天生桥一级水电站五防系统改造

范 铭

（广东能源集团有限公司天生桥一级水电开发有限责任公司水力发电厂，贵州 兴义 562400）

1 前言

天生桥一级水电站位于贵州安龙县与广西隆林县交界处，是红水河水电资源梯级开发的龙头电站。电站有4 台型号相同的发电机组，电气主接线采用“发-变-线”接线方式，无高压开关站。厂用电系统主要有10 kV 和400 V 两级厂用电，10 kV 厂用电共5 段，400 V 厂用电共19 段，外来厂用电线路共3 条。

2 原五防系统存在的主要问题

电站原五防系统为机械程序锁系统，共使用约500 把机械锁，通过机械锁之间的相互闭锁实现五防功能。投运近10 年，主要存在以下问题：

（1）GIS、励磁系统等设备改造后，装设在原设备上的机械锁不能与新设备有效融合，导致部分防误功能失效。

（2）机械程序锁系统操作路径唯一且较为繁琐，运行人员编制操作票时需符合机械程序锁顺序，执行操作时需带上操作流程指南，导致操作效率低下。

（3）机械卡滞等偶发性故障需临时处理，增加了操作的不确定性。

基于以上原因，为完善电站防误功能，减轻运行人员工作强度和提升工作效率，需对五防系统进行升级改造。

3 五防系统改造功能需求

3.1 电站使用过的两套五防系统分析

电站投产20 多年来，先后使用过两套五防系统,第一套五防系统采用蓝牙微机防误闭锁系统,第二套五防系统采用机械程序锁系统。

3.1.1 蓝牙微机防误闭锁系统分析

蓝牙微机防误闭锁系统，属于老式微机防误系统的一种，该系统将蓝牙及同步编码多分址技术运用到系统中去，通过构造一个小型无线数据通信网实现了防误主机与电脑钥匙、以及电脑钥匙之间的无线信息同步，以实现实时防误功能并提高了倒闸操作的效率[1]。但实际使用效果不理想，存在以下问题：

（1）蓝牙微机五防闭锁系统在设备操作过程中经常因蓝牙数据传输故障等原因导致倒闸操作过程中五防功能被迫中断，使后续倒闸操作在失去防误闭锁安全保障的情况下进行。

（2）蓝牙微机五防闭锁系统在10 kV 厂用电开关柜改造之后，由于开关柜控制系统采用了542 PLUS一体化控制器，没有对应的强电回路，工作原理发生了变化，使蓝牙微机五防闭锁系统电脑钥匙无法正常使用，导致蓝牙微机五防闭锁系统功能在厂用电开关上无法正常实现[2]。

3.1.2 机械程序锁系统分析

机械程序锁系统可以确保按照电气操作的基本原则和逻辑执行操作，且仅当上一操作顺序的设备操作到位后，用该设备的操作闭锁钥匙置换出下一步操作设备的操作钥匙，才能进行下一步操作，杜绝人为改变操作步骤的可能性[3]。但存在以下问题：

（1）机械程序锁系统难以进行调整和扩展，当设备改造后防误功能极有可能失效。

（2）机械程序锁系统是以设备状态转变为出发点进行防误逻辑即解锁流程设计，若需从流程中间启动解锁流程，则需使用万能钥匙，此时防误功能可能失效。

（3）机械程序锁系统施工安装时需要在电气设备柜体或本体上开孔，或需要对电气设备操作机构进行改造，破坏了设备的完整性。

3.2 五防系统改造需求分析

电站五防系统主要配置在机组段和厂用电，控制设备为断路器、隔离开关、接地开关、接地线、电气设备柜门或网门。以上设备除220 kV 调度管辖设备以计算机监控系统远方操作为主要操作方式外，均以现地操作为主要操作方式，大部分为室内设备，少部分为室外设备，其中坝区厂用电距离厂房较远。另外，一部分断路器、隔离开关、接地开关的分合闸信号并未送入计算机监控系统。

机组段设备情况：除发电机中性点接地开关操作机构和柜门无任何闭锁外，18 kV 隔离开关和220 kV 断路器、隔离开关、接地开关均有自带的电气逻辑闭锁，接地桩无任何闭锁。

厂用电设备情况：35 kV 外来厂用电开关柜柜门、PT 柜柜门无任何闭锁，10 kV 开关柜均有自带的机械闭锁、电气逻辑闭锁，10 kV 厂用电各段PT柜柜门无任何闭锁，10 kV 厂用变压器柜门或网门大部分无任何闭锁，接地桩无任何闭锁。

通过比较分析电站先后使用过的两套五防系统优缺点和前往其它水电站及五防系统设备厂家考察调研，结合电站设备实际，确定电站五防系统改造主要需求如下：

（1）五防系统应简单、可靠、扩展性好。

（2）五防系统的安装不会对设备的功能、结构造成影响。

（3）五防系统具备较强的独立性，五防系统的安装不会对其它设备造成影响，不会造成设备操作的不便，其它设备的改造也不会对五防系统造成影响。

（4）五防系统应符合国家和行业标准要求，特别是满足网络安全和国产化要求。

3.3 五防系统选型及特殊要求

基于电站五防系统改造需求分析，决定采用微机防误系统中的智能防误系统，并提出以下特殊要求：

（1）智能防误系统支持离线模式、在线模式和混合模式。

（2）智能防误系统不采用电气编码锁，目的是不破坏电气设备控制部分原始设计和结构。

（3）智能防误系统不采用专用地线头、专用接地桩，接地桩的强制闭锁通过使用专门设计的金属闭锁盒来实现，目的是规避接地线和接地头改接、接地桩打孔或接地扁铁更换带来的合规性方面的问题。

（4）智能防误系统使用的锁具种类应尽量少，便于后期维护管理。

4 项目实施

4.1 五防系统结构与功能

经电站人员与厂家人员共同研究，确定了五防系统（智能防误系统）的具体结构和功能，系统结构如图1 所示，分为站控层、间隔层、执行层。

图1 五防系统结构

站控层设备包含防误主机、防误工作站、正向隔离装置。防误主机、正向隔离装置安装在电站综合机房指定机架，防误工作站安装在运行后台即办票室。防误主机和防误工作站负责五防系统软件平台搭建，是整个五防系统的核心。电站计算机监控系统向防误主机传送设备状态信号，防误主机不向计算机监控系统传送闭锁信号或设备状态信号，在计算机监控系统和防误主机之间配置正向隔离装置，实现设备状态信号的单向传输，满足网络安全要求。防误工作站是人机交互中心，维护人员通过防误工作站对五防系统进行常规维护，运行人员通过防误工作站进行模拟开票、下发操作任务等日常操作。

间隔层包含通信适配器、电脑钥匙、VW-Net 无线局域网。通信适配器、电脑钥匙和防误工作站布置在一起，VW-Net 无线局域网由安装在厂房各层的ZigBee 基站构建。通信适配器是防误工作站与电脑钥匙通信的纽带，具备电脑钥匙在位检测、充电、指示功能。电脑钥匙接收防误工作站通过通信适配器或VW-Net 无线局域网下发的操作任务，执行五防锁具解锁操作和回传解锁记录。VW-Net 无线局域网为单独组网形式，不与其它数据网络进行交互，网络安全性高[4]，为在线模式时提供稳定的通信通道。

执行层主要包含机械编码锁、开关闭锁盒，用于对设备操作机构进行强制闭锁。

4.2 项目施工

4.2.1 施工规划

现场施工结合机组年度检修工作开展，机组检修期间相应10 kV 厂用电也会开展检修工作，现场施工分5 次进行，即电站每台机组检修入场施工1次，最后再入场收尾1 次，施工流程见图2。

图2 施工流程

为确保施工安全，厂家施工人员按照电站管理要求办理施工许可手续，开具工作票，由电站人员监督、配合开展工作。

4.2.2 五防锁具安装

每台机组段五防锁具安装流程相同。先拆除原五防系统机械锁具，对室外机械锁具拆除后遗留的孔洞进行防雨封堵处理。再根据新五防系统闭锁控制要求装设机械编码锁、开关闭锁盒，使用电脑钥匙读取锁码值并做好记录。机械编码锁根据所控制设备进行命名并安装铭牌。整个电站安装使用机械编码锁近500 把，开关闭锁盒120 余个，固定锁2 把，屏柜门锁2 把。

4.2.3 接地桩闭锁盒设计和安装

接地桩强制闭锁通过安装接地桩闭锁盒实现，接地桩闭锁盒结构见图3。

图3 接地桩闭锁盒结构

图 4 ZigBee 基站安装总图

接地桩闭锁盒采用不锈钢材料制作，由外罩和底座两部分组成，尺寸经现场测试确定，能完全罩住接地桩和接地线接地端。安装方法为将底座穿过接地桩用螺丝固定在地面上，外罩扣在底座上，机械编码锁挂在外罩和底座伸出部分构成的锁鼻上。

4.2.4 VW-Net 无线局域网搭建

只在厂房内有五防锁具的楼层搭建VW-Net 无线局域网，厂房外区域使用离线模式。施工人员手持ZigBee 基站测量信号强度，确定厂房每层所需基站数量和安装位置，先布设供电线路再安装ZigBee基站。ZigBee 基站电源取自电站公用逆变电源，电源柜利用原五防系统电磁锁柜，厂房每层基站均从电源柜独立取电，配置独立的电源空开。ZigBee 基站安装总图见图4。

4.2.5 五防系统基本框架组建

首台机组段五防锁具安装完成后，进行五防系统组建。先将防误主机、防误工作站、通信适配器、电脑钥匙安装就位，上电完成基础配置，再根据电站主接线图、厂用电接线图完成模拟图绘制，最后将首台机组段五防锁具名称、锁码值录入五防系统数据库，建立五防锁具与模拟图中设备一一对应的关系，五防系统基本框架组建完成。

4.2.6 计算机监控系统与五防系统通信

五防系统组建完成后，计算机监控系统与五防系统通信由电站人员、计算机监控系统厂家人员、五防系统厂家人员共同完成。先由电站人员在计算机监控系统开关量点表中挑选出五防系统需要的开关量形成五防系统开关量点表，再由计算机监控系统厂家人员、五防系统厂家分别在计算机监控系统和五防系统进行配置，实现计算机监控系统经正向隔离装置向五防系统单向传送五防系统所需开关量点表通信功能。

4.2.7 防误逻辑设置

防误逻辑的设置是五防系统改造的核心环节，决定了五防功能完善与否。五防是指：防止误分、合断路器；防止带负荷分、合隔离开关；防止带电挂（合）接地线（接地开关）；防止带地线送电；防止误入带电间隔[5]。智能锁控系统的逻辑设置，就是设置设备的操作闭锁条件，具体到执行层就是设置五防锁具的解锁条件。防误逻辑的设置由电站人员和厂家人员共同完成，电站人员提出防误逻辑，厂家人员在五防系统内按照电站人员要求进行设置。防误逻辑设置原则见表1。

表1 防误逻辑设置原则

4.3 项目验收

为保证项目施工达到预期要求，在项目施工各阶段进行阶段性验收，分为五防锁具验收、防误功能验收和整体功能验收3 个层级。

4.3.1 五防锁具验收

五防锁具验收在每台机组段五防锁具安装完成后各开展一次，主要目的是确保五防锁具安装情况和五防系统数据库中的配置情况完全一致。由2 组人员独立进行，每组2 人，一是核对五防锁具是否全部正确、可靠安装到位，二是核对五防锁具名称是否和所控制设备相符，三是核对五防锁具锁码值是否和五防系统数据库配置一致。

4.3.2 防误功能验收

在每台机组段防误逻辑设置完成后，进行防误功能验收，分为防误逻辑测试和五防锁具解锁测试两部分。

防误逻辑测试：在五防工作站模拟开票，满足防误条件时允许操作，不满足防误条件时不允许操作且有报警提示。对机组段所有设备进行模拟开票测试，验证防误逻辑设置正确有效。

五防锁具解锁测试：对机组段所有五防锁具进行解锁操作，不进行设备实际操作。使用两把电脑钥匙A 和B，电脑钥匙A 下发有操作任务去解锁五防锁具C，电脑钥匙B 未下发有操作任务，先用电脑钥匙B解锁五防锁具C，此时电脑钥匙B报错误提示，再用电脑钥匙A 解锁其它五防锁具，此时电脑钥匙A报错误提示，最后再用电脑钥匙A解锁五防锁具C，此时电脑钥匙A 显示操作正确。对机组段所有五防锁具进行同样测试，验证五防锁具防误功能有效。

4.3.3 整体功能验收

项目施工全部完成后，经过五防锁具验收、防误功能验收，五防系统经过数次迭代，防误逻辑已基本确定，五防系统使用方法也基本确定，此时开展整体功能验收。一是测试五防系统站控层、间隔层设备性能指标是否满足要求，如电脑钥匙持续工作时间是否达到要求。二是测试在线模式、离线模式是否稳定。三是在组段检修工作结束恢复备用过程中，实操验证防误逻辑是否正确和五防系统整体功能是否符合要求。

5 五防系统改造后使用情况

电站未使用五防系统的电子票等扩展功能，只使用其核心的防误功能。当有操作任务时，运行人员在五防工作站按照已签发的纸质操作票操作顺序模拟开票，对纸质操作票进行防误逻辑验证，模拟开票成功后将操作任务下发至电脑钥匙，操作过程中需要解锁五防锁具时使用电脑钥匙解锁。

电站共配置有3 把电脑钥匙，可以同时允许3组操作人员进行操作。在工作模式上，有离线模式、在线模式供运行人员自由选择，厂房外设备操作只能使用离线模式。使用在线模式时，防误工作站模拟图中设备状态实时刷新，能实时监视操作过程。使用离线模式时，设备状态在操作结束电脑钥匙回传操作任务后刷新。

为正确完整实现五防系统功能，避免出现走空程序、五防锁具解锁后不上锁或更换五防锁具位置、随意更改防误逻辑等不安全情况，电站制定了五防系统管理制度，通过管理手段控制人的不安全行为，弥补五防系统在技术上存在的不足。

使用实践证明，改造后的五防系统达到了预期目标。

6 结语

天生桥一级水电站在进行第三套五防系统改造时，对比分析了先后使用过的两套五防系统优缺点，结合电站实际，提出了五防系统改造需求，结合机组年度检修开展五防系统改造工作。新五防系统简单、可靠、易维护、扩展性强，能满足电站未来较长时间的防误需求，能为电站安全生产提供有力保障。

参考文献：

[1] 朱峻峰.天生桥一级水电站蓝牙微机防误闭锁装置[J] .贵州水力发电，2004（4）：68-70.

[2] 岑佳辉.安全隔离闭锁及操作联锁机械钥匙系统的应用[J] .电力安全技术，2013（7）：41-43.

[3] 王靖宇，吴迪，周玉权.机械程序锁在电气设备上的安装和使用[J] .水电站机电技术，2019（9）：51-54.

[4] 张冠杰，辛星召，张玺.浅谈ZigBee 和IPv6 在工业控制中的应用[J] .水电站机电技术，2016（8）：44-46.

[5] 国家能源局.微机型防止电气误操作系统通用技术条件：DL/T687-2010[S] .

[6] 国家能源局.防止电力生产事故的二十五项重点要求（2023 版）[Z] .