動態(tài)地線防誤閉鎖系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用

摘 要：本文旨在探討動態(tài)地線防誤閉鎖系統(tǒng)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的設計和性能優(yōu)化，以提高設備運行安全性和操作效率。本文設計討論了接地防誤閉鎖的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，說明其具體操作方式，并通過性能測試對預置設備管理、地線實時顯示、“五防”要求管理及結(jié)果儲存打印功能進行耗時評估。研究發(fā)現(xiàn)，在不同遠動點參與水平下，五防要求管理具有較短時間消耗（約250ms），而其他業(yè)務可能超過300ms甚至500ms。同時，在不同并發(fā)規(guī)模下通信耗時隨著任務數(shù)量增加，整體處理時間也相應增加。結(jié)果有效驗證了動態(tài)地線防誤閉鎖系統(tǒng)的有效性，能夠支持其在電力系統(tǒng)中的應用。

關鍵詞：地線；防誤閉鎖裝置；電腦鑰匙；模型應用

中圖分類號：TM 77 文獻標志碼：A

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，地線防誤閉鎖系統(tǒng)是確保電力設備運行安全的重要組成部分。楊俊明等[1]研究了12kV真空斷路器閉鎖失效故障分析及改進方案，最終選擇微動開關與接近開關作為預警方式，避免合閘線圈燒損等事故。孫建超等[2]在抽水蓄能電站中應用智能接地線管理系統(tǒng)，監(jiān)控臨時接地線全過程狀態(tài)實現(xiàn)智能化閉環(huán)管理。張海庭等[3]設計了變電站防誤閉鎖邏輯可視化校驗系統(tǒng)，并實現(xiàn)全站一次設備防誤閉鎖邏輯圖形展示與仿真校核。任輝等[4]提出一種模型驅(qū)動的測控裝置優(yōu)化方法，統(tǒng)一完成測控裝置全部配置并消除配置文件風險。邢曉敏等[5]設計無監(jiān)測盲點的智能臨時接地線管理系統(tǒng)并成功運行于場景中。李冬[6]探討18kV發(fā)電機出口刀閘操作隱患分析及改進方式，提供2種解決方案，以保障操作安全、穩(wěn)定。林俊[7]分享中心站接地線管控行業(yè)內(nèi)完整解決方案經(jīng)驗，并介紹項目經(jīng)濟效益和技術原理，以加強管理水平。基于先行研究，本文將探討動態(tài)地線防誤閉鎖系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應用，分析其設計原理、性能測試方法及實際應用效果。

1 系統(tǒng)設計

動態(tài)地線防誤閉鎖系統(tǒng)是基于微機防誤閉鎖系統(tǒng)的演化，安裝了動態(tài)地線防誤閉鎖軟件，提供圖形界面，并內(nèi)置基于圖形拓撲技術的防誤邏輯。軟件界面中預設了110kV和10kV電壓等級的地線庫，當需要掛接地線時，用戶可以從地線庫中選擇特定地線，然后將其拖放至需要掛接的位置。這一操作簡便，不涉及人為審核過程，由軟件利用圖形拓撲搜索技術，搜索與該位置連接的設備，并獲取這些設備的相關狀態(tài)。隨后，軟件調(diào)用地線的防誤操作規(guī)則進行實時判斷。如果判斷結(jié)果為禁止，那么相關操作項無法生成；如果判斷結(jié)果為允許，那么軟件會自動讀取該位置的描述信息，例如某斷路器與某隔離刀閘之間，生成相應的操作項。傳輸適配器負責與監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，確保閉鎖操作的實時性和準確性。操作人員通過攜帶電腦鑰匙到現(xiàn)場進行操作，該鑰匙在系統(tǒng)中起到確認和控制操作合法性的作用。各類鎖具和移動地線樁則用于實際的地線掛接操作，通過與電腦鑰匙配合，確保操作的準確性和安全性。其中，任何違背五防要求或操作票的操作均實施閉鎖，結(jié)合語音提示、屏幕顯示予以警報，并相應給出正確操作，從而實現(xiàn)防誤效果。

其中，防誤主機配備了動態(tài)地線防誤閉鎖軟件，該軟件提供了圖形界面，并集成了基于圖形拓撲技術的防誤邏輯。在圖形界面中，不再需要設置固定接地點圖元，而是可以在圖形中的任意點掛接母線及連接線的接地線。

針對這一框架，其圖形拓撲結(jié)構(gòu)如公式（1）所示。

G=（V，E） （1）

式中：V為關鍵節(jié)點，包括上述電腦要素、鎖具和防誤主機；E為其線路連接。

設節(jié)點V的數(shù)量為m，線路E的數(shù)量為n，設置操作中拓撲關系改變的矩陣，如公式（2）所示。

（2）

式中：P為拓撲關系節(jié)點關聯(lián)矩陣；Pmn為節(jié)點m與支路n的連通性，如果節(jié)點m與支路n彼此聯(lián)通，那么Pmn=1，否則Pmn=0。

而動態(tài)地線防誤閉鎖系統(tǒng)的設計理念結(jié)合了圖形拓撲技術和防誤邏輯，如公式（3）所示。

f：（V，E）→{0，1} （3）

此框架對應部頒“五防”標準，即防止誤拉合斷路器，防止誤入帶電間隔，防止帶負荷拉隔離開關，防止帶電掛地線或合接地刀閘，防止帶他線（接地刀閘）合隔離開關。通過防誤邏輯判斷，系統(tǒng)得以實現(xiàn)對設備操作的精確控制和閉鎖保護，僅允許在系統(tǒng)內(nèi)模擬通過且為正確順序的操作，從而最大程度地減少操作人員的誤操作風險。通過以上系統(tǒng)設計和實施方案，動態(tài)地線防誤閉鎖系統(tǒng)能夠有效地提升電力設備的操作安全性和可靠性，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供重要保障。

對拓撲矩陣P來說，跟蹤每個操作的拓撲狀態(tài)能夠獲得其在屬性層、拓撲層的條件取值。根據(jù)公式（3），設其操作共有n項相關條件，以覆蓋五防邏輯的全部要求，形成操作條件合集，如公式（4）所示。

Ct=C1，C2，…，Cn （4）

式中：Ct為羅列關系的合集；C1，C2，…，Cn為各項操作條件。

將公式（4）轉(zhuǎn)化為判斷矩陣，如公式（5）所示。

（5）

基于公式（5），當其圖形化展示中未進行模擬時，只會顯示具有地線掛接的地點的接地線狀態(tài)。當進行模擬操作涉及地線掛接時，用戶可以從地線庫中拖動地線符號，將其掛接到圖形中線路的任意點，并在掛接過程中進行五防邏輯判斷：如果符合五防邏輯，就允許掛接；如果不符合五防邏輯，會提示錯誤原因。一旦接地線掛接到指定接地點，用戶可以繼續(xù)模擬與地線相關的設備操作步驟。在安裝接地線后，不符合五防邏輯的設備將被禁止操作。模擬結(jié)束后，已掛接的地線符號將會顯示在界面上。

2 性能測試

本文對動態(tài)地線防誤閉鎖系統(tǒng)中的預置設備管理、地線實時顯示、“五防”要求管理和結(jié)果儲存打印等功能進行耗時評估，以驗證系統(tǒng)在實際應用中的性能表現(xiàn)。

基于公式（4），Ct作為操作關系的合集，在給定條件下僅能抽取特定元素形成當下操作，其關系到具體節(jié)點，也關系到操作的總體耗時。設給定節(jié)點運行狀態(tài)為Cij，則其耗時計算如公式（6）所示。

t=tmn+tij （6）

式中：t為運算總耗時；tmn為其中的通信耗時，受到矩陣規(guī)模與的影響；tij為其中的計算耗時，受到給定操作的影響。

當考慮不同規(guī)模的點位參與時，通信耗時和計算耗時會對總耗時產(chǎn)生影響。其中，通信耗時受到矩陣規(guī)模和通信耗時系數(shù)的影響。通信耗時的增加通常隨著矩陣規(guī)模的增加而增加，因為更多的點位參與需要更多的通信。因此，通信耗時會隨著參與點位數(shù)量的增加而線性增加，對總耗時產(chǎn)生影響。而計算耗時受給定操作的影響，不同操作可能會有不同的計算耗時。計算耗時的增加取決于具體操作的復雜度和計算量。綜合考慮通信耗時和計算耗時對總耗時的影響，可以使用公式（6）來計算總耗時。

其中，不同點位參與水平下的數(shù)據(jù)傳輸響應耗時如圖1所示。

在不同的遠動點參與水平下，五防要求管理的耗時較短，這意味當處理遠動點的數(shù)據(jù)傳輸和響應工作時，通常可以在250ms內(nèi)完成。這使調(diào)度資源可以更多地傾斜給這些遠動點，以便更快地響應和處理相關任務。相比之下，預置設備管理等其他業(yè)務則需要更長的時間來完成。例如結(jié)果打印出單耗時可能超過300ms，地線的實時顯示也受到渲染制約，耗時較長，由于預置設備管理涉及更多的設備和設置，因此其耗時較長，最長可達到500ms。

因此，通過將更多的調(diào)度資源傾斜給五防要求管理的遠動點，可以更快地完成數(shù)據(jù)傳輸和響應工作，提高系統(tǒng)的響應速度和效率。其中，通信耗時和計算耗時的影響會根據(jù)矩陣規(guī)模、通信耗時系數(shù)和給定操作的計算耗時系數(shù)來進行綜合計算。通過這種方式，可以更全面地考慮不同規(guī)模的點位參與對系統(tǒng)總耗時的影響，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能。這樣可以確保在需要時能夠及時采取行動，并更好地管理和控制電力系統(tǒng)的運行。

為計算其安全度的總體評價，需要考慮全部操作的權(quán)值，如公式（7）所示。

（7）

式中：Qi為特定操作條件判斷矩陣和運行狀態(tài)Cij下的對應權(quán)值。

針對預置設備管理功能，操作人員需要事先設置相關參數(shù)，以確保系統(tǒng)正常運行。地線實時顯示是指監(jiān)控系統(tǒng)可以隨時展示各個接地點的連接狀態(tài)，并提供清晰直觀的圖形界面。“五防”要求是指按照電力安全生產(chǎn)標準規(guī)定的相關措施。最后一個關鍵功能是將操作記錄保存并打印輸出，對需要追溯歷史記錄或事故調(diào)查的情況具有重要意義。它們共同構(gòu)成了一個完整而嚴密的安全標準體系，為現(xiàn)場人員提供了明確指引，并有效降低了潛在風險。操作安全度即此操作權(quán)值構(gòu)建權(quán)重向量后考慮運行狀態(tài)和輸出值的合計結(jié)果。

當涉及不同并發(fā)規(guī)模時，系統(tǒng)性能和效率可能會受到影響，需要處理更多的通信請求。可能導致通信耗時增加，因為系統(tǒng)需要在更短的時間內(nèi)處理更多的通信請求。如果系統(tǒng)的通信帶寬有限或者通信協(xié)議復雜，那么增加的并發(fā)請求可能導致通信延遲增加。更高的并發(fā)規(guī)模可能需要系統(tǒng)同時處理更多的計算任務。這可能導致計算資源競爭和負載增加，從而影響系統(tǒng)的計算性能。如果系統(tǒng)的計算資源有限或者算法復雜度較高，那么增加的并發(fā)請求可能導致計算延遲增加。高并發(fā)規(guī)模可能導致系統(tǒng)資源的競爭，例如CPU、內(nèi)存、存儲等。如果系統(tǒng)資源無法有效分配和管理，可能會導致性能下降和系統(tǒng)崩潰。高并發(fā)規(guī)模可能增加系統(tǒng)的復雜性和負擔，從而增加系統(tǒng)發(fā)生故障或錯誤的風險。系統(tǒng)需要具備足夠的穩(wěn)定性和容錯能力，以應對高并發(fā)情況下可能出現(xiàn)的問題。高并發(fā)規(guī)模下可能需要對系統(tǒng)進行優(yōu)化和調(diào)整，以提高性能和效率。這可能涉及調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)、優(yōu)化算法、增加資源等措施，以適應高并發(fā)情況下的需求。其總耗時則如圖2所示。

由圖2可知，雖然通信和反饋耗時較短（250ms），但是總耗時卻顯示出與之相反的趨勢。在這種情況下，五防要求管理的耗時最長，在遠動點參與數(shù)量眾多時甚至可達到1.5s。相比之下，預置設備管理雖然也有較長的耗時，但地線實時顯示和結(jié)果存儲打印的時間消耗較短，約0.5s。盡管通信和反饋本身需要花費更少的時間來完成，并且針對單個任務來說效率很高，但當涉及大量任務并行執(zhí)行或者需要綜合處理各項工作成果、整體調(diào)度等操作時，就會導致整體運行效率受到挑戰(zhàn)。

綜合考慮通信耗時、計算耗時、資源競爭、系統(tǒng)穩(wěn)定性和優(yōu)化調(diào)整等因素，可以更好地理解不同并發(fā)規(guī)模對系統(tǒng)性能的影響，并采取相應的措施來優(yōu)化系統(tǒng)性能。基于此，整理不同并發(fā)規(guī)模中通信耗時部分，其數(shù)據(jù)如圖3所示。

對比不同的并發(fā)規(guī)模時，各類項目的耗時與并發(fā)規(guī)模成正相關。意味隨著任務數(shù)量增加，整體處理時間也相應增加。

3 結(jié)語

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，動態(tài)地線防誤閉鎖系統(tǒng)的設計和應用對保障設備運行安全至關重要。通過監(jiān)測設備接地狀態(tài)并及時采取閉鎖措施，該系統(tǒng)有效預防了因接地異常而導致的設備損壞或安全事故。這一系統(tǒng)是基于微機防誤閉鎖系統(tǒng)演化而來的，在圖形界面展示接地線掛接環(huán)境，并結(jié)合圖形拓撲技術和防誤邏輯進行設計。通過引入動態(tài)地線防誤閉鎖軟件、傳輸適配器以及操作人員攜帶電腦鑰匙等元素，該系統(tǒng)提供了精確控制和高效保護，并符合“五防”標準要求。其性能測試包括預置設備管理、地線實時顯示、五防要求管理以及結(jié)果儲存打印功能評估，驗證了其在實際應用中的表現(xiàn)。

然而，在不同遠動點參與水平下，數(shù)據(jù)傳輸響應耗時存在差異，五防要求管理較短（約250ms），其他業(yè)務（例如結(jié)果打印）則可能超過300ms甚至500ms，在不同并發(fā)規(guī)模下通信耗時也有所變化，成正相關：隨著任務數(shù)量增加，整體處理時間也隨之增加。為提高整體運行效率與響應速度，需要考慮引入并行計算和分布式處理技術、設計合理負載均衡策略、建立彈性伸縮機制等手段優(yōu)化資源分配；傾斜更多調(diào)度資源，加快數(shù)據(jù)傳輸與相應工作；綜合考慮各項工作成果進行整體調(diào)度也能提高運行效率。

參考文獻

[1]楊俊明，游一民，戴冬云，等.12kV真空斷路器閉鎖失效故障分析及改進方案[J].高壓電器，2023，59（7）：186-192.

[2]孫建超，鄭春，劉士剛，等.智能接地線管理系統(tǒng)在抽水蓄能電站的應用[J].水利水電技術（中英文），2021，52（增刊2）：286-289.

[3]張海庭，張思遠，劉登鑫，等.變電站防誤閉鎖邏輯可視化校驗系統(tǒng)設計及應用[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2021，49（12）：181-187.

[4]任輝，竇仁暉，鄭永康，等.一種模型驅(qū)動的測控裝置優(yōu)化研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2019，47（3）：129-135.

[5]邢曉敏，陳成，張鵬宇，等.無監(jiān)測盲點的智能臨時接地線管理系統(tǒng)的開發(fā)和應用[J].水電能源科學，2017，35（7）：194-197.

[6]李冬.18kV發(fā)電機出口刀閘操作隱患分析及改進措施探討[J].水力發(fā)電，2017，43（4）：28-30.

[7]林俊.中心站接地線管理的方法與運用[J].華東電力，2012，40（1）：158-159.