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直流系统

第一节：

直流系统概述

一、直流系统的作用及重要性

为供给继电保护、控制、信号、计算机监控、事故照明、交流不间断电源等直流负荷，发电厂及变电站应装设由蓄电池供电的直流系统。

直流系统的用电负荷极为重要，对供电的可靠性要求很高。

直流系统的可靠性是保障电厂及变电站安全运行的决定性条件之一。

二、定义及基本概念

1充电机：

由充电模块及相应的测量、保护、操作、监控器等组成的高频开关电源装置。

2整流模块：

提供电池所需电压输出的AC/DC智能高频开关变换器，其输出连接在直流母线和电池母线上。

基本功能是输出稳定的直流电源。

3浮充电：

充电装置的输出端并接着电池及负载，以恒压充电方式工作。

充电装置在承担经常性负荷的同时向蓄电池充电，以补充蓄电池的自放电，使蓄电池以满容量的状态处于备用。

4均衡充电：

简称均充，是为了补偿蓄电池在使用过程中产生的电压不均匀现象，使其恢复到规定的范围内而进行的充电。

5恒流限压充电：

简称恒充，先以恒流方式进行充电，当蓄电池端电压上升到限压值时，充电装置自动转换为恒压充电，直到充电完毕。

6电源监控模块：

用于监控、管理直流系统设备各种参数和工作状态的装置。

7绝缘监测仪：

实现系统母线和支路的绝缘状况监测，产生告警信号并上报数据到监控模块，在监控模块显示故障详细情况（无论是母线平衡接地，还是不平衡接地；同一支路的单侧接地，还是正负极同时接地；不同支路的单侧接地还是双侧同时接地；以及所有支路的混合接地；都可做出正确判断）

8电池巡检仪：

支持单体电池电压监测和告警；对电池端电压，充放电电流，电池房温度及其他参数做实时在线监测

第2节整流模块

一、整流模块的工作原理

图2-1高频整流模块原理框图

如图2-1所示高频开关整流模块的主回路电路包括EMI滤波、全桥整流、PFC校正、高频逆变、高频变压器、高频整流和LC滤波，各部分的功能如下：

EMI滤波：

抑制交流输入侧的尖峰电压干扰，将过电压冲击对整流模块的危害降至最小；阻断整流模块产生的高频干扰反向传输污染电网。

全桥整流：

采用整流桥直接将交流输入电压变换为脉动直流电。

PFC校正：

单相模块采用有源器件，三相模块采用无源器件，将整流所得的脉动直流电转换成平滑的直流电，对交流输入电路的功率因数进行校正。

高频变换：

采用MOSFET或IGBT开关功率器件，将输入直流电变换为脉冲宽度可调的高频交流脉冲波。

高频变压器：

将高频交流脉冲波隔离、耦合输出，实现交流输入与直流输出的电气隔离和功率传输。

高频整流：

采用快恢复二极管，将高频交流脉冲波变换为高频脉动直流电。

LC滤波：

采用无源LC器件，将整流所得的高频脉动直流电转换成平滑的直流电。

二、整流模块的均流技术

整流模块采用先进的平均值自动均流技术，工作原理如图2-2所示。

在每个并联模块的输出电流反馈放大信号输出端分别通过一个电阻R接到一条公用母线上，这条母线称为均流母线。

均流母线工作时的电压等于各模块电流反馈放大信号的电压平均值，它与负载有关，表征总负载电流的平均值。

将每个模块的电流反馈信号电压与均流母线电压比较，得到误差放大信号去修正模块的输出电压给定信号，从而对PWM控制器的占空比进行微调，达到自动均流和稳压的目的。

平均值均流技术的本质是调整模块的外特性，即通过模块的输出电流反馈信号来适当调整模块输出电压，从而调整其输出电流，使各并联模块输出电流等于总负载电流的平均值，可以非常精确地实现自动均流。

平均值法的均流母线断开或开路都不会影响电源模块独立工作，但某一模块失效会使均流母线电压下降，因此对连接均流母线的电流反馈信号输出采用电压继电器保护。

图2-2整流模块并联均流电路原理图

三、整流模块的监控

a）本机监控：

●测量：

模块输出电压和电流。

由高亮度LED数码管显示，通过V/A显示转换按钮进行切换。

测量采用零点和满度自校准技术（可通过按键手动校正），在环境温度变化或测量电路参数时变的条件下，仍能保证测量数据的准确性。

●信号：

绿色LED闪亮指示模块工作正常；黄色LED指示模块保护告警，包括交流输入过压、欠压或缺相，直流输出欠压及模块过温。

红色LED指示模块故障告警，包括直流输出过压。

●控制：

通过后背板上的船形开关控制模块的开关机。

通过前面板内的拨码开关选择模块的工作方式，第1位拨码向上拨为手动，向下拨为自动。

在自动工作方式下，整流模块的输出电压、限流值、开/关机和均/浮充状态由监控装置进行控制，人工无法干预；在手动工作方式下，可通过前面板上的↑↓按键调节模块的输出电压和限流值，模块的运行不受监控装置的控制，但仍上送运行状态信息。

b）后台监控：

通过RS485通信接口，将模块信息上传到电源监控装置，同时接收监控装置的控制命令。

整流模块与监控装置的通信地址由第2～6位拨码开关决定，其中第2位拨码开关为地址高位，第6位拨码开关为地址低位，拨码向上拨为1，向下拨为0。

整流模块的后台监控内容如表2-3所示。

表2-3整流模块的后台监控内容

项目

监控内容

备注

遥测

测量模块的输出电压，并上报给监控装置。

测量模块的输出电流，并上报给监控装置。

遥信

将模块的保护告警信号“交流异常”（包括交流输入过压、欠压或缺相）、“直流欠压”和“模块过温”上报给监控装置。

1.模块在交流异常、直流过压或过温保护时，或者在限流输出状态时，屏蔽直流欠压告警信号。

2.交流异常和直流欠压告警信号延时10秒输出。

将模块的故障告警信号“直流过压”上报给监控装置。

将模块的工作方式信号“自主”或“受控”上报给监控装置。

遥控

接收监控装置的命令，控制整流模块的开机和关机。

1.模块在自主工作方式下，不接受监控装置的“遥控”和“遥调”命令。

2.模块在遥控关机时，屏蔽直流欠压告警信号。

3.模块与监控装置通信中断时，如果之前在浮充状态，则继续按给定的浮充电压值运行；如果之前在均充状态，则自动转为浮充状态，按预设的充电保护电压值运行。

接收监控装置的命令，控制整流模块的均充和浮充转换。

遥调

接收监控装置的命令，调节整流模块的输出电压给定值。

接收监控装置的命令，在1A～100%额定值范围内调节整流模块的输出限流点。

接收监控装置的命令，调节整流模块的输出充电保护值。

第三节绝缘监测单元

发电厂和变电站内的直流操作电源系统，其直流供电网络分布到电站的各个一次和二次设备处，支路纵横交错，发生接地的概率很高。

直流系统是正负极对浮空的，当出现一点接地（正负极直接接地或对地绝缘降低）时，系统虽然能正常的工作，但出现第二点接地时，则可能造成信号装置、控制回路和继电保护装置误动作，甚至造成直流正负极短路，从而引发严重的电力事故。

因此直流系统对地应有良好的绝缘，必须对其进行实时的在线监测，当某一点出现接地故障时，立即发出告警信号，提醒运行人员查找并排除接地故障，从而杜绝直流系统接地故障可能引发的电力事故。

一、绝缘监测装置的工作原理

直流系统的绝缘监测装置由母线绝缘检测和支路绝缘检测两部分组成：

a）母线绝缘检测原理

图3-1母线绝缘监测原理图

如图3-1所示，母线绝缘检测采用不平衡电桥检测电路，由微处理器控制电桥开关S1和S2轮流导通，分别测得两组直流母线正负极对地的电压值，然后通过方程式计算出直流母线正负极对地的绝缘电阻值。

根据欧姆定律在开关S1和S2全部断开时得到方程式一：

Uz（R+Rz）/RRz=Uf（R+Rf）/RRf

（1）

在开关S1闭合，S2断开时得到方程式二：

Uz1（R+2Rz）/RRz=Uf1（R+Rf）/RRf

（2）

在开关S2闭合，S1断开时得到方程式三：

Uz2（R+Rz）/RRz=Uf2（R+2Rf）/RRf（3）

已知电压Uz、Uf、Uz1、Uf1、Uz2、Uf2的测量值和电阻R的值，联立解方程组

（1）和

（2）或

（1）和（3），可以求出直流母线正负极对地的绝缘电阻Rz和Rf的值。

这一技术的母线对地电压检测精度直接影响绝缘电阻的计算结果，而且电桥开关在切换过程中，母线正负极对地分布电容的充放电过程会直接影响对地电压的采样值，因此应针对不同容量的电源系统设置不同的检测速度，以保证绝缘监测的精度。

另外，采用这种电桥测量技术虽然可以准确地计算出直流系统正负极对地总的绝缘电阻值，但由于电桥电路在直流正负极与地之间人为接入了一定值的接地电阻，必然会对直流系统的绝缘水平产生一定的影响，因此，在保证一定测量精度的前提下，电桥电路R的取值应尽可能大，而电桥电路在切换时自动选择正负极对地电压较大一侧的开关闭合；同时采用实时比较正负极对地电压变化量的方法，结合定时处理，减少电桥开关切换的次数，大大降低电桥电路对直流系统的影响。

b）支路绝缘检测原理

以上母线绝缘检测技术虽然可以测量出直流系统正负极对地总的绝缘电阻，但不能确定直流系统各供电支路（直流馈电输出）的正负极对地的绝缘电阻值。

如果直流系统出现接地故障时，对接地故障点的查找只能采用逐路断开馈电支路开关，顺着支路逐级查找以确定接地故障点。

这种方法既费时又费力，而且断开支路上的各种装置要暂时退出工作，存在引起电力事故的危险。

对直流系统各馈电支路正负极对地绝缘电阻的检测，是在各馈电支路回路安装电流互感器，采用低频叠加或直流漏电流的检测原理，计算出各馈电支路正负极对地的绝缘电阻值。

这两种原理各有自己的优缺点，分别说明如下：

●低频叠加原理：

由低频信号源产生的超低频信号通过隔直电容对地耦合到直流正负母线，采用无源交流小电流传感器，感应流过各馈电支路中接地电阻和接地电容的超低频信号电流，其大小直接反映出支路接地电阻的变化。

感应电流信号经过放大、相位比较、滤波和A/D转换后，进行数据处理并计算出相应的接地电阻值，判断出直流馈电支路的接地故障。

这一技术的电流传感器不受一次侧电流和温度变化的影响，缺点是检测精度受分布电容和低频信号衰减的影响较大。

当然可以采用信号相位比较技术进行超前校正及跟踪，消除馈电支路的分布电容对绝缘电阻测量精度的影响，同时过滤直流母线上非同步交流信号的干扰，解决支路误报和漏报现象。

●直流漏电流原理：

采用磁调制有源直流小电流传感器，馈电支路正负极穿过传感器的正常负荷电流大小相等、方向相反，在传感器中的合成直流电磁场为零，其二次输出也为零；当支路回路的正负极存在接地电阻时，就会感应产生漏电流，并且在传感器中合成漏电流磁场，其二次输出就直接反映接地漏电流的大小，结合母线绝缘检测不平衡电桥电路的对地电压测量数据，可以计算出支路对地的绝缘电阻值，从而判断出直流馈电支路的接地故障。

这一技术无需在直流母线上叠加任何信号，对直流系统不会产生任何不良影响，检测精度不受直流系统对地分布电容的影响，且灵敏度高，巡检速度快。

缺点是有源直流传感器的二次接线复杂，且其中的电子电路容易受温度变化和直流回路大电流冲击的影响产生零点漂移，影响测量精度。

当然，可以采取校正技术，消除零点漂移，保证检测精度。

另外，支路漏电流参数的变化量，也可以作为母线绝缘电桥检测电路的启动条件。

二、绝缘监测装置的型式

a）WZJ-21直流绝缘监测装置：

作为绝缘监测主机使用时，同时具备母线和支路绝缘监测功能；作为绝缘监测分机使用时，仅具备支路绝缘监测功能，适用于主分屏结构直流网络的分电屏馈电支路绝缘监测。

b）FLR-21支路CT信号采集模块：

用于采集馈电支路CT检测的直流对地漏电流信号，并通过RS485总线上传到绝缘监测装置主机或分机处理。

c）FCT-21、22绝缘电流传感器（CT）：

用于检测馈电支路的直流对地漏电流信号。

1）WZJ-21直流绝缘监测装置

WZJ-21直流绝缘监测装置主机的背板端子如图3-2所示，分机无E、F端子插件。

图3-2WZJ-21直流绝缘监测装置主机背板端子示意图

WZJ-21直流绝缘监测装置的背板有六个对外接线端子插座，包括工作电源、开关量输入、通信接口、开关量输出等。

2）FLR-21支路CT信号采集模块

FLR-21支路CT信号采集模块的正面端子如图3-3所示。

图3-3FLR-21支路CT信号采集模块正面端子示意图

FLR-21支路CT信号采集模块的正面有两个对外接线端子插座，包括CT信号输入、通信接口和工作电源。

3）FCT-21、22绝缘电流传感器（CT）

FCT-21、22绝缘电流传感器的正面端子如图3-4所示。

图3-4FCT-21、22绝缘电流传感器的正面端子示意图

TXD：

二次信号输出正极；

RXD：

二次信号输出地；

GND：

工作电源地；

V＋：

工作电源正极；V－：

工作电源负极；

Io＋：

恒流源输入；Io－：

恒流源输出。

第四节电池巡检单元

蓄电池是电源系统的重要组成部分，是保证在电力事故状态下电站的各种保护和自动化装置可靠工作和动作的“最后一道供电电源”，因电池问题造成的事故停电或停机损失远比电池本身的价值要高昂得多。

阀控铅酸蓄电池（VRLAB）是目前广泛使用的后备电池。

由于采用了阴极吸收技术，因而电池可以密封，在运行中无需加水维护。

蓄电池的密封一方面带来了很多好处，同时也使得观测和维护更加困难，而且“免维护”这一不科学的名称又导致使用者放松了电池的日常维护与管理。

阀控铅酸电池实际的使用情况是：

●除电池生产厂家的制造质量外，不合理的工作条件导致电池的使用寿命缩短很多。

●即使有专人维护，也是手工定期检测，不借助有效的测试手段，不能随时发现电池隐患。

并且手工检测即费时又费力，不能经常进行。

●手工检测对操作人员和直流系统的安全构成危险。

逐个测试电池电极时，容易引起操作人员触电或电池短路，严重的造成直流故障。

因此，为确保蓄电池能够提供足够的后备动力，有必要对其进行实时的在线监测管理，随时掌握电池的当前状况，尤其是单体电池的电压和内阻变化以及内部开短路故障，提醒运行人员及时处理问题电池，杜绝蓄电池故障可能引发的电力事故。

一、电池巡检装置的工作原理

直流系统的电池巡检装置由电池电压巡检和内阻巡检两部分组成：

a）

电池电压巡检原理

图4-1电池电压巡检原理框图

电池电压巡检是采用光继电器开关将蓄电池组每节电池的端电压进行采集，通过A/D转换电路，将电压信号转换为数字信号供CPU读取，最后通过RS485总线将处理后的信息上传到电源监控装置，进行数据分析和判断。

b）电池内阻巡检原理

图4-2电池内阻巡检原理框图

电池内阻巡检是采用交流注入原理，定时将信号发生器产生的低频交流信号经电容隔直后，通过光继电器顺序注入到电池内，然后将交流信号在电池正负极柱上产生的同步交流电压信号进行采集，通过A/D转换电路，将电压信号转换为数字信号供CPU读取，计算出单节电池内阻。

最后通过RS485总线将处理后的信息上传到电源监控装置，进行数据分析和判断。

c）电池巡检还具备温度监测功能，当连接温度传感器时，CPU可定时进行温度的采样计算，并通过RS485总线将处理后的信息上传到电源监控装置，进行数据处理。

二、电池巡检装置的型号定义

a）FXJ-21电池电压巡检模块：

具备单节电池电压检测功能。

b）FXJ-22电池内阻巡检模块：

同时具备单节电池电压和内阻检测功能。

第五节电源监控单元

电源监控单元是直流操作电源系统的控制、管理中心，具备“四遥”功能，可使电源系统实现无人值守。

电源监控单元采用分散测量和控制、集中管理的集散模式。

这种设计方案可使电源系统组合方便、灵活，并可将监控单元引入的故障因素减小到最低程度，即使微机监控装置出现故障仍可保证电源系统安全运行。

一、电源监控系统的构成

高频开关直流操作电源监控系统的构成如图5-1所示：

图5-1电源监控系统结构图

电源监控系统采用三级测量、控制、管理模式。

最高一级为调度中心电源监控后台，电源监控后台通过电站自动化系统以RS485总线、光纤或以太网接入方式与电源系统的微机监控装置连接；电源系统的微机监控装置构成第二级测控；电源系统的第三级测控由下一级的智能设备高频开关整流器、绝缘监测装置和电池巡检装置，以及数字变送仪表和开关量采集模块这些配电测控单元组成。

电源系统的微机监控装置通过RS485总线与这些智能电源设备联结为一体，同时通过RS485或其它通信方式与电站的后台计算机通信，实现远方对电源设备的维护管理。

二、微机监控装置的工作原理

微机监控装置是电力操作电源系统的管理和控制核心，它采集、处理系统各配电单元的检测数据，根据系统管理和电池管理的要求进行各种控制，显示和记录系统的运行信息。

同时可通过通信口与远方监控设备通讯，实现远方对电源设备的监测与控制。

a）硬件原理

监控装置采用ARM920T作为内核，主频200MHz。

主电路以CPU为核心，扩展了存储器，包括32MSDRAM、2MNORFLASH、64MNANAFLASH以分别存储各种数据。

通信电路扩展了6个串口（COM6可以设置为GPS对时接口）、1个10M以太网接口和2个USB接口，实现与多个智能设备的连接和数据存取。

为了实现人机对话，扩展的I/O接口连接彩色（TFT）触摸显示屏和告警输出继电器。

另外设计的硬件看门狗电路，提高了监控装置的稳定性。

微机监控装置的电源插件将系统的直流电变换为5V、±12V、24V等电压供给CPU和其它芯片。

b）软件原理

监控模块软件设计采用了面向对象的编程方法，将程序运行软件和系统配置数据分别处理，以增强不同配置系统的兼容性。

三、微机监控装置的功能要求

在电力操作高频开关电源系统中，微机监控装置通过RS-485总线对高频开关整流器、绝缘监测装置、电池巡检装置等下级智能设备实施数据采集，并加以显示；亦可根据系统的各种设置数据进行报警处理、历史数据管理等；同时，能对这些处理的结果加以判断，根据不同的情况实行电池管理，输出控制等操作；最后，监控装置还可通过RS-485接口与后台计算机通讯，实现“四遥”功能。

监控装置的主要功能包括显示、设置、控制、告警、记录、通讯、电池管理：

a）信息显示

监控装置对下级智能设备上报的各种信息进行处理后实时显示，这些信息包括采集数据、设置参数等，包括系统的交流工作电压、充电装置电压和电流、蓄电池组电压和电流、直流母线电压和绝缘电阻、整流模块电压和电流、电池组单节电池电压和内阻、配电开关分合状态等。

通过监控装置的LCD触摸屏，可以随时查阅系统的运行信息、告警信息和历史数据。

同时，在设置系统参数的过程中，能显示各种设置情况和动态的实时帮助信息。

b）参数设置

参数设置是将监控装置或下级设备运行过程中需要的参数，通过LCD触摸屏输入到系统中去，这些参数会在以后的运行中影响整个系统的工作。

对下级设备的设置是通过串口实现的，监控模块会提示设置是否成功。

另外，系统的设置也分为用户级和工厂级两个级别，用户级指的是在监控模块运行的过程中，对一些常用的可更改的参数，用户可自行修改，而且立刻生效；而工厂级设置是核心的、重要的参数，除工厂维护人员外，其他人不可擅自更改，而且在修改工厂级参数后，必须复位监控装置，这些参数方可生效。

当然，用户级和工厂级设置都有密码保护功能，而且用户可以随时修改。

c）系统控制

系统控制是监控装置根据所采集数据，对下级设备执行相应的动作。

这些动作包括：

微调充电模块的输出电压、调节充电模块的限流点、控制充电模块的开/关机和均/浮充、启动电池巡检的内阻测试。

控制命令是通过串口发出的，除监控装置可自动执行这些控制外，用户也可在触摸屏上手动执行这些动作，当然也要通过密码检查。

d）告警监视

e）

f）（四）环境价值评价方法在监控系统中，各下级设备产生的告警信息，经过串口发送至监控装置，此时监控装置会自动弹出告警屏并显示当前告警信息；另外，监控装置也能根据所采集数据自行判断，并产生相应的告警信息。

按“↓”和“↑”键可以浏览当前所有的告警信息，按返回键则回到系统原来的状态。

g）

h）（3）生产、储存烟花爆竹的建设项目；历史记录

环境影响经济损益分析一般按以下四个步骤进行：

历史记录是指将系统运行过程中一些重要的状态和数据，根据时间等条件存储起来以备查询，它包括告警记录、事件记录、绝缘记录和测试记录。

1）按类型分。

环境标准按类型分为环境质量标准、污染物排放标准（或控制标准）、环境基础标准、环境检测方法标准、环境标准样品标准。

历史告警信息的最大存储量为128条，每一条包括告警的类型、起始时间和结束时间，并保证掉电后不会消失，用户可在LCD上随时浏览。

历史事件信息的最大存储量为128条，记录的事件类型包括电池均充，电池放电，电池测试，记录清除，系统定值被修改，系统定值校验失败，电池管理状态改变等。

并保证掉电后不会消失，用户可在LCD上随时浏览。

历史绝缘记录是将每天的直流母线正负极对地绝缘电阻值记录下来，绘制出每月的绝缘电阻变化的图表或曲线。

记录数据的最大存储量为12月，用户可以在LCD上随时浏览，也可通过USB接口下载绝缘历史数据，供用户备份存档。

i）

j）A.环境影响报告表通信功能

监控装置通信包括与下级设备和后台的通信。

与下级设备的通信采用RS485方式，实现在一条总线上挂多个设备的目的，使每个串口可以处理多达32个下级设备；与后台的通信可以直接通过RS485总线或以太网连接电站自动化设备，或通过协议转换设备来实现远程通信连接。

通信功能是监控装置最主要的功能之一，系统所有的实时数据和告警信息都通过该部分来获取，并且数据的上报也是通过通信来实现的。

采用面向对象的编程方法，将数据封装起来，并利用了并行处理和中断技术，确保系统在最短时间内得到数据，并可在尽量短的时间内响应后台的需求。

k）电池管理

电池管理是监控装置的核心功能，采用二级监控模式，对电池组的端电压、充放电电流、电池环境温度及其它参数作实时在线监测。

可准确地根据电池的充放电情况估算电池容量的变化，还能按用户事先设置的条件自动转入限流均充状态，并通过控制充电电压和电流来完成电池的正常均充过程。

另外可自动完成电池的定时均充维护，均/浮充电压温度补偿等工作，实现全智能化控制，不需要人工干预。

第六节直流系统运行概述

一、装置配置及运行规定

1、装置配置

1、2＃机组直流电源系统的蓄电池布置193.0高程。

直流电源主屏和交、直流配电屏布置在蓄电池室旁，1＃机、2＃机机旁分别各布置1面直流分电屏和1面交流分电屏。

1.环境影响评价工作等级的划分3、4＃机组直流电源系统的蓄电池布置193.0高程。

直流电源主屏和交、直流配电屏布置在蓄电池室旁，3＃机、4＃机机旁分别各布置1面直流分电屏和1面交流分电屏。

（2）环境的非使用价值。

环境的非使用价值（NUV）又称内在价值，相当于生态学家所认为的某种物品的内在属性，它与人们是否使用它没有关系。

220kV开关站直流电源系统的蓄电池布置209.0高程。

开关站直流电源系统蓄电池室，直流电源主屏和交、直流配电屏布置在209.0高程辅助盘室内。

每个直流控制电源系统均采用两台充电机（220kV开关站三台充电机，其中一台备用）、两组蓄电池、两段直流母线的接线方式。

其中充电机采用高频开关直流电源装置，蓄电池采用阀控式密封铅酸蓄电池。

高频开关直流电源装置技术参数（见下表）：

（五）安全预评价方法序号

项目

技术参数

单位

1.规划环境影响评价的报审一

（5）为保障评价对象建成或实施后能安全运行，应从评价对象的总图布置、功能分布、工艺流程、设施、设备、装置等方面提出安全技术对策措施；从评价对象的组织机构设置、人员管理、物料管理、应急救援管理等方面提出安全管理对策措施；从保证评价对象安全运行的需要提出其他安全