基于圖論拓?fù)淠Ｐ偷奈宸狸P(guān)閉技術(shù)研究

基于圖論拓?fù)淠Ｐ偷奈宸狸P(guān)閉技術(shù)研究

0智能變電站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)拓?fù)涞谖宸雷o(hù)是指避免在電氣系統(tǒng)恢復(fù)過(guò)程中發(fā)生的五種錯(cuò)誤操作，即錯(cuò)誤分為兩種類型的觸發(fā)：誤差分配器、帶負(fù)荷組合隔離刀門、帶接地刀（接地線）和隔離刀門。微機(jī)五防系統(tǒng)在變電站自動(dòng)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(dòng)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(jī)五防,但五防閉鎖校驗(yàn)仍基于規(guī)則邏輯實(shí)現(xiàn),這種方式的五防系統(tǒng)有以下缺點(diǎn):a.都是通過(guò)預(yù)先直接定義具體設(shè)備間的操作閉鎖關(guān)系實(shí)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(yùn)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(lái)回切換,操作不便,易出錯(cuò);c.當(dāng)設(shè)備變動(dòng)或變電站改擴(kuò)建時(shí),受影響的閉鎖邏輯需要重寫,且需要重新驗(yàn)證,維護(hù)工作量大;d.當(dāng)變電站一次設(shè)備很多時(shí),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(cuò)的問(wèn)題,文獻(xiàn)描述了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)閉鎖規(guī)則,文獻(xiàn)論述了基于單線圖拓?fù)涞囊?guī)則代替繼電器邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)閉鎖操作,文獻(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)提出“基于GOOSE的變電站在線式五防系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)”,解決的是電腦鑰匙上送操作結(jié)果的“離線”問(wèn)題,本質(zhì)還是基于規(guī)則邏輯的五防。文獻(xiàn)研究了EMS中基于拓?fù)湮宸赖姆椒ā５?基于變電站的拓?fù)湮宸姥芯恳恢笔强瞻?。高壓設(shè)備應(yīng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電氣誤操作邏輯判斷。分析智能變電站的技術(shù)特點(diǎn),本文利用全站模型SCD文件,構(gòu)建靜態(tài)拓?fù)潢P(guān)系,基于設(shè)備類型防誤元規(guī)則實(shí)現(xiàn)拓?fù)浞勒`;基于拓?fù)渑c基于規(guī)則邏輯的防誤閉鎖主輔模式協(xié)調(diào)使用,實(shí)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(yǔ)言SCL(SubstationConfigurationdescriptionLanguage)對(duì)象模型,如圖1所示。該模型用SCD文件描述。SCD文件基于可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(XML),由系統(tǒng)配置器SCT(SystemConfigurationTool)生成和維護(hù)。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(jí)、間隔、一次設(shè)備、子設(shè)備、連接節(jié)點(diǎn)之間的層次關(guān)系、拓?fù)溥B接關(guān)系。b.IED模型:以邏輯節(jié)點(diǎn)(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(diǎn)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(wèn)點(diǎn)(AccessPoint)、子網(wǎng)(Subnetwork)等,及其與物理裝置的連接關(guān)系。基于IEC61850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(gè)應(yīng)用都可以基于此模型建設(shè),也是上級(jí)調(diào)度模型之源和源端維護(hù)之源。2基于合作模型的設(shè)計(jì)和優(yōu)化算法2.1次接線圖的繪制目前,系統(tǒng)拓?fù)浞治瞿Ｐ屯ǔ；贗EC61970CIM模型構(gòu)建,由圖、模、庫(kù)一體化平臺(tái)根據(jù)一次接線圖繪制過(guò)程中圖元的連接關(guān)系自動(dòng)生成元件、端點(diǎn)、節(jié)點(diǎn),并分別為它們編號(hào),由此電力網(wǎng)絡(luò)模型就簡(jiǎn)化成了由拓?fù)涔?jié)點(diǎn)和元件組成的網(wǎng)絡(luò)形式。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是拓?fù)淠Ｐ妥詣?dòng)生成,效率高;缺點(diǎn)是對(duì)繪圖工具的依賴性強(qiáng),維護(hù)工作量較大,拓?fù)湓乇硎竞痛鎯?chǔ)方法沒(méi)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(diǎn)道路設(shè)計(jì)基于智能變電站,本文設(shè)計(jì)由SCD文件直接構(gòu)建拓?fù)潢P(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(guò)端點(diǎn)(Terminal)和連接點(diǎn)(ConnectivityNode)表示,每個(gè)導(dǎo)電設(shè)備(ConductingEquipment)包含1個(gè)或多個(gè)端點(diǎn),每個(gè)端點(diǎn)連到一個(gè)連接點(diǎn)上。讀取SCD文件中端點(diǎn)和連接點(diǎn)信息即形成一次設(shè)備的連接關(guān)系。設(shè)計(jì)2張表存放端點(diǎn)信息和連接點(diǎn)信息:端點(diǎn)表包含的屬性有端點(diǎn)名、所屬設(shè)備、所連接的連接點(diǎn)名,見(jiàn)表1;連接點(diǎn)表包含的屬性有連接點(diǎn)名、連接點(diǎn)路徑,見(jiàn)表2。拓?fù)潢P(guān)系抽象為頂點(diǎn)集和邊集構(gòu)成的圖論模型,根據(jù)需要設(shè)計(jì)頂點(diǎn)和邊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),將實(shí)體信息中的設(shè)備映射成邊,連接點(diǎn)映射成頂點(diǎn)。數(shù)學(xué)模型中的邊有且只有2個(gè)端點(diǎn),所以需要對(duì)不符合“邊”模型的設(shè)備進(jìn)行歸一化處理,將單端設(shè)備、多端設(shè)備進(jìn)行等效處理統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為雙端設(shè)備模型。2.3開(kāi)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(kāi)關(guān)設(shè)備,如斷路器、隔離刀閘等;非零阻抗電氣元件,沒(méi)有分、合狀態(tài),稱作非開(kāi)關(guān)設(shè)備,如電壓互感器、變壓器、線路等。開(kāi)關(guān)設(shè)備在連接關(guān)系表示中都有2個(gè)端點(diǎn),即Term1和Term2,稱為雙端設(shè)備,而非開(kāi)關(guān)設(shè)備的端點(diǎn)個(gè)數(shù)是根據(jù)其功能確定的,不一定為2個(gè),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(gè)端點(diǎn);兩圈變壓器有2個(gè)端點(diǎn);三圈變壓器有3個(gè)端點(diǎn);母線有多個(gè)端點(diǎn),端點(diǎn)個(gè)數(shù)取決于其上所連接的支路個(gè)數(shù)。進(jìn)行拓?fù)淠Ｐ陀成鋾r(shí)要求所有一次設(shè)備都為雙端設(shè)備,即有且只有2個(gè)端點(diǎn)。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(shí)時(shí)拓?fù)涞挠?jì)算針對(duì)單端設(shè)備虛擬1個(gè)端點(diǎn)使之成為雙端設(shè)備,然后虛擬1個(gè)連接點(diǎn),將虛擬端點(diǎn)關(guān)聯(lián)到該虛擬連接點(diǎn)上。虛擬端點(diǎn)和虛擬連接點(diǎn)僅用作順利建立拓?fù)淠Ｐ秃洼o助計(jì)算,實(shí)時(shí)拓?fù)溆?jì)算時(shí)并不賦予其實(shí)際意義。以表1中的進(jìn)線1為例,它是單端設(shè)備,只有1個(gè)端點(diǎn)Term1。首先為進(jìn)線1增加一個(gè)端點(diǎn)Term2,創(chuàng)建一個(gè)虛擬連接點(diǎn)N_Virtual,把Term2連接到N_Virtua上。處理后表1中對(duì)應(yīng)增加一條記錄如下:Term2,進(jìn)線1,N_Virtual。同時(shí)在表2中增加一條記錄如下:n,N_Virtual,測(cè)試站/500kV-1/進(jìn)線1/N_Virtual。其中,n=k+1,k為表2中的最后1個(gè)序號(hào)。2.3.2虛擬連接點(diǎn)的連接以三圈變壓器處理為例,把變壓器分解成3個(gè)獨(dú)立設(shè)備,分別為該變壓器的每個(gè)繞組先后增加1個(gè)虛擬端點(diǎn)和1個(gè)虛擬連接點(diǎn),并將虛擬端點(diǎn)連接到上述虛擬連接點(diǎn)。假設(shè)某三圈變的端點(diǎn)和連接點(diǎn)分別如表3、4所示,分別為該變壓器的每個(gè)繞組增加一個(gè)虛擬端點(diǎn),然后增加一個(gè)虛擬連接點(diǎn),命名為N_Transformer1,并將該端點(diǎn)連接到N_Transformer1上,經(jīng)過(guò)處理后的變壓器端點(diǎn)表和連接點(diǎn)見(jiàn)表5、6。上述處理既維護(hù)了變壓器在拓?fù)淠Ｐ椭械膶?shí)際意義,又解決了雙端建模的問(wèn)題。2.3.3連接點(diǎn)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?fù)淠Ｐ椭幸矝](méi)有將其看作一次設(shè)備,而是將其視為一個(gè)連接點(diǎn)(僅在拓?fù)浞治鲋羞@樣處理,其他應(yīng)用未必如此)。因此無(wú)需處理母線設(shè)備,將其作為連接點(diǎn)添加到連接點(diǎn)表即可。經(jīng)過(guò)歸一化處理后,設(shè)備和連接點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖論中的頂點(diǎn)集和邊集,將它們以數(shù)據(jù)庫(kù)或數(shù)據(jù)文件的形式存儲(chǔ)起來(lái),就完成了拓?fù)浣５臏?zhǔn)備工作。2.4基于scd模型的設(shè)備互聯(lián)實(shí)際拓?fù)浣r(shí)將頂點(diǎn)和邊的數(shù)據(jù)讀入,并分別進(jìn)行編號(hào),然后根據(jù)連接關(guān)系構(gòu)造鄰接矩陣形成靜態(tài)拓?fù)淠Ｐ?。從監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)庫(kù)中采集開(kāi)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(guò)濾靜態(tài)拓?fù)淠Ｐ椭械泥徑泳仃囍胁淮嬖诘倪?得到新的鄰接矩陣,該矩陣描述了各設(shè)備之間的動(dòng)態(tài)連接關(guān)系,即實(shí)時(shí)拓?fù)潢P(guān)系。實(shí)時(shí)拓?fù)鋱D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(jī)或等效電源)、接地島(島內(nèi)存在接地點(diǎn))、負(fù)載島(島內(nèi)存在負(fù)載點(diǎn))、復(fù)合島(同時(shí)具備2種電氣島的特征,如一個(gè)島上既有接地點(diǎn)又有負(fù)載,則該復(fù)合島既是接地島又是負(fù)載島)等不同類型。分析一個(gè)設(shè)備各個(gè)端點(diǎn)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?fù)潢P(guān)系,數(shù)據(jù)來(lái)源標(biāo)準(zhǔn)、直接,符合基于智能變電站開(kāi)放和共享的特性及源端維護(hù)思想。同時(shí),與傳統(tǒng)方法相比省去了成圖的中間過(guò)程,信息更準(zhǔn)確,維護(hù)更簡(jiǎn)單。3預(yù)防錯(cuò)誤的實(shí)現(xiàn)3.1接地刀接地線有了實(shí)時(shí)拓?fù)涞碾姎鈲u分析結(jié)果,還必須基于設(shè)備類型的元規(guī)則進(jìn)行五防閉鎖校驗(yàn),元規(guī)則如下。a.開(kāi)關(guān)沒(méi)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(shí),不允許合操作;隔離刀閘一端處于負(fù)載島上,另一端處于電源島上時(shí),不允許合操作。分規(guī)則:假定該隔離刀閘已經(jīng)分開(kāi),重新拓?fù)浜笕绻欢颂幱谪?fù)載島上,另一端處于電源島上時(shí),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(kāi)關(guān)、刀閘連接為一個(gè)導(dǎo)通回路時(shí)(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(kāi)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(wú)分規(guī)則。3.2實(shí)時(shí)狀態(tài)拓?fù)鋱D的生成電氣島的劃分不需要在整站范圍內(nèi)進(jìn)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(diǎn)所處的電氣島性質(zhì)即可。過(guò)程如下:a.從監(jiān)控后臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取設(shè)備狀態(tài),更新到動(dòng)態(tài)拓?fù)鋱D上,形成反映實(shí)時(shí)連接關(guān)系拓?fù)鋱D;b.在實(shí)時(shí)拓?fù)鋱D上分別以待操作設(shè)備兩端點(diǎn)為起點(diǎn)向兩側(cè)搜索,搜索的結(jié)果為2個(gè)節(jié)點(diǎn)集合,每個(gè)節(jié)點(diǎn)集合即為1個(gè)電氣島;c.遍歷電氣島上的每個(gè)節(jié)點(diǎn),根據(jù)節(jié)點(diǎn)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(fù)載島上,則該設(shè)備不能進(jìn)行分合操作。3.3防規(guī)則執(zhí)行前后的安全風(fēng)險(xiǎn)如圖2所示,假如進(jìn)線1間隔處于運(yùn)行狀態(tài),開(kāi)關(guān)5001由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)損壞而不能正常分閘,需要對(duì)其進(jìn)行檢修,常規(guī)做法是將線路對(duì)端開(kāi)關(guān)拉開(kāi)使進(jìn)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(kāi),再將5001D2和5001D1合上,才能對(duì)故障的開(kāi)關(guān)5001進(jìn)行檢修。對(duì)于傳統(tǒng)的五防規(guī)則閉鎖而言,開(kāi)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(kāi)刀閘50011或50012時(shí),都會(huì)先判斷開(kāi)關(guān)5001是否已分開(kāi)。假如此時(shí)開(kāi)關(guān)5001未分開(kāi),則不允許拉開(kāi)刀閘50011或50012,除非特殊解鎖,而解鎖后會(huì)造成防誤空白,帶來(lái)一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。而基于元規(guī)則的拓?fù)浞勒`是基于設(shè)備操作前后的帶電狀況分析來(lái)判斷的,無(wú)需防誤解鎖。實(shí)時(shí)拓?fù)浣Y(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(diǎn)N0、N1為起點(diǎn)向兩側(cè)搜索得2個(gè)節(jié)點(diǎn)集合,分別記為島1和島2;島1包含的節(jié)點(diǎn)為N0、N_Vir-tual;島2包含的節(jié)點(diǎn)為N1、N2、L0。島1內(nèi)的節(jié)點(diǎn)N_Virtual本來(lái)是電源點(diǎn),但由于對(duì)端開(kāi)關(guān)拉開(kāi)導(dǎo)致其失電,因此島1不是電源島,島2內(nèi)的3個(gè)節(jié)點(diǎn)都不是電源點(diǎn),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(huì)違反隔離刀閘的分規(guī)則,可以直接操作。拓?fù)浞勒`無(wú)需解鎖就能操作,體現(xiàn)了拓?fù)浞勒`的智能性。4在線避免錯(cuò)誤的實(shí)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(duì)的閉鎖對(duì)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?fù)浞勒`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(shí)具備基于拓?fù)浜突谝?guī)則邏輯的防誤閉鎖,2種防誤閉鎖方法分別由2個(gè)模塊實(shí)現(xiàn),也稱為2個(gè)防誤閉鎖引擎,以主輔模式運(yùn)行。以基于拓?fù)涞姆勒`閉鎖引擎為主,實(shí)現(xiàn)拓?fù)湓O(shè)備的防誤;以基于規(guī)則邏輯的防誤閉鎖引擎為輔,實(shí)現(xiàn)非拓?fù)湓O(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(bǔ)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(shí)現(xiàn),系統(tǒng)根據(jù)模擬操作的操作序列順序開(kāi)放閉鎖來(lái)防止誤操作。系統(tǒng)還提供電腦鑰匙接入功能,以實(shí)現(xiàn)就地操作時(shí)的防誤。遠(yuǎn)動(dòng)五防的實(shí)現(xiàn)如下:遠(yuǎn)動(dòng)通信服務(wù)器與后臺(tái)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(guò)軟件技術(shù)的處理,站內(nèi)拓?fù)浯鏋槲募?遠(yuǎn)動(dòng)的拓?fù)渌惴?、元?guī)則、常規(guī)規(guī)則邏輯都可與監(jiān)控系統(tǒng)共用。遠(yuǎn)動(dòng)與后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的防誤閉鎖功能達(dá)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(zhǎng)沙110kV曾家沖智能變電站是國(guó)家電網(wǎng)公司首批試點(diǎn)的智能變電站,其I期投運(yùn)的設(shè)備有:主變1臺(tái),110kV進(jìn)線2回,10kV出線12回,無(wú)功補(bǔ)償電容器組2組;110kV電氣主接線采用擴(kuò)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(wú)其他設(shè)備的規(guī)則邏輯,體現(xiàn)了拓?fù)浞勒`的簡(jiǎn)便性。該站于2010年底投運(yùn),是本文設(shè)計(jì)的一個(gè)成功案例。6scd的模型構(gòu)建完全基于規(guī)則