朱 瑪，商 鈺，劉 學(xué)

(國網(wǎng)紹興供電公司，浙江 紹興 312000)

隨著電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，對變電站的安全運行提出了更高的要求。為了滿足變電站檢修控制的安全要求，文獻[1]中提出了幾種不同的自動化措施來防止誤操作；文獻[2]中則采用了一種配置獨立五防設(shè)備主機的方法進行五防檢測，以提高誤操作判斷的準(zhǔn)確性；文獻[3]提出了一種輔助判斷方法，通過在輔助設(shè)備中增加具有邏輯鎖定功能的開關(guān)操作，降低漏檢誤操作的可能性。在計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，通過五防監(jiān)控模塊[4]，可以實現(xiàn)全站運行中的防錯判斷，但這些“五防”檢測方法存在幾個問題:(1)采用傳統(tǒng)的邏輯阻塞方法，即事先建立軟件阻塞邏輯或硬件電氣阻塞邏輯；但由于閂鎖邏輯本身的完整性也難以檢查，因此難以確保這些閂鎖邏輯的準(zhǔn)確性；(2)在集中控制模式下，缺乏完善的預(yù)防誤操作的手段，此時安全檢查模塊只能實現(xiàn)站內(nèi)所有設(shè)備運行的防錯檢查功能，而不能實現(xiàn)站間防錯檢查。

文獻[5－8]提出了拓撲反操作的思想，避免了傳統(tǒng)的邏輯阻塞規(guī)則定義的弊端。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于拓撲分析的變電站防誤操作方法。該方法從電力系統(tǒng)防錯的基本原理出發(fā)，不采用傳統(tǒng)的五防規(guī)則邏輯定義，而是先建立整個網(wǎng)絡(luò)的拓撲模型，然后基于快速搜索算法來構(gòu)建整個網(wǎng)絡(luò)，通過對拓撲模型進行分析和動態(tài)跟蹤，預(yù)測出設(shè)備運行后的運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)自動判斷設(shè)備的可運行性，以滿足傳統(tǒng)站與變電站之間防錯需求。研究結(jié)果可為電力系統(tǒng)防誤操作檢測提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型

本文根據(jù)電網(wǎng)的特征建立電網(wǎng)設(shè)備拓撲模型，依據(jù)圖論原理，將電網(wǎng)設(shè)備抽象為僅具有“節(jié)點”和支路”的圖論模型。具體來講模型由以下幾個部分組成:

1.1 拓撲點模型

根據(jù)電網(wǎng)設(shè)備的特點，將設(shè)備抽象為僅具有“節(jié)點”和“支路”的圖論模型。其中在變電站的主要接線圖上，每個設(shè)備外部電氣連接的每個邏輯點都是一個拓撲點，利用拓撲理論分析時主要是計算設(shè)備在每個拓撲節(jié)點的運行狀態(tài)。拓撲模型中主接線的每個開斷裝置都對應(yīng)于圖論的一側(cè)，開關(guān)的狀態(tài)則決定了該側(cè)是接通還是斷開，根據(jù)IEC61850 的模型定義，為拓撲點添加類型定義，如下所示。

拓撲節(jié)點所包含的信息:{拓撲點編碼；拓撲點類型；現(xiàn)場狀態(tài)}其中，拓撲點代碼是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點號，需要在拓撲計算之前給出；拓撲點的類型分為:電源點，接地點，負荷點和其他主要設(shè)備連接點；電氣連接狀態(tài)分為:充電狀態(tài)，接地狀態(tài)，斷電狀態(tài)和懸浮狀態(tài)。

1.2 拓撲支路模型

拓撲支路對應(yīng)于電網(wǎng)中的分?jǐn)嘌b置，即斷路器和隔離開關(guān)。拓撲支路模型如下。

支路模型所包含的信息:

在拓撲計算之前，需要給出拓撲支路代碼，即支路的編號；拓撲支路類型是與該支路相對應(yīng)的設(shè)備類型，包括斷路器和隔離開關(guān)；開－關(guān)狀態(tài)表示開端設(shè)備是關(guān)閉還是斷開，由邏輯量“0”和“1”表示。

1.3 鄰接矩陣模型

對于具有n個固定點且沒有自環(huán)路的連接拓撲圖，鄰接矩陣A是相對于主對角線對稱的n×n階方陣，當(dāng)拓撲圖中的節(jié)點i直接連接到節(jié)點j時，矩陣的元素aij＝1，而當(dāng)節(jié)點i和節(jié)點j不直接連接時矩陣元素aij＝0。

1.4 拓撲網(wǎng)絡(luò)的生成

根據(jù)上述方法，電網(wǎng)中的所有設(shè)備都被抽象為節(jié)點和支路，節(jié)點和支路的每個組件都包含一個下標(biāo)字母。搜索網(wǎng)絡(luò)中的電力設(shè)備，并使用鄰接矩陣記錄任意兩個節(jié)點的下標(biāo)、連接關(guān)系aij以及它們之間的路徑，從而構(gòu)成支路信息，拓撲網(wǎng)絡(luò)搜索和形成流程圖如圖1 所示。

圖1 拓撲搜索流程圖

2 大電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)分析

2.1 電網(wǎng)環(huán)島模型

經(jīng)過如上步驟的分析和抽象，變壓器，刀閘和母線已抽象為節(jié)點和支路的數(shù)學(xué)模型，節(jié)點之間的拓撲連接也以鄰接矩陣的形式存儲在系統(tǒng)中。但鄰接矩陣僅反映了相鄰節(jié)點之間的連接關(guān)系，實際上網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點之間的連接關(guān)系更為重要，為此本文采用廣度搜索算法[9－11]完成此過程。具體過程如下:

(1)在圖中選擇任何未訪問的節(jié)點vi作為起點，并將vi標(biāo)記為已訪問。

(2)找到與vi連接的節(jié)點vj并將節(jié)點vj放入電網(wǎng)節(jié)點集Node 中；

(3)確定是否已訪問vj，如果已經(jīng)訪問過vj，則將bij定義為一個支路，并將bij放入cotree 集合中；否則，將bij放入branch 集合中。

(4)將vj標(biāo)記為已訪問。

(5)重復(fù)步驟2、3 和4，直到訪問了與vi相鄰的所有節(jié)點，然后轉(zhuǎn)到步驟6。

(6)用vj作為起始節(jié)點重復(fù)步驟2、3、4 和5。

(7)如果訪問了網(wǎng)絡(luò)拓撲中的所有節(jié)點，結(jié)束搜索，否則返回步驟1。

2.2 拓撲追蹤模型

根據(jù)初始化分析算法定義整個網(wǎng)絡(luò)的初始電氣環(huán)路，每個電氣環(huán)路包含其自己的節(jié)點和支路。初始拓撲分析完成后，將保留這些環(huán)路集合，此后無論網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備狀態(tài)如何變化，網(wǎng)絡(luò)拓撲都只會搜索斷開的支路，并將搜索范圍限制為相同的電壓水平。計算時將開關(guān)位移事件用作系統(tǒng)拓撲分析跟蹤算法的啟動信息:

(1)開關(guān)閉合

開關(guān)具有“閉合”事件，即開關(guān)通過“斷開和閉合”而移位，具體分為以下兩種情況:

①如果開關(guān)設(shè)備兩端的節(jié)點不是同一電氣環(huán)路，則它們將合并到同一電氣環(huán)路中，并將新關(guān)閉的支路添加到New Electric Island 的支路集合中。

②如果開關(guān)設(shè)備兩端的節(jié)點屬于同一電氣環(huán)路，則電氣環(huán)路母線的數(shù)量將保持不變，并且新支路將添加到電氣環(huán)路的共樹集合中。開關(guān)閉合時的流程圖如圖2 所示。

圖2 開關(guān)閉合狀態(tài)跟蹤

(2)開關(guān)斷開

當(dāng)開關(guān)被“閉合”移位時，根據(jù)上一節(jié)的分析結(jié)果，首先判斷開關(guān)斷開的支路屬于哪個電氣環(huán)路，如果斷開是連續(xù)的，則不更改電氣環(huán)路，并且斷開的支路將從原始的cotree 集合中刪除；如果開關(guān)斷開后支路也斷開，則設(shè)置兩端的節(jié)點號切換到i，j并使用i作為起始節(jié)點來使用廣度搜索算法:

①如果無法搜索節(jié)點j，則意味著開關(guān)斷開并且電氣環(huán)路斷開。此時執(zhí)行以下幾個步驟:

步驟1 從原始的電氣環(huán)路支路集合中刪除斷開的支路；

步驟2 將此搜索中找到的節(jié)點以及相應(yīng)的支路，在支路中創(chuàng)建一個新的電氣環(huán)路。

步驟3 從原來的電氣環(huán)路上拆除新電氣環(huán)路的節(jié)點和支路；

②如果可以搜索到節(jié)點j，則表示斷開連接后電氣環(huán)路不會斷開，并且將連接到該節(jié)點的所有節(jié)點都設(shè)置為bj；并且在支路集的共樹集合中必須至少有一個這樣的支路:一個端節(jié)點設(shè)置為bi，另一端節(jié)點設(shè)置為bj，此時，執(zhí)行以下步驟:

步驟1 從原始的電氣環(huán)路支路集合中刪除斷開的支路；

步驟2 在支路集中搜索到這樣的支路之后，將該支路定義為支路并將其添加到該支路中。

開關(guān)斷開流程圖如圖3 所示。

圖3 開關(guān)閉合跟蹤

2.3 校對規(guī)則與防誤操作判斷

“五防”是指預(yù)防檢修操作中，對電力系統(tǒng)切換時經(jīng)常發(fā)生的五種誤操作事故進行判斷[12－13]，應(yīng)用本文提出的方法可以通過拓撲計算的結(jié)果來判斷，具體判斷方法如下:

(1)防止誤分合斷路器:通常下拉式斷路器不需要阻塞規(guī)則，當(dāng)開關(guān)閉合時，斷路器一端的拓撲節(jié)點處于充電狀態(tài)，一端處于接地狀態(tài)時，則禁止斷路器工作。

(2)防止帶負荷分合刀閘:假設(shè)隔離開關(guān)已斷開，則需要進行拓撲計算，如果發(fā)生以下情況，則禁止帶負載的隔離開關(guān)動作，隔離開關(guān)操作后，系統(tǒng)中負載節(jié)點的充電狀態(tài)將更改。例如在部分?jǐn)嚅_開關(guān)之后，在隔離開關(guān)之后，一些負載節(jié)點從充電狀態(tài)變?yōu)閿嚯姞顟B(tài)，或者一些負載從斷電狀態(tài)變?yōu)槌潆姞顟B(tài)。在操作之前或之后，設(shè)備兩側(cè)的拓撲點是不同的，并且拓撲點所在的拓撲環(huán)路上有負載線設(shè)備或電源點。

(3)防止誤入帶電隔離區(qū)間。

(4)防止帶電掛接地線:當(dāng)接地線路設(shè)備的頂級運行狀態(tài)為活動狀態(tài)時，禁止接地線路操作。在接地刀閘的末端，拓撲節(jié)點的狀態(tài)接地，當(dāng)另一個節(jié)點的狀態(tài)上電時，禁止接地刀閘操作。

(5)防止帶地線合刀閘:對于接地的開關(guān)設(shè)備或接地的設(shè)備，拓撲節(jié)點一端的狀態(tài)為接地，如果設(shè)備另一端的另一個節(jié)點的狀態(tài)為活動，則應(yīng)禁用該開關(guān)動作。

3 模擬實驗

本文將圖4 所示的變電站電氣主接線圖用作仿真對象，其中每個節(jié)點設(shè)備的初始狀態(tài)信息如表1中所示。假定在初始狀態(tài)下，斷路器隔離開關(guān)處于閉合狀態(tài)，而接地刀閘處于斷開狀態(tài)，使用第2 節(jié)中的方法初始化并分析電氣環(huán)路，結(jié)果如表2 所示。

表1 節(jié)點初始信息統(tǒng)計表

圖4 變電站主接線圖

(1)如果節(jié)點14 和17 之間的接地開關(guān)閉合，則必須分別獲得14 和17 節(jié)點所在的電氣支路的帶電狀態(tài)，其中節(jié)點14 屬于第1 電氣支路，處于充電狀態(tài)；屬于第4 電氣支路的節(jié)點17 接地，因此無法操作。

(2)如果現(xiàn)在要斷開節(jié)點7 和8 之間的隔離開關(guān)，則假定隔離開關(guān)已斷開，并根據(jù)2.2 節(jié)中的方法更新電氣環(huán)路。更新后的電氣環(huán)路如表2 所示。由表2 可知在斷開節(jié)點7 和8 之間的開關(guān)之后，負載節(jié)點11 和16 從充電狀態(tài)變?yōu)閿嚯姞顟B(tài)，并且可以判斷出該操作屬于負載斷開狀態(tài)，此時應(yīng)禁止隔離開關(guān)動作。

表2 假設(shè)隔離開關(guān)斷開后電氣環(huán)島的劃分

由表2 中結(jié)果可以看出，假設(shè)表1 中的節(jié)點11和16 已經(jīng)斷開后，得出節(jié)點8、9、10、11、14、15、16、19、20、21、22 將出現(xiàn)故障，因此在表1 的節(jié)點狀態(tài)條件下，不能斷開節(jié)點11 和16。可見本文提出的方法能夠有效對可能存在的誤操作進行提前預(yù)判，并給出預(yù)判結(jié)果，以達到避免誤操作的目的。

4 結(jié)論

本文基于電力系統(tǒng)的特性，從拓撲理論出發(fā)構(gòu)建了一套電網(wǎng)防止誤操作的方法?？蓪崟r計算和分析變電站主設(shè)備的多種運行狀態(tài)，并使用網(wǎng)絡(luò)拓撲計算來判斷誤操作。該方法基于防偽判斷標(biāo)準(zhǔn)，具有邏輯鎖定規(guī)則簡單，實現(xiàn)方便的特點，可以有效避免操作鎖定規(guī)則泄漏設(shè)置或設(shè)置不正確的問題。