基于拓撲分析的變電站防誤操作方法?

朱 瑪，商 鈺，劉 學

(國網紹興供電公司，浙江 紹興 312000)

隨著電網技術的不斷發展，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備主機的方法進行五防檢測，以提高誤操作判斷的準確性；文獻[3]提出了一種輔助判斷方法，通過在輔助設備中增加具有邏輯鎖定功能的開關操作，降低漏檢誤操作的可能性。在計算機監控系統中，通過五防監控模塊[4]，可以實現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確性；(2)在集中控制模式下，缺乏完善的預防誤操作的手段，此時安全檢查模塊只能實現站內所有設備運行的防錯檢查功能，而不能實現站間防錯檢查。

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

1 數學模型

本文根據電網的特征建立電網設備拓撲模型，依據圖論原理，將電網設備抽象為僅具有“節點”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

根據電網設備的特點，將設備抽象為僅具有“節點”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備在每個拓撲節點的運行狀態。拓撲模型中主接線的每個開斷裝置都對應于圖論的一側，開關的狀態則決定了該側是接通還是斷開，根據IEC61850 的模型定義，為拓撲點添加類型定義，如下所示。

拓撲節點所包含的信息:{拓撲點編碼；拓撲點類型；現場狀態}其中，拓撲點代碼是網絡節點號，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備連接點；電氣連接狀態分為:充電狀態，接地狀態，斷電狀態和懸浮狀態。

1.2 拓撲支路模型

拓撲支路對應于電網中的分斷裝置，即斷路器和隔離開關。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的設備類型，包括斷路器和隔離開關；開－關狀態表示開端設備是關閉還是斷開，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，當拓撲圖中的節點i直接連接到節點j時，矩陣的元素aij＝1，而當節點i和節點j不直接連接時矩陣元素aij＝0。

1.4 拓撲網絡的生成

根據上述方法，電網中的所有設備都被抽象為節點和支路，節點和支路的每個組件都包含一個下標字母。搜索網絡中的電力設備，并使用鄰接矩陣記錄任意兩個節點的下標、連接關系aij以及它們之間的路徑，從而構成支路信息，拓撲網絡搜索和形成流程圖如圖1 所示。

圖1 拓撲搜索流程圖

2 大電網拓撲結構分析

2.1 電網環島模型

經過如上步驟的分析和抽象，變壓器，刀閘和母線已抽象為節點和支路的數學模型，節點之間的拓撲連接也以鄰接矩陣的形式存儲在系統中。但鄰接矩陣僅反映了相鄰節點之間的連接關系，實際上網絡中任意兩個節點之間的連接關系更為重要，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點vi作為起點，并將vi標記為已訪問。

(2)找到與vi連接的節點vj并將節點vj放入電網節點集Node 中；

(3)確定是否已訪問vj，如果已經訪問過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標記為已訪問。

(5)重復步驟2、3 和4，直到訪問了與vi相鄰的所有節點，然后轉到步驟6。

(6)用vj作為起始節點重復步驟2、3、4 和5。

(7)如果訪問了網絡拓撲中的所有節點，結束搜索，否則返回步驟1。

2.2 拓撲追蹤模型

根據初始化分析算法定義整個網絡的初始電氣環路，每個電氣環路包含其自己的節點和支路。初始拓撲分析完成后，將保留這些環路集合，此后無論網絡中設備狀態如何變化，網絡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。計算時將開關位移事件用作系統拓撲分析跟蹤算法的啟動信息:

(1)開關閉合

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

①如果開關設備兩端的節點不是同一電氣環路，則它們將合并到同一電氣環路中，并將新關閉的支路添加到New Electric Island 的支路集合中。

②如果開關設備兩端的節點屬于同一電氣環路，則電氣環路母線的數量將保持不變，并且新支路將添加到電氣環路的共樹集合中。開關閉合時的流程圖如圖2 所示。

圖2 開關閉合狀態跟蹤

(2)開關斷開

當開關被“閉合”移位時，根據上一節的分析結果，首先判斷開關斷開的支路屬于哪個電氣環路，如果斷開是連續的，則不更改電氣環路，并且斷開的支路將從原始的cotree 集合中刪除；如果開關斷開后支路也斷開，則設置兩端的節點號切換到i，j并使用i作為起始節點來使用廣度搜索算法:

①如果無法搜索節點j，則意味著開關斷開并且電氣環路斷開。此時執行以下幾個步驟:

步驟1 從原始的電氣環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點以及相應的支路，在支路中創建一個新的電氣環路。

步驟3 從原來的電氣環路上拆除新電氣環路的節點和支路；

②如果可以搜索到節點j，則表示斷開連接后電氣環路不會斷開，并且將連接到該節點的所有節點都設置為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:一個端節點設置為bi，另一端節點設置為bj，此時，執行以下步驟:

步驟1 從原始的電氣環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。

開關斷開流程圖如圖3 所示。

圖3 開關閉合跟蹤

2.3 校對規則與防誤操作判斷

“五防”是指預防檢修操作中，對電力系統切換時經常發生的五種誤操作事故進行判斷[12－13]，應用本文提出的方法可以通過拓撲計算的結果來判斷，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則，當開關閉合時，斷路器一端的拓撲節點處于充電狀態，一端處于接地狀態時，則禁止斷路器工作。

(2)防止帶負荷分合刀閘:假設隔離開關已斷開，則需要進行拓撲計算，如果發生以下情況，則禁止帶負載的隔離開關動作，隔離開關操作后，系統中負載節點的充電狀態將更改。例如在部分斷開開關之后，在隔離開關之后，一些負載節點從充電狀態變為斷電狀態，或者一些負載從斷電狀態變為充電狀態。在操作之前或之后，設備兩側的拓撲點是不同的，并且拓撲點所在的拓撲環路上有負載線設備或電源點。

(3)防止誤入帶電隔離區間。

(4)防止帶電掛接地線:當接地線路設備的頂級運行狀態為活動狀態時，禁止接地線路操作。在接地刀閘的末端，拓撲節點的狀態接地，當另一個節點的狀態上電時，禁止接地刀閘操作。

(5)防止帶地線合刀閘:對于接地的開關設備或接地的設備，拓撲節點一端的狀態為接地，如果設備另一端的另一個節點的狀態為活動，則應禁用該開關動作。

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，其中每個節點設備的初始狀態信息如表1中所示。假定在初始狀態下，斷路器隔離開關處于閉合狀態，而接地刀閘處于斷開狀態，使用第2 節中的方法初始化并分析電氣環路，結果如表2 所示。

表1 節點初始信息統計表

圖4 變電站主接線圖

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

(2)如果現在要斷開節點7 和8 之間的隔離開關，則假定隔離開關已斷開，并根據2.2 節中的方法更新電氣環路。更新后的電氣環路如表2 所示。由表2 可知在斷開節點7 和8 之間的開關之后，負載節點11 和16 從充電狀態變為斷電狀態，并且可以判斷出該操作屬于負載斷開狀態，此時應禁止隔離開關動作。

表2 假設隔離開關斷開后電氣環島的劃分

由表2 中結果可以看出，假設表1 中的節點11和16 已經斷開后，得出節點8、9、10、11、14、15、16、19、20、21、22 將出現故障，因此在表1 的節點狀態條件下，不能斷開節點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判，并給出預判結果，以達到避免誤操作的目的。

4 結論

本文基于電力系統的特性，從拓撲理論出發構建了一套電網防止誤操作的方法。可實時計算和分析變電站主設備的多種運行狀態，并使用網絡拓撲計算來判斷誤操作。該方法基于防偽判斷標準，具有邏輯鎖定規則簡單，實現方便的特點，可以有效避免操作鎖定規則泄漏設置或設置不正確的問題。