（电路与系统专业论文）变电站微机五防闭锁规则库自动生成器的设计.pdf

山东人学硕i j 学位论文 摘要 为了减少电网运行中因各种误操作事故而引起的生命和财产损失，我国早 在九十年代初期就提出了电气设备“五防”的要求。近年来，随着变电站自动化 技术的发展，防误闭锁也先后经历了机械防误、电气防误和微机防误3 个阶段。 本文参考了国内外变电站防误闭锁的经验，分析了新一代微机网络血防闭锁的工 作原理和特点，提出了在间隔层保护测控装置中实现防误操作的方法。这样不仅 利用了间隔层最突出的优点实时性，而且在间隔层再加一级保护措施使得防 误闭锁更安全、可靠。 然而，由于i 日j 隔层设备的c p u 性能一般较低，无法采用拓扑搜索的方法实 现控制的闭锁功能，所以本文实现了一种新的方法，即根据变电站的一次接线图 就可以完整、正确、自动地导出所需的所有闭锁规则，然后下发给间隔层设备， 这样，间隔层设备就不用自己进行拓扑搜索了。 考虑到变电站中的一个断路器或刀闸是否需要闭锁，与变电站电网当时的 运行状态有关，即与当时的电网连通状态有关。所以借鉴图论中图的邻接矩阵的 表示方法，然后对矩阵中元素的含义以及矩阵运算的含义作适当的修改，得到一 种导出五防规则库的方法：即对于每一个特定的变电站，可以根据其一次接线图， 通过规范性的步骤和方法，得到了每一个断路器或刀闸的分、合操作是否需要闭 锁与其它断路器或刀闸的开合状态的逻辑关系的静态表达式。 本文依据上述原理给出了生成五防闭锁规则库的具体实现方案，编写了应 用软件，完成了调试运行，验证了该方法的可行性。由于五防闭锁规则库是在离 线状态下生成的，因此必须以布尔型变量代替实际运行时断路器和刀闸的状态 量。将断路器和刀闸的状态与布尔型变量进行映射，对含有布尔型变量矩阵的运 算及化简是本算法最大的难点和技术关键点。本文找到了一种新的计算可达矩阵 的算法，大大的简化了化简步骤，提高了运算速度，将理论算法变成了实用软件 工具。 关键词一次接线图；间隔层闭锁；五防规则库；邻接矩阵；矩阵乘法 u l 山东人学硕i j 学位论文 a b s t r a c t i nt h ee a r l y19 9 0 s ，m i s - o p e r a t i o np r e v e n t i o no fe l e c t r i ce q u i p m e n t sw a sp u t f o r w a r di no r d e rt or e d u c et h el o s s e so fl i v e sa n dp o s s e s s i o n s ，w h i c hw e r eb r o u g h tb y k i n d so fo p e r a t i n gm i s t a k e si nt h er u n n i n go fo u rp o w e rs y s t e m i nr e c e n ty e a r s ，w i t h t h ed e v e l o p m e n to fs u b s t a t i o na u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , i n t e r l o c k i n gh a sg o n et h r o u g h 3p h a s e s m a c h i n eb a s e di n t e r l o c k i n g 、e l e c t r i cb a s e di n t e r l o c k i n ga n dc o m p u t e r b a s e di n t e r l o c k i n g a f t e ra b s o r b i n gt h ee x p e r i e n c e so fs u b s t a t i o ni n t e r l o c k i n gi n s i d e a n do u t s i d ea n da n a l y z i n gt h et h e o r i e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fn e wg e n e r a t i o n c o m p u t e r - b a s e di n t e r l o c k i n gs y s t e m ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dam e t h o dt h a ti s i m p l e m e n t a t i o no fm a l - o p e r a t i o np r o o fo np l a t f o r m so fr e l a ya n dc o n t r o lu n i t s b e t w e e nb a y s t h em e t h o dn o to n l ym a k e su s eo ft h em o s to u t s t a n d i n gm e r i tb e t w e e n b a y s ，b u ta l s oe n h a n c e st h es e c u r i t ya n dc r e d i b i l i t yo fi n t e r l o c k i n g n e v e r t h e l e s s ，t h ec p up e r f o r m a n c eo ff a c i l i t i e sb e t w e e nb a y si sm o s t l yp o o l w i t hw h i c hi n t e r l o c k i n gc a nn o tb er e a l i z a t i o nt h o u g ht o p o l o g ys e a r c h i n gm e t h o d s o t h ew a yg i v e nb yt h i sp a p e ri sm o r eu s e f u lt h a ti n t e r l o c k i n gf o r m u l a sc a nb eb u i l tb ya p r i m a r yw i r i n gd i a g r a mo fs u b s t a t i o ni n t e g r a l l y 、c o r r e c t l ya n da u t o m a t i c a l l y w h e t h e ra no p e r a t i o no nab r e a k e r s w i t c hs h o u l db eb l o c k e dr e l i e so nt h e w o r k i n gs t a t u so ft h es u b s t a t i o na tt h a tt i m e ，i e ，r e l i e so nt h ec o n n e c t i o ns t a t u so ft h e p o w e rn e t w o r ka tt h a tt i m e b yu s i n gt h ec o n c e p to fa d j a c e n c ym a t r i xi ng r a p ht h e o r y a n dp r o p e r l ym o d i f y i n gt h em e a n i n go fe l e m e n t si nm a t r i xa n dt h em e a n i n go f m a t r i x ， am e t h o do fb u i l d i n gi n t e r l o c k i n gf o r m u l a sa r ep u tf o r w a r d f o ro n es u b s t a t i o n ，b a s e d o np r i m a r yw i r i n gd i a g r a m ，s t a t i ce x p r e s s i o n s ( b l o c kf o r m u l a ) m a yb eo b t a i n e dw i t h n o r m a t i v es t e p sa n dm e t h o d s i no t h e rw o r d s ，t h o s ee x p r e s s i o n si n d i c a t et h a tt h e l o g i c a lr e l a t i o n sb e t w e e nw h e t h e ro p e r a t i o no nas p e c i f i cb r e a k e r s w i t c hs h o u l db e b l o c k e da n dt h es t a t u so fo t h e rb r e a k e r s s w i t c h e s t h ea p p l i c a t i o no fs o f t w a r eh a sb e e nc o m p l e t e d ，s ot h a ti tt e s t i f i e st h ef e a s i b i l i t y o ft h et h e o r y a st h es t a t eo fb r e a k e r s s w i t c h e sa r ev a r i o u s ，i ng e n e r a lc o n d i t i o n , w e s h o u l du s ev a r i a b l e so fb o o lt oe x p r e s st h es t a t eo fb r e a k e r s s w i t c h e si n s t e a do fu s i n g i v 山东人学硕1 ：学位论文 0 o r 1 s ot h e m a p p i n gb e t w e e n v a r i a b l e s o fb o o la n dt h es t a t eo f b r e a k e r s s w i t c h e sa n dt h eo p e r a t i o na n ds i m p l i f i c a t i o no ft h em a t r i xw i t hv a r i a b l e so f b o o la let h em o s td i f f i c u l ta n di m p o r t a n tp o i n ti nt h em e t h o d t h i sp a p e rp u t sf o r w a r d an e wm e t h o do fm a t r i xc a l c u l a t i n ga c c e s s i b l e ，w h i c ha l s os i m p l e st h ep r o c e s sa n d i m p r o v e st h es p e e do fc a l c u l a t i n ge n o r m o u s l y , a n dm o s ti m p o r t a n t l y , c o n v e r t st h e t h e o r yt op r o d u c t i v i t y k e y w o r d s ap r i m a r yw i r i n gd i a g r a m ；i n t e r l o c k i n gb e t w e e nb a y s ；t h ef o r m u l a so f m i s o p e r a t i o np r e v e n t i o n ；a d j a c e n c ym a t r i x ；m u l t i p l i c a t i o no f m a t r i x v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：i 唪日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签名：监日期：导师签名： 丝l 丝。 日期： 山东人学硕l ：学位论文 第1 章绪论 1 1 本文研究的背景及意义 随着我国电力事业迅猛发展，变电站综合自动化监控系统逐渐取代了电磁式 继电保护、测量控制系统，实现了变电站远方遥测、遥信、遥控和遥调，提高了 电网的供电可靠性，但同时也对变电站的防误闭锁提出了新的要求。 电力部门历来十分重视电力系统的安全运行，然而我国每年都会发生很多因 操作人员误操作而产生的重大事故，造成了巨大的生命和财产损失。电力部门在 经历了许多次的误操作的事故后，结合国内外电力系统的运行经验，明确地提出 了电气设备防误闭锁操作的要求，规定了电气防误的管理、运营、设计和使用的 原则。 为保证电力系统的安全稳定运行，减少误操作事故的发生，电力行业颁布了 电力系统安全运行规程，其中规定了操作票制度和电力五防细则，即防止 带负荷拉、合隔离刀闸；防止误分、合断路器；防止带电挂接地线；防止 带地线合闸；防止误入带电间隔【2 l 。 按照以上五防的要求，电力系统在防误操作方面已经建立了完善的组织管理 措施，在技术措施方面也先后推出了多种机械锁、机械编码锁“五防 闭锁系统， 电气闭锁系统和微机“五防”闭锁系统。现场应用表明，尽管各类“五防”闭锁 系统在防止误操作方面起到了重要作用，但目前看来，各类“五防措施均存在 弊端，不尽完善，尚未完全满足电力系统对“五防”闭锁系统的要求。为此，根 据安全生产的实际需要，研究新一代微机网络五防闭锁系统势在必行。 1 2 国内外发展现状 国外从8 0 年代初就开始进行研究开发变电站综合自动化系统，其中就包括 数字化变电站系统必不可少的微机五防。到目前为止，各大电力设备公司都陆续 地推出系列化的产品，如a b b ，s i e m e n s ，h a r r i s 等公司。9 0 年代以来，世 界各国新建变电站大部分采用了全数字化的二次设备，相应地采用了变电站微机 山东人学顾j j 学位论文 网络五防。我国开展变电站综合自动化的研究及开发相比世界发达国家较晚，但 随着数字化保护设备的成熟及广泛应用，调度自动化系统的成熟应用，变电站自 动化系统已被电力系统用户接受使用。 近年来，随着电网运行水平的提高，各级调度中心要求更多的信息，以便及 时把握电网及变电站的运行情况，提高变电站的可控性，进而要求更多地采用远 方集中控制、操作、反事故措施等，即采用无人值班的治理模式，以提高劳动生 产率，减少人为误操作的可能，提高运行的可靠性。另一方面，当代计算机技术， 通讯技术等先进技术手段的应用，已改变了传统二次设备的模式，在简化系统、 信息共享、减少电缆、减少占地面积和降低造价等方面已改变了变电站运行的面 貌。微机网络五防系统正是计算机及网络通信技术应用于变电站自动化的产物。 基于上述原因，变电站自动化由“热门话题 已转向了实用化阶段，电力行业各 有关部门把变电站自动化作为一项新技术革新手段应用于电力系统运行中来，各 大专业厂家亦把变电站自动化系统的开发作为重点开发项目，不断地完善和改 进，相应地推出各具特色的变电站综合自动化系统，以满足电力系统中的要求。 1 3 本文研究的内容及目标 保证了电力系统运行的安全，才谈得上实现数字化变电站系统，可见微机网 络五防闭锁是实现数字化变电站的重要技术之一。为了促进变电站综合自动化技 术的快速发展，积成电子股份有限公司正在着力研发一套应用于微机网络五防闭 锁的应用软件，本文作者有幸参与其中，完成了五防闭锁规则库的生成部分。其 中，根据变电站一次接线图生成五防规则库的思想由开发团队中的吴晓博老师提 出，其相应文章发表在电力系统自动化杂志2 0 0 8 年第2 0 期，也就是本文的 参考文献【l 】。期间，本文作者一起参与研究，并对该方法做了进一步的完善和 改进，并着重从实现方面探讨了生成五防闭锁规则库的具体实现方案，编写了应 用软件，完成了调试运行，验证了该方法的可行性。相应的文章也已在电力系 统自动化杂志发表。本文的主要内容和目标就是详细地分析微机网络五防闭锁 的工作原理，论述生成五防规则库的推导过程和核心实现技术，促进该方面研究 的进展。 如前所述，微机网络五防闭锁是一种将计算机网络及通讯技术运用于高压开 2 山东人学硕j j 学位论文 关设备，防l 上电气误操作的智能系统。它不再直接采用现场设备的辅助接点，而 是采用电气锁和机械锁对断路器、隔离丌关、地刀、网门、接地线进行闭锁，每 一把锁都有一个1 6 进制的编码，操作时，电脑钥匙接受来自五防主机的操作票( 程 序) ，对这些编码进行识别，识别正确后方能丌锁进行电气操作；而操作票是根 据现场实际情况来编写的“五防”规则库，运行人员在主机模拟接线图上进行模 拟操作，模拟结果正确后生成操作票进行操作，且模拟图中的电气元件的编码与 现场编码是一一对应的，在“五防”规则库的制约下可保证其操作票的正确性。 五防系统与监控系统共享实时数据，获得断路器、隔离开关等设备的状态信息， 对监控系统未能采集到的网门等设备状态则由微机五防系统的电脑钥匙通过“虚 遥信“的方式进行采集。五防微机与监控系统如图1 1 所示。 图1 1 变电站微机五防系统 可以看出，整个实际操作过程均在五防主机、电脑钥匙和编码锁的严格闭锁 下，强制操作人员按照给定的经过校验合格的操作票进行，从而能够达到软、硬 件全方位的防误操作闭锁。我们通过软件将现场大量的二次闭锁回路变为电脑中 的五防闭锁规则库。这样，可以实现以往不能实现或很难实现的防误功能，进而 实现了防误闭锁的数字化。 1 4 本章小结 这一章主要论述了作者研究的主要目的和本课题的意义，接下来的几章将详 细介绍变电站微机网络五防闭锁技术。第2 章全面介绍了变电站五防闭锁的发展 和微机网络五防的工作原理；第3 章从原理上推导了五防闭锁规则库的生成方 法；第4 章将阐述实现理论算法的软件构成；第5 章对软件算法的复杂度进行了 估算，并结合测试数据作了分析和讨论，完善了软件；第6 章对项目的完成做了 总结，并提出了一些改进方法。 3 山东人学硕1 ：学位论文 第2 章变电站五防闭锁介绍 2 - 1 变电站五防闭锁的发展 在我国，变电站五防闭锁的概念是在1 9 9 0 年明确提出的。电力行业为保证 电力系统的安全稳定运行，减少误操作事故的发生而颁布了电力系统安全运行 规程，其中规定了操作票制度和电力五防细则，即防止带负荷拉、合隔离刀 闸；防止误分、合断路器；防止带电挂接地线；防止带地线合闸：防止 误入带电间隔。显而易见，五防细则是根据防止变电站内电气设备的误操作采取 的各种手段而制定的。变电站内设备的操作通常是指对隔离刀闸、断路器、接地 刀闸等电气设备的操作，这些电气设备在变电站内有相互的逻辑关系，操作这些 电气设备必须具有正确的先后次序和相应的逻辑条件。 2 1 1 变电站五防的发展过程 随着变电站自动化技术的发展，防误闭锁先后经历了机械防误、电气防误和 微机防误3 个阶段。各种防误闭锁方法所处的时期不同，原理也有所不同。 机械防误是变电站五防闭锁的最早的阶段，当时五防闭锁正处于起步阶段， 各项技术及设备都不完善。机械闭锁一般使用较多的是机械连杆传动闭锁、红绿 翻牌和机械程序锁。其中机械连杆传动闭锁多用于隔离开关和接地刀闸以及一些 组合式的手车，但易出现卡涩造成操作不便，且各个不同回路间的电气连接无逻 辑判断和联系，仅仅是闭锁本回路或本元件，该缺点是对于一些涉及多回路的大 型操作尤其突出。使用维护不便，功能不强，难以满足复杂接线的变电站闭锁要 求。 当变电站一次设备更新换代之后，机械防误就远远不能满足五防闭锁的要求 了，经过前人不懈的研究和努力的探索，进行了大量的实验，五防闭锁进入了电 气防误的时代。电气型闭锁相比机械闭锁而言，克服了各个不同回路间的电气连 接无逻辑判断和联系，仅仅闭锁本回路或本元件的缺点，其原理是在操作二次回 路上设置电气闭锁，一般通过断路器和隔离开关的辅助接点联锁来实现，比较可 靠。但缺点在于需要预先埋设和接入大量的二次电缆，接线方式较为复杂。 另外，电气防误还有一个致命的缺点。那就是虽然电气防误在防止断路器和 4 山东人学硕i ：学位论文 隔离丌关、接地刀闸的误操作比较可靠，而对于误入带电间隔和接地线的装拆就 显得不是很得力，从某种意义上来说，电气闭锁并不能实现完整的五防闭锁功能。 此时，随着技术的飞速发展，微机五防便应运而生了。 微机五防是一种采用计算机技术，用于防止高压电气设备误操作的装置。通 常由防误主机、电脑钥匙、机械编码锁、电气编码锁等几部分组成。具有技术先 进、功能完善、操作简单等优点，是防误闭锁系统发展的方向。微机五防的发展 其实也经历早先的模拟屏型防误闭锁系统，还有后来的微机型在线防误系统。模 拟屏型防误闭锁系统一般由模拟屏、防误主机( 一般使用单片机) 、电脑钥匙、五 防锁组成。它具有接线图显示直观、预演操作简便等特点。所有的编码锁均由一 把电脑钥匙操作，每一步实际操作，电脑钥匙上都有详细提示，大大简化了现场 安装及使用。但这些产品存在界面不友好、操作规则输入不方便、无法进行操作 票生成管理、现场接线量大等不足。 变电站五防闭锁发展至今，已经进入微机网络五防时代了。微机网络防误闭 锁系统与站内的监控系统和调度所的调度系统有机地结合起来，充分利用已有信 息，减少电缆的使用量。通过电脑钥匙采集到的虚遥信，可以使监控系统增加信 息量、减少配线，同时转发给调度员使用。另外，在一台微机上可以模拟几十个 厂站的操作，便于调度中心、运行部门进行操作培训和实践。总之，微机的应用 使整个系统更具灵活性、经济性和可靠性。 2 1 2 微机五防与传统五防的比较及优势 传统电气防误是建立机械闭锁或在二次操作回路上的一种防误功能，一般通 过开关和刀闸的辅助接点联锁来实现。现代微机网络五防技术与传统防误闭锁相 比，是一种采用计算机技术，用于高压开关设备防止电气误操作的装置。所以在 实现数字化变电站的今天，微机防误具有很大的优势。 微机防误闭锁系统与传统电气二次防误技术比较，主要有以下几点优势： ( 1 ) 电气二次防误闭锁回路是一种现场电气联锁技术，主要通过相关设备的 辅助接点连接来实现闭锁。这是电气闭锁最基本的形式，闭锁可靠。但这种方式 需要接入大量的二次电缆，接线方式较为复杂，运行维护较为困难，辅助接点设 备工作不可靠。 ( 2 ) 微机防误闭锁系统一般不直接采用现场设备的辅助接点，接线简单， 山东人学硕1 ：学位论文 通过防误闭锁系统微机软件规则库和现场锁具实现防误闭锁。 ( 3 ) 电气闭锁回路一般只能防止断路器、隔离开关和接地开关的误操作， 对误入带电间隔、接地线的挂接( 拆除) 等则无能为力。不能实现完整的”五防” 功能。而微机防误闭锁系统可根据现场实际情况，编写相应的”五防”规则程序， 实现较为完整的”五防”功能。 所有这些优势都使得微机网络五防闭锁装置成为了变电站五防闭锁发展的 方向。 2 2 微机网络五防系统的工作原理 微机防误闭锁系统主要在上层管理软件中实现，上层管理软件集中智能单元 上传的所有设备运行方式及相关数据和信号，由数据库和知识库( 根据运行部门 提供的操作原则和典型操作票建立) 生成当前任务的操作票，通过模拟操作后， 再进行实际操作并自动记录，操作中要核实操作者的权限。微机五防系统通过软 件将现场大量的二次闭锁回路转换为电脑中的五防闭锁规则库，实现了防误闭锁 的数字化，并可以实现以往不能实现或者是很难实现的防误功能。 微机网络五防闭锁常用的防误闭锁装置主体全部为微机装置，构成方式主要 有两种。第一种是以大屏幕模拟盘为核心的微机防误闭锁系统，主要应用于常规 型中央控制系统变电站，系统主要由模拟盘、防误主机、应用软件、电编码锁、 机械编码锁、电脑钥匙构成。第二种为以五防工作站和操作票专家系统( 软件) 为核心的微机防误闭锁装置，主要应用于全监控综合自动化站，系统主要由五防 工作站、监控操作员工作站、测控装置、应用软件、通讯适配器、电编码锁、机 械编码锁、电脑钥匙构成。 以大屏幕模拟盘为核心的微机防误闭锁系统一般由防误计算机、防误闭锁软 件系统、电脑钥匙、锁具、解锁钥匙和模拟屏( 可选) 组成。本装置以微机模拟 盘为核心设备，在工控机内预先储存了所有设备的操作规则，微机模拟盘上所有 的模拟元件都有一对接点与工控机相连。进行模拟预演操作时，工控机就根据预 先储存的规则对每一项操作进行判断；若正确，则显示设备编号及操作正确标识 符，并发出正确的音响信号；若错误，则闪烁显示错误操作项及错误标识符，并 发出持续的报警声。预演结束后，通过微机模拟盘上的传输插座将正确的操作内 6 山东人学硕j j 学位论文 容输入到电脑钥匙中，进行现场操作。操作时，运行人员依据电脑钥匙上显示的 设备号，将电脑钥匙插入相应的编码锁内，通过其探头检测操作的设备是否正确， 若正确则显示“锁编码正确”并发出两声音响，同时开放其闭锁回路，才能进行j 下 常操作。操作结束后电脑钥匙将自动显示下一项操作内容。若走错间隔则不能解 锁，同时电脑钥匙发出持续的报警声以提醒操作人员。该系统功能全面，具有操 作票浏览、操作追忆、音响提示等功能以及按操作票注意解锁操作、中止操作、 跳步操作、清票等功能。 以操作票专家系统为核心的微机防误闭锁系统，则是在操作票系统中输入一 次系统接线图和一次设备的操作逻辑。启动操作票系统后，通过手工开票功能开 出操作票，在开票过程当中如果设备初始状态与操作任务不符将不能开出操作 票，同时系统给出相应的解释。通过打印功能打印出操作票后，在电子模拟屏上 针对操作票进行模拟操作。如果发生错误操作，系统将报警，并提示错误原因。 在生成操作票后，可应用五防传票功能将操作票通过通讯适配器传输到电脑钥匙 中，操作人员可到现场进行解锁及倒闸操作。操作过程与其他类型的微机防误闭 锁装置一致。对于设定为后台操作属性的设备，操作票系统通过监控网络，根据 操作票的操作顺序依次将许可操作的设备的开放指令传送给监控操作员工作站， 操作人员通过工作站对现场设备进行遥控。 由上文可知，现在普遍应用的微机五防闭锁系统模式主要是由机械锁、电气 锁、电脑钥匙和五防主机构成，没有在间隔层保护测控装置中配置任何五防功能。 然而，当前变电站综合自动化系统正向现代化紧凑型方向发展。现代紧凑型变电 站自动化系统集成可分为过程层、间隔层和站控层3 个层次。过程层是一次设备 与二次设备的接合面，主要为光电互感器、智能开关和操作控制的执行与驱动， 功能主要有：电气运行的实时电气量检测，即利用电流、电压互感器及谐波分量 等进行检测，运行设备的状态参数在线检测与统计，操作控制的执行与驱动。间 隔层的集成是构筑一个通用的硬件和软件平台，将面向间隔内的控制、保护、监 视、操作闭锁、诊断和计量等功能集成在这个通用平台上。通用的软件平台指的 是在多功能硬件装置内建立统一的数据输入及数据库和功能软件，从而实现数据 共享和功能协调优化。这样，原来间隔内必须执行的功能将不再配置专用的硬件 装置。站控层的集成是将自动化需要在站控层处理的各个功能通过站内通信网络 7 山东人学硕十学位论文 组合在统一的系统中。这样，原来面向不同任务的分隔系统和多个通信网络就不 再需要，从而简化了网络结构和通信协议。这种简化的网络结构和通信协议为间 隔层保护测控装置防误操作的实现提供了充分的条件。 而且，在变电站集控中心或调度远方操作变电站断路器和电动刀闸时，如果 远方操作站没有五防闭锁功能，将很容易引起误操作。此外，在站控层监控的实 时数据库中，变电站开关和刀闸等操作机构的位置信息需经历多个通信环节的影 响，很难始终保持较高的实时性。在间隔层保护测控装置中实现防误操作最突出 的优点就是实时性，因为站控层监控实时库的数据来源于间隔层保护测控装置。 在间隔层再加一级保护措施将更安全、可靠，前提是间隔层保护测控装置c p u 负载低，通信速率高，现场总线具有足够的带宽并支持全双工通信模式。 然而，间隔层设备的中央处理器( c p u ) 性能一般较低，无法在每一次控制 动作之前进行大量的逻辑运算，因而无法如站控层一样采用拓扑搜索的方法实现 五防闭锁的功能，一般根据事先给定的闭锁规则控制闭锁。到目前为止，这些规 则都是由人根据变电站一次接线图总结得出。这样，对于比较复杂的接线情况， 就难以保证闭锁规则的绝对j 下确和完整。那么，建立五防规则库就成了实现五防 功能的重要环节，五防规则库的可读性尤为重要。 另外，在符合i e c 6 1 8 5 0 标准的变电站自动化系统中，间隔层i e d 之间收发 信息一般采用g o o s e 数据帧。一个i e d 需要向外发送哪些信息是根据其它i e d 的需求而定的，闭锁表达式就是这种需求的来源之一，因而也是系统配置工具进 行系统配置时的依据之一 目前，实现间隔层的自动闭锁、保证设备和人身安全己成为集成开关设备系 统智能化的重要表现之一。一次设备的智能化也对保护测控装置的功能提出了更 高的要求，在间隔层保护测控装置中实现防误操作正是这一发展趋势的需要。 本文正是从这一点切入展开研究，通过对一次接线图和闭锁规则的分析开发 出一套软件工具，根据变电站的一次接线图就可以完整、正确、自动地导出所需 的以逻辑表达式表示的所有闭锁规则。 山东人学硕i ：学位论文 2 3 本章小结 本章结合变电站的发展，详细阐述了五防闭锁技术的发展历程，并比较了五 防闭锁的各种方法，最终引出了本文所要设计的新型生成变电站五防闭锁规则库 的方法。 9 山东人学硕j ：学位论文 第3 章生成规则库原理推导 在第一章中已经提到，本章所述的根据变电站一次接线图生成五防规则库的 思想方法是开发团队中的吴晓博老师提出的，其相应文章发表在电力系统自动 化杂志2 0 0 8 年第2 0 期，也就是本文的参考文献【1 。期间，本文作者也参与 了研究，并对该方法做了进一步的完善和改进。本章在参考该文的基础上，详细 推导了其中的原理和公式，并着重提出了改进的必要性和优越性。 3 1 五防细则的分析 为了生成五防规则库，我们首先来详细的分析一下五防细则，并对其进行归 纳、整理。 对于一个变电站来说，它的进线是否带电，是由上一级变电站控制的，本变 变电站无法控制，为安全起见，我们假定变电站的进线总是带电。 ( 1 ) 防止误入带电间隔。即要求允许工作人员进入的间隔一定不能带电， 而且，在人员进入期间，任何操作都不能使该间隔带电。也就是说，任何操作都 不能改变进线( 电源) 和该间隔之间的连通性( 由不连通变为连通) 。实用上， 这条细则的实施将和挂牌结合起来。 ( 2 ) 防止误拉合断路器。拉断路器应该根据操作票进行，合断路器应该受 到挂牌指示的闭锁。防止误拉合断路器可以归结为这样的问题：未经允许，不可 以通过拉合断路器改变进线( 电源) 和某回出线之间的连通性。 ( 3 ) 防止带负荷拉合隔离刀闸。带负荷拉、合隔离刀闸实际也是改变了进 线( 电源) 和某回出线之间的连通性，而且这种改变在任何时候都不被允许。 ( 4 ) 防止带电合地刀( 挂地线) 。 ( 5 ) 防止带地刀合开关( 地线) 。这两条归纳起来就是防止改变进线( 电源) 和大地之间的连通性由不连通变成了连通。而这是绝对不能允许的。进线( 电 源) 和大地之间永远不应该连通。 由以上分析可见，五防闭锁问题，可以归结为以下所述图的连通性问题： ( 1 ) 如果合操作会使这个图中不希望连通的部分连通起来，则这一个合操 作应该闭锁； 1 0 山东人学颂l ：学位论文 ( 2 ) 如果分操作会使这个图中不希望隔断的部分隔断丌来，则这一个分操 作应该闭锁。 而规则库的生成就是将五防闭锁的规则从文字形式转换成各器件之间的相 互制约的逻辑关系表达式。由于我们的研究是建立在间隔层上的，而防止误入带 电间隔和防止误拉合断路器是通过操作票和挂牌指示来完成闭锁的，也就是说建 立在站控层上，所以在这里我们只研究后面3 条规则的生成。 3 2 图论相关原理介绍 由于变电站一次接线图可以看作是图论中的简单无向图，开关可以看作这个 图中的边，而开关的开合可以看作改变了这个“图 中各个部分( 顶点) 的连通 性，所以本文认为研究变电站器件之问的闭锁逻辑可以转换为研究简单无向图的 连通性问题。因此，为了便于阐述和研究，首先本文将推导所需的一些概念和定 理做一介绍和必要的证明。 定义1图( g r a p h ) 所谓图g 是一个三元组，记作g = ，其中 v ( g ) = v i ，v 2 ，v n ) ，v ( g ) ( 空集) ，称为图g 的结点集合( v e r t e xs e t ) ； e ( g ) 是图g 的边集合( e d g es e t ) ，e ( g ) ： e l ，e 2 ，e m ) ，e i 为以 v j ，v t ) 为端点( e n d v e r t i c e s ) 的无向边( u n d i r e c t e de d g e ) 。 定义2 无向图( u n d i r e c t e dg r a p h ) 每条边都是无向边的图。 定义3设u 和v 是任意图g 的顶点，图g 的一条u v 链( c h a i n ) 是有限的 顶点和边交替序列u oe lu le 2 u n ie nu 。( u = u o ，v = u n ) ，其中与边e i ( 1 i n ) 相邻 的两顶点啦1 和u i 正好是e i 的两个端点。数1 1 ( 链中出现的边数) 称为链的长 度( 1 e n g h ) 。u ( u o ) 和v ( u n ) 称为链的端点( e n d v e r t i c e s ) ，其余的顶点称为链的内 部点( i n t e r n a lv e r t i c e s ) 。边互不相同的链称为迹( t r a i l ) ，内部点互不相同的链称 为路( p a t h ) 。 定义4 连通图( c o n n e c t e dd i g r a p ho rg r a p h ) 如果无向图g 中每一对不同 的顶点x 和y 都有一条路，则称g 是连通图。 定义5 邻接矩阵( a d j a c e n c ym a t r i x ) 设g 是一个顶点数为n ，边数为m 的 图，它的顶点集合为v ( g ) = v l ，v 2 ，v 3 ，v n ) ，边集合为e ( g ) = e l ，e 2 ，e 3 ，) 。图 g 的邻接矩阵( a d j a c e n c y m a t r i x ) 定义为n x n 的矩阵a = 【卸】，其中 山东人学顾卜学位论文 。：1 若v i v j 有边相连j 队，o 以g )式(3-1)a “2 风 ” lo ，其他情况 例如图3 1 v i 图3 1 图的示例 该图共有五个顶点，六条边，它的邻接矩阵为： a = o111o 1o0lo 1o 01o 11 1o1 ooo 1o 式( 3 - 2 ) 显然，邻接矩阵是一个主对角元素全为0 的对称矩阵。 定理1 设图g 的顶点集合为v ( g 户 v l ，v 2 ，v 3 ，v 。) ，邻接矩阵为a = a u 】。 则彳的第i 行，第j 列元素口等于图g 中从顶点v i 到顶点v j 的长度为k 的不同 的链的个数。 定理1 的证明详见图论教科书m 吖1 。 由定理1 可知，邻接矩阵表示了图g 定点之间的邻接关系。但由上一节的分 析可知，我们关心的不是一个图的两个顶点之间有多少条链相连，也不仅仅是相 邻的两个顶点之间的连通性，而是任意的两个顶点之间的连通性。所以，我们还 需要定义一个新的矩阵可达矩阵。 定义7 可达矩阵( a c c e s s i b l em a t r i x )设g = 是简单无向图，其中 v = x l ，x 2 ，x3 ，xn ) ，称为n n 阶矩阵p = ( p i j ) 为g 的可达矩阵。其中， f 1 - 从x ；到x i 至少有一条链 所5 t o , 从二；到二；没有链 式3 3 换句话说，如果矩阵p 的第i 行，第j 列元素p i j 之值不为o ，则表示顶点x i 和顶点x i 是连通的，否则表示顶点v i 和顶点v j 是不连通的。 定理2 一般的讲，可以通过式( 3 - 4 ) 来计算可达矩阵p 。 1 2 山东人学硕l j 学位论文 p = a + a 2 + = 彳式( 3 4 ) 膏= i 推论1如果邻接矩阵为0 1 矩阵( 布尔矩阵) ，由于在可达矩阵p 中，只关 心结点x i 到x j 是否有链存在，至于链的长度与有几条链是不被关注的，因此， 我们将矩阵a ，a 2 ，a n 分别改为布尔矩阵a ，a t 劲，a ( ，故式( 3 4 ) 就可以改写成下面的式( 3 - 5 ) p = a v a t 劲v v 彳( 。式( 3 - 5 ) 其中a ( i ) 表示在布尔运算意义下a 的i 次方。 但是，在现实操作中，计算a 。和a _ 是不可行的。实际上，我们也不需要 无穷多个a 的幂相加，只需要有限个a 的幂相加即可。理由将在下面一一说明。 定理3如果一个图的两个顶点之间有一条链相连，它就一定有一条路相连。 那么，假定一个图中，最长的路的长度为l ，显然，根据定理3 ，我们只需 要加到a 的l 次幂为止。 如此，即可以重新定义可达矩阵了。 尸= a + a 2 + 一彳 式( 3 6 ) 3 3 变电站一次接线图的抽象 将所有的开关( 断路器和刀闸的统称，也可包括可能的挂地线) 都用图的边 表示；其它部分，包括开关的连接线、进线、出线以及大地等用图的顶点表示； 则变电站一次接线图完全可以看作图论中的一个简单无向图g ，开关的分合可以 改变图中各个部分( 顶点) 的连通性。这个图称之为变电站的全图。 当某个开关处于闭合状态，在全图上，对应的边就存在。如果某些开关处于 断开状态，在全图上，对应的边就要消去。由此将会形成一个新的图，该图称为 全图的生成子图( s p a n n i n gs u b g r a p h ) 。 如果图h 的顶点集合和图g 的顶点集合相等，但图h 的边集合是图g 的边 集合的子集，则称h 是g 的生成子图。 变电站实际运行时的状态对应的图即是全图的一个生成子图，不同的运行状 山东人学顾f ：学位论文 态对应不同的生成子图。 由于开关的动作，变电站从一种运行状态切换到另一种运行状态，它所对应 的图也就从全图的一个生成子图迁移到另一个生成子图。 1 4 图3 2 是一个简单的变电站接线图示意图。 v 2 1 v 2 4v 2 7 v 3 0 图3 - 2 变电站一次接线图示意图 山东人学硕i ：学位论文 其中v 卜v 2 为进线顶点，v 2 l 、v 2 4 、v 2 7 、v 3 0 为出线顶点。将大地也作为 图的一个顶点，编号设为v 3 1 ，则根据上一节描述的邻接矩阵的定义，该变电站 的全图的邻接矩阵( 3 1x 3 1 ) 如式( 3 7 ) 所示。 式( 3 7 ) 邻接矩阵 仔细观察这个邻接矩阵发现，它有两个特点： ( 1 ) 是一个稀疏矩阵。 ( 2 ) 最后一列( 以及最后一行) 的取值几乎全部为1 ，意味着变电站全图 中几乎所有的顶点都可能和大地顶点相连。 认为变电站全图的所有顶点都可能和大地顶点相连有很好的实用价值，可以 用于处理虽然没有接地刀闸，但可以人工挂接地线的情况。当然此时需要有人工 设置遥信状态相配合。 _l l ii i i 1 l n u l 1 n v l l o l l n v o o o o o o o o o o o o o o 0 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 0 o o o o o o o o o o l o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 0 o o o，o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o ，o o o 0 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 0 o o 0 o o o o o o o o o o o o o o o ，o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o l o o o o o o o l o o o o o o o o 0 o o o o o ，o o o o o o o l o 0 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o ，o o o o o o o o o o o o o o