摘 要： 論述了電力系統現有防誤操作系統中電腦鑰匙的功能,提出了基于網絡架構的新型電腦鑰匙的設計方案，給出了電腦鑰匙的硬件電路以及軟件框架結構。該電腦鑰匙可以滿足各種防誤操作的要求，具有很好的應用前景。
關鍵詞： 電腦鑰匙; 無線傳感器網絡; CAN總線;? 操作系統?
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微機防誤閉鎖系統的電腦鑰匙，用于在操作過程中接收“五防”主機發出的操作票，然后按照操作票內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，則電腦鑰匙將發出報警并強制閉鎖，從而有效避免誤操作事故的發生。電腦鑰匙作為防止電力系統誤操作的終端設備，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，由于技術條件和設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)無法實現防誤操作系統對于集控站遙控操作的閉鎖。
(3)在單人和檢修參與操作時，無法實現防誤系統對變電所解鎖操作遠程監控功能。
??? (4)在實現系統操作時，無法完成聯絡線路兩側防誤聯鎖問題。
(5)當變電所操作量大時，無法解決多任務并行操作的問題[2]。
上述存在的問題，癥結就在于離線式的電腦鑰匙。本文即根據現場存在的實際問題提出新一代電腦鑰匙的設計方案。把電腦鑰匙設計成CAN現場總線網絡、GSM網絡和無線傳感器網絡中的集線節點，以FREESCALE工業級MCP芯片作為中央處理器，配備自編的實時操作系統，可以很好地滿足電力現場對于防誤操作系統的新要求。
1 電腦鑰匙硬件電路
根據電力系統現場能否鋪設有線電纜的具體情況，按照與控制中心的聯絡方式不同設計了2種電腦鑰匙：一種是基于CAN現場總線通信網絡，另外一種是基于GSM無線通信網絡。 圖1為基于CAN現場總線通信網絡的電腦鑰匙硬件系統框圖。圖2為基于GSM無線通信網絡的電腦鑰匙硬件系統框圖。
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硬件系統電路包含以下幾部分：中央處理器選用FREESCALE公司生產的工業級芯片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數據分配器與SCI接口相連。
2 電腦鑰匙軟件設計
電腦鑰匙軟件開發基于復旦大學嵌入式實驗室自行研發的FDCX08實時多任務操作系統。FDCX08操作系統支持多至8個任務同時運行，采用優先級任務調度方法，支持搶先調度，支持任務間通信，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，可為各個任務提供定時和超時計數服務；支持MC9S08DZ32的各種中斷，為各個任務提供中斷處理服務。操作系統的要求比較簡單，要求該操作系統最大程度地減少系統的開銷，將任務調度和系統調用的時間縮至最小。
FDCX08的體系結構如圖3所示。
系統任務為最低優先級，主要完成CAN總線、SCI、SPI通信、報警以及系統檢驗任務；輸入任務包括遠方嵌入式“五防”主機（簡稱“五防”主機）下達的命令任務，以及由智能鎖具傳來的狀態信息；每個控制任務代表一個控制通道，輸出任務是對不同輸入任務的響應。圖4為電腦鑰匙的軟件結構。
3 電腦鑰匙操作過程
基于網絡的防誤操作系統對變電站所有開關、刀閘、接地線等進行統一編碼，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，還要檢測設備狀態，當這2個條件都滿足時，鎖才能被打開，設備才允許操作。
操作過程需要模擬演示和實際操作二部分。當進入仿真培訓功能時，控制中心 “五防”主機自動將培訓操作前的模擬屏狀態記憶下來，并將仿真培訓狀態下模擬屏各元件的分、合閘位置建立一個虛擬的開關量狀態表，實現對仿真培訓操作的綜合分析，判斷操作的正誤，給出操作信息，指導運行人員進行正確的操作，同時記錄錯誤的原因和性質，并打印出結果以供今后分析使用。退出仿真培訓功能時，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，強制運行人員將模擬屏狀態恢復至正確狀態。從而有效地保證了模擬屏狀態與現場設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據有序地放在其內部Flash存儲器中，并嚴格按此步驟識別待操作的設備編碼,只有設備與操作票相吻合時，電腦鑰匙才能打開編碼鎖，開放操作機構或接通操作回路，允許對設備進行倒閘操作。當設備完成倒閘操作并重新閉鎖好后,向電腦鑰匙發出響應信號，表示該項操作完成,電腦鑰匙的操作項緩沖區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,通過網絡實時地將操作設備的分、合閘動作反饋到主控制室，使主控制室工作人員能及時監視到現場操作的每一步，從而進一步提高整個系統的綜合性能。
4 幾種特殊閉鎖方式的實現
“五防”主機對設備狀態信息實時刷新，實時檢測開關、刀閘的狀態并據此隨時校驗操作步驟。下面為幾種特殊閉鎖方式的實現：
(1)線路側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變換器將線路側帶電與否的信號加在機械鎖的狀態輸入端，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，僅當此狀態符合規程要求時，機械編碼鎖才可被打開，接地刀或接地線方可被操作。
(2)對側接地刀閉合時閉鎖出線刀閘
將對側接地刀狀態通過載波送到本側，然后通過解碼設備分離出狀態信號，并送入出線刀閘機械鎖的狀態輸入端供電腦鑰匙檢測。當對側接地刀狀態符合電腦鑰匙操作狀態要求時，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
系統采用遙控閉鎖繼電器對監控操作實施硬接點強制閉鎖，在操作回路中串聯接入閉鎖常開接點，防止在集控站遠方操作或當地監控操作中，由于運行人員操作不當所造成的誤操作，也可解決當地監控系統或通信系統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個電腦鑰匙一側通過還是之間通過，從而驗證現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2 組目標運動軌跡參數，可以通過判斷d的大小和變化規律區分目標的實際運行軌跡。
采用了先進的計算機技術，通信技術和抗干擾技術設計的基于網絡的防誤閉鎖系統電腦鑰匙，以防誤閉鎖為主，又有電力系統仿真培訓及管理的實用功能，更能完成以往離線式電腦鑰匙不能解決的任務，可以實現現場和集控2種操作方式下的防誤閉鎖。合理的網絡框架設計可以支持各種通信規約。
這種防誤閉鎖系統電腦鑰匙，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生誤操作的可能性，也為現代化運行操作方式提供了防誤閉鎖方法，可廣泛地應用于各種電壓等級、各種復雜接線的發電廠和變電站，具有很好的發展前景。
參考文獻
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