付 強(qiáng)，趙通漢

（國網(wǎng)固原供電公司，固原 756000）

繼電保護(hù)戶外柜在繼電保護(hù)中是一個(gè)重要的設(shè)備，其運(yùn)行過程中會(huì)不斷產(chǎn)生繼電保護(hù)信號(hào)[1]。目前，由于不同廠家的繼電保護(hù)裝置之間性能差異較大，很難做到在不同廠家產(chǎn)品之間互為備用，因此對(duì)繼電保護(hù)戶外柜的聯(lián)鎖控制成為一個(gè)重要課題[2-3]。通過不同廠家系統(tǒng)間的聯(lián)鎖控制，有效地解決繼電保護(hù)設(shè)備和戶外柜的聯(lián)鎖控制問題。

文獻(xiàn)[4]以兩種常見的冗余結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)失敗概率和動(dòng)態(tài)故障樹模型。由于概率逼近法與馬爾科夫法的結(jié)果近似，利用概率逼近法求解相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)失敗概率和動(dòng)態(tài)故障樹模型。通過對(duì)比兩種冗余結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，得出兩種不同類型的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)在全故障狀態(tài)下的安全性能；文獻(xiàn)[5]提出了一種利用DNN 和CVM 技術(shù)的繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測控制方法。采用變焦相機(jī)對(duì)變電站的實(shí)時(shí)影像進(jìn)行降噪，然后根據(jù)相關(guān)度對(duì)其進(jìn)行匹配?；诔叨炔蛔兲卣鬓D(zhuǎn)換的方法，利用DNN 對(duì)圖像進(jìn)行分類，并對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。在此基礎(chǔ)上，給出了一種改進(jìn)的方法，使該方法能夠在各種光照情況下保持較好的魯棒性。經(jīng)過實(shí)踐證明，該方法的識(shí)別精度在99%以上，使變電站的安全性能得到了極大的提高。

基于以上研究背景，本文針對(duì)繼電保護(hù)戶外柜的機(jī)械安全聯(lián)鎖設(shè)計(jì)一種控制方法，以保證繼電保護(hù)戶外柜的安全性。

1 機(jī)械安全聯(lián)鎖控制方法設(shè)計(jì)

1.1 搜索機(jī)械安全聯(lián)鎖進(jìn)路

為了確保機(jī)械安全聯(lián)鎖進(jìn)路的搜索結(jié)果最優(yōu)，本文利用蟻群算法對(duì)機(jī)械安全聯(lián)鎖進(jìn)路進(jìn)行尋優(yōu)[6]，在搜索初始時(shí)刻，將每一個(gè)戶外柜之間的信息素濃度設(shè)為常數(shù)，螞蟻φ 在進(jìn)路搜索過程中，在T 時(shí)刻根據(jù)路徑上的信息素濃度χij（T），確定機(jī)械安全聯(lián)鎖進(jìn)路搜索方向。（T）代表螞蟻φ 在T 時(shí)刻從戶外柜i 選擇到j(luò) 的概率，計(jì)算公式為

式中：allowedφ代表螞蟻φ 接下來到達(dá)的戶外柜集合；a 代表機(jī)械安全聯(lián)鎖進(jìn)路搜索路徑上的信息素濃度對(duì)搜索路徑選擇的影響力；γij代表螞蟻φ 從戶外柜i 轉(zhuǎn)移到j(luò) 的期望程度；b 代表γij對(duì)搜索路徑選擇的重要性。

螞蟻φ 選擇下一個(gè)戶外柜的概率全部依賴于搜索路徑上的信息素濃度，經(jīng)過m 個(gè)時(shí)刻之后，螞蟻可以遍歷所有繼電保護(hù)戶外柜，完成一次搜索。每一只螞蟻搜索的路徑都是一個(gè)可行解[7]，此時(shí)利用式（2）對(duì)機(jī)械安全聯(lián)鎖進(jìn)路搜索路徑上的信息素進(jìn)行更新，即：

式中：ξ 代表信息素的殘留因子。隨著搜索的進(jìn)行，搜索路徑上的信息素會(huì)逐漸減少，利用1-ξ 表示信息素的衰減程度[8]，那么利用式（3）可以計(jì)算出搜索路徑的信息素增量：

根據(jù)上述螞蟻尋優(yōu)過程，對(duì)機(jī)械安全聯(lián)鎖進(jìn)路搜索算法進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，將加入信號(hào)設(shè)備與戶外柜的二維坐標(biāo)作對(duì)比，如果搜索到信號(hào)設(shè)備超出了戶外柜安全聯(lián)鎖信號(hào)范圍，停止本次搜索，提高搜索效率；如果搜索到防護(hù)沖撞的道岔，需要根據(jù)螞蟻尋優(yōu)策略，沿著道岔的反方向搜索。

先確定機(jī)械安全聯(lián)鎖進(jìn)路初始端口的信號(hào)機(jī)坐標(biāo)和終端信號(hào)機(jī)坐標(biāo)，表示為（xc，yc）和（xr，yr），判斷2 個(gè)信號(hào)機(jī)的相對(duì)位置，如果xc＜xr，則向右搜索機(jī)械安全聯(lián)鎖進(jìn)路，否則向左搜索機(jī)械安全聯(lián)鎖進(jìn)路。

接著由初始端口的信號(hào)機(jī)向前搜索信號(hào)設(shè)備Sp，通過信號(hào)設(shè)備Sp與始端信號(hào)機(jī)和終端信號(hào)機(jī)的坐標(biāo)對(duì)比，判斷信號(hào)設(shè)備Sp是否處于機(jī)械安全聯(lián)鎖進(jìn)路搜索范圍內(nèi)，如果搜索范圍內(nèi)不存在信號(hào)設(shè)備Sp，則判定始端信號(hào)機(jī)和終端信號(hào)機(jī)之間不存在有效的機(jī)械安全聯(lián)鎖進(jìn)路，并終止搜索。如果搜索范圍內(nèi)存在信號(hào)設(shè)備Sp，存在以下3 種情況，即：

（1）如果信號(hào)設(shè)備Sp是對(duì)立道岔并且是戶外柜進(jìn)口的防護(hù)沖撞道岔，信號(hào)設(shè)備Sp定位通往安全線，將信號(hào)設(shè)備Sp保存并沿著道岔反方向搜索；

（2）如果信號(hào)設(shè)備Sp是對(duì)立道岔并且不是戶外柜進(jìn)口的防護(hù)沖撞道岔，獲取信號(hào)設(shè)備Sp的岔后定位坐標(biāo)（xn，yn）和反位坐標(biāo)（xf，yf），計(jì)算出2 個(gè)坐標(biāo)與終端信號(hào)機(jī)的縱坐標(biāo)絕對(duì)差，記為時(shí)，保存信號(hào)設(shè)備Sp并繼續(xù)搜索；

根據(jù)以上過程，利用蟻群算法搜索得到機(jī)械安全聯(lián)鎖進(jìn)路。

1.2 機(jī)械安全聯(lián)鎖狀態(tài)監(jiān)測

搜索到機(jī)械安全聯(lián)鎖進(jìn)路之后，需要監(jiān)測機(jī)械安全聯(lián)鎖狀態(tài)，構(gòu)建機(jī)械安全聯(lián)鎖的狀態(tài)方程，表示為

式中：?T代表機(jī)械安全聯(lián)鎖狀態(tài)信息的提取方程；Λ代表機(jī)械安全聯(lián)鎖狀態(tài)的分類屬性；?i代表聯(lián)鎖控制信號(hào)的瞬時(shí)幅度；l 代表機(jī)械安全聯(lián)鎖狀態(tài)的特征；δ 代表控制數(shù)據(jù)的訓(xùn)練集合。

利用機(jī)械安全聯(lián)鎖的狀態(tài)方程，構(gòu)建機(jī)械安全聯(lián)鎖裝置的控制信號(hào)模型，表示為

式中：σ（εi）代表機(jī)械安全聯(lián)鎖控制數(shù)據(jù)的采樣時(shí)刻。

控制信號(hào)模型可以對(duì)機(jī)械安全聯(lián)鎖的狀態(tài)特征進(jìn)行時(shí)間序列采樣，通過更新采樣時(shí)間，得到機(jī)械安全聯(lián)鎖狀態(tài)的頻譜信息，結(jié)合時(shí)頻分析，估計(jì)出機(jī)械安全聯(lián)鎖狀態(tài)的瞬時(shí)頻率，給出機(jī)械安全聯(lián)鎖狀態(tài)的概率密度函數(shù)：

式中：fi代表機(jī)械安全聯(lián)鎖狀態(tài)的瞬時(shí)頻率。

機(jī)械安全聯(lián)鎖狀態(tài)數(shù)據(jù)集是由ζ 個(gè)狀態(tài)數(shù)據(jù)樣本構(gòu)成的集合，利用式（7）對(duì)機(jī)械安全聯(lián)鎖狀態(tài)數(shù)據(jù)集進(jìn)行后驗(yàn)概率估計(jì)，即：

式中：Uj（k）代表機(jī)械安全聯(lián)鎖狀態(tài)的聯(lián)合概率密度函數(shù)。

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)械安全聯(lián)鎖狀態(tài)，引入時(shí)頻分析法，構(gòu)建機(jī)械安全聯(lián)鎖狀態(tài)監(jiān)測函數(shù)，即：

式中：xi代表機(jī)械安全聯(lián)鎖狀態(tài)矢量；ui代表機(jī)械安全聯(lián)鎖狀態(tài)的特征提取結(jié)果。

利用機(jī)械安全聯(lián)鎖的狀態(tài)方程，構(gòu)建機(jī)械安全聯(lián)鎖裝置的控制信號(hào)模型，根據(jù)機(jī)械安全聯(lián)鎖狀態(tài)的概率密度函數(shù)，對(duì)機(jī)械安全聯(lián)鎖狀態(tài)數(shù)據(jù)集進(jìn)行后驗(yàn)概率估計(jì)，獲取機(jī)械安全聯(lián)鎖狀態(tài)，為機(jī)械安全聯(lián)鎖控制提供數(shù)據(jù)支持。

1.3 設(shè)計(jì)機(jī)械安全聯(lián)鎖控制程序

在機(jī)械安全聯(lián)鎖控制程序中，以機(jī)械安全聯(lián)鎖狀態(tài)為依據(jù)，先建立機(jī)械安全聯(lián)鎖控制的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中：ψp代表聯(lián)鎖控制的比例增益；r（t）代表機(jī)械安全聯(lián)鎖控制中輸入與輸出的差值；td代表時(shí)間常數(shù)的微分值；t*代表時(shí)間常數(shù)的積分值。

通常情況下，可以采用無刷直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)戶外柜的機(jī)械安全聯(lián)鎖控制，此時(shí)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程為

式中：ω 代表電機(jī)的轉(zhuǎn)速；Lz代表無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；Lf代表電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；ζ 代表阻尼系數(shù)；G代表電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

在機(jī)械安全聯(lián)鎖控制程序設(shè)計(jì)中，利用STEP9軟件編寫電機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制程序，從而對(duì)繼電保護(hù)戶外柜進(jìn)行機(jī)械安全聯(lián)鎖控制。在此基礎(chǔ)上，利用STEP9 軟件編寫聯(lián)鎖控制程序。通過將組態(tài)硬件和編輯軟件的結(jié)合，創(chuàng)建一個(gè)機(jī)械安全聯(lián)鎖的自動(dòng)化控制方案。利用STEP9 軟件組建機(jī)械安全聯(lián)鎖的自動(dòng)化控制方案，是以對(duì)象的形式儲(chǔ)存控制方案所需的硬件組態(tài)數(shù)據(jù)，并通過PLC 控制程序和網(wǎng)絡(luò)通訊的組態(tài)參數(shù)，建立機(jī)械安全聯(lián)鎖自動(dòng)化控制方案，具體流程如圖1 所示。

圖1 機(jī)械安全聯(lián)鎖自動(dòng)化控制方案的創(chuàng)建流程Fig.1 Flow chart for creating an automation control scheme for mechanical safety interlocking

選用梯形邏輯語言進(jìn)行機(jī)械安全聯(lián)鎖控制邏輯軟件的編寫，梯形圖語言與傳統(tǒng)的繼電器聯(lián)鎖的電路形式非常相似，非常適用于編寫機(jī)械安全聯(lián)鎖控制邏輯軟件。為了將編寫完成的機(jī)械安全聯(lián)鎖控制程序下載到PLC 中，或者將PLC 程序安裝在計(jì)算機(jī)的終端，在PLC 程序與計(jì)算機(jī)終端建立網(wǎng)絡(luò)通信連接，利用網(wǎng)絡(luò)通信適配器與PLC 程序的MPI 連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)械安全聯(lián)鎖控制程序與計(jì)算機(jī)終端的通信，由此實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)戶外柜機(jī)械安全聯(lián)鎖控制。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證繼電保護(hù)戶外柜機(jī)械安全聯(lián)鎖控制的性能，將上位機(jī)系統(tǒng)與戶外柜機(jī)械安全聯(lián)鎖裝置相結(jié)合，搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Experimental platform

在進(jìn)路的實(shí)驗(yàn)與模擬中，先由上位機(jī)發(fā)出設(shè)定進(jìn)路的指令，再通過上位機(jī)的CRT 接口觀察進(jìn)路的運(yùn)行，利用機(jī)械安全聯(lián)鎖裝置的模擬模塊，進(jìn)路將進(jìn)入開啟信號(hào)和列車壓入檢測，如果進(jìn)路沒有進(jìn)入這一階段，那么有可能是上位機(jī)發(fā)送的指令錯(cuò)誤，或者在聯(lián)鎖操作中出現(xiàn)錯(cuò)誤。當(dāng)進(jìn)路進(jìn)入開啟信號(hào)和壓入檢查階段之后，利用計(jì)算機(jī)模擬模塊，對(duì)進(jìn)路、故障閉合情況、列車壓入后的正常開鎖情況進(jìn)行檢測。

在繼電保護(hù)戶外柜機(jī)械安全聯(lián)鎖控制中，當(dāng)2臺(tái)CPU 的計(jì)算結(jié)果不一致且可以檢測出某個(gè)特定的單元發(fā)生故障時(shí)，可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，否則將會(huì)關(guān)閉聯(lián)鎖裝置的輸出。在上述情況下，可以確定聯(lián)鎖裝置的4 種狀態(tài)，分別為：

狀態(tài)0：兩個(gè)單元都是正常的；

狀態(tài)1：聯(lián)鎖裝置運(yùn)行狀態(tài)下降；

狀態(tài)2：聯(lián)鎖裝置失效-安全狀況；

狀態(tài)3：聯(lián)鎖裝置處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

將繼電保護(hù)戶外柜機(jī)械安全聯(lián)鎖裝置的失效率設(shè)置為μ，那么聯(lián)鎖裝置4 種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系如圖3 所示。

圖3 聯(lián)鎖裝置4 種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系Fig.3 Transfer relationship between the four states of interlocking devices

2.2 聯(lián)鎖裝置的安全可靠性分析

根據(jù)聯(lián)鎖裝置4 種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系，計(jì)算聯(lián)鎖裝置的可靠度和不安全度，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 聯(lián)鎖裝置的安全可靠性結(jié)果Fig.4 Safety and reliability results of interlocking devices

圖4 的結(jié)果顯示，聯(lián)鎖裝置可靠度函數(shù)可以反映出聯(lián)鎖控制的可靠度在90%以上，符合繼電保護(hù)戶外柜機(jī)械安全聯(lián)鎖控制中的可靠性要求；不安全度函數(shù)可以反映出聯(lián)鎖控制的不安全度低于0.002%，同樣符合繼電保護(hù)戶外柜機(jī)械安全聯(lián)鎖控制中的安全性要求。

2.3 性能對(duì)比

為了突出文中方法的控制性能，引入基于動(dòng)態(tài)故障樹的控制方法和基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法作對(duì)比，在不同的道岔轉(zhuǎn)換時(shí)間下，測試戶外柜的使用效率，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 戶外柜的使用效率Fig.5 Usage efficiency of outdoor cabinets

從圖5 的結(jié)果可以看出，隨著道岔轉(zhuǎn)換時(shí)間的延長，戶外柜的使用效率逐漸下降，采用基于動(dòng)態(tài)故障樹的控制方法和基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法時(shí)，戶外柜使用效率下降幅度較大，說明動(dòng)態(tài)故障樹和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)繼電保護(hù)戶外柜機(jī)械安全聯(lián)鎖的控制效果較差。但是采用文中方法時(shí)，雖然戶外柜使用效率逐漸下降，但是仍然可以控制在93%以上，說明文中方法對(duì)進(jìn)路的搜索，可以提高戶外柜的使用效率，具有更好的控制效果。

3 結(jié)語

本文提出了繼電保護(hù)戶外柜機(jī)械安全聯(lián)鎖控制方法研究，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，該方法在機(jī)械安全聯(lián)鎖控制中具有更好的效果。但是本文的研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以針對(duì)機(jī)械安全聯(lián)鎖的發(fā)展趨勢，研究聯(lián)鎖條件下的帶動(dòng)道岔問題，提升戶外柜的工作效率。