基于拓扑分析的变电站防误操作方法∗

朱 玛，商 钰，刘 学

(国网绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000)

随着电网技术的不断发展，对变电站的安全运行提出了更高的要求。为了满足变电站检修控制的安全要求，文献[1]中提出了几种不同的自动化措施来防止误操作；文献[2]中则采用了一种配置独立五防设备主机的方法进行五防检测，以提高误操作判断的准确性；文献[3]提出了一种辅助判断方法，通过在辅助设备中增加具有逻辑锁定功能的开关操作，降低漏检误操作的可能性。在计算机监控系统中，通过五防监控模块[4]，可以实现全站运行中的防错判断，但这些“五防”检测方法存在几个问题:(1)采用传统的逻辑阻塞方法，即事先建立软件阻塞逻辑或硬件电气阻塞逻辑；但由于闩锁逻辑本身的完整性也难以检查，因此难以确保这些闩锁逻辑的准确性；(2)在集中控制模式下，缺乏完善的预防误操作的手段，此时安全检查模块只能实现站内所有设备运行的防错检查功能，而不能实现站间防错检查。

文献[5－8]提出了拓扑反操作的思想，避免了传统的逻辑阻塞规则定义的弊端。在此基础上，提出了一种基于拓扑分析的变电站防误操作方法。该方法从电力系统防错的基本原理出发，不采用传统的五防规则逻辑定义，而是先建立整个网络的拓扑模型，然后基于快速搜索算法来构建整个网络，通过对拓扑模型进行分析和动态跟踪，预测出设备运行后的运行状态，从而实现自动判断设备的可运行性，以满足传统站与变电站之间防错需求。研究结果可为电力系统防误操作检测提供参考。

1 数学模型

本文根据电网的特征建立电网设备拓扑模型，依据图论原理，将电网设备抽象为仅具有“节点”和支路”的图论模型。具体来讲模型由以下几个部分组成:

1.1 拓扑点模型

根据电网设备的特点，将设备抽象为仅具有“节点”和“支路”的图论模型。其中在变电站的主要接线图上，每个设备外部电气连接的每个逻辑点都是一个拓扑点，利用拓扑理论分析时主要是计算设备在每个拓扑节点的运行状态。拓扑模型中主接线的每个开断装置都对应于图论的一侧，开关的状态则决定了该侧是接通还是断开，根据IEC61850 的模型定义，为拓扑点添加类型定义，如下所示。

拓扑节点所包含的信息:{拓扑点编码；拓扑点类型；现场状态}其中，拓扑点代码是网络节点号，需要在拓扑计算之前给出；拓扑点的类型分为:电源点，接地点，负荷点和其他主要设备连接点；电气连接状态分为:充电状态，接地状态，断电状态和悬浮状态。

1.2 拓扑支路模型

拓扑支路对应于电网中的分断装置，即断路器和隔离开关。拓扑支路模型如下。

支路模型所包含的信息:

在拓扑计算之前，需要给出拓扑支路代码，即支路的编号；拓扑支路类型是与该支路相对应的设备类型，包括断路器和隔离开关；开－关状态表示开端设备是关闭还是断开，由逻辑量“0”和“1”表示。

1.3 邻接矩阵模型

对于具有n个固定点且没有自环路的连接拓扑图，邻接矩阵A是相对于主对角线对称的n×n阶方阵，当拓扑图中的节点i直接连接到节点j时，矩阵的元素aij＝1，而当节点i和节点j不直接连接时矩阵元素aij＝0。

1.4 拓扑网络的生成

根据上述方法，电网中的所有设备都被抽象为节点和支路，节点和支路的每个组件都包含一个下标字母。搜索网络中的电力设备，并使用邻接矩阵记录任意两个节点的下标、连接关系aij以及它们之间的路径，从而构成支路信息，拓扑网络搜索和形成流程图如图1 所示。

图1 拓扑搜索流程图

2 大电网拓扑结构分析

2.1 电网环岛模型

经过如上步骤的分析和抽象，变压器，刀闸和母线已抽象为节点和支路的数学模型，节点之间的拓扑连接也以邻接矩阵的形式存储在系统中。但邻接矩阵仅反映了相邻节点之间的连接关系，实际上网络中任意两个节点之间的连接关系更为重要，为此本文采用广度搜索算法[9－11]完成此过程。具体过程如下:

(1)在图中选择任何未访问的节点vi作为起点，并将vi标记为已访问。

(2)找到与vi连接的节点vj并将节点vj放入电网节点集Node 中；

(3)确定是否已访问vj，如果已经访问过vj，则将bij定义为一个支路，并将bij放入cotree 集合中；否则，将bij放入branch 集合中。

(4)将vj标记为已访问。

(5)重复步骤2、3 和4，直到访问了与vi相邻的所有节点，然后转到步骤6。

(6)用vj作为起始节点重复步骤2、3、4 和5。

(7)如果访问了网络拓扑中的所有节点，结束搜索，否则返回步骤1。

2.2 拓扑追踪模型

根据初始化分析算法定义整个网络的初始电气环路，每个电气环路包含其自己的节点和支路。初始拓扑分析完成后，将保留这些环路集合，此后无论网络中设备状态如何变化，网络拓扑都只会搜索断开的支路，并将搜索范围限制为相同的电压水平。计算时将开关位移事件用作系统拓扑分析跟踪算法的启动信息:

(1)开关闭合

开关具有“闭合”事件，即开关通过“断开和闭合”而移位，具体分为以下两种情况:

①如果开关设备两端的节点不是同一电气环路，则它们将合并到同一电气环路中，并将新关闭的支路添加到New Electric Island 的支路集合中。

②如果开关设备两端的节点属于同一电气环路，则电气环路母线的数量将保持不变，并且新支路将添加到电气环路的共树集合中。开关闭合时的流程图如图2 所示。

图2 开关闭合状态跟踪

(2)开关断开

当开关被“闭合”移位时，根据上一节的分析结果，首先判断开关断开的支路属于哪个电气环路，如果断开是连续的，则不更改电气环路，并且断开的支路将从原始的cotree 集合中删除；如果开关断开后支路也断开，则设置两端的节点号切换到i，j并使用i作为起始节点来使用广度搜索算法:

①如果无法搜索节点j，则意味着开关断开并且电气环路断开。此时执行以下几个步骤:

步骤1 从原始的电气环路支路集合中删除断开的支路；

步骤2 将此搜索中找到的节点以及相应的支路，在支路中创建一个新的电气环路。

步骤3 从原来的电气环路上拆除新电气环路的节点和支路；

②如果可以搜索到节点j，则表示断开连接后电气环路不会断开，并且将连接到该节点的所有节点都设置为bj；并且在支路集的共树集合中必须至少有一个这样的支路:一个端节点设置为bi，另一端节点设置为bj，此时，执行以下步骤:

步骤1 从原始的电气环路支路集合中删除断开的支路；

步骤2 在支路集中搜索到这样的支路之后，将该支路定义为支路并将其添加到该支路中。

开关断开流程图如图3 所示。

图3 开关闭合跟踪

2.3 校对规则与防误操作判断

“五防”是指预防检修操作中，对电力系统切换时经常发生的五种误操作事故进行判断[12－13]，应用本文提出的方法可以通过拓扑计算的结果来判断，具体判断方法如下:

(1)防止误分合断路器:通常下拉式断路器不需要阻塞规则，当开关闭合时，断路器一端的拓扑节点处于充电状态，一端处于接地状态时，则禁止断路器工作。

(2)防止带负荷分合刀闸:假设隔离开关已断开，则需要进行拓扑计算，如果发生以下情况，则禁止带负载的隔离开关动作，隔离开关操作后，系统中负载节点的充电状态将更改。例如在部分断开开关之后，在隔离开关之后，一些负载节点从充电状态变为断电状态，或者一些负载从断电状态变为充电状态。在操作之前或之后，设备两侧的拓扑点是不同的，并且拓扑点所在的拓扑环路上有负载线设备或电源点。

(3)防止误入带电隔离区间。

(4)防止带电挂接地线:当接地线路设备的顶级运行状态为活动状态时，禁止接地线路操作。在接地刀闸的末端，拓扑节点的状态接地，当另一个节点的状态上电时，禁止接地刀闸操作。

(5)防止带地线合刀闸:对于接地的开关设备或接地的设备，拓扑节点一端的状态为接地，如果设备另一端的另一个节点的状态为活动，则应禁用该开关动作。

3 模拟实验

本文将图4 所示的变电站电气主接线图用作仿真对象，其中每个节点设备的初始状态信息如表1中所示。假定在初始状态下，断路器隔离开关处于闭合状态，而接地刀闸处于断开状态，使用第2 节中的方法初始化并分析电气环路，结果如表2 所示。

表1 节点初始信息统计表

图4 变电站主接线图

(1)如果节点14 和17 之间的接地开关闭合，则必须分别获得14 和17 节点所在的电气支路的带电状态，其中节点14 属于第1 电气支路，处于充电状态；属于第4 电气支路的节点17 接地，因此无法操作。

(2)如果现在要断开节点7 和8 之间的隔离开关，则假定隔离开关已断开，并根据2.2 节中的方法更新电气环路。更新后的电气环路如表2 所示。由表2 可知在断开节点7 和8 之间的开关之后，负载节点11 和16 从充电状态变为断电状态，并且可以判断出该操作属于负载断开状态，此时应禁止隔离开关动作。

表2 假设隔离开关断开后电气环岛的划分

由表2 中结果可以看出，假设表1 中的节点11和16 已经断开后，得出节点8、9、10、11、14、15、16、19、20、21、22 将出现故障，因此在表1 的节点状态条件下，不能断开节点11 和16。可见本文提出的方法能够有效对可能存在的误操作进行提前预判，并给出预判结果，以达到避免误操作的目的。

4 结论

本文基于电力系统的特性，从拓扑理论出发构建了一套电网防止误操作的方法。可实时计算和分析变电站主设备的多种运行状态，并使用网络拓扑计算来判断误操作。该方法基于防伪判断标准，具有逻辑锁定规则简单，实现方便的特点，可以有效避免操作锁定规则泄漏设置或设置不正确的问题。