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【关键词】 核电厂数字化I&C系统关键技术
仪表和控制系统(简称仪控系统,I&C系统)具有对核电厂进行监测、显示、控制和保护的功能,是核电厂安全可靠运行的重要组成。随着计算机技术和控制技术的迅猛发展,核电厂I&C系统已经在逐步实现数字化。核电厂数字化I&C系统较之前的模拟I&C系统、部分数字化I&C系统的安全性和可靠性具有显著提高。
由于核电厂具有其特殊的安全保障需求,因此对于数字化I&C系统的研究具有重要意义。
2 数字化I&C系统概述
数字化I&C系统一般设计为分层结构,根据I&C系统的不同,分层方式有所差异,比较具有代表性的分层方法为:自底层到高层可以分为工艺系统接口层、自动控制和保护层、操作和管理信息层、全厂技术管理层。采用分层结构可以将功能分散,减少信息在传输、控制过程中丢失的风险,提高I&C系统可靠性。分层结构中的工艺系统接口层以及自动控制和保护层相对比较重要,因为对工艺系统实际控制工作都完成于这两层,而I&C系统的更新升级也多集中于这两层。
一对一功能分散和并行性是数字化I&C系统建设的两大基本原则。数字化I&C的分层结构保证了一对一功能分散;数字化I&C系统的技术基础是二进制数码的串行传输,为了保证数字化I&C系统的并行性以及传输效率,一般采用多CPU技术,依靠分时运行技术的应用以及CPU处理速度的大幅提高,使得时间分片串行运算像是并行动作,从而保证了信息集中监控的并行性实现。
从数字化I&C系统的网络结构分析,其主要经历了集散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)两个阶段。DCS将模拟仪表和计算机技术相融合,即保留了模拟量一对一的特点,又利用计算机信息处理技术将I&C系统进行信息管理和集中显示控制,属于半数字化的I&C系统。FCS则是数字化I&C系统的典型代表,将分散的模拟仪表按系统功能的划分进行集中布置,即有效继承了一对一功能,又实现了利用计算机进行信息化管理。对于数字化I&C系统的网络传输也随着网络的发展由现场对象的控制到整个电厂或系统的管理,甚至是向全球化网络控制发展。
综上所示,数字化I&C系统是向着由局部模拟仪表自动化到整体数字仪表自动化再到全局信息网络自动化的方向进行发展的。
3 数字化I&C系统关键技术
3.1 数字化反应堆保护系统
反应堆保护系统的功能是对反应堆现场的工作状况信号进行接收,并经过计算机处理后控制停堆断路器的状态。其中停堆断路器是用来控制棒控系统所有停堆棒组的电源,令全部停堆棒和控制棒快速进入堆芯地步,终止核反应,限制或防止堆芯及压力容器的损坏。
以某M310核电厂为例,数字化反应堆保护系统由反应堆停堆系统(RTS)和安全专设驱动系统(ESFAS)两个部分组成。RTS采用四通道冗余设计,并且每个通道均独立于其它通道进行工作。数字化I&C系统通过模拟采集卡对反应堆现场的工作状况信号进行采集,并输入CPU处理单元,经过阈值比较后参与本通道的表决逻辑处理。同时把阈值比较结果传输到其他通道参与表决逻辑处理;各个保护通道接收到与之判决结果后经四取二表决逻辑把结果传输给本通道对应的停堆断路器,从而达到控制停堆断路器状态的目的。ESFAS采用A、B列二重冗余设计,两列彼此隔离,分别采集来自4个RTS通道的表决信号,再进行一次四取二表决逻辑把结果传输给现场执行机构,从而完成安全壳隔离、堆芯冷却、余热排出等安全功能。
由于保护系统执行安全功能,因此其采用的数字化平台必须是通过1E级鉴定的,且响应时间和可靠性都有很高要求。
3.2 核电厂控制系统
核电厂控制系统的主要功能是在电厂正常运行工况下执行自动控制和监督任务。核电厂控制系统采用非安全级数字化平台。以某M310核电厂为例,其电厂控制系统为倒挂树型MESH网结构。各个工艺系统的控制逻辑按照合理的功能分组原则分配的不同的CPU上,各个机柜的CPU通过该MESH网的交换机进行数据通讯。
3.3 运行和控制中心系统
运行和控制中心系统包括操作和控制核电厂的所有设施,如主控制室、远距离停堆室、运行支持中心、技术支持中心、就地控制站和应急指挥中心等。
为了保证安全功能的分配,在设计反应堆运行和控制系统时需要充分考虑人和机器的特性以及局限性,对核电厂进行安全功能要求分析和功能分配,并进行评估,使得人机接口的设计能够完全支持核电厂任务的执行。在设计过程中要使人因工程系统性的结合到控制室和人机接口的设计中,确保操作人员能够安全有效的对核电厂进行管理和控制。
3.4 特殊监测系统
特殊检测系统是数字化I&C系统中一个独立的诊断系统并在单独平台上实施,把传感器的数据进行预处理并进行诊断,包括用于检测反应堆冷却剂系统内金属碎片的松动部件检测系统、冷却剂泵震动检测系统、堆芯吊篮震动检测系统等。
3.5 堆芯仪表系统
堆芯仪表系统是为其他系统提供堆芯仪表信号。该系统能够测得堆芯中的三维中子注量率分布图,对保护和安全检测系统的中子注量率探测器进行标定并优化堆芯性能。
4 结语
本文介绍了核电厂数字化I&C系统,该系统凭借其自身在技术上的优势对提高核电厂的经济效益、工作效率以及安全性方面均有巨大的贡献。因此,对其关键技术的研究具有重大的科研意义、经济意义与安全意义。
参考文献:
[1]王远隆.核电仪控技术应用中的基本问题[J].中国核电,2010,(4).
[2]杨岐.核电厂数字化I&C系统关键技术研究现状及发展策略[J].核动力工程,2002,(23).
【关键词】数字化系统;人机界面;画面;人因
1 数字化人机界面介绍
1.1 数字化人机界面概述
安全是核电存在和发展的基础,一旦发生事故,不但造成重大的人员和经济损失,也会产生超出自身范围的巨大社会负面影响。而主控制室是核电厂信息显示、信息处理和控制中心,对保证核电厂可靠与安全运行有着至关重要的作用。至今为止,所发生的重大核电事故,例如:三哩岛、切尔诺贝尔核电站事故,经论证都是人因失误造成的[1]。两次重大事故之后,世界各国在主控室设计方面都开始考虑人机工程学因素。大量的核电工程实践表明有效的控制室人因工程设计与友好的人机界面对减少人因失误、提高核电厂的可利用率有积极的作用。因而,核电厂主控制室设计者在充分考虑电站功能的同时,更注重主控室人机界面的设计。
1.2 数字化人机界面设计的基本原则
为了满足反应堆的安全目标和运行目标,一般采用以下的数字化人机界面的设计原则:
简洁:显示画面应尽可能简单、清楚、易于理解,画面涵盖操纵员所关注的主要信息;
灵活和高效:运行参数应可以多种显示方式,如模拟图、参数表、趋势曲线等,以适应不同的监测目的;
一致性:整个人机界面设计要保持画面设计风格一致性,包括图形元素、标志符号、颜色、闪光的使用应保持一致,符号和标注文字的大小应保持一致;
美观:注意颜色的选用和色彩搭配,保证显示画面清晰,避免视觉疲劳。
2 数字化人机界面的设计
2.1 总体描述
在主控室内,每个操纵员站由以下设备组成:
带操作系统的服务器;
多个多功能屏幕;
鼠标、跟踪球;
标准键盘;
当操纵员登陆后,人机界面显示默认的画面,屏幕的功能并未从技术上进行限制,操纵员可根据需要对于各屏幕的功能进行设置和选择。
大屏幕位于主控室前方,显示核电站状态的重要参数。
2.2 操作功能描述
操纵员站的主要功能如下:
画面功能
日志功能
报表
历史趋势显示
在线记事本
计算
挂牌功能
计算机化规程显示和操作
报警处理和显示
I&C故障列表
维护功能
打印功能
权限管理等
2.3 人机接口
2.3.1 屏幕布置
操纵员站屏幕分成几个子区域:
1)主面板区
对操纵员可用的系统信息
连接到相关人机界面功能的按钮
连接到和操纵员相关的服务功能的按钮
2)功能标题区
功能标题区可以显示功能描述等信息。
3)功能对话区
每个功能都有各自的功能对话区。
4)画面显示区
显示区用来显示过程数据。
2.4 字体
中/英文字体符合标准要求,字体的大小基于人因以及操纵员和显示器的距离等基于人因分析的结果得出。
2.5 数据时间格式
时间显示格式:HH:MM:SS.mmm
日期显示格式:YYYY-MM-DD
日期时间显示格式:YYYY-MM-DD HH:MM:SS.mmm
2.6 颜色定义
1)报警级颜色定义
报警指示用颜色和闪烁来代表报警的不同级别和状态,用不同颜色标识不同报警级别。
2)趋势曲线颜色
在同一副趋势图中最多可定义多条趋势曲线,曲线色差满足标准对于色差的要求。
3)介质颜色
不同介质采用不同的颜色定义,介质主要有:
气、油、浓缩物;水、蒸馏液;废液,冷凝液;蒸汽;冷却水等。
4)电路母线颜色
不同电路母线采用不同的颜色定义,母线电压主要有:
500kV/220kV/24kV/220V(AC);6.6kV(AC);380V(AC);230V(DC);48-125V(DC)
3 显示画面设计
3.1 画面布置设计原则
3.1.1 画面布置原则
在画面设计过程中,采用以下的原则:
1)在所有画面上,图形对象的相对位置要保持一致;
2)当几个不同的画面中包含同样的设备时,这些设备在不同画面的相对位置要保持一致;
3)将画面中的趋势曲线对象优先放在屏幕中于相关参数接近的位置;
4)尽量减少管道拐角和管道交叉。在必须交叉的情况下,没有连接的管道需要跨越表示;主要管道和设备优于次要管道和设备,水平方向管道优于竖直方向管道;
5)根据运行经验和习惯,对象位置的选择应该符合流体从左至右,从上至下的流动方向,在可能引起混淆的地方应添加箭头来标明流向;
6)为了保证显示画面的可读性,对象之间应该有充足的空间。
3.1.2 画面连续性
当同一个流程的功能被划分在不同显示画面中时,应该保证视觉效果的连续性。设计中可以通过两种方法来实现:一是画面之间保持部分重叠;同时采用合适的动态导航链接。在画面设计过程中应保证采用合适的动态导航连接,对于较重要系统的重要设备可以保持部分重叠。
3.2 数字化系统画面的分类
数字化系统画面分成:工艺过程系统画面和综合画面等类型。
3.3 数字化系统画面元素
显示区域显示的元素主要有可操作的动态数字化元素、不可操作的动态元素、无操作的动态显示元素以及静态显示元素几类。
3.4 管线尺寸
工艺流程图中按不同的特点分为以下三种不同线宽的管线类型:
主工艺管线
次工艺管线
辅助工艺管线
4 人机界面设计中贯彻的人因工程原则[2]
近几年来仪表和控制采用系统数字化技术使得显示内容和显示方法与以往采用的模拟式仪器仪表相比发生极大变大,操纵员通过人机界面获得有关反应堆辅助系统运行工况的监测信息,执行非安全级设备的操作控制,人机界面变成了控制室人机接口最集中的地方。因此在人机界面的设计中适度运用人因工程学原则,设计友好的人机界面,减少人为失误对实现反应堆的安全和可靠运行有重大意义。
人机界面的设计从以下几点着重考虑人因工程原则和运动的实施。
4.1 提供最佳数量的信息
总结以往核电站运行经验,不是控制室给出的信息越多越好。数字化人机界面设计中,最重要的任务是恰当组织画面,既要保证整个工艺系统显示的完整性,又要注意在每一幅画面中信息的多少。每一幅画面中信息量过少,势必导致画面设计过多,信息过于分散;每一幅画面单调,操纵员关注程度降低,不利于掌握系统状态。每一幅画面信息量过多,则加重了操纵员脑力和心理负担。
4.2 人机功能分配最佳化
对相应电站的全部运行工况和事故工况进行分析后,进行任务分配,根据人、机的不同特点,确定最优的人与机器的功能分配。人机功能的合理分配,提供了自动化控制水平,减轻了操纵员负担和体力消耗。
4.3 人-机-环境整体设计
把人-机-环境作为一个整体,在人因工程学研究指导下进行系统化设计,在数字化控制室中,操纵员通过视觉器官接收信息,因此人机界面中符号、颜色等信息的显示应具有可理解性、一致性惯例。
4.3.1 色彩搭配
颜色环境会对人产生心理与生理的影响。操纵员长时间在控制室里监视反应堆运行,完成工艺系统的操作,需要在紧急情况下迅速做出决策,因此为操纵员创造一个良好的工作环境,选用适宜的色彩对减轻操纵员心理负担、减轻视觉疲劳及舒缓工作压力有一定作用,因此人机界面的设计遵循核反应堆中的法规和设计准则,而且要合理地运动色彩。
4.3.2 管线设计
详细见本文3.4节。
4.3.3 符号设计
1)符号的形式
采用工程标准标识符号的计量单位,基本与系统流程图保持一致,减少操纵员对显示信息意义解释的认知要求。
2)符号大小
按照人因工程原则,显示字符的大小应考虑在规定的视距内,人眼对字符的观察张角,制定了适合操纵员的最佳大小的图符。
5 结论
数字化控制室的设计涉及一系列新的问题和技术,数字化仪表控制系统的设计和实施是一次有益的探索和实践。对人机界面设计的验证和确认工作正逐步展开,通过验证和确认及其后的实际使用和评价可以检验人机界面对人因工程的复合程度,人-机功能分配的合理程度,以及各个显示画面的设计是否具有充分性、综合性和易理解行,这些将为数字化人机接口设计积累宝贵经验。
【参考文献】
1目前电力系统自动化的应用情况
1.1自动化电网调度系统
电力系统自动化的重要组成部分之一就是电网调度自动化。我国的电网自动化一共分为五个等级,从大往小的顺序是:国家、大区、省级、地区、县城电网调度。每一级电网的自动化调度都离不开计算机技术,它是组成电网调度自动化的重要部分。除此以外还有大屏蔽显示器、调度范围内的发电厂、工作站以及打印设备等设备。
1.2变电站自动化
输电线路和变电站是联系发电厂和用户间的主要环节。变电站自动化的目的是为了提高工作效率以及变电站运行的安全程度,并且扩大监控功能,取代传统的人工监控、操作。变电站通过应用计算机和网络通讯技术实现自动化,继而对其进行全方位的监控,再将常规的电磁式设备换成全危机的装备;系统集成化和数字化要靠计算机光纤来实现。对设备进行二次重组和优化,然后建立测量、协调和监视的综合性系统。
1.3配电网系统的自动化
在配电网系统中,计算机技术主要是用来改造电网。近些年电网技术的发展也促使着配电系统网络化得到快速发展,配电站的主站和子站以及光纤终端组成了三层结构,这样可以使得配电网系统的通信更快速,性能更好。
2智能电网的特点以及在计算机中的应用
2.1智能电网的特点
智能电网包含有许多现代先进的科技技术,比如:信息技术、控制技术、计算机技术、传感测量技术、通讯技术等等一些高度集成技术。智能电网技术就是对输电、变电、配电、发电以及调度等各方面进行全局控制,利用计算机技术有效的提高效率,并且让系统的稳定性变得稳定,变电站和调度系统也能实现自动化管理。智能电网会根据电能质量、市场条件、电能安全以及周围环境等众多因素来制定合理的重点和目标,发挥其优质、集成、高效、协调、自愈、兼容等众多优点。智能电网的兼容意识是其能适应微电网和分布式发电站的计入,包括风能、太阳能等环保资源接入,完善管理功能和多样化用户对电力的需求。协调,说的是智能电网能够让零售市场和电力批发进行无缝的衔接,以此来提高系统的稳定性。自愈,指的是智能电网有自动处理问题的功能。如果电网内部或外部遭到损坏时,不需要人为的修理维护,其自己会保证电网信息和运行的安全。另外还因为智能电网有先进的信息监控技术,能够提升使用效率,优化网络运行和扩容,电网的成本也能有效的节省下来。统一平台的运用,让电网信息的集成和共享成为可能,并且还能加强电网精细化、规范化、标准化的管理力度。
2.2职能电网的关键技术中计算机的运用
智能电网的关键技术有分布式能源接入技术、只能调度、通信技术、信息管理系统、网络拓扑、测量技术以及新型传感器等等。当然,凡是智能系统都离不开计算机技术的运用,智能电网也一样,通信技术尤其重要,必须要是具备双向性、时效性和可靠性的网络通信技术。除了通讯技术,信息管理系统在智能电网中的应用也非常的广泛。
2.2.1网络拓扑
未来智能电网基础是以灵活和坚强为结构的基础。目前我国的能源部分和生产力的布局存在严重的不平衡,针对这种情况,我国开展了点对点工程、特高压联网工程、直流联网等工程来解决这种情况。现在电网的规模较之以往有了非常大的提升,所以以后电网结构的突发问题也会增多,需要计算机网络技术和电力系统自动化的结合才能灵活应对。
2.2.2通讯系统
智能电网需要有集成、实时、高速、双向的通信系统来支撑,这些都是实现智能电网的必然要素,缺少一个智能电网就无法实现。智能电网有了技术的保障才能获得、保护以及控制数据。所以说,建设智能电网的第一步就是要建设通信系统。通信系统要和电网一样深入到用户中,建立起通讯网络,从而实现智能电网通信网络。在高科技通信系统的支持下,成为大型、动态的电力交换模式。通讯系统一旦建立,会促进智能电网供电的稳定性,以及提升资产利用率,有效防御各种攻击。客户可以靠智能电网的客户服务系统进行交流,满足客户的建议和要求,提升服务能力。智能电网的安全问题是需要格外注意的,最好用实时监控设备对其经行监控,最好带有系统分析能力。对可能造成故障做好预测,对于已经发生的故障和问题,要做出引人注目的响应。监控系统是电网安全运行的技术支撑。
2.2.3信息管理系统
智能信息管理也离不开计算机技术的应用,计算机技术可以有效的对信息进行处理、分析、集成,以及保证其安全。信息的采集和处理包含有智能电子设备、精确的数据、资源的共享、数据实时采集系统以及分布式的数据采集和处理等等;这些经过加工处理的信息是分析电网业务的重要工具,信息的集成主要作用是让智能电网以及各级电网的内部信息形成集成。信息显示系统,顾名思义,主要显示智能电网的各种个性化界面;信息安全系统是整个电力系统中必不可少的,这是一切运行和效益的保障。这一切系统的实现,都需要计算机技术的参与。
3结语
关键词:核电站 仪表控制 数字化 1E 级 目标分析
中图分类号:TP273.5 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2012)07-0001-02
1、数字化技术的特点
数字化仪控系统相对于模拟仪控系统具有明显的优势,具体表现为[1]:(1)具有很好的精确性和很强的逻辑处理、计算能力,能显著提高仪控系统的性能,完成以往模拟仪控系统所无法实现的复杂逻辑处理和计算功能;(2)克服了干扰和漂移的影响,提高了测量精确度与控制精度;(3)以通信网络连接各系统设备,通过网络交换数据,大大减少了电缆的数量,提高了数据传输的可靠性,减少了维护工作量,节约投资;(4)能方便有效的实现冗余、故障安全和容错等功能;(5)能方便、有效的实现在线检查和自诊断功能;(6)系统扩展灵活性好,便于维护;(7)具有很强的数据处理、数据存储能力,改善了人机接口。
2、1E级仪控系统设计目标
根据核电的发展规律及考虑到核电对电厂可用性、安全性与经济性的要求,须以现有成熟的先进技术为基础,采用经过验证的数字化软、硬件结构,实现简单化、标准化、模块化,以满足当代核电法规、标准的要求。数字化1E级仪控系统具有高度自动化程度和完善可靠的故障诊断与试验手段,并能满足如下性能指标:失效概率
3、决定设计目标的影响因素
3.1 1E级仪控系统功能分配
早在核电发展初期,费米就提出核电发展的四个关键性问题:安全性、经济性、废物处理和可持续发展。核电需要持续健康发展,既要保证核电厂的安全运行,也要提高核电厂的经济性。针对核电厂核安全的特殊性要求,确定核电厂安全目标。为了完成核电厂的安全目标,必须保证核电厂安全运行的三大屏障的安全状态。
3.2 工艺系统的要求
核电站1E级仪表控制系统设计目标须依据于核电厂工艺系统的设计水平和其对1E级仪控系统提出的要求。1E级仪控系统的设计目标须与工艺系统所要求的总体技术目标统一考虑。为了更好地利用数字技术来提高核电厂的自动化水平与改善操纵人员的人机界面,对新的核电厂对仪控提出的要求包括敏感元件的设置、仪控系统的综合水平与控制执行手段必须进行全面的分析与评价,才能确定设计目标能否达到。
3.3 仪控的设计能力
仪控系统的设计目标须依据现在所具备的设计能力,包括核电厂设计分析中所掌握的数据,核电厂运行中得到的工程信息反馈与对原有操作规程的实用性以及核电厂运行综合的知识积累。数字化1E级仪控系统的设计严格遵守国际标准、规范和导则,充分利用了数字化技术特点,采取了各种纵深防御措施,加强了系统自诊断功能,提高了系统的可靠性、安全性[3,4,5]。数字化1E级仪控系统设计技术分析如下:
3.3.1 采用单一故障准则
1E级仪控系统设计成四个通道,每一个通道都是相互独立的,隔离的电源供应,隔离的电缆布线,运用各自独立的主传感器,独自的软硬件,运用双向数据传输,并且接受方通道需要发出数据接受确认信号的光纤通信,来实现的。通信故障由系统内置的监测系统来检测。其检测到的错误数据从下一级处理中剔除。因此,一个通道中的故障不会扩散而导致其他通道的失效。当一个通道失效,系统自动从四取二主逻辑切换到三取二逻辑。
3.3.2 采用多重冗余技术
1E级仪控系统都采用4通道冗余结构,所有通道中的工艺状态变量在每个通道中都是同步的,用来保证输出信号的理论响应时间。冗余网关计算机将1E级仪控系统与非1E级正常运行系统相连,以保证从1E级仪控系统到非1E级仪控系统的单向信号能够进行交换。
3.3.3 采用独立性方法
1E级仪控系统的每一个通道都位于各自独立的电子设备间中,四个冗余通道的机柜分别布置在四个不同的房间中,实现实体隔离。每一个通道都有各自独立的并行电源供应系统和通风系统等支持系统。1E级仪控系统各个通道间、1E级仪控系统与非1E级仪控系统之间的数据通信通过光纤连接,实现电气隔离。在有非1E级仪控系统信号控制安全设备的优先级驱动模块中,1E级仪控系统的驱动命令永远有最高的优先级。
3.3.4 采用多样性设计,防止共模故障
为应付可能发生的共模故障,第一采用物理参数多样性准则来处理设计基准事故,即用于描述与处理同一设计基准事故的不同的物理参数用不同的处理机系统A与B分别来处理。第二在1E级仪控系统发生共因故障情况下,通过硬接线的后备盘与就地盘上的手动开关来完成要求的反应堆直接停堆(不通过数字化1E级仪控系统)或安全设施一个系列动作的安全功能。第三也可通过非1E级仪控系统实现安全系统设备级的控制。
3.3.5 数字化技术
关键词:核电厂;数字化控制系统;人因失误;预防
0引言
核电厂作为一个复杂人-机系统,其设计、运行和管理都离不开人的作用。随着科学技术的发展,核电厂硬件设备的性能不断增强,运行环境逐渐改善并提高,核电厂的可靠性大大提高。尽管核电厂的自动化程度提高了,但还需要人来设计、运行、管理以及具体操作。因此,人在核电厂中的作用非常关键。考虑到人的心理、生理以及受教育程度等诸多不同,人因失误的可能性不能忽视,有可能导致核电厂的安全受到影响。核电厂的仪控系统由传统的模拟控制发展到目前广泛使用的数字化控制,使技术、人机界面、规程等情境环境发生了变化,改变了操纵员的认知行为模式,进而衍生出了新的失误机理。因此,有必要开展数字化控制系统中的人因失误分析,研究其特征,进而提出预防策略。
1人因失误定义及分类
1.1人因失误定义
人因失误有多种定义,最基本的是指人不能精确地、恰当地、充分地、可接受地完成其所规定的绩效标准。在技术系统中,人因失误被定义为:在系统的正常或异常运行中,人的某些活动超越了系统的设计功能所能接受的限度。通用的人因失误是指人的行为的结果偏离了规定的目标,或超出了可接受的界限,并产生了不良影响。对于人因失误,不同的专家学者分别从不同的角度给出了定义。Swain给出的工程中人因失误的定义为:任何超过系统正常工作所规定的接受标准或容许范围的人的行为或动作。从心理学的角度,Reason将人因失误定义为:失误是指所有这样的现象,即人们虽然进行了一系列有计划的心理或身体活动,但没有达到预期的结果,而这种失败不能归结为某些外界因素的介入。Lorenzo认为:如果作用于系统的人的任何行为(包含没有执行或疏于执行的行为)超出了系统的容许度,那么就是人因失误。中国学者张力将人因失误定义为:人因失误是指在没有超越人-机系统设计功能的条件下,人为了完成其任务而进行的有计划行动的失败,它包括个体的、群体的和组织的失误。因此,不管如何定义,人因失误都具有如下的特点:①人的失误的重复性与随机性;②人引发的失误的潜在性和不可逆转性;③人的失误行为往往是情境环境驱使的;④人的行为的固有可变性;⑤人的失误的可修复性。
1.2人因失误分类
对于人因失误的分类也有多种不同的方法,总的来说可以分成两大类:一类是早期的从工程观点进行的分类,不考虑人的内在心理活动历程;另一类是认知行为分类法。
1.2.1工程分类法
1.2.1.1Meister分类法
Meister把人因失误分为设计失误、操作失误、装配失误、检查失误、安装失误和维修失误等。设计失误:设计人员的不合理设计造成的失误。操作失误:操作员在现场工作时引起的失误。装配失误:生产过程中装配工人引起的失误。检查失误:是指由于检查产品过程中的疏忽而没有把有缺陷的产品筛选出来。安装失误:没有按照正确的安装手册进行安装。维修失误:一般包括诊断、校验以及维修环境所带来的可能性失误。
1.2.1.2Swain分类法
Swain将人因失误行为分为执行型错误(EOC)和遗漏型(EOO)失误。执行型错误是指某项任务或步骤没有正确执行,或者是执行了某项错误任务或任务不需要的动作。遗漏型失误是指人在完成一项任务时忘记并遗漏了其中的某项步骤或任务。遗漏型失误存在4种可能的形式:完全忘记了应该执行的动作;动作被延迟执行了;过早的执行了动作;以替代的方式完成了另一项任务。
1.2.2认知行为分类法
认知行为分类法主要包括3种分类方法:即关系法、概念法和行为主义法。关系法强调人因失误产生的认知机制,试图提供可用于改善系统设计和训练程序的框架结构。概念法是一种最有效、最有用的方法,它把所有的人因失误分为:偏离(slip)、疏忽(lapse)、错误(mistake)。行为主义法只与可观察的、不期望的人的行为相关联,着重于什么行为发生。下边3种具体分类方法分别对应关系法、概念法和行为主义法。
1.2.2.1Norman分类法-图式系统模型
Norman分类法以人的图式心理学模型为基础,通过所谓的激活-触发-图式系统模型解释行为的偏离。Norman分类法将人因失误分为3类:1)在意向形成中产生的失误。2)图式结构被错误的激活。3)对处于激活状态下的图式结构产生不适时的错误触发,混淆或者未触发激活图式结构。1.2.2.2Reason分类法-错误与疏忽过失模型Reason分类法以失误心理学为基础强调人的行为与其意向的关系,图2给出了Reason关于人的不安全行为的分类框架。
1.2.2.3Rasmussen分类法
Rasmussen在1983年提出了人的3种行为类别之间的差异,代表了人的3种不同的认知绩效水平。表2和图3分别描述了3种行为类别和原理框架。除此之外,国际原子能机构把人因失误分为3大类:A类:该类人因失误能导致设备或系统的潜在的不可用。B类:该类人因失误本身或者结合设备失效直接导致初因事件的发生。C类:该类人因失误发生在系统故障发生后,它们可能是在执行安全行为时的失误或者是使故障后果恶化的行为。
2数字化控制室和传统控制室的概述
2.1数字化控制室和传统控制室的实体差异
传统控制室主要由MIMIC盘、报警窗、控制仪表、记录仪、控制盘、控制按钮等组成。控制室中间有操纵员控制台,设备组采用分隔距离、轮廓线或颜色的方法加以识别,控制开关采用不同的尺寸和形状以便于识别。总体来说,整体布置比较直观,例如一般根据报警颜色和在主控室的位置就能判断其严重程度,操纵员也较容易识别主控室内的各种信息。数字化控制室的布置相对更为简洁,主要有4个计算机化的操纵员工作站、大屏幕和后备盘。每个工作站包括多个液晶显示器和鼠标、轨迹球等。整个核电厂的信息都从计算机获得,信息量比传统控制室大许多倍,但是没有传统控制室直观。
2.2数字化控制室对操纵员的影响
数字化控制室可以提供更全面、更精确的电厂信息,给了操纵员很大的帮助。比如操纵员通过报警可以快速发现故障原因。数字化控制室在进行事故处理时,可以自动判断。对于某些固有操作,计算机也可以自动动作。这些都在一定程度上减轻了操纵员的负担。计算机化的规程系统、先进的报警系统与图形化的信息显示系统等人机接口为提升操纵员的绩效发挥了积极作用,降低了操纵员的工作负荷,减少了人因失误。另一方面,数字化控制室在某些方面也增加了操纵员的负担,比如操纵员获取信息。由于信息量巨大,操纵员若想从计算机中获得想要的信息就不如传统主控室来的直接。操纵员必须要对人机界面比较熟悉,需要打开不同的画面和窗口才能获取所需信息。由于大量信息的存在,短时间内获得关键信息对操纵员来说是个挑战。规程系统计算化也改变了操纵员的传统操作模式。这也可能导致新的人因失误,例如模式混淆、数据输入错误、情境意识丧失等。综上,数字化控制室在技术系统、人机界面、规程系统、报警系统、分析和决策支持系统、班组结构和交流路径等方面发生了变化,改变了操纵员的认知过程和行为影响方式。数字化控制室中的人机交互越来越紧密,越来越复杂,操纵员从传统的巡盘、监视和操作逐渐转变为监控和决策,这就使得人因失误出现了新的特征和新的人因失误分布,以及人因失误数据和失误机理等。
3数字化控制系统中的人因特征及人因失误的预防
3.1数字化控制系统中的人因特征
核电厂控制室内操纵员面对的是一个非常复杂的系统。在传统的模拟控制室,操纵员需要来回走动巡盘,从较大的控制面板上的仪表读取信息、操作按钮。在先进的数字化控制室中,系统和设备的可靠性得到提高。操纵员利用集成的系统就可以对核电厂进行监视和操控。数字化控制系统中的人因特征主要体现在以下几个方面:1)操纵员的角色。传统控制室中,操纵员主要是监视和操作系统,而数字化控制室更多的需要操纵员进行监视和决策任务,并且任务中包含更多的认知工作,通过一系列认知行为执行认知任务。2)操纵员的任务负荷。传统控制室中,模拟系统显示的信息非常直观,一目了然。而数字化控制室是基于大屏幕总貌显示和计算机工作站显示屏显示信息,信息量巨大。操纵员若需要获取信息,可能会通过画面配置、导航、查询等相关操作查询众多画面,某些信息可能需要连续导航。这增加了操纵员的任务负荷。3)操纵员的能力和经验因素。数字化控制系统是复杂系统,自动化程度越高,系统就越复杂。这对操纵员的能力和经验提出了很高的要求。4)计算机化规程。传统控制室使用的是纸版规程,而数字化系统是基于计算机化的规程。规程结构比较复杂。5)基于VDU的信息显示与控制。传统控制面板上的指示器通常是固化的,而基于计算机的信息显示不会局限于物理空间,可以通过画面的任意配置显示信息,同样信息在不同画面中的位置可能不一样。因此,这增加了操纵员定位、搜索以及辨识的难度。另外,软控制比传统控制室中的硬控制更为复杂,软控制可能有时候会出现误操作。6)报警系统。传统的报警显示非常直观,根据颜色和位置,有经验的操纵员可以判断其严重重度。基于计算机的报警在显示屏上,操纵员可能需要查询、过滤等行为来识别报警。也就是说,操纵员需要花费更多的时间来搜索和确认报警,继而可能延误其它任务。
3.2数字化控制系统中的人因失误的预防
人因失误的原因分为内因和外因。其外因指个人工作的环境,而内因包括个人的生理特征和心理特征。威特森把人因失误的原因归结为超负荷、决策错误和人机学原因3个方面。超负荷是指人在某种心理状态下的承受能力与负荷不相适应,包括身体的、生理的和心理的负荷。人的能力则指身体的、生理的和心理等方面的承受能力(人本身的自然属性);当前的心理状态;与当前工作有关的知识和技术水平;因服用药物或酒、压力、疲劳等导致的临时能力下降。决策错误是指某些情况下,工人选择不安全行为比选择安全行为更加合乎逻辑。人机学原因主要包括两个方面:当前的工作条件与人的体格不适应;工作平台的设计使人容易失误。震惊世界的美国三哩岛和前苏联切尔诺贝利两次严重事故都是人因失误引起的,同时大量的实践统计表明,核电厂许多安全重大事件和事故的引发因素也是人因失误。因此,加强核安全文化,防范人因失误尤为重要。针对数字化控制系统,减少人因失误的主要措施除了加强教育培训、改进管理方法和改善工作环境等,还有先进控制室设计,使用人因工程原则。
3.2.1强化核安全文化
核安全文化是核领域的行业文化,加强核安全文化,防范人因失误不能仅仅单靠某个人或某个单位,而是涉及到政府及其部门、营运单位等不同层次的人员。1)政府及其部门:政府及其部门应在现有法律的基础上,制定相关配套法规,加大执法力度。监管部门应具有完备的安全规定、导则和相关文件,独立行使监督权,对核设施单位的安全进行定期评价。2)营运单位:营运单位应对核安全和防范人因失误负有主要责任。营运单位应重视安全;明确责任;调整好核电厂管理组织与政府监管部门之间的关系;定期进行安全状况的审查;加强对各种人员的培训;组织好现场工作;管理层下现场监督;合理规定工作负荷和进行监督;正确对待安全、成本、运行、进度、奖励和群众意见等一系列问题;加强安全文化教育,使得安全深入人心。核安全教育包括核安全法制法规、核安全知识、核安全技能教育和核安全态度培养。只有通过核安全教育与培训,才能使操作人员自觉遵守核安全法规,养成严谨的工作作风,提高判断、预测和处理能力,提高了核安全技能,有效减少人因事件。核安全教育主要从以下几个方面做起:①端正核安全态度:营运单位应形成生产思想教育、法规、法纪教育、安全技术和劳动技能教育为主的岗前、在岗教育,积极提高与端正操作人员安全意识;牢固树立“安全第一”思想,形成良好的安全风气。②制定并实施完善的教育与培训制度,进行核安全文化培训、岗前技能培训、在职培训、应急措施的培训等,提高核电厂员工的工作技能和知识,从根本上减少人因失误,减少或避免人因事件和事故的发生。对重要安全相关的在岗人员建立并推行系统化的岗前、在岗培训制度,保证在岗工作人员具有岗位所需的工作技能,杜绝因工作能力因素造成的人因事件,同时提高排除事故隐患,减小事故后果的能力。③培养安全习惯:通过系统化的培训和严格的安全管理,全面形成规范操作、标准化作业、安全操作程序等安全生产习惯,有效预防违章。④建立良好的职业健康体系:保证在岗工作人员的生理健康情况、心理状况保持在良好状态,提倡自我控制和自我防护,从而有效预防人因失误。
3.2.2强化安全管理,形成人因分析与经验反馈体系
强化安全管理,实施作业审批制度,保证工作人员的资格、技术水平等个人因素符合作业条件,并使作业在有充分准备和足够的安全措施的情况下进行;同时合理安排组织生产,改善工作条件与环境;建立适当的安全监护措施,监视高度危险,可能导致重大安全事故的操作,及时纠正失误,避免造成严重后果。通过加强安全管理,可以有效地减少人因失误的可能性。对人因事件进行分析并经验反馈,可以改变凭经验和直觉处理安全问题的做法。利用科学的安全管理方法和技术,变被动的“事故处理”为主动的“事故预防”,采取积极的防御策略,尽可能减少或避免人因失误的发生。
3.2.3建立多重防御体系,进行纵深防御,有效控制系统事故
通过建立多层重叠设置的安全防护系统构成多道防线,即使某一防线失效也能被其他防线弥补或纠正。将技术手段与组织手段、文化手段相结合,从管理决策、组织、技术、事故分析与减少、反馈等过程和层面构建主动型人因事故纵深防御系统,主动去探查与辨识可能的人因事故,并采取技术、组织和文化相结合的措施去减少和预防人因事故。
3.2.4改善人机接口,提高设备安全性能
由于人机接口设计不合理,缺乏必要的安全保护设施而引起的人因事故仍占一定比例,应在成本-效益预算指导下,建立必要的实体屏障,有效防御人因事件的发生。在人机接口设计上应注意以下几方面:1)人、机、环境系统的合理匹配,使操作人员能方便准确地获取信息,并正确实施相关操作。2)使用防失误设计,以保证人员以正确方式进行操作。3)有必要的声、光警报信号。4)考虑必要的安全保护装置。
3.2.5运用人因工程原则设计先进控制室
人因工程是在一项产品或一个系统研制过程中研究如何系统的利用人的特性,包括心理方面和生理方面的特性。核电厂设计中使用人因工程原则,可以减少可能危及电厂安全和可运行性的人因错误,改善电厂安全。为了最大限度减少人因失误,在数字化控制室设计时应充分考虑人的因素,发挥人的长处,避免劣势。比如功能分析与分配时综合考虑操纵员能力和仪控系统的处理能力,操纵员来不及干预时的快速响应操作,工作负荷大的要分配给仪控系统等。进行画面设计时也要充分运用人因工程原则,如字体的大小、颜色、信息分组等都要考虑人的因素。报警设计应根据重要程度进行分级,报警设计还需考虑报警分类、过滤、抑制,这样,操纵员就可以快速获得他需要的报警。操纵员的工作盘台设计要考虑为操纵员提供较为舒适的坐姿或站姿操作,比如操纵员工作站的盘台尺寸,操纵员的视角大小。数字化控制室也要为操纵员的安全操作提供舒适的环境,这可以减少操纵员的疲劳和压力,避免失误。比如要考虑主控室的通风设计、主控室的噪声设计以及照明设计等环境设计。
4结束语
人因失误是造成核电厂事故的主要因素之一。特别在三哩岛和切尔诺贝利严重核事故之后,人们对此具有更为深刻的认识。数字化控制室由于采用复杂的人机界面管理和计算机化规程,这与传统控制室有很大不同。两者在应对人因失误时有共同的措施,也有很大的不同。本文仅对核电厂数字化控制系统中的人因失误相关内容进行了初步研究,以后还将继续开展相关研究工作,分析讨论防范人因失误策略。
参考文献:
[1]张力,王以群,黄曙东.人因事故纵深防御系统模型[J].中国安全科学学报.2002,12(01).
关键词:变电站;自动化系统;
1 变电站综合自动化系统发展历程
我国变电站综合自动化系统的相关研究开始于20世纪80年代中期,到目前为止,其发展大致经历了三代。
第一代变电站综合自动化系统以RTU为基础,基于变送器及继电保护与自动装置等设备。该类系统实际上是在常规的继电保护及二次接线的基础上增设RTU,以实现“四遥”功能。有关重要信息(如保护信息等)通过硬接点送给RTU装置, RTU的控制输出一般经遥控执行柜发出控制命令。该类系统的特点:系统功能不强、硬件设备重复、整体性能指标低、系统连接复杂、可靠性低,但其结构简单、成本低,特别适合于老变电站的改造。
第二代变电站综合自动化系统是以单片机为基础、按功能划分硬件结构的综合自动化系统。20世纪80年代后期,随着以8051、8098 为代表的单片机技术的成熟,出现了大量的站内微机化功能装置,将这些微机化单元组合在一起,即形成了按功能分布的综合自动化系统:包括数据采集单元(模拟量、开关量、脉冲量)、监控主机(总控单元)、综合监控单元、微机保护单元,各单元大都由16位或32位单片机组成,各功能模块间采用串行通信方式实现数据通信,可以采用双绞线以RS485接口连接。
该类系统的特点:选用单片机负责数据采集,使工控机从大量单调的数据采集工作中解脱出来,去完成较复杂的任务调度、网络通信和数学计算等工作。该类系统具有较强的在线功能,各种功能比较完善,且人机界面较好,但系统仍然比较复杂,连接电缆较多,系统可靠性不高。
第三代变电站综合自动化系统是以现场总线、局域网技术为基础的分散式综合自动化系统。现场总线是20世纪90年代新兴起的一种先进工业控制技术,是应用于自动化系统现场设备和现场仪表互连的通信网络,随后局域网技术的发展为变电站综合自动化系统的结构向分散式发展创造了有利的条件。第三代变电站综合自动化系统结构如图1所示,可划分为二个层次:第一层是分散控制层,包括保护设备、数据采集与控制设备、智能设备、指示仪表等(该层由独立的保护及I/O组成);第二层通常为站级计算机,实现变电站级的协调、优化控制,并实现与远方调度中心的联通。
该类系统具有以下特点:简化了变电站二次设备的配置,大大缩小了控制室的面积;减少了施工和设备安装工作量;简化了二次设备之间的互连线,节省了大量连接电缆;可靠性高、组态灵活、检修方便。由于技术的发展,上述各类变电站综合自动化系统的推出虽有时间先后但不存在前后替代的情况,各类系统可以根据变电站的实际情况予以选配。如以RTU为基础的变电站综合自动化系统可用于已建变电站的系统改造,而分散式系统更适用于新建变电站。
2 第三代综合自动化变电站设计的技术问题
2.1 防误功能
早期单一功能的微机五防系统,基于变电站有人值班设计,比较简单,仅仅对手动操作实现了防误闭锁。对于断路器分合闸操作,使用电气编码锁实现;对于隔离开关、地刀和网门等使用机械编码锁实现。当时的微机五防系统处于起步阶段,闭锁逻辑大致与电气联锁相当,基本上停留在“钥匙+锁”的原始模式,还谈不上整体解决方案。而且,针对无人值班变电站,其最大弊病是当地监控和远方(调度或集控站)的遥控操作没有经过防误闭锁,且微机五防系统中的设备状态与一次设备状态无直接联系,实际工作中经常需人工置位、确认,存在安全隐患。随着微机五防技术的逐步成熟,采用当地监控和微机五防两套系统通讯来提升防误闭锁水平的方法,目前在实际应用中是比较普遍的。在一些小型变电站也有将五防软件模块安装在监控系统内的做法,由于两系统还是相对独立的,只是节省了五防主机,所以仍应归为此类方式。其方法是:遥控操作前,先在微机五防系统进行模拟预演操作;模拟预演结束后,五防系统对相关操作点下达软解锁命令,再由当地监控系统按照遥控操作的步骤进行操作;操作结束后,由五防系统下达闭锁操作命令,恢复闭锁。
图1 综合自动化系统网络图
事实上,断路器、隔离开关位置及相应的模拟量信息等已经采集到监控系统中,利用这些信息和现有的防误逻辑即可实现防误判断,再辅以适当的硬件就能实现防误闭锁。在监控系统内实现防误闭锁并不是取消五防功能,而是利用监控系统的各种技术优势来重新整合防误闭锁方式。监控系统的防误闭锁可以从以下两个层面来实现:
(1)间隔级防误闭锁(纵向闭锁、又称单元电气闭锁):应用测控装置本身的逻辑功能完成。
(2)间隔间防误闭锁(横向闭锁):间隔级防误只能用本间隔的信息来设置相关闭锁逻辑,如果需要使用其它间隔或公用信息来设置相关闭锁即所谓间隔间防误(也可称为系统级防误) ,目前有两种解决办法:一是在总控单元或前置机内设置专用防误闭锁软件,根据站内所有开关量/模拟量的情况和防误规则实现防误闭锁;二是采用网络和协议(如以太网TCP/IP)实现测控装置间的信息交换。
图2 电动刀闸闭锁原理图
为达到简便、便于维护的目的,对于有电动操作机构的设备,在其控制回路中串入一个接点(如图2所示)即可,此接点受监控系统防误闭锁逻辑的控制。对于手动机构的设备则外配以电磁锁,电磁锁的开闭则由串入的接点控制,该接点同样受防误闭锁逻辑的控制。使用闭锁接点不仅代替了传统五防系统中的编码锁,而且在操作回路中增加了强制闭锁,解决了以往遥控操作只有软闭锁,在发生雷击或程序紊乱等装置自身故障的异常情况下可能导致误出口引起的误操作。
2.2 保护信息采集及处理
目前计算机监控系统对保护信息的采集的方式主要有两种:硬接点方式和串行通信方式。对于常规继电器保护只能采用硬接点方式,而对于微机保护则除了硬接点方式外还有串行通信方式。其中,串行通信的方式目前主要有两种形式:
一是保护装置直接接入监控系统的公用信息工作站;
二是保护装置先接入保护信息管理机,再由保护管理机完成与公用信息工作站的通信。
由于220kV、500kV变电站规模较大,保护装置的种类和数量较多,采用第一种形式进行保护信息通信有诸多弊端,如:
(1)监控系统公用信息工作站的通信接口数量是有限的,不可能实现与各保护装置进行直接通信;
(2)各保护装置直接接入监控系统的公用信息工作站,监控系统需装有各类保护的通信规约,并需与每种保护进行通信调试,监控系统和保护厂家间的调试配合工作量十分繁重;
(3)公用信息工作站还要与直流系统等智能装置通信,容易相互干扰,对保护装置的安全性也构成一定的影响。正是由于上述原因,才引入了保护信息管理机方式。保护信息管理机负责与各类不同保护装置的通信,然后转换成统一规约与公用信息工作站通信。当保护装置较多时可按电压等级采用多台保护信息管理机。
2.3 当地监控机
有人认为变电站将最终变成无人值班形式,故无需再配置当地监控机。诚然,配置当地监控机一方面增加了投资同时也加重了安装调试任务,但保留当地监控机还是有以下几方面的理由:
(1)不论是集中监控、留守值班模式还是集中监视、少人值班模式的220 kV变电站都仍将有人留守在变电站。因此,配置当地监控机便于现场人员监控和管理,同时也便于系统的安装和调试。
(2)由于取消了控制屏,不便于检修运行人员了解掌握全站设备的运行状况,设置当地监控机有利于今后系统的运行维护、检修及设备巡视。
(3)保留当地监控机是监控系统自身的要求,如目前大多监控系统的综合控制功能如VQC功能均是基于当地监控系统开发的。此外,当地监控系统的有关功能可作相应调整,如原先基于有人值班开发的各种管理统计功能可适当简化,而强化其监控性能,使其更加适用于少人值班的模式。
3 变电站综合自动化系统发展方向
3.1 系统结构的转变
变电站综合自动化系统的结构将从集中控制、功能分散逐步向分散型网络发展。传统的系统结构是按功能分散考虑的,发展趋势将从一个功能模块管理多个电气单元或间隔单元向一个模块管理一个电气单元或间隔单元、地理位置高度分散的方向发展。这样,自动化系统故障时对电网可能造成的影响大大地减小了,自动化设备的独立性、适应性更强。
光电互感器的应用将改变监控系统的结构。它采用光纤传送信号,无铁心(不存在磁饱和和铁磁谐振问题) 、频率响应范围宽、容量大、抗电磁干扰能力强,所以测量单元与微机保护单元互感器可共用,简化了二次设备,这样可以将测量单元与保护单元融合在一起,实现一个模块管理一个电气单元或间隔单元,为变电站综合自动化系统结构实现分散式提供了技术支持。
3.2 遥视系统的应用
遥视系统在综合自动化变电站内已广泛使用,它将变电站内采用摄像机拍摄的视频图象远距离传输到调度中心或集控站(主站),使主站的运行、管理人员可以借此对变电站电气设备的运行环境进行监控,以保证无人值班变电站的安全运行。遥视系统的视频图象监视在本质上还属于图象获取系统,将计算机视觉技术运用到图象信息的分析与理解中,可以实现变电站系统图象信息的智能处理。
3.3 蓝牙技术的发展应用
蓝牙技术是一种无线数据与语音通信开放性全球规范,它是一种以低成本的近距离无线连接为基础、为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接的短程无线电技术,解决了以太网用于变电站自动化布线难的问题。、。
4 结束语
关键词 弱电工程;施工方案;设计;技术要点
中图分类号:TU74 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2014)17-0090-01
弱电工程主要指的是电压相对较低,不会对人的身体健康造成危害的电力和电气系统,通常来说,弱电工程的交流电要小于36 V,直流电要小于24 V。弱电工程的种类多样,主要包括计算机网络工程、应急照明系统工程、对讲系统、局域通信工程、有线电视工程、可视系统工程等。如今,各个建筑单位在弱电工程上方面的竞争越来越激烈,一般情况下,弱电工程的建设能力较强的企业,综合竞争力更强,在市场竞争中获得优势的可能性将大大提高。因此,要从弱电工程施工的各个阶段,保证弱电工程的质量。
1 弱电工程的前期设计方案
1)做好前期沟通工作。在进行弱电工程施工之前,要全面掌握工程用户的实际要求,保证所建设的系统符合用户需要,充分了解弱电工程的作用和价值,将弱电工程施工的难点和重点进行突出,通过控制造价和合理的经济手段实现对弱电工程质量和工期的控制。在确定设计方案之前,要对建筑工程的结构形式和整体布局有充分的了解,做好对有线网路传输距离和传输形式的控制工作,加强对主要通信的监督和管理。另外,要加强与相关单位的交流和沟通,逐步突破弱电工程中的难点,从而提高弱电工程的施工建设质量,保证工程的正常使用。
2)做好弱电工程施工现场的控制工作。在弱电工程的设计阶段,要从弱电工程建筑的整体出发,对工程设计图纸进行详细分析,加强对弱电工程现场环境的控制,将工程的装修和土建等作为重点的研究部位进行深入研究。而且,要尽量将弱电工程和其他工种和工程的矛盾消除在工程的设计阶段,为弱电工程的施工和建设做好准备工作,保证施工的顺利进行。
3)判断弱电工程的施工难度。在设计阶段,要确定弱电工程在各个环节的施工难度,判断施工难度较高的部位,另外,布线的主要形式、模块的安装方法、弱电工程施工的技术等需要进行进一步确认。在进行弱电工程的计划和设计时,要将方便维修和施工作为基本原则,从而使弱电工程施工的难度大大降低,确保施工的顺利进行。
4)设计详细的施工图纸。在对弱电工程的施工图纸进行设计时,设计人员要认真负责,将各个方面的因素考虑在内,对计算机系统进行充分的利用。比如,可以使用CAD对弱电工程的施工图进行描绘,确定弱电工程的模块安装和布线施工的过程,在保证弱电功臣能够发挥基本工程的基础上,完成施工图纸的设计。
2 弱电工程施工方案的技术重点
1)重视工程施工的前期准备。在正式开始弱电工程的施工之前,要对工程的总体进度进行详细分析和深入研究,然后根据实际情况做好前期准备工作。还要对弱电工程的施工人员、施工设备、技术要点等进行详细确认,加强对工程施工材料和器件的控制,做好工程施工费用的管理工作,为弱电工程的施工提供保障。
2)确定弱电工程的布线要点。在弱电工程的施工过程中,要认真分析工程图纸,然后根据图纸的具体内容对工程的基本结构进行研究和确定,充分了解弱电工程电气和器材的功能和主要类型,并且找出弱电工程的关键施工部位,检查工程的穿线和埋管。如果发现与实际情况存在差异的区域,要及时进行适当的调整。
3)加强对弱电工程重点环节的控制。在弱电工程的施工方案中,要掌握好弱电工程的重点环节,方案要体现以下几个方面的内容:①材料和设备。在弱电工程的施工过程中,要加强对设备和材料和控制,从材料采供环节出发,严格检查工程施工所需的材料和设备,使其符合相关规定的标准,保证材料和设备的质量,确保施工的安全性;②建筑单位要加强与业主的交流和沟通,保证弱电工程的功能与业主的要求相符;③要控制好弱电工程的施工进度,保证工程在限制的时间内完工。如果工程中存在单独施工的部分,要为其留出单独的施工空间,为施工设备的进出提供便利。如果在弱电工程施工的过程中,出现与施工方案存在差异的情况,要在获得业主许可的情况下及时进行调整,保持设计方案和工程施工的一致性。
3 做好弱电工程施工方案的管理工作
1)弱电工程施工的总体管理策略。在进行弱电工程施工时,要做好以下几方面的工作,保证施工的顺利进行,首先,建立和完善完整的弱电工程检查体系,对各个分项的工程施工计划和进度进行严格检查,并且通过施工任务书和计划任务书,进行指令的下达,确保弱电工程施工的顺利进行。然后,要对项目的施工质量和施工的主要任务进行确定保证工程施工人员能够按照规定的计划完成施工任务。最后,还要建立和完善施工制度,明确施工人员职责,加强技术管理的专业化和条理化。
2)在工程施工过程中做好管理工作。通常采用的弱电工程的施工方式是分区段、按顺序进行的,工程项目的管理人员要处理好内外因素之间的关系,做好协调和配合,保证弱电工程质量。施工单位要加强与监理单位的沟通和配合,保证与其他承包方在分工交接点上的协调性,并且使工程施工按照科学程序进行。除此之外,在进行弱电工程施工的每个环节,要加强与承包方的交流和沟通,对施工的具体方式进行讨论,对各个分工交接点进行落实,保证各个分工交接点之间的协调性。
4 结束语
弱电工程在建筑工程中占有重要地位,是局域通信工程、计算机网络工程、自动化控制工程等系统的统称。在进行弱电工程施工时,要做好施工设计工作,选择合理的施工方案,将工程的功能和价值充分发挥出来,推动智能建筑的发展。在弱电工程施工过程中,要抓住施工的重点技术环节,提高施工效率和水平,从而保证弱电工程的质量,推动建筑行业的进一步发展。
参考文献
[1]季巍.弱电工程施工和管理研究与探讨[J].黑龙江科学,2014(02).
[2]李哲.浅议弱电工程施工项目管理组织[J].电子制作,2013(08).
[3]陈厚桥.弱电工程施工和管理研究与探讨[J].计算机时代,2012(01).
论文 摘要:简要回顾了数字化供电系统的理论,从数据集成与应用集戍两个方面介绍了数字化供电系统建设中的关键技术,并结合系统建设实践重点介绍了公共信息模型(cim)、服务构建技术与专业图形控件技术等内容,为进一步完善数字化供电系统技术理论体系做出了有益的尝试。
论文关键词:数字化供电系统;公共信息模型;面向服务架构;数据集成;应用集成
0 前言
作为一种广为接受的技术体系,“数字化供电系统”的内涵包括:数字化电网、信息化管理和 企业 应用集成。从本质上说,“数字化供电系统”是企业适应内外部变化,提升管理能力、提高服务水平、增强核心竞争力的一种技术手段。它不是一个刚性的系统,而是有生命力的系统工程。随着it技术的 发展 ,数据传输技术、数据转换技术、接口整合技术、商业流程支持技术在电力企业信息化建设中得到了深入的应用,“数字化供电系统”的技术实现体系正在逐步完善中。
本文以“数字化供电系统”技术实现中数据集成与应用集成技术为主线,结合重要客户供电风险预控管理的业务需求,介绍了实践过程中的公共信息模型、数据整合与数据访问、基于soa架构的应用集成、服务构建技术、专业图形构建技术等内容。
1建设背景
重要客户供电风险预控管理需要将分散在不同系统中的表征电网风险因素的数据,集成起来进行分析,这些数据包括scada/ems中的电网实时数据,生产系统中的设备技术规范数据、缺陷数据、维护检修数据,营销系统中的客户数据等,这些数据是企业层面的全局数据,通过企业数据中心,将这些数据按照统一的标准进行描述与标识,形成数字电网的核心内容,未来可以给更多的业务系统应用。
重要供电客户风险预控管理的业务应用功能,如供电风险评估、方案优化等功能都需要以数字电网为基础,以电网拓扑分析 计算 为手段来实现,还需要图形化的形式来展示数据和分析结果。而拓扑计算与自动成图等业务逻辑存在于电网gis系统中,采用开放的、集成的技术体系架构对这些业务逻辑进行封装与部署,为各类有需求的应用服务,从而逐步建立完善企业应用集成的技术体系。
2数据集成
数据集成的首要指导原则是:尽管数据可能在不同的地方、以不同的语义、格式存储,访问方法各异,但是,对于数据使用者而言,数据好像驻留在一个单一的数据源里一样。因此,数据集成技术实质上将信息需求者屏蔽于所有这些复杂性之外,使用者的应用程序可以通过诸如sql或xml的标准语言,或标准 网络 服务来对数据进行使用。
对于数字化供电系统而言,首先,需要将来自不同层面、不同系统的、具有不同结构的数据整合在一起,并实现数据统一表达、统一管理、统一访问途径,最终实现各业务管理间有序的信息交换与共享,保障各管理条线的业务协同。将这些来源不同、结构不同、标准不同的数据按照统一的格式和标准进行规范,要求企业构建一个统一的企业级公共数据模型,从而将原本分散在不同应用中的信息按照该模型组织为一个整体。
其次,数字化供电系统采用集中统一存贮的数据整合模式来实现数据集成。这种模式可以有效地保证对共享数据的访问效率,从而有效地保证基于共享数据的业务应用的执行效率和实现方便性,并使得共享信息易于管理。对于整合后的信息,对外提供多种数据访问服务手段,使整合后的信息资源能方便地提供给各类业务系统使用。
2.1公共信息模型
公共信息模型用于在企业级规范信息分类、各类信息的属性、各类信息间的关系以及约束规则。其范围包括电网结构及运行工况、业务活动相关信息、企业架构等基础管理信息等方面完整的定义和描述,实现统一的数据元素标准和信息编码体系。通过公共信息模型可以有效地实现企业级数据表示的一致性和唯一性,并在公共信息模型的基础上构建统一的访问信息途径,实现跨业务域的信息共享和交互,并易于在此基础之上实现企业级信息的分析和挖掘。
公共信息模型涉及对象多且关系复杂,信息共享和支持未来应用的目标,也对公共信息模型质量和前瞻性提出了很高的要求。本文的公共信息模型设计基于iec cim模型进行剪裁和扩展。ieccim模型是iec61970、iec61968系列标准的一个重要组成部分,cim是使用uml类图描述的信息模型,其内容包括电力系统资源及电力企业的主要业务活动对象,该模型提供了一个电力系统管理对象的信息结构视图。
基于cim模型设计公共信息模型可以重用现有的设计,以提高效率;利用成熟的设计,以避免设计中可能出现的疏漏,保证设计质量;利用标准化的设计,可以使系统更加开放,使系统和众多遵循cim标准的其它系统可以更好地交互。公共信息模型的设计是一件复杂的系统工作,通过确定待分析的对象、归纳现实对象、抽象设计类、建立类层次结构等过程,最终形成统一的公共信息模型(见图1)。
目前北京市电力公司已完成了变电、输电、配电、自动化、保护、it、通信等共130多种设备和客户资料等营销系统对象的建模工作。建立起兼容已有的国际标准和北京电力的业务实际情况,经过多次测试和迭代,从较高层次上抽取出共性的数据和模型(见图2)。
2.2数据整合与数据访问
共享数据库etl服务负责从各数据源获取数据。数据转换服务将获取的数据按照公共信息模型设计规范把数据转换清洗,然后装载到共享数据库。同时,还提供rdf支持手段实现大批量一次性的数据装载和交换。通过多样化的数据集成手段实现数据的集成性、完整性、一致性、安全性等目标。
各个业务应用系统是共享数据库的消费者。访问共享数据库中数据的方式主要有3种。一是通过在 企业 服务总线部署的基于cis标准接口的数据访问服务实现,适用于数据交换类型的数据业务访问;二是通过在企业服务总线部署的业务域数据服务进行访问,适用于专业性较高、数据关系复杂、数据处理逻辑实现难度较高的数据访问,例如对电网拓扑数据的访问服务;三是通过数据连接器访问共享数据库,适用于在共享数据库上建立新的应用系统。
3应用集成技术
应用集成技术的核心是通过各种软硬件技术将已有的和新建的业务系统集成起来,共同完成企业的各种业务活动,并能够灵活快速地适应企业的 发展 和市场的变化。对于重要客户供电风险预控管理而言,需要将电网gis系统、400主动服务系统、短消息系统内私有的业务功能按照标准的规约进行封装与部署,形成企业层面可复用、可管理、可信任的资源。如电网gis系统提供的自动成图服务、拓扑 计算 服务等。数字化供电系统应用集成技术应用主要包括:基于soa的应用集成架构、服务构建技术及专业图形控件技术。
3.1基于soa的应用集成架构
数字化供电系统采用soa架构的松耦合方式,构造出为企业层面服务资源平台,使原来各个业务系统私有的应用功能成为可由其他业务信息系统自由调用的服务。在保证服务可以独立运行的同时又可与其它应用系统进行协同作业,实现了系统的应用集成和功能重用,促进了多个业务信息系统的应用水平提升。服务使用了开放、中立的标准来定义接口规范(包括格式和传输协议),与其所使用的硬件平台、操作系统和编程语言无关,所有服务调用方及服务提供方之间均可用统一和标准的方式进行通信,能够很好地解决传统模式下异构系统间接口困难的问题。通过基于soa架构的服务,数字化供电系统在体系结构上的优势表现为:
(1)在企业层面拥有一个功能完备的可复用、可信任、可管理的服务集合;
(2)不需要大量数据维护与管理工作;
(3)提高了跨业务域的应用系统共享全局信息的能力;
(4)可以方便地整合不同类型的电网数据用于自身的分析与决策。
3.2服务构建技术
由于数字化供电系统采用soa这种服务架构体系,需要对服务根据自身业务“按需(onde—mand)”分析、拆迁、改造为不同粗细等级的服务,如粗颗粒度服务、细颗粒度服务、基础、高级。细颗粒度服务,既可被粗颗粒度服务调用,也可被高级调用;基础,既可被高级调用,也可被粗粒度服务调用;同时基础和细颗粒度服务之间也可相互调用。粗粒度服务及服务组合,简化相关应用的调用过程,调用效率大大提高。服务设计时,服务之间复用性与复杂性关系也做了有效平衡。
数字化供电系统根据自身业务的需求,需要在公共信息模型的基础上开展“按需(onde.mand)”构建方面的研究。其基本内容是以“按需模式”来抽取完备电网结构模型的信息子集,构造出不同的专业电网模型,如专题图电网数据模型、主配网一体化双向拓扑分析等,以满足不同专业的功能业务应用需求。根据具体的应用需要,通过专业需求规则进行电网结构模型数据的自动抽取,从而生成特定电网结构模型提供给特定应用系统应用。这样不仅可以大大提高专业信息系统的开发效率,保证了特定应用系统数据的准确性,同时也保证了不同应用系统的电网模型信息共享。
3.3专业图形控件技术
应用控件是指基于微软公司activex技术的可重用的软件组件。可用这些组件增加网页、桌面应用程序和软件开发工具的交互性以及更多的功能,例如图形显示效果或弹出式选单等。应用控件可用不同程序设计语言编写,包括java、c++和visualbasic等。应用控件一旦被开发出来,设计和开发人员就可以把它当作预装配组件,用于开发客户程序。以此种方式使用activex应用控件,使用者无需知道这些控件是如何开发的,在很多情况下,甚至不需要自己编程,就可以完成网页或应用程序的设计。
重要客户供电风险预控管理对电网资源的展现形式给出了明确的方案:对系统中涉及的各种信息(包括:电网图形、电网拓扑、设备开关状态、实时负荷等方面的信息)通过图形方式统一展现,对重要客户供电风险分析结果的展现形式同样以图形展示为主(包括:全数字电网设备逻辑接线、电源点到客户的供电系统图、线路地理图等)。
为满足图形化展示的要求,需要开发一系列专业图形应用控件来满足要求,把电网地理信息系统的部分功能适当抽象,以控件的形式供开发者或最终用户使用,将会带来许多传统地理信息系统开发工具无法比拟的优点。应用控件小巧灵活。各应用控件都集中地实现与自己最紧密相关的系统功能,该控件提供空间数据管理能力,并且能以灵活的方式与数据库系统连接。在保证功能的前提下,系统表现得小巧灵活,能够满足用户各种应用需求。
强大的地理信息系统功能。这些应用控件采用直接调用形式,无论是管理大数据的能力还是处理速度方面均不比“电网地理信息系统”内部应用逊色。小小的应用控件完全能提供地理图形、电网图形、专题分析等空间处理能力和丰富的空间查询与统计能力。
与其他应用系统精密结合。由于这些应用控件可以直接嵌入其他电网信息化应三用系统开发工具中,对于广大开发人员来讲,就可以自由选用他们熟悉的开发工具,并与那些应用系统紧密结合。而且,其他系统的开发人员可以像管理数据库表一样熟练地管理电网图形等空间数据并调用其查询统计及分析结果,无须对开发人员进行特殊的培训,而且开发的系统能够满足实际应用的需求。
关键词:电力系统;继电保护;信息技术;综合自动化
中图分类号:TM77文献标识码: A
1信息技术与自适应控制技术
1.1信息技术
在电力系统继电保护中信息技术的应用特征主要表现为以下几个方面:(1)远方投切与整定,具备自诊断与监视报警的功能;(2)信息保护与多种保护的集成;(3)波形识别,从稳态发展至暂态,有利于推动综合自动化发展;(4)可提供动态的定值修改功能。
在电力系统继电保护中信息技术的应用主要表现为2个方面,即数字信号处理技术与小波变换:(1)数字信号处理技术。随着通信技术以及计算机技术的快速发展,信息产业也得到了相应的发展,就电力行业来讲,在继电保护发展过程中,数字信号处理技术的发展对其所产生的影响非常大,尤其是DSP。(2)小波变换。小波变换其实是将一个信号波形划分为不同位置与尺度的小波总和,为振荡波形,持续的周期最多为几周,且形式较为多样,可产生新小波或者小波函数。小波变换具备较好的时频局部化分析性能,可分析信号或者图像中一些小细节。
1.2自适应控制技术
在电力系统继电保护中,自适应控制这一概念出现于20世纪80年代,其含义为按照电力系统自身运行方式与故障状态所发生的变化,实施定值改变、保护性能或者特性的一种新继电保护。自适应控制模型如图1所示。在电力系统继电保护中应用这种技术的原理为使保护能够适应电力系统所发生的各种变化,从而在此基础上使保护性能得到改善。在继电保护中,自适应控制技术不仅可使电力系统响应得到有效的改善,同时还可提高继电保护的可靠性与经济效益。自适应控制技术在输电线路自动重合闸、距离保护、发电机保护以及变压器保护等方面具有良好的应用前景。
图1自适应控制模型
2人工神经网络技术与模糊理论
2.1人工神经网络技术
人工神经网络就是模仿脑细胞结构和功能、脑神经结构以及思维方式等人脑功能的信息处理系统。其所具备的动力学特性相对比较复杂,可实现问题的并行处理,不仅具备记忆、学习以及联想等功能,还具备较高的自适应能力与自组织能力,经过学习可反映输入特征量的样本,不论对何种状态或过程均可实施分类及识别。在电力系统继电保护中,这种技术主要应用于非线性优化、人工智能、自动控制以及信息处理等方面,具体如图2所示。
图2继电保护中人工神经网络技术的应用
近年来,随着信息技术水平的提升,在电力系统继电保护范围内开始借助于人工神经网络技术来判故障的类型、测定故障的实际距离等。比如,电力系统中输电线路的两侧系统电势角度摆开,并在此基础上引发了非线性问题时,由于距离保护难以正确地判别故障的实际位置,因此会导致拒动或者误动。在这种情况下,可借助人工神经网络技术的应用,学量的故障样本,只要该样本综合考虑了故障的各种情况,那么在出现故障时继电保护就能正确地进行判别。除此之外,还可采用遗传算法与进化规划等手段,它们均具备复杂问题的求解能力,把这些先进且合理的智能方式有效结合,能使问题求解的速度变得更快。
2.2模糊理论
在电力系统继电保护中,模糊理论的应用与发展主要表现为以下几个方面:(1)通过模糊理论可有效区分电力系统在出现多模振荡时,是同步振荡,还是失步振荡。通过区分,在对一些复杂系统的失步振荡实施系统解列时,可有效提高其解列稳定性与可靠性。(2)借助小波理论来提取特征,用模糊集法来进行变压器励磁故障与涌流的区分,即借助于小波变极大值符号特征来进行变压器励磁涌流间断角特征的提取,而这种识别方式也为新变压器保护的研制提供了相对比较先进且合理的思路。(3)通过振动中所存在的无功功率和阻抗中电抗分量之间的关系,借助于模糊原理来实施振荡中不对称故障的选相,待正确选相以后,电力系统距离保护就能将振荡中存在的这种不对称故障及时切除。
3可编程控制器和新型互感器
3.1可编程控制器
可编程控制器在工业生产过程中被看作一种具备特殊体系结构的计算机,这种类型的计算机可应用各种语言完成编程,便于控制。在由继电器所构成的需定期改变操作任务与实现复杂逻辑关系的控制系统中,要想用导线将各分立元件有效地连接在一起,显然是十分困难的,但应用可编程控制器则可有效地解决这一问题,即借助于软件编程来代替各分立元件接线。除此之外,为减少设备占地面积,还可借助于可编程控制器内所定义的各辅助继电器代替以往的机械触点继电器来完成保护工作,并实现各种更为复杂的逻辑关系,以降低工作人员的劳动强度,同时确保其工作质量与效率、
3.2新型互感器
在电力系统中互感器为实现自动化的一个关键部件。推动电力系统继电保护技术发展的一个根本性因素即光电流互感器与光电压互感器在电力系统中的应用。相对于传统互感器而言,这些新型互感器具有显著的优势,它们不仅可完全将高压与弱电绝缘、隔离,还可通过光纤的应用来实现无电磁干扰影响的数据测量与信号传递,同时响应频带相对较宽,可有效改善各种保护技术的性能,改变继电保护应用的条件与方式,拓宽其应用范围。
4综合自动化技术
相对于常规变电所二次系统而言,这种综合自动化技术具备以下特征:
(1)设备、监视与操作的微机化。在综合自动化系统中,各子系统都实现了微机化,即实现了信号数字化与系统功能软件化等,其完全摒弃了常规变电所中的模拟式设备、机电式设备等,在一定程度上使得二次系统电气性能以及可靠性得到了相应的提高,再加上监视与操作的微机化,可使我们通过人机联系系统更为便捷地监视与控制变电所。
(2)运行管理的智能化。综合自动化技术不仅包含了常规的自动化功能,比如故障录波、自动报警、事故判断和处理、电压调节等,还具备在线自诊断功能,可实时把所获得的信息传送至控制中心,从而将运行管理从以往的被动模式转变成主动模式。
(3)通信局域的光缆化与网络化。随着光纤通信技术与局域网络技术的广泛应用,综合自动化系统自身所具备的抗电磁干扰性能也相对提高。另外,通信局域的光缆化与网络化不仅符合当前电力系统继电保护的实时性要求,可实现数据的高速传输,同时也使系统组态也更为灵活,有利于扩展,还简化了以往变电所中各种复杂的电缆,使得施工更为便捷。总的来看,综合自动化技术打破了传统二次系统的设备划分原则与各专业的界限,弥补了以往常规保护装置与调度中心不可通信这一不足,赋予了变电所自动化发展更为先进的内容及含义。随着信息技术的快速发展,结构更为完善、功能更为全面且智能化水平更高的综合自动化系统必然出现,也必然会将电网运行的经济性、安全性、稳定性等提升到更高层次。
5结语
综上所述,随着社会经济的快速发展,信息网络技术水平与通信技术水平不断提高,电力系统继电保护技术也取得了突飞猛进的发展,涌现出了很多新技术,而这些新的继电保护技术的发展也为电力系统的完善奠定了基础,拓宽了电力系统自动化运行的范围,减轻了电力工作者的劳动强度。相信在今后的发展过程中,继电保护新技术将会得到更加广泛的推广及应用,继而进一步确保电力系统运行的稳定性、安全性以及可靠性。
参考文献:
[1]熊小伏,陈星田,夏莹,等.面向智能电网的继电保护系统重构[J].电力系统自动化,2009(17):33~37.