基于圖論拓撲模型的五防關(guān)閉技術(shù)研究

0智能變電站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)拓撲第五防護是指避免在電氣系統(tǒng)恢復(fù)過程中發(fā)生的五種錯誤操作，即錯誤分為兩種類型的觸發(fā)：誤差分配器、帶負荷組合隔離刀門、帶接地刀（接地線）和隔離刀門。微機五防系統(tǒng)在變電站自動化中應(yīng)用廣泛,在電網(wǎng)的倒閘操作中發(fā)揮了重要的作用。所有新建的變電站自動化系統(tǒng)中,均需要設(shè)置五防系統(tǒng)。目前,一體化五防逐漸替代微機五防,但五防閉鎖校驗仍基于規(guī)則邏輯實現(xiàn),這種方式的五防系統(tǒng)有以下缺點:a.都是通過預(yù)先直接定義具體設(shè)備間的操作閉鎖關(guān)系實現(xiàn);閉鎖邏輯靈活性差,當(dāng)出現(xiàn)一些特殊操作或意外情況,正常的閉鎖邏輯可能就不再適用,而不得不退出五防,造成一定的安全隱患;b.設(shè)備正常運行與檢修模式的五防邏輯通常不同,需要有2套或以上預(yù)先定義的閉鎖邏輯來回切換,操作不便,易出錯;c.當(dāng)設(shè)備變動或變電站改擴建時,受影響的閉鎖邏輯需要重寫,且需要重新驗證,維護工作量大;d.當(dāng)變電站一次設(shè)備很多時,編寫五防規(guī)則工作量大。為避免規(guī)則編寫工作量大及易出錯的問題,文獻描述了計算機輔助設(shè)計閉鎖規(guī)則,文獻論述了基于單線圖拓撲的規(guī)則代替繼電器邏輯來實現(xiàn)閉鎖操作,文獻提出基于變電站一次接線圖導(dǎo)出閉鎖規(guī)則的方法,文獻提出基于變電站配置描述(SCD)模型文件,采用專家系統(tǒng)導(dǎo)出閉鎖規(guī)則的方法,文獻提出“基于GOOSE的變電站在線式五防系統(tǒng)的實現(xiàn)”,解決的是電腦鑰匙上送操作結(jié)果的“離線”問題,本質(zhì)還是基于規(guī)則邏輯的五防。文獻研究了EMS中基于拓撲五防的方法。但是,基于變電站的拓撲五防研究一直是空白。高壓設(shè)備應(yīng)自動實現(xiàn)電氣誤操作邏輯判斷。分析智能變電站的技術(shù)特點,本文利用全站模型SCD文件,構(gòu)建靜態(tài)拓撲關(guān)系,基于設(shè)備類型防誤元規(guī)則實現(xiàn)拓撲防誤;基于拓撲與基于規(guī)則邏輯的防誤閉鎖主輔模式協(xié)調(diào)使用,實現(xiàn)站控層在線防誤操作。1系統(tǒng)配置器scd模型IEC61850建立了變電站配置描述語言SCL(SubstationConfigurationdescriptionLanguage)對象模型,如圖1所示。該模型用SCD文件描述。SCD文件基于可擴展標(biāo)記語言(XML),由系統(tǒng)配置器SCT(SystemConfigurationTool)生成和維護。SCD模型文件包含以下信息。a.變電站模型:描述了變電站、電壓等級、間隔、一次設(shè)備、子設(shè)備、連接節(jié)點之間的層次關(guān)系、拓撲連接關(guān)系。b.IED模型:以邏輯節(jié)點(LN)形式表述的功能及其與物理裝置IED的關(guān)系,以及邏輯節(jié)點與一次設(shè)備的關(guān)聯(lián)關(guān)系。c.通信系統(tǒng)模型:描述了訪問點(AccessPoint)、子網(wǎng)(Subnetwork)等,及其與物理裝置的連接關(guān)系?；贗EC61850的智能變電站,具有全站統(tǒng)一模型SCD。SCD是變電站模型之源,站控層各個應(yīng)用都可以基于此模型建設(shè),也是上級調(diào)度模型之源和源端維護之源。2基于合作模型的設(shè)計和優(yōu)化算法2.1次接線圖的繪制目前,系統(tǒng)拓撲分析模型通?；贗EC61970CIM模型構(gòu)建,由圖、模、庫一體化平臺根據(jù)一次接線圖繪制過程中圖元的連接關(guān)系自動生成元件、端點、節(jié)點,并分別為它們編號,由此電力網(wǎng)絡(luò)模型就簡化成了由拓撲節(jié)點和元件組成的網(wǎng)絡(luò)形式。這種方法的主要優(yōu)點是拓撲模型自動生成,效率高;缺點是對繪圖工具的依賴性強,維護工作量較大,拓撲元素表示和存儲方法沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),兼容性較差。2.2設(shè)備旋轉(zhuǎn)用于scd的連接點道路設(shè)計基于智能變電站,本文設(shè)計由SCD文件直接構(gòu)建拓撲關(guān)系。分析SCD文件中的變電站規(guī)范描述(SSD)部分,讀取全站所有一次設(shè)備的主要信息。在SCD文件中一次設(shè)備之間的連接關(guān)系通過端點(Terminal)和連接點(ConnectivityNode)表示,每個導(dǎo)電設(shè)備(ConductingEquipment)包含1個或多個端點,每個端點連到一個連接點上。讀取SCD文件中端點和連接點信息即形成一次設(shè)備的連接關(guān)系。設(shè)計2張表存放端點信息和連接點信息:端點表包含的屬性有端點名、所屬設(shè)備、所連接的連接點名,見表1;連接點表包含的屬性有連接點名、連接點路徑,見表2。拓撲關(guān)系抽象為頂點集和邊集構(gòu)成的圖論模型,根據(jù)需要設(shè)計頂點和邊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),將實體信息中的設(shè)備映射成邊,連接點映射成頂點。數(shù)學(xué)模型中的邊有且只有2個端點,所以需要對不符合“邊”模型的設(shè)備進行歸一化處理,將單端設(shè)備、多端設(shè)備進行等效處理統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為雙端設(shè)備模型。2.3開關(guān)設(shè)備的選取變電站一次設(shè)備從功能上可以分為2類:零阻抗電氣元件,用于切斷或隔離電荷,有分、合2種狀態(tài),稱作開關(guān)設(shè)備,如斷路器、隔離刀閘等;非零阻抗電氣元件,沒有分、合狀態(tài),稱作非開關(guān)設(shè)備,如電壓互感器、變壓器、線路等。開關(guān)設(shè)備在連接關(guān)系表示中都有2個端點,即Term1和Term2,稱為雙端設(shè)備,而非開關(guān)設(shè)備的端點個數(shù)是根據(jù)其功能確定的,不一定為2個,稱為非雙端設(shè)備,如線路、電容器、電壓互感器等屬于終端設(shè)備,只有1個端點;兩圈變壓器有2個端點;三圈變壓器有3個端點;母線有多個端點,端點個數(shù)取決于其上所連接的支路個數(shù)。進行拓撲模型映射時要求所有一次設(shè)備都為雙端設(shè)備,即有且只有2個端點。在不改變現(xiàn)有連接關(guān)系的前提下將非雙端設(shè)備模型轉(zhuǎn)化成雙端設(shè)備模型。2.3.1實時拓撲的計算針對單端設(shè)備虛擬1個端點使之成為雙端設(shè)備,然后虛擬1個連接點,將虛擬端點關(guān)聯(lián)到該虛擬連接點上。虛擬端點和虛擬連接點僅用作順利建立拓撲模型和輔助計算,實時拓撲計算時并不賦予其實際意義。以表1中的進線1為例,它是單端設(shè)備,只有1個端點Term1。首先為進線1增加一個端點Term2,創(chuàng)建一個虛擬連接點N_Virtual,把Term2連接到N_Virtua上。處理后表1中對應(yīng)增加一條記錄如下:Term2,進線1,N_Virtual。同時在表2中增加一條記錄如下:n,N_Virtual,測試站/500kV-1/進線1/N_Virtual。其中,n=k+1,k為表2中的最后1個序號。2.3.2虛擬連接點的連接以三圈變壓器處理為例,把變壓器分解成3個獨立設(shè)備,分別為該變壓器的每個繞組先后增加1個虛擬端點和1個虛擬連接點,并將虛擬端點連接到上述虛擬連接點。假設(shè)某三圈變的端點和連接點分別如表3、4所示,分別為該變壓器的每個繞組增加一個虛擬端點,然后增加一個虛擬連接點,命名為N_Transformer1,并將該端點連接到N_Transformer1上,經(jīng)過處理后的變壓器端點表和連接點見表5、6。上述處理既維護了變壓器在拓撲模型中的實際意義,又解決了雙端建模的問題。2.3.3連接點表的添加母線的作用是匯集和分配電荷,在物理上它將多條支路連接在一起,而在拓撲模型中也沒有將其看作一次設(shè)備,而是將其視為一個連接點(僅在拓撲分析中這樣處理,其他應(yīng)用未必如此)。因此無需處理母線設(shè)備,將其作為連接點添加到連接點表即可。經(jīng)過歸一化處理后,設(shè)備和連接點對應(yīng)圖論中的頂點集和邊集,將它們以數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)文件的形式存儲起來,就完成了拓撲建模的準(zhǔn)備工作。2.4基于scd模型的設(shè)備互聯(lián)實際拓撲建模時將頂點和邊的數(shù)據(jù)讀入,并分別進行編號,然后根據(jù)連接關(guān)系構(gòu)造鄰接矩陣形成靜態(tài)拓撲模型。從監(jiān)控系統(tǒng)實時庫中采集開關(guān)、刀閘等設(shè)備的狀態(tài),狀態(tài)取值0或1,其中0表示該邊不存在,1表示該邊存在。過濾靜態(tài)拓撲模型中的鄰接矩陣中不存在的邊,得到新的鄰接矩陣,該矩陣描述了各設(shè)備之間的動態(tài)連接關(guān)系,即實時拓撲關(guān)系。實時拓撲圖中相互連通的電氣設(shè)備所組成的集合稱為電氣島,電氣島可分為電源島(島內(nèi)存在發(fā)電機或等效電源)、接地島(島內(nèi)存在接地點)、負載島(島內(nèi)存在負載點)、復(fù)合島(同時具備2種電氣島的特征,如一個島上既有接地點又有負載,則該復(fù)合島既是接地島又是負載島)等不同類型。分析一個設(shè)備各個端點所處的島便可以知道該設(shè)備的帶電狀態(tài)。采用SCD模型文件構(gòu)建拓撲關(guān)系,數(shù)據(jù)來源標(biāo)準(zhǔn)、直接,符合基于智能變電站開放和共享的特性及源端維護思想。同時,與傳統(tǒng)方法相比省去了成圖的中間過程,信息更準(zhǔn)確,維護更簡單。3預(yù)防錯誤的實現(xiàn)3.1接地刀接地線有了實時拓撲的電氣島分析結(jié)果,還必須基于設(shè)備類型的元規(guī)則進行五防閉鎖校驗,元規(guī)則如下。a.開關(guān)沒有五防元規(guī)則。b.隔離刀閘的五防元規(guī)則。合規(guī)則:隔離刀閘一端處于接地島上,另一端處于電源島上時,不允許合操作;隔離刀閘一端處于負載島上,另一端處于電源島上時,不允許合操作。分規(guī)則:假定該隔離刀閘已經(jīng)分開,重新拓撲后如果一端處于負載島上,另一端處于電源島上時,不允許分操作。例外情況:刀閘兩側(cè)經(jīng)站內(nèi)其他閉合的開關(guān)、刀閘連接為一個導(dǎo)通回路時(即分合刀閘之前兩側(cè)是等電位的),允許分操作。c.接地刀(接地線)的五防元規(guī)則。合規(guī)則:假定所有開關(guān)都合上,如果接地刀的非地端處于電源島上,則不允許合接地刀(掛接地線)。接地刀(接地線)無分規(guī)則。3.2實時狀態(tài)拓撲圖的生成電氣島的劃分不需要在整站范圍內(nèi)進行,根據(jù)元規(guī)則的描述可知,只需判別待操作設(shè)備兩端點所處的電氣島性質(zhì)即可。過程如下:a.從監(jiān)控后臺實時數(shù)據(jù)庫中獲取設(shè)備狀態(tài),更新到動態(tài)拓撲圖上,形成反映實時連接關(guān)系拓撲圖;b.在實時拓撲圖上分別以待操作設(shè)備兩端點為起點向兩側(cè)搜索,搜索的結(jié)果為2個節(jié)點集合,每個節(jié)點集合即為1個電氣島;c.遍歷電氣島上的每個節(jié)點,根據(jù)節(jié)點屬性確定該電氣島的屬性,例如電氣島上有電源則為電源島;d.根據(jù)待操作設(shè)備類型匹配元規(guī)則,例如某設(shè)備為隔離刀閘,且兩端分別處于電源島和負載島上,則該設(shè)備不能進行分合操作。3.3防規(guī)則執(zhí)行前后的安全風(fēng)險如圖2所示,假如進線1間隔處于運行狀態(tài),開關(guān)5001由于執(zhí)行機構(gòu)損壞而不能正常分閘,需要對其進行檢修,常規(guī)做法是將線路對端開關(guān)拉開使進線I處于失電狀態(tài),與之相連的1段母線也失電,然后將50012和50011拉開,再將5001D2和5001D1合上,才能對故障的開關(guān)5001進行檢修。對于傳統(tǒng)的五防規(guī)則閉鎖而言,開關(guān)、刀閘之間是有嚴(yán)格的操作閉鎖邏輯的。不管該間隔是否帶電,拉開刀閘50011或50012時,都會先判斷開關(guān)5001是否已分開。假如此時開關(guān)5001未分開,則不允許拉開刀閘50011或50012,除非特殊解鎖,而解鎖后會造成防誤空白,帶來一定的安全風(fēng)險。而基于元規(guī)則的拓撲防誤是基于設(shè)備操作前后的帶電狀況分析來判斷的,無需防誤解鎖。實時拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示(虛線表示該設(shè)備處于分位)。以50012為例,分別以50012兩端點N0、N1為起點向兩側(cè)搜索得2個節(jié)點集合,分別記為島1和島2;島1包含的節(jié)點為N0、N_Vir-tual;島2包含的節(jié)點為N1、N2、L0。島1內(nèi)的節(jié)點N_Virtual本來是電源點,但由于對端開關(guān)拉開導(dǎo)致其失電,因此島1不是電源島,島2內(nèi)的3個節(jié)點都不是電源點,因此島2也不是電源島,即50012兩端都不位于電源島,因此不會違反隔離刀閘的分規(guī)則,可以直接操作。拓撲防誤無需解鎖就能操作,體現(xiàn)了拓撲防誤的智能性。4在線避免錯誤的實現(xiàn)4.1防誤鎖引擎變電站防誤閉鎖是電力網(wǎng)絡(luò)基層的防誤系統(tǒng),與調(diào)度主站防誤系統(tǒng)不同,它面對的閉鎖對象更為復(fù)雜多樣,不但包括一次設(shè)備、二次設(shè)備,甚至包括網(wǎng)門、柜門等非電設(shè)備。因此單純的拓撲防誤并不能完全滿足變電站防誤閉鎖的要求。在線防誤系統(tǒng)同時具備基于拓撲和基于規(guī)則邏輯的防誤閉鎖,2種防誤閉鎖方法分別由2個模塊實現(xiàn),也稱為2個防誤閉鎖引擎,以主輔模式運行。以基于拓撲的防誤閉鎖引擎為主,實現(xiàn)拓撲設(shè)備的防誤;以基于規(guī)則邏輯的防誤閉鎖引擎為輔,實現(xiàn)非拓撲設(shè)備的防誤。這種方式規(guī)則邏輯數(shù)量很少,功能上后者是前者的補充。4.2電腦技術(shù)的應(yīng)用五防中的“防止誤分合斷路器”和“防止誤入帶電間隔”需結(jié)合操作票實現(xiàn),系統(tǒng)根據(jù)模擬操作的操作序列順序開放閉鎖來防止誤操作。系統(tǒng)還提供電腦鑰匙接入功能,以實現(xiàn)就地操作時的防誤。遠動五防的實現(xiàn)如下:遠動通信服務(wù)器與后臺監(jiān)控系統(tǒng)都屬于站控層,都能夠采集全站IED的數(shù)據(jù);通過軟件技術(shù)的處理,站內(nèi)拓撲存為文件,遠動的拓撲算法、元規(guī)則、常規(guī)規(guī)則邏輯都可與監(jiān)控系統(tǒng)共用。遠動與后臺監(jiān)控系統(tǒng)的防誤閉鎖功能達到代碼一套、算法一套、防誤效果一樣,僅部署不同而已。5電氣主接口線路湖南長沙110kV曾家沖智能變電站是國家電網(wǎng)公司首批試點的智能變電站,其I期投運的設(shè)備有:主變1臺,110kV進線2回,10kV出線12回,無功補償電容器組2組;110kV電氣主接線采用擴大內(nèi)橋接線,10kV采用單母線接線方式。該站的五防閉鎖系統(tǒng),除了有少量接地線、網(wǎng)門、柜門的規(guī)則邏輯之外,無其他設(shè)備的規(guī)則邏輯,體現(xiàn)了拓撲防誤的簡便性。該站于2010年底投運,是本文設(shè)計的一個成功案例。6scd的模型構(gòu)建完全基于規(guī)則