn)五防系統(tǒng)功能，避免出現(xiàn)走空程序、五防鎖具解鎖后不上鎖或更換五防鎖具位置、隨意更改防誤邏輯等不安全情況，電站制定了五防系統(tǒng)管理制度，通過管理手段控制人的不安全行為，彌補五防系統(tǒng)在技術(shù)上存在的不足。

使用實踐證明，改造后的五防系統(tǒng)達到了預(yù)期目標。

6 結(jié)語

天生橋一級水電站在進行第三套五防系統(tǒng)改造時，對比分析了先后使用過的兩套五防系統(tǒng)優(yōu)缺點，結(jié)合電站實際，提出了五防系統(tǒng)改造需求，結(jié)合機組年度檢修開展五防系統(tǒng)改造工作。新五防系統(tǒng)簡單、可靠、易維護、擴展性強，能滿足電站未來較長時間的防誤需求，能為電站安全生產(chǎn)提供有力保障。

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