电力系统专用网络隔离装置的原理及应用

电力系统专用网络隔离装置的原理及应用（共6篇）

电力系统专用网络隔离装置的原理及应用 篇1

按照国家经贸委第30号令《电网和电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护的规定》的要求，国家电力二次系统安全防护专家组针对我国电网调度系统的具体情况，制定了相关的安全防护总体方案，以便规范和统一我国电网和电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护的规划、实施和监管，以防范对电网和电厂计算机监控系统及调度数据网络的攻击侵害及由此引起的电力系统事故，保障我国电力系统的安全、稳定、经济运行，保护国家重要基础设施的安全。

物理隔离的必要性

物理隔离指内部网不直接或间接地连接公共网。物理隔离的目的是保护网络设备及计算机等硬件实体和通信链路免受自然灾害、人为破坏和搭线窃听攻击。只有使内部网和公共网物理隔离，才能真正保证内部信息网络不受来自互联网的黑客攻击。同时，物理隔离也为内部网划定了明确的安全边界，使得网络的可控性增强，便于内部管理。

在物理隔离技术出现之前，对网络的信息安全采取了许多措施，如在网络中增加防火墙、防病毒系统，对网络进行入侵检测、漏洞扫描等。由于这些技术的极端复杂性，安全控制十分有限性，这些在线分析技术无法提供涉密机构提出的高度数据安全要求。而且，此类软件的保护是一种逻辑机制，对于逻辑实体而言极易被操纵。因此，必须有一道绝对安全的大门，保证涉密网的信息不被泄露和破坏，这就是物理隔离所起的作用。

安全工作区方案

电力二次系统划分为不同的安全工作区，反映了各区中业务系统的重要性的差别。不同的安全区确定了不同的安全防护要求，从而决定了不同的安全等级和防护水平。

根据电力二次系统的特点、目前状况和安全要求，整个二次系统分为四个安全工作区：实时控制区、非控制生产区、生产管理区、管理信息区。

安全区Ⅰ是实时控制区，安全保护的重点与核心；

安全区Ⅱ是非控制生产区；

安全区Ⅲ是生产管理区；

安全区IV是管理信息区。

1、隔离装置接入点

电力专用安全隔离装置作为安全区I/II与安全区III的必备边界，具有最高的安全防护强度，是安全区I/II横向防护的要点。

其中，安全隔离装置（正向）用于安全区I/II到安全区III的单向数据传递；安全隔离装置（反向）用于安全区III到安全区I/II的单向数据传递。

2、正向隔离装置功能

安全隔离装置（正向）具有如下功能：

（1）现两个安全区之间的非网络方式的安全的数据交换，并且保证安全隔离装置内外两个处理系统不同时连通；

（2）表示层与应用层数据完全单向传输，即从安全区III到安全区I/II的TCP应答禁止携带应用数据；

（3）透明工作方式：虚拟主机IP地址、隐藏MAC地址；

（4）基于MAC、IP、传输协议、传输端口以及通信方向的综合报文过滤与访问控制；

（5）支持NAT；

（6）防止穿透性TCP联接：禁止两个应用网关之间直接建立TCP联接，将内外两个应用网关之间的TCP联接分解成内外两个应用网关分别到隔离装置内外两个网卡的两个TCP虚拟联接。隔离装置内外两个网卡在装置内部是非网络连接，且只允许数据单向传输；

（7）具有可定制的应用层解析功能，支持应用层特殊标记识别；

安全、方便的维护管理方式：基于证书的管理人员认证，使用图形化的管理界面。

3、反向隔离装置功能

专用安全隔离装置（反向）用于从安全区III到安全区I/II传递数据，是安全区III到安全区I/II的唯一一个数据传递途径。专用安全隔离装置（反向）集中接收安全区III发向安全区I/II的数据，进行签名验证、内容过滤、有效性检查等处理后，转发给安全区I/II内部的接收程序具体过程如下：

（1）全区III内的数据发送端首先对需要发送的数据签名，然后发给专用安全隔离装置（反向）；

（2）专用安全隔离装置（反向）接收数据后，进行签名验证，并对数据进行内容过滤、有效性检查等处理。

4、接收程序

将处理过的数据转发给安全区I/II内部的接收程序，其功能如下：

（1）有应用网关功能，实现应用数据的接收与转发；

（2）具有应用数据内容有效性检查功能；

（3）具有基于数字证书的数据签名/解签名功能；

（4）实现两个安全区之间的非网络方式的安全的数据传递；

（5）支持透明工作方式：虚拟主机IP地址、隐藏MAC地址；

（6）支持NAT；

（7）基于MAC、IP、传输协议、传输端口以及通信方向的综合报文过滤与访问控制；

（8）防止穿透性TCP联接。

5、装置安全保障要点

专用安全隔离装置本身应该具有较高的安全防护能力，其安全性要求主要包括：

（1）用非INTEL指令系统的（及兼容）微处理器；（2）安全、固化的操作系统；（3）不存在设计与实现上的安全漏洞，抵御除Dos以外的已知的网络攻击。

网络隔离装置要点

1、一个网络隔离装置（作为阻塞点、控制点）能极大地提高一个监控系统的安全性，并通过过滤不安全的服务而降低风险。由于只有经过精心选择的应用协议才能通过网络隔离装置，所以网络环境变得更安全。如网络隔离装置可以禁止不安全的NFS协议进出保护网络，这样外部的攻击者就不可能利用这些脆弱的协议来攻击监控系统。网络隔离装置同时可以保护网络免受基于路由的攻击，如IP选项中的源路由攻击和ICMP重定向中的重定向路径。网络隔离装置应该可以拒绝所有以上类型攻击的报文并通知网络隔离装置管理员。

2、通过以网络隔离装置为中心的安全方案配置，能将所有安全策略配置在网络隔离装置上。与将网络安全问题分散到各个主机上相比，网络隔离装置的集中安全管理更方便可靠。例如在网络访问时，监控系统通过加密口令/身份认证方式与其它信息系统通信，在电力监控系统基本上不可行，它意味监控系统要重新测试，因此用网络隔离装置集中控制，无需修改双端应用程序是最佳的选择。

3、如果所有的访问都经过网络隔离装置，那么，网络隔离装置就能记录下这些访问并作出日志记录，同时也能提供网络使用情况的统计数据。当发生可疑动作时，网络隔离装置能进行适当的报警，并提供网络是否受到监测和攻击的详细信息。

4、通过网络隔离装置对监控系统及其它信息系统的划分，实现监控系统重点网段的隔离，一个监控系统中不引人注意的细节可能包含了有关安全的线索而引起外部攻击者的兴趣，甚至因此而暴露了监控系统的某些安全漏洞。使用网络隔离装置就可以隐蔽那些透漏内部细节，例如网络隔离装置可以进行网络地址转换（NAT），这样一台主机IP地址就不会被外界所了解, 不会为外部攻击创造条件。

以上是本人对电力系统专用网络隔离装置的一点粗浅认识，请专家指正。

南瑞SysKeeper-2000网络安全隔离设备完全针对上述需求开发研制，可以很好的解决电力系统网络信息安全存在的问题。

电力系统专用网络隔离装置的原理及应用 篇2

我国电力系统中性点的运行方式有三种:中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点直接接地。前两种电网发生单相接地故障时, 接地故障处仅流过线路的电容电流, 其数值只是几安到二、三十安, 因此这类系统叫做小电流接地系统。大庆石化公司的变配电系统为小电流接地系统。目前运行的6kV变电所近100座。其中, 我厂的两座6kV变电所分别为A32丁辛醇变电所和A37丙烯腈变电所。

在小电流接地系统中, 单相接地故障是最常见的, 约占配电网故障的80%以上;当发生单相接地时, 非故障相对地电压升至线电压水平, 如不能够及时地找出故障点, 可能导致系统内绝缘薄弱处发生对地击穿, 尤其是以电缆为主的配电网。一旦发生单相接地且不能及时地找出故障点, 就会发展为相间或三相故障, 从而事故扩大。所以, 解决好单相接地故障问题, 及时找出接地故障线路以便迅速处理。将故障的影响范围控制在最小范围内甚至是无影响, 对保证设备、人员安全计装置平稳生产具有重大意义。

2 单相接地故障的特征

2.1 电网各处故障相对地电压均为零, 中性点对地电压值为相电压, 未故障相对地电压升高到线电压;

电网中会出现零序电压, 零序电压大小等于电网正常工作时的相电压。

2.2 故障线路与非故障线路出现零序电流, 故障线路零序电流3I

大小等于所有非接地线路零序电流之和, 非故障线路零序电流大小等于本线路对地电容电流。

2.3 非故障线路的零序电流超前零序电压90°;

故障线路的零序电流滞后零序电压90°, 故障线路的零序电流与非故障线路的零序电流方向相反, 相位相差180°。

2.4 接地故障处的电流大小等于所有线路的接地电容电流的总和, 并超前零序电压90°, 如图1。

3 电缆出现单相接地故障的原因分析

电缆故障的最直接原因是绝缘降低而被击穿。导致绝缘降低的因素很多, 根据实际运行经验, 归纳起来有以下几种情况:

3.1 外力损伤。

由近几年的运行分析来看, 相当多的电缆故障都是由于机械损伤引起的。比如:电缆敷设安装时不规范施工造成的机械损伤。如果损伤不严重, 要几个月甚至几年才会导致损伤部位彻底击穿形成故障。12月6日塑料厂C83变电所10kV进线B相电缆接地, 造成生产装置停车事故就是此种情况最典型的例子。

3.2 绝缘受潮。

这种情况也很常见, 一般发生在电缆接头处。比如:电缆接头制作不合格和在潮湿的气候条件下做接头, 会使接头进水或混入水蒸气, 时间久在电场作用下形成水树枝, 逐渐损害电缆的绝缘强度而造成故障。

3.3 化学腐蚀。

电缆直接埋在有酸碱作用的地区, 往往会造成电缆的铠装、铅皮或外护层被腐蚀, 保护层因长期遭受化学腐蚀或电解腐蚀, 致使保护层失效, 绝缘降低, 也会导致电缆故障。

3.4 长期过负荷运行。

超负荷运行, 由于电流的热效应, 负载电流通过电缆时必然导致导体发热, 同时电荷的集肤效应以及钢铠的涡流损耗、绝缘介质损耗也会产乍附加热量, 从而使电缆温度升高。长期超负荷运行时, 过高的温度会加速绝缘的老化, 以至绝缘被击穿。尤其在炎热的夏季, 电缆的温升常常导致电缆绝缘薄弱处首先被击穿, 因此在夏季, 电缆的故障也就特别多。

3.5 电缆接头故障。

电缆接头是电缆线路中最薄弱的环节, 由人员直接过失 (施工不良) 引发的电缆接头故障时常发生。施工人员在制作电缆接头过程中, 如果有接头压接不紧、加热不充分等原网, 都会导致电缆头绝缘降低, 从而引发事故。

3.6 环境和温度。

尤其是我们东北地区, 季节温差较大, 由于热胀冷缩, 电缆容易在桥架转弯、爬坡处受力, 从而导致电缆出现裂纹、放电、破损、挤压等现象。

3.7 电缆本体的正常老化或自然灾害等其他原因。

4 接地故障选线的选线方法及应用现状

以前的选线装置都是基于电力系统稳态分量的选线理论, 如:基波群体比幅比相法、谐波法、零序有功分量法、零序导纳法、零序电容电流补偿法、最大Δ (Isinφ) 法、负序电流法、能量法、模式识别和多层前馈神经网络方法等。由于消弧线圈的补偿作用, 基于稳态信号的选线方法在理论上就无法做到100%正确, 而且由于过渡电阻、互感器精度的影响以及间歇性电弧带来的不确定性等因素, 导致故障线路与非故障线路之间的电气量特征差别变小, 难以识别, 在实际运行中很多选线装置的选线准确率仅有20~30%。由于缺少可靠的接地选线手段, 电网运行人员不得不继续沿用人工拉路的方法选择故障线路。

针对已有的基于电力系统稳态分量选线理论存在的缺陷和不足, 近年来, 一些新的小电流接地选线方法开始逐步得到应用和推广。

(1) 信号注入法:不再利用系统中的固有信号, 人为地向系统中注入一个特殊信号电流。利用该电流仅在故障线路故障相中流动的特点, 对其进行寻踪, 可以实现接地选线和接地点定位。

(2) 残流扰动法:不再利用系统中的固有信号, 人为地使系统产生一个扰动信号。应用自动跟踪消弧线圈技术, 人为地调整消弧线圈的补偿度 (或并联中值电阻) , 利用故障线路在消弧线圈调整 (或并联中值电阻) 前后其零序电流的变化量最大, 而非故障线路变化量很小的特点来实现接地选线。

(3) 暂态量选线法:是基于暂态分量。利用故障信号暂态分量所包含的丰富故障信息, 来实现接地选线。

5 接地故障选线装置在化工二厂E37丙烯腈变电所的应用

2011年, 公司投入大量资金, 为供电系统内6kV变电所增设小电流接地选线装置, 化工二厂E37丙烯腈利用今年检修期间, 安装了由广西星宇智能电气有限公司生产的YH-B811型小电流接地选线装置。其所应用的选线方法为上节所讲的3:暂态量选线法。该选线方法不受系统运行方式和系统参数的影响, 不受故障条件的影响, 具有较高的选线正确率。

5.1 安装中遇到的问题

由于我厂E37丙烯腈变电所于1986年开始投用, 所有设备均为原装进口的, 日本富士电气公司生产的上世纪70年代的产品, 其年限较长, 加之其所遵循的设计标准较老, 导致小电流接地故障选线装置在数据采集的过程中遇到问题, 主要表现在:

(1) 配电盘零序CT孔径过小, 无法再增加信号电缆;

(2) 配电盘零序CT的容量与二次回路的阻抗不匹配, 无法达到精度要求针对以上问题, 我们经过论证, 决定采取加装单独的零序CT来解决上述问题, 实际情况证明, 其效果良好,

5.2 采用的接线方式

我厂E32丙烯腈变电所共有高压配电盘18面, 36个回路。从丙烯腈装置检修完毕投用运行至今。

摘要：本文主要介绍了小电流接地系统的特点, 实现故障选线的意义及单相接地时的故障特征。对以电缆为主的供电系统中电缆出现故障的原因进行了分析, 并简要介绍了小电流接地故障选线装置在大庆石化公司化工二厂E37丙烯腈变电所的应用。

关键词：小电流接地系统,地选线

参考文献

[1]范锡普.发电厂电气部分[M].北京:中国电力出版社, 1995.

[2]湖南电力学校.发电厂变电站电气设备[M].北京:水利电力出版社, 1983.

电力系统专用网络隔离装置的原理及应用 篇3

一、SCADA系统结构简介

SCADA系统一般由三大部分组成:安装在各基层生产单位的远程终端单元RTU (Remote TerminalUnit) 、远程数据通信网络及控制中心站。RTU的主要作用是进行数据采集及本地控制。进行本地控制时作为系统的一个独立的工作站, 进行数据采集时作为一个远程数据通信单元。系统的通信网络主要用于RTU与控制中心站通信及其他RTU通信。控制中心站是一个局域网, 包括操作站、数据存储与处理站、自动化工程工作站等多个工作站和支持网络功能的设备, 以完成不同的工作。

二、SCADA系统网络安全性分析

SCADA系统控制中心站通过中心站软件管理系统数据库, 每个工作站通过组态画面监测现场站点, 下发控制命令进行控制, 并完成工况图、统计曲线、报表等功能。SCADA系统大都是基于Windows, U nix, Li nux等操作系统的组态软件, 这些操作系统并非是完美无暇的, 一些怀有恶意的用户可以利用已知的操作系统漏洞人侵web服务器, 然后从网络中获取没有防护措施的SCADA系统的访问权, 甚至篡改数据。现有的SCADA系统与MIS系统和因特网之间的联网大都采用路由器或防火墙进行安全隔离, 在很大程度上起到防范作用, 但是防火墙要保证服务, 就必须开放相应的端口, 这就给无授权的非法访问留下空子。网络黑客会利用开放服务的数据隐蔽隧道进行攻击以及攻击开放服务的软件缺陷, 都会使防火墙无所作为。

三、网络隔离技术的原理及特点

网络隔离, 英文名为Network Isolation, 主要是指把两个或两个以上可路由的网络 (如:TCP/IP) 通过不可路由的协议 (如:IPX/SPX、NetBEUI等) 进行数据交换而达到隔离目的。由于其原理主要是采用了不同的协议, 所以通常也叫协议隔离 (Protocol Isolation) 。

应用网络隔离技术产生的网络隔离器自身具有高度的安全性, 在理论和实践上要比防火墙高一个安全级别。从技术实现上, 除了和防火墙一样对操作系统进行加固优化或采用安全操作系统外, 关键在于要把外网接口和内网接口从一套操作系统中分离出来。也就是说至少要由两套主机系统组成, 一套控制外网接口, 另一套控制内网接口, 然后在两套主机系统之间通过不可路由的协议进行数据交换, 如此, 既便黑客攻破了外网系统, 仍然无法控制内网系统, 就达到了更高的安全级别。

见结构图:

网络隔离技术实现的是网间隔离, 即监控SCADA网络和MIS网络 (因特网) 的网络包不可路由到对方网络。网络隔离在隔离网络包的同时要完成网间应用数据的交换, 对网络包进行协议分析, 完成应用层数据的提取, 然后进行数据交换, 彻底防范基于网络协议的攻击, 即不能够让网络层的攻击包到达要保护的网络中这样就把诸TearDrop、Land、Smurf和SYN Flood等网络攻击包, 彻底地阻挡在了监控SCADA网络之外, 从而明显地增强了监控SCADA网络的安全性。

网络隔离技术采用基于会话的认证技术和内容分析与控制引擎对网间的访问进行严格的控制和检查, 确保每次数据交换都是可信的和可控制的, 严格防止非法通道的出现, 确保信息数据的安全和访问的可审计性。

4.应用实例

犍为电网监控SCADA系统最初是采用硬件防火墙与MIS系统联网, 共享SCADA系统的信息数据, 在联网后通过网络监测工具监测到有大量MIS系统的网络包渗透到SCADA系统网络中, 严重影响了SCADA系统中正常的网络通讯, 并且时常有来自MIS系统的网络病毒感染SCADA系统中的计算机系统, 造成SCADA系统不能稳定运行, 严重危及到整个电网的安全生产运行。为保障SCADA系统的稳定安全运行, 采用了网络隔离装置取代硬件防火墙, 实现了SCADA系统与MIS系统的网络隔离, 彻底地阻挡了MIS系统中的非法网络包渗透和网络病毒的攻击.

结束语

网络隔离技术通过专用通信设备、专有安全协议和加密验证机制及应用层数据提取和鉴别认证技术, 实现不同安全级别网络之间的数据交换, 彻底阻断了网络间的直接TCP/IP连接, 同时对网间通信的双方、内容、过程施以严格的身份认证、内容过滤、安全审计等多种安全防护机制, 从而保证了网间数据交换的安全、可控, 杜绝了由于操作系统和网络协议自身漏洞带来的安全风险。SCADA系统是工业自动化控制的核心, 采用网络隔离技术来保障SCADA系统网络的稳定安全, 可以实现信息共享的同时提高SCADA系统的效能, 促进工业自动化生产提高经济效益。

摘要：SCADA系统是一个高安全度网络系统, 随着SCADA系统数据信息联入MIS系统以及利用网络漏洞的新型网络攻击手段的出现, 引发一些安全事故的发生, 使得人们对SCADA系统网络的安全性的要求更高, 网络隔离技术的引入, 有效得保障了SCADA系统网络的安全。

关键词：SCADA系统,安全性,网络隔离,MIS系统

参考文献

[1]William FRush, et al.Here's What You Need To Know ToProtect SCADA Systems From Cyber-Attack Pipeline&Gas Journal, 200 3 (2) :29-30.

[2]张峻, 等.武汉电力SCADA系统安全互连策略[Jl.湖北电力, 2004 (2) :44-4 6.

电力系统专用网络隔离装置的原理及应用 篇4

1 工作原理

手机作为远程监控终端, 向GSM通信模块写入短信指令, GSM模块收到指令并传送到PLC, PLC根据指令执行相应的程序, 通过输出模块实现对设备的控制;指令执行后, PLC通过输入模块采集设备工作状态信号, 执行程序并传给GSM模块, GSM模块将采集到的信号发送到手机;直流供电单元提供直流电供PLC和GSM模块使用;TTL/485/232模块, 负责将GSM模块输出的TTL电平转换为RS232串口, 用于计算机的通讯。也可以转换成RS485串口, 实现与PLC的通讯;PC机, 对GSM模块进行通讯测试及对PLC编程。

2 GSM模块的数据的传输:

GSM模块的作用就是收发数据。收发方式是指上位机怎样将要发送的数据传送给模块, 模块收到的数据又以什么样的方式传送给上位机。GSM的收发方式有两种, 一种是有格式的方式, 一种是透明方式。收发的数据内容可以是二进制数据、汉字和字符。实际上当模块对模块传输时无论是汉字或字符都用二进制以字节为单位表达。

3 GSM模块数据格式

对模块收发二进制数据和模块对手机收发汉字和字符混合的数据收发汉字和字符混合的数据, 采取有格式传输方式, 如图1。

字头:D7H, 1字节, 表示传输的数据是汉字或十六进制数据。控制字:01H, 1字节手机号码:6字节的8位二进制BCD码, 将电话号码转换成数据包中BCD码的格式的步骤就是:1.在电话号码的左边补一个“0”2.从左向右每两位分成一组3.分别将各组转换成BCD码。如果要将数据包中的数据还原成电话号码, 步骤正好相反。数据长度:所要传输的数据长度, 2字节。GSM模块规定每次数据传输的数据长度不大于140字节, 若数据长度超过这个阈值, 则本次传输失败, 模块不发送数据。

4 GSM模块与PLC的通讯实现方法

采用西门子S7-200PLC的自由口通讯方式。这种方式完全由用户程序控制S7-200的串口通讯端口。自由端口模式时, 程序通过使用接收中断、传送中断、"传送"指令和"接收"指令控制通讯端口操作。通讯协议位于自由端口模式时完全受梯形图程序的控制。SMB30 (用于端口0) 和SMB130 (用于端口1, 如果S7-200有两个端口) 被用于选择波特率和校验。

当S7-200位于STOP (停止) 模式时, 自由端口模式被禁止, 正常通讯重新建立 (例如, 编程设备存取) 。

只有在S7-200位于RUN (运行) 模式时才能使用自由端口通讯。在SMB30 (端口0) 或SMB130 (端口1) 的协议选择域中设置一个01数值, 启用自由端口模式。位于自由端口模式时, 无法与编程设备通讯。SMB30和SMB130分别配置通讯端口0和1, 用作自由端口操作, 并提供波特率、校验和数据位选择。SMB30和SMB130描述自由端口控制字节。为所有的配置生成一个停止位。对应端口0或1, 分别定义SMB86至SMB94以及SMB186至SMB194被用于控制和读取有关“接收信息”指令的状态。

5 手机无线远程控制装置的应用:

手机无线远程控制装置可用于城市地下水抽水泵站的远程控制。在新疆地区, 由于地表水资源匮乏, 部分城市供水采用地下水, 当抽水泵站分布较广、间隔距离较长时, 人工控制和布线控制都具有较大的困难。采用手机无线远程控制装置能够节省通讯布线工程费用、降低管理成本, 实现足不出户就能实现对远方泵站的控制, 同时能够把泵站的运行情况反馈给管理者, 及时处理异常情况。

6 结束语

本文对手机无线远程控制装置的工作原理、通讯的实现方式和典型应用进行了介绍。成本低、操作方便、控制距离长、抗干扰性能好, 是手机无线控制装置最大的特点。

摘要：本文对手机无线远程控制装置的工作原理、通讯的实现方法进行了分析, 解决了城市供水偏远泵站的控制问题, 取得了较好的效果。

关键词：手机无线远程控制,通讯PLC

参考文献

[1]廖常初.s7-200PLC基础教程[M].北京:机械工业出版社.2007 (01) .

电力系统专用网络隔离装置的原理及应用 篇5

平地机是一种以铲土刮刀为主、配有其他多种辅助作业装置, 进行土的切削、刮送和整平连续作业的多功能工程机械。它可以进行砂、砾石路面的整形和维修, 表层土的剥离, 轻度铲掘、挖沟、修刮编等整平作业, 还可以完成稳定基土, 以及与其他路面材料的混合、回填、摊平等作业。由于目前现场作业人员, 对其装置的构造特别是液压系统的原理知之甚少, 因此在便用、维护与检修等方面, 产生很大障碍。因此, 对平地机装置进行系统总结描述, 方便平地机械的使用, 对提高广大操作维护人员的技术水平、扩大平地机械的使用功能、交流工作经验十分有益。

1 平地机的主要工作装置特点

(1) 刮刀。刮刀是平地机的主要工作装置。刮刀安装在弓形梁架下方牵引架的回转圈上。回转圈是一个带内齿的大齿圈。它支撑在牵引架上, 可在回转驱动装置的驱动下绕牵引架转动, 从而带动刮刀回转。牵引架的前端是一球形铰, 与车架前端铰接, 使牵引架可绕球铰在任意方向转动和摆动。刮刀背面的上下两条滑轨支撑在两侧角位器的滑槽上, 在侧移油缸活塞杆的推动下, 刮刀可以侧向伸出。松开角位器的固定螺母, 可以调整角位器的位置, 即调整刮刀的切削角。

(2) 松土工作装置。平地机的松土工作装置主要用于疏松比较坚硬的土壤, 对于不能用刮刀直接切削的地面, 可先用松土装置疏松, 然后再用刮刀切削、平整。松土装置按作业负荷大小分为耙土器和松土器。耙土器承受负荷较小, 一般布置在刮刀和前轮之间, 属于前置式松土装置。松土器承受负荷较大, 属于后置式松土装置, 布置在平地机尾部, 安装位置离驱动轮近, 车架刚度大, 允许进行重负荷松土作业。松土器的齿数较少, 单齿的承载能力大, 一般适应于疏松较硬的土壤或破碎硬路面。耙土器齿多而密, 单齿的负荷比较小, 适用于疏松松软的土壤、破碎土块或清除杂草。

2 PY160平地机液压系统分析

2.1 液压系统组成

选用PY160平地机液压系统进行分析, 其液压系统如图1所示。动力元件为齿轮泵, 控制元件为四路分配阀总成。根据实现推土板和耙子各种动作的需要。执行元件为9个双作用缸。每一组分配阀总成的四个分配阀 (1) 、 (2) 、 (3) 、 (4) 或 (5) 、 (6) 、 (8) 、 (9) , 采取并联连接, 两组四路阀总成之间采取串联连接。8个分配阀中, 除分配阀 (4) 是控制后轮转向外, 其余7个分配阀都是控制工作装置的。

注: (1) 推土板升降油缸一号分配阀; (2) -推土板倾斜油缸分配阀; (3) -推土板回转油缸分配阀; (4) -后轮转向油缸分配阀; (5) -推土板铲角变油缸分配阀; (6) -耙子升降油缸分配阀; (7) -后轮转向油缸; (8) -推土板引出油缸分配阀; (9) -推土板升降油缸二号分配阀; (10) -溢流阀; (11) -油泵; (12) -滤油器; (13) -油箱; (14) -四路分配阀总体; (15) -单向阀; (16) -推土板倾斜油缸; (17) -流量控制阀; (18) -推土板升降油缸; (19) -流量控制阀; (20) -耙子升降油缸; (21) -推土板回转油缸; (22) -前轮转向分配阀; (23) -前轮转向油缸; (24) -回转接头; (25) -推土板引出油缸; (26) -铲土办铲土角变换油缸;[27]-双作用安全阀

依据只有串联连接的两个油缸, 在符合动作时才能在符合不等的情况下, 获得等速运动的特点。在分配阀与工作油缸连接的布置上, 采取的方式有:

(1) 两个推土板升降油缸分别于串联的两组思路。分配阀总成中的分配阀 (1) 和 (9) 连接。这样, 既可以单独操纵一个推土板升降油缸, 调整推土板倾斜角度, 又可以同时操纵两个推土板升降油缸, 使两边匀速升降推土板。分配阀 (1) 和 (9) 对称地布置在两组四路分配阀总成的两边, 以便于驾驶员辨识。

(2) 使推土板90°直立时需要, 操纵推土板倾斜油缸和推土板引出油缸。因此, 为了使两个油缸能够等速运动, 他们的分配阀 (2) 和 (8) 亦是分别布置在串联的两组四路分配阀总成中。

(3) 其余的三个分配阀 (3) 、 (5) 、 (6) 与油缸连接上无特殊考虑, 它们分别与推土板回转油缸 (21) 、推土板铲土角变换油缸 (26) 和耙子升降油缸 (20) 相连。

由于推土板引出油缸 (25) 与推土板铲土角变换油缸 (26) 是一端安装在于回转圈相连的耳板上, 一端与推土板相连, 回转圈回转时, 油缸将随同回转, 由此, 由分配阀引到油缸的管路, 中间用回转接头 (24) 连接。

在每组四路分配阀中, 都装有一个单向阀 (15) 和一个溢流阀 (10) 。单向阀是用来防止油缸向油缸高压腔倒流油液的, 溢流阀 (10) 起到安全保护作用。用来防止油泵过载, 两个溢流阀的压力调整在10.5MPa。

顺便指出, 第二组四路分配阀总成中的溢流阀的作用是不大的。因为液压系统在各种工作情况下的最高工作压力已经由第一组四路分配阀总成中的溢流阀限制, 而在第一组四路分配阀总成工作时, 进入第二组四路分配阀总成的工作油液, 其压力又是第一组四路分配阀总成的回油压力, 不可能超过10.5MPa。

在两个推土板升降油缸 (18) 和推土板倾斜油缸 (16) 的油路中, 装有由简单节流阀和单向阀构成的流量控制阀 (17) , 用来控制推土板的降落速度, 避免因推土板降落过快而发生损坏。

2.2 液压系统工作原理

(1) 当各个油缸不工作时:油泵卸载, 油泵排出的油液经过8个分配阀的中间位置油路, 通过液压转向系统的流量控制阀 (19) 和前轮转向分配阀 (22) 后, 流回油箱 (13) 。

当两组分配阀总成中有一个分配阀处于工作位置时, 油泵排除的压力油便进入相应油缸的一个油腔, 推动活塞动作。例如, 使分配阀 (1) 右移, 油泵压出的油液将进入推土板提升油缸的左腔, 油缸右腔的油液将经过节流阀和分配阀流回油箱, 这是使推土板一边降落的动作, 由此油缸右腔的回油经过节流。相反, 加入使分配阀 (1) 左移, 将变为推土板提升油缸右腔进油, 左腔回油, 这是提升推土板一边的动作。此时进入油缸右腔的压力油, 是经过流量控制阀上的单向阀进入的, 因此能保证必要的推土板提升速度。

(2) 当任一分配阀处于工作位置时:油泵的压力油是再推开单向阀 (15) 后进入分配阀的, 如果油压超过10.5MPa, 则溢流阀 (10) 开启, 使部分油液直接泄回油箱。

(3) 当有两个分配阀进行复合动作时候:例如, 同时操纵分配阀 (1) 和 (9) , 使分配阀 (9) 右移。分配阀 (1) 左移, 则油泵的压力油在推开单向阀 (15) 后首先进入分配阀 (9) , 并通向与阀 (9) 相连的推土板提升升降油缸 (18) 的右腔。同时从油缸左腔排出的油液, 将流向第二组四路分配阀总成, 并在压开第二组四路分配阀总成的单向阀后, 进入分配阀 (1) , 并由此通往与分配阀 (1) 相连的推土板提升油缸右腔, 油缸左腔的油液则经回油管路流回油箱, 为此匀速提升铲刀两边的动作。

由此可见, 在复合运动时, 由于阀 (1) 和阀 (9) 是串联连接, 进入分配阀 (1) 的压力油, 从分配阀 (9) 排除的油, 两个推土板提升油缸中只要一个油缸不动作, 另一个油缸也不能动作。相反, 一个油缸动作多少, 另一个油缸也将动作多少。因而, 这种串联连接, 保证了在两个油缸负荷不等时, 仍能以相同的速度工作。

3 结语

平地机是一种短距离铲土的运输机械。其主要部件为平地铲, 土方工程中常用于地面墙土的平整作用。对其工作装置进行系统的分析, 特别是对PY160平地机的液压系统组成功能的介绍, 有助于增强人们尤其是工程现场的机械使用与维护人员, 对平地机有一个系统的熟悉与了解。

参考文献

[1]袁飞, 金雁波, 杨建权.平地机工作装置液压系统设计[J].科技与企业, 2012, 35 (17) :35-37

电力系统专用网络隔离装置的原理及应用 篇6

在煤矿井下, 高压配电装置隔离触头因接触不良引发温度过高而导致的事故时有发生。在电网运行过程中, 由于接触条件恶化, 接触电阻增加, 引起触点温度升高, 加剧触头表面氧化, 导致高压配电装置隔离触头接触松动处产生电弧放电或局部熔焊, 造成电气设备损坏, 甚至引发火灾。这些事故发生初期的明显现象就是温度异常, 因此, 高压配电装置隔离触头温度的实时监测对确保高压配电装置安全可靠地运行具有十分重要的现实意义。

由于井下地形复杂, 高压配电装置位置分散, 故障不容易被发现。鉴此, 笔者设计了一种矿用高压配电装置隔离触头温度在线监测系统来对高压配电装置隔离触头温度进行远程在线监测, 以实现煤矿井下事故预警, 降低事故发生率。本文重点阐述该系统软件部分的设计。

1 系统硬件电路设计

矿用高压配电装置隔离触头温度在线监测系统的硬件电路包括高压端模块和低压端模块两部分, 其组成分别如图1和图2所示。高压端模块包括温度传感器、AD转换器、微处理器和无线发射模块;低压端模块包括无线接收模块、微处理器、RS485串口通信模块和上位监测主机 (上位机) 。温度信号由高压端模块采集并处理后, 通过高压端无线发射模块发送出去;低压端无线接收模块接收数据, 通过微处理器和RS485串口通信模块与上位机通信, 并在上位机上显示数据。无线收发模块将高压端与低压端分离, 避免高电压信号窜入低压电路[1]。

图1中, 温度传感器采用贴片式Pt100, 其测温范围为-200～400 ℃;为避免三相隔离触头产生相电位差, 高压端模块对温度传感器采用一对一采集方式;AD转换器选用ADC0804芯片;无线收发模块采用挪威Nordic VLSI公司研制的单片射频收发芯片nRF905, 其由功率放大器、晶体振荡器、集成的频率调制器、带解调器的接收器和调节器组成;高、低压端模块微处理器均采用STC89C52芯片。

2 系统下位机软件设计

系统下位机软件程序采用C语言编写, 通过高低压端模块完成温度信号采集、数据处理、串口通信功能, 具体包括AD转换程序、数据处理程序、nRF905无线收发程序、数据存储程序、数据串口通信程序。下面主要介绍温度信号无线收发原理、高压端模块程序、低压端模块程序。

2.1 温度信号无线收发原理

微处理器通过SPI接口向nRF905配置寄存器读写配置信息, 设定nRF905的工作频率、工作模式、输出功率、本机地址、时钟频率、CRC校验位数、收发地址宽度及有效数据长度等相关信息。

nRF905通过对工作模式的设置来完成数据的传送任务, 其工作模式由TRX_CE、TX_EN、PWR_UP三个引脚的设置值来决定, 具体设置方法如表1所示。

2.2 高压端模块程序

高压端模块程序流程如图3所示。微处理器初始化后对nRF905相关寄存器进行配置, 通过ADC0804实现温度信号的模数转换, 经过10次采样后, 取10次采样的平均值作为当前温度值。按表1所示的设置方法, 微处理器将nRF905设置为发送模式, 开始向低压端模块发送数据。数据发送完毕并延时1 ms后, 将nRF905引脚TRX_CE置低, 无线发射模块进入休闲模式以降低能耗, 等待下一次数据的到来。

2.3 低压端模块程序

低压端模块程序流程如图4所示。微处理器初始化完毕后向nRF905发送请求命令, nRF905收到请求后进入接收模式并开始接收数据 (否则返回, 继续等待) , 数据接收完毕, nRF905的DR引脚被置高, 同时微处理器将TRX_CE置低, nRF905进入休闲模式。微处理器存储数据, 当接收到上位机指令后, 通过RS485串口通信模块向上位机传输数据[2,3]。

3 系统上位机软件设计

LabVIEW是美国NI公司推出的面向计算机测控领域的图形化编程语言和软件开发平台, 是目前应用最为成功、广泛的虚拟仪器软件开发环境。矿用高压配电装置隔离触头温度在线监测系统的上位机软件正是基于LabVIEW平台开发的。上位机软件主要包括RS485串口通信程序、温度信号诊断程序、信息处理合并程序。

3.1 RS485串口通信程序

RS485串口通信程序的设计以LabVIEW中4个VISA控件 (即VISA配置串口、VISA写入、VISA读取、VISA关闭) 以及CRC校验子程序为基本框架, 完成上位机与下位机的数据通信[4]。其程序流程如图5所示, 程序框图如图6所示。

3.2 温度信号诊断程序

温度信号相对隔离触头故障来说是一种模糊信号, 不能根据温度升高几摄氏度就断定高压断路器会发生相应的故障。明确地界定温度故障值是不合理的, 只能说温度到达某一范围时会有发生某种故障的可能。因此, 系统上位机软件引进模糊控制理论, 通过隶属度函数建立了模糊信号与精确数学表达之间的关系。

模糊语言变量的定量描述是由隶属度函数实现的, 如何确定隶属度函数是关键问题。由于模糊集的研究对象具有模糊性和经验性, 因此, 必须根据具体问题确定合适的隶属度函数。本文使用一台ZNY1—10型矿用高压断路器做隔离触头温度升高实验, 通过观察故障与温度变化的关系, 发现两者之间大致呈正态分布, 因此, 采用降半正态分布的隶属度函数:

undefined

式中:μ为隶属度值;x为隔离触头的实时温度值;k>0;a为高压配电装置在70%负荷下隔离触头的正常工作温度, 经查阅资料和现场测温知, ZNY1—10型断路器隔离触头的正常工作温度为50 ℃。

k值直接影响隶属度函数的曲线形状和控制灵敏度。k的取值必须依据实验和被测对象温度所对应的工作状况决定。通过调研发现, 当环境温度为27 ℃时, 隔离触头稳定工作在50 ℃附近, 不超过60 ℃, 因此, 设定隔离触头温度在不大于55 ℃时, 隶属度为1;温度为60 ℃时, 隶属度为0.8。将上述值代入式 (1) 后可计算出k=0.002 23。

确定诊断方法以后, 在LabVIEW中采用模块化编程方法设计出了隔离触头温度信号诊断程序。用数学函数控件和选择结构控件构建隶属度函数模型, 通过选择结构控件和布尔控件设计出预警等级和诊断描述子程序[5,6,7]。

图7、图8、图9分别为温度信号诊断程序流程、温度信号诊断程序框图和温度在线监测界面。

从图9可看出, 通过后台程序模糊判断, 温度在线监测界面能够较好地反映隔离触头温度健康指数, 并准确给出矿用高压配电装置隔离触头温度预警诊断描述。

4 试验结果及分析

为了检验矿用高压配电装置隔离触头温度在线监测系统下位机的工作性能及上位机软件的在线监测效果, 对ZNY1-10型高压真空断路器隔离触头进行了加热试验。在开关断开的情况下, 将触头分别加热至55 ℃、70 ℃、90 ℃, 在其自然降温过程中记录触头上温度计读数和监测界面显示温度, 部分试验数据如表2所示。

从表2可看出, 在线监测界面显示的温度比触头实际温度略小, 但误差都在1 ℃范围内。

5 结语

结合矿用高压配电装置隔离触头温度在线监测系统的硬件电路, 设计了下位机软件程序和基于LabVIEW的上位机在线监测和故障预警程序, 并通过RS485串口通信实现了远程监测功能。试验结果表明, 该系统的上位机程序能同步显示触头实际温度, 且在线监测误差在1 ℃内, 符合工程实际要求, 有助于降低煤矿井下巡检人员对矿用高压配电装置的离线检测次数和矿用高压配电装置故障率。

摘要：针对煤矿井下高压配电装置隔离触头常因接触不良引发温度过高, 继而导致故障且不易检测的问题, 提出了一种矿用高压配电装置隔离触头温度在线监测系统的设计方案, 重点阐述了该系统下位机软件程序和基于LabVIEW虚拟仪器开发平台的上位机在线监测程序的设计。试验结果表明, 该系统能够实时远程监测矿用高压配电装置隔离触头的温度信息, 误差小于1℃, 符合工程实际要求, 且能够根据监测的温度信号进行故障诊断和预警。

关键词：矿用高压配电装置,隔离触头,温度监测,故障诊断,故障预警,虚拟仪器

参考文献

[1]张国栋, 宋建成, 许春雨.基于nRF905的高压配电装置隔离触头温度在线监测装置的研究[J].工矿自动化, 2010, 36 (5) :16-20.

[2]杨光松.基于NRF905的无线温度数据采集系统[J].微计算机信息, 2008 (22) :104-105.

[3]巩宪锋, 衣红钢, 王长松, 等.高压开关柜隔离触头温度监测研究[J].中国电机工程学报, 2006, 26 (1) :155-158.

[4]袁雪, 陈斌, 鲁中巍, 等.基于LabVIEW的Modbus串口通讯协议的实现[J].现代仪器, 2008, 14 (2) :31-33.

[5]王季方, 卢正鼎.模糊控制中隶属度函数的确定方法[J].河南科学, 2000, 18 (4) :348-351.

[6]王耀南.智能信息处理技术[M].北京:高等教育出版社, 2003:36-50.