CN113471865A - 一种基于拓扑分析的电网防误操作电气原理判断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于拓扑分析的电网防误操作电气原理判断方法。该方法包括以下步骤：首先，确定符合该方法技术要求的防误操作电气规则库和管理规则库；第二，建立电网拓扑分析模型，对一次设备和电网边界赋源；第三，针对当前操作，进行电网拓扑分析和源分析，逐条对照电气规则和管理规则，判断操作项是否违反规则要求，任一项不满足则闭锁操作；第四，对于仅满足电气规则的操作进行处理，经授权可解除管理规则的约束。该方法适应于电网中可能遇见的、包括特殊复杂操作在内的所有一次设备操作，防误判断的结论符合电气规律，能够消除万能解锁隐患，并可靠避免误操作事故。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统防误操作技术领域，尤其涉及一种基于拓扑分析的电网防误操作电气原理判断方法。
背景技术
在电力系统中，误操作事故会造成严重的后果，严重威胁电网、人身及设备安全，严重影响电力系统安全稳定运行。电力部门提出了防止电气误操作事故的要求，并根据电气误操作性质明确了防止五种恶性电气误操作的概念，即“五防”：(1)防止误分误合断路器(2)防止带负荷分、合隔离开关(3)防止带电挂(合)接地线(接地闸刀)(4)防止带接地线(接地开关)合断路器(隔离开关)(5)防止误入带电间隔。
为实现电网倒闸操作的“五防”，2000年前后，国内各变电站普遍使用了微机五防系统。虽然微机五防系统在应用中逐渐发展完善，但在实际应用中，仍存在诸多问题长期未得到有效解决，误操作事故仍时有发生，难以实现完善的安全可控、在控、能控。究其原因，微机五防系统采用对设备分合状态进行“与”“或”“非”逻辑判断的方法(防误规则表法)，该方法存在先天不足。从实际的使用效果看，即使最为成熟的微机闭锁系统，仍然无法适应特殊复杂操作，从而不得不使用万能钥匙解锁，而万能解锁的实质是取消防误把关功能，这就为“误操作”开了后门。此外，“与、或、非”逻辑运算很难判断设备“是否带电”“是否接地”“是否大面积停电”等情况，因而微机五防系统中的防止误入带电间隔的判断不尽合理。
因此，现有微机五防技术存在防误操作的逻辑判断不完善、不合理问题，以此为核心构成的系统存在万能解锁问题，无法适应电网设备智能化发展以及倒闸操作在线实时管控的需求。
发明内容
为解决目前微机五防系统存在的防误判断不完善、不合理、不智能的问题，本发明提供了一种基于拓扑分析的电网防误操作电气原理判断方法。
本发明所采用的技术方案是：在电网拓扑分析的基础上，对电网设备赋源，并对照防误规则库进行防误判断，形成基于拓扑分析的电网防误操作电气原理判断方法。包括以下步骤：
步骤一：确定符合本发明技术要求的防误操作规则库，包括电气规则库和管理规则库；
步骤二：建立电网拓扑分析模型，对一次设备和电网边界赋源；
步骤三：针对当前操作，进行电网拓扑分析和源分析，逐条对照电气规则和管理规则，判断操作项是否满足防误规则要求，任一项不满足则闭锁操作；
步骤四：对仅满足电气规则的操作项作进一步处理，必要时经授权解除管理规则的约束。
进一步改进在于，所述步骤一中电气规则库的主要内容见表1：
表1
进一步改进在于，所述步骤一中管理规则库主要内容见表2：
表2
进一步改进在于：所述步骤一中确定的电气规则库和管理规则库内容符合本发明的技术要求，本发明的技术要求是：
(1)防误判断规则库适用于变电站的所有一次设备操作任务，能够准确识别违反电气原理的误操作并予以闭锁，保证所有符合电气原理的倒闸操作任务被允许操作；
(2)防误判断规则库由电气规则和管理规则两部分组成，其中电气规则是指符合电气客观规律的规则，含“五防”相关要求；管理规则是指满足电力行业安全管理的制度要求的规则，是对电气规则的有益补充；
(3)电气规则库的内容建立在电气原理的基础上，可依据电网拓扑状态和设备源状态进行防误判断，包括依据设备带电状态、停电状态、接地状态、短路状态、明显断开点状态、合环状态、并联状态，以及间隔运行状态等进行判断，从而使防误操作电气原理判断的方法可用于该规则；
(4)防误判断规则采用判断禁止项的方式，且遵循约束范围最小化原则，从而避免万能解锁。
进一步改进在于：所述步骤一中电气规则库和管理规则库存在配合关系，体现在遇到防误判断不通过使得倒闸操作无法进行时，可经授权解除管理规则,此时电气规则仍能够独立实现完善的防误闭锁把关，并让符合电气规律的操作任务顺利进行下去。例如：“除倒母操作外，分合隔离开关时，与隔离开关串联的断路器应首先断开”的管理规则与“分合隔离开关时，如果存在可靠的并联回路则允许等电位操作；如果不存在可靠的并联回路，不应在带有负荷或可能带负荷的情况下分合隔离开关”的电气规则配合，可解决以往开关泄压隔离的操作中必须使用万能解锁钥匙的问题。
进一步改进在于：所述步骤二中对电网边界和一次设备赋源，包括对设备赋源和对边界赋源：
(1)对设备赋源,是对电网内的发电机等发电设备赋予“电源”，用S表示；将电网的负荷赋为“负荷源”，用L表示；将电容器等容性设备赋为“电容源”，用C表示；将装设接地线处或接地开关合闸处赋为“接地源”，用E表示；对于断开的设备，没有接入任何源，则赋予“NULL源”；其它防误规则判断需要用到的设备状态也赋予相应的源；同一个设备可以赋多种源；
(2)对边界赋源，是对变电站或区域电网的边界进行赋源，有两种方法：
第一种方法是边界等效赋源法。如果防误操作系统掌握整个电网的数据，则将大网拓扑运算的等效结果赋给区域电网边界；
第二种方法是防误优先赋源法，该方法赋给区域边界各线路“负载源L”；对于边界处运行和热备状态间隔，赋予其边界线路“电源S”或每条母线中至少有一个间隔的边界赋给“电源S”，以此达到电气防误把关优先的效果。这种赋源法能够保证倒闸操作的安全，但存在一定的弊端，仅用于不掌握大网信息时的单个变电站或者区域电网。
进一步改进在于：所述步骤三中“进行电网拓扑分析”，是指采用可获得电气岛的拓扑分析方法进行分析；本发明采用了矩阵列向量快速拓扑分析法：
(1)根据电网拓扑结构，形成电网的邻接矩阵为A(n×n)，其中n为电网节点数，且Aii＝1|i＝1,...,n；同时令矩阵T＝A；
(2)选择T矩阵的第j列向量，进行列向量运算
其中Tj (k+1)为第k次A矩阵左乘后的结果；当Tj (k+1)＝Tj (k)，即运算结果不再变化时，就得到了一个电气岛；
(3)选择已知电气岛所含节点之外的任一节点，将该节点的列号作为j的值，重复上述步骤，得到其余电气岛。
进一步改进在于：所述步骤三中进行电网源分析，是根据设备的连通关系以及源的传递性，在拓扑分析得到电气岛的基础上，对电气岛内的设备进行所带源属性的赋值与判断；岛内所有设备具有相同的源属性。
对电网中的设备进行建模处理后，设备的接线柱就成为了节点，对节点赋源与对设备赋源相同。
进一步改进在于：所述步骤三中判断操作项是否违反电气规则库、防误规则库的要求，采用了源的相容性原理，即S源与E源不相容。具体应用时，若一个电气岛中既有S源又有E源时，则表示电网处于短路接地状态，不允许导致该结果的操作；若处于分闸状态的隔离闸刀一侧有S源，另一侧有L源，则禁止操作该闸刀。
进一步改进在于：所述步骤三中进行电网拓扑分析所采用的电网运行方式，是在当前电网运行方式的基础上，考虑当前操作和防误规则因素后，根据计算分析的需要而进行适当变化后的电网运行方式。
进一步改进在于：所述步骤三中的防误判断方法，含有“五防”判断内容，其方法是：
(1)对于“合接地闸刀或装设接地线时，不应导致电网内接地短路”“合断路器时，不应导致电网内接地短路”“合隔离开关时，不应导致电网内接地短路”等电气规则，其判断方法是，将电网方式调整为操作后的状态，进行拓扑分析和设备赋源，如果赋源结果中，S源与E源在同一设备上出现，则予以闭锁。上述判断满足五防中的“防止带电挂接地线(合接地闸刀)”“防止带接地线(接地开关)合断路器(隔离开关)”的要求。
(2)对于“打开开关柜后柜门时，柜门内的设备不得带电”“合断路器时，不应导致开启柜门或网门的区域内设备带电”等电气规则，其判断方法是，将电网方式调整为操作后的状态，进行拓扑分析和赋源，如果打开的柜门或网门内设备带有S源，则予以闭锁。上述方法满足五防中的“防止误入带电间隔”的要求。
(3)对于“分断路器时，不宜导致站内大范围停电或下级变电站失电”的电气规则，其判断方法是，将电网方式调整为操作后的状态，进行拓扑分析和设备赋源，如果出现大范围失电(多个设备仅有L，没有S)，则禁止操作。上述方法满足五防中的“防止误分误合断路器”的要求。
(4)对于“分合隔离开关时，如果存在可靠的并联回路，则允许等电位操作；否则不应在带有负荷或可能带负荷的情况下分合隔离开关”的电气规则，其判断方法是：将电网方式调整为被操作隔离开关分闸后的状态，进行拓扑分析和设备赋源，接着进行等电位判断，如果隔离开关两侧处于同一电气岛内，则为等电位情况，允许操作；然后进行带负荷拉合隔离开关的判断，如果隔离开关一侧有“电源S”，另一侧有“负载L”“接地E”，则禁止操作；如果隔离开关一侧有“负载L”“接地E”，另一侧无“电源S”，则允许操作；如果隔离开关一侧有“电源S”，另一侧没有“负载L”“接地E”，也允许操作。上述方法满足五防中的“防止带负荷分、合隔离开关”的要求。
进一步改进在于：所述步骤三中对于“五防”之外的其它防误规则的判断方法比照“五防”判断方法进行，并在必要时按照本发明精神和原则扩展相应的方法。
进一步改进在于：所述步骤四中“仅满足电气规则的操作”是符合电气规律但不符合管理要求的操作，属于特殊复杂操作，此时开启对特殊复杂操作的授权功能，一旦获得授权，可解除管理规则约束，使符合电气规则的特殊复杂操作能够进行下去；解除管理规则约束时，电气规则仍然发挥作用，仍然满足“五防”要求。
本发明的有益效果为：本发明方法通过基于电气本身客观规律进行防误操作判断，不仅具有简单、快捷和方便的优点，而且适应性广，与常规的防误规则表法有本质的区别。本发明方法完全适应各种电网接线方式、电网运行方式以及各种复杂操作，倒闸操作时无需用万能钥匙解锁，现场无需配置万能解锁钥匙。本发明的方法，无需要编写基于设备分合状态的防误逻辑表，整个防误判断是基于电气本身客观规律，判断结论准确合理，且智能化。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图，用来提供对本发明的进一步理解；本发明的示意性实施例及其说明，用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示意性示出了本发明的总体的流程方法；
图2示意性示出了本发明的解除管理规则时的流程方法；
图3示意性示出了本发明的赋源方法；
图4示意性示出了本发明的防止带电合接地闸刀的判断方法；
图5示意性示出了本发明的防止带接地合闸送电的判断方法；
图6示意性示出了本发明的防止误入带电间隔的判断方法；
图7示意性示出了本发明的防止误分合断路器的判断方法；
图8示意性示出了本发明的防止带负荷分合隔离开关的步骤；
图9示意性示出了本发明的防止带负荷分合隔离开关的判断方法。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、达成目的与功效易于明白了解，下面结合变电站的具体实施方式，进一步阐述本发明。
根据图1、2、3、4、5、6、7、8、9所示，本实施例提出一种基于拓扑分析的电网防误操作电气原理判断方法，包括以下步骤：
步骤一：采用本发明的说明书中提供的防误规则库内容，包括电气规则库和管理规则库(见表1和表2)，并对照防误规则库逐条细化防误判断方法，用程序实现相应的防误判断；
步骤二：针对变电站建立电网拓扑分析模型，对一次设备赋源，对变电站的边界赋源，如图3，其中：
(1)对设备赋源。站内接地开关处赋为“接地源E”；站内电容器等容性设备赋为“电容源C”；站内短导线赋予“空源N”；将其它防误规则分析所需要的源，一并赋予相应设备；
(2)对边界赋源。赋给变电站各出线“负载源L”；根据变电站实际运行情况，赋给带电的线路“电源S”，将其它防误规则分析所需要的源，一并赋予相应边界。
步骤三：针对当前操作，触发相应防误规则的判断。例如，当前操作步骤是合断路器，则触发表1中的1、2、3、5、6项以及表2中的1、3、4、5、6项的判断。
(1)读取当前电网运行方式下的电网拓扑分析模型，在此基础上将被操作的断路器合闸，然后生成电网的邻接矩阵为A(n×n)，同时令矩阵T＝A；
(2)选择T矩阵的第j列向量，进行列向量运算
其中Tj (k+1)为第k次A矩阵左乘后的结果；当Tj (k+1)＝Tj (k)，即运算结果不再变化时，就得到一个电气岛；
(3)选择已知电气岛所含节点之外的任一节点，将该节点的列号作为j的值，重复上述步骤，得到其余电气岛。
(4)进行电网源分析。根据设备的连通关系以及源的传递性，电气岛内任一节点(设备)有S源，则其它节点(设备)均有S源；电气岛内任一节点有E源，则其它节点也都有E源。同一个节点可以拥有多种源。按照上述方法，完善所有电气岛节点的源属性。
(5)判断是否违反防误规则。
表1中的规则1要求“合断路器时不应导致电网内接地短路”，判断过程为：如果上述电网源分析得到某一节点的源属性中既有S源又有E源，则不满足“合断路器时不应导致电网内接地短路”的要求，禁止操作；
表1中的规则2要求“合断路器时，不应导致开启柜门或网门的区域内设备带电”，判断过程为：如果上述电网源分析得到某设备带S源且处于开启柜门的开关柜内，则禁止操作；
照此方法，将防误规则库的所有合断路器能够触发的规则均对照判断，任意一条规则不满足，则禁止该断路器的合闸操作；只有全部符合，才可以操作。
特别地，电气规则库中含有“五防”要求，其判断方法如下：
(1)防止带电合接地刀闸或挂接地线，判断方法是：如果电网源分析得到某一节点的源属性中既有S源又有E源，则禁止操作，参见图4；
(2)防止带接地线或接地闸刀合闸送电，判断方法同上：如果电网源分析得到某一节点的源属性中既有S源又有E源，则禁止操作，参见图5；
(3)防止误入带电间隔，判断方法是：如果电网源分析得到某设备带S源且处于开启柜门的开关柜内，则禁止操作，参见图6；
(4)防止误拉开关造成大范围停电，判断方法是：如果电网源分析得到变电站内大范围设备停电或者重要线路停电，则禁止操作或提醒确认，参见图7；
(5)防止带负荷拉合隔离开关，判断方法是：将隔离开关分闸，进行电网源分析，如果隔离开关两侧的节点不在同一个电气岛内，且两侧节点的源属性为“一侧有S，另一侧有L或E”，则禁止操作，参见图8、图9和表3。
表3
步骤四：如果某项操作因为不符合管理规则而被禁止，而现场又必须完成该操作任务时，操作人员可申请解除管理规则，经授权后可解除管理规则的约束。解除管理规则后的防误操作判断仅依据电气规则，这样有更好的适应性，能够让特殊复杂操作进行下去。此时可能在个别操作步骤上与管理要求不一致，但不存在安全问题，具体流程图2。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神、原则、范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均应包含在本发明的保护范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种基于拓扑分析的电网防误操作电气原理判断方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：确定符合本发明技术要求的防误操作规则库，包括电气规则库和管理规则库；
步骤二：建立电网拓扑分析模型，对一次设备和电网边界赋源；
步骤三：针对当前操作，进行电网拓扑分析和源分析，对照电气规则和管理规则逐条判断操作项是否满足防误规则要求，任一项不满足则闭锁操作；
步骤四：对于仅满足电气规则的操作项作进一步处理，需要时经授权解除管理规则的约束。
2.如权利要求1所述的一种基于拓扑分析的电网防误操作电气原理判断方法，其特征在于：所述步骤一中确定的电气规则库和管理规则库内容符合本发明的技术要求，本发明的技术要求是：
(1)防误判断规则库适用于变电站的所有一次设备操作任务，能够准确识别违反电气原理的误操作并予以闭锁，保证所有符合电气原理的倒闸操作任务被允许操作；
(2)防误判断规则库由电气规则和管理规则两部分组成，其中电气规则是指符合电气客观规律的规则；管理规则是指满足电力行业安全管理的制度要求的规则，是为获得本发明有益效果而对电气规则的补充；
(3)电气规则库的内容建立在电气原理的基础上，可依据电网拓扑状态和设备源状态进行防误判断，包括依据设备带电状态、停电状态、接地状态、短路状态、明显断开点状态、合环状态、并联状态，以及间隔运行状态等进行判断，从而使防误操作电气原理判断的方法可用于该规则；
(4)防误判断规则采用判断禁止项的方式，且遵循约束范围最小化原则，从而避免万能解锁；
(5)电气规则库和管理规则库存在配合关系，遇到防误判断不通过使得倒闸操作无法进行时，可经授权解除管理规则,此时电气规则仍能够独立实现完善的防误闭锁把关，并让符合电气规律的操作任务顺利进行下去。
3.根据权利要求1所述的一种基于拓扑分析的电网防误操作电气原理判断方法，其特征在于：所述步骤二中对电网边界和一次设备赋源，包括对设备赋源和对边界赋源：
(1)对设备赋源,是对电网内的发电机等发电设备赋予“电源”，将电网的负荷赋为“负荷源”，将电容器等容性设备赋为“电容源”，将装设接地线处或接地开关合闸处赋为“接地源”，此外还将其它防误规则判断需要用到的设备状态赋予相应的源；同一个设备可以赋多种源；
(2)对边界赋源，是对变电站或区域电网的边界进行赋源，有两种方法：第一种方法是将大网拓扑运算的等效结果赋给区域电网边界；第二种方法是赋给区域边界线路“负载源”，同时赋给边界运行、热备线路“电源”或同一母线上的运行、热备线路至少赋给一个“电源”。
4.根据权利要求1所述的一种基于拓扑分析的电网防误操作电气原理判断方法，其特征在于：所述步骤三中“进行电网拓扑分析”，是指采用可获得电气岛的拓扑分析方法进行分析，任何可得出电气岛的拓扑分析方法均可用于本发明，从而成为本发明所述的方法。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于拓扑分析的电网防误操作电气原理判断方法，其特征在于：所述步骤三中“进行电网拓扑分析”，采用矩阵列向量快速拓扑分析法，具体为：
(1)根据电网拓扑结构，形成电网的邻接矩阵为A(n×n)，其中n为电网节点数；同时令矩阵T＝A；
(2)选择T矩阵的第j列向量，进行列向量运算
其中Tj (k+1)为第k次A矩阵左乘后的结果；当Tj (k+1)＝Tj (k)，即运算结果不再变化时，就得到了一个电气岛；
选择已知电气岛所含节点之外的任一节点，将该节点的列号作为j的值，重复上述步骤，得到其余电气岛。
6.根据权利要求1所述的一种基于拓扑分析的电网防误操作电气原理判断方法，其特征在于：所述步骤三中进行电网源分析，是根据设备的连通关系以及源的传递性，在拓扑分析得到电气岛的基础上，对电气岛内的设备进行所带源属性的赋值与判断；岛内所有设备具有相同的源属性。
7.根据权利要求1一种基于拓扑分析的电网防误操作电气原理判断方法，其特征在于：所述步骤三中判断操作项是否违反电气规则库、防误规则库的要求，采用了源的相容性原理，其中“电源”与“接地源”不相容，会导致短路，用于短路类防误判断；“电源”与“负载源”相容，会产生电流，用于带负荷拉刀闸类防误判断；其余源的相容性按照此方法类推。
8.根据权利要求1一种基于拓扑分析的电网防误操作电气原理判断方法，其特征在于：所述步骤三中进行电网拓扑分析所采用的电网运行方式，是在当前电网运行方式的基础上，考虑当前操作和防误规则因素后，根据计算分析的需要而进行适当变化后的电网运行方式。
9.根据权利要求1一种基于拓扑分析的电网防误操作电气原理判断方法，其特征在于：所述步骤三中的判断方法，含有“五防”判断内容，其方法是：
(1)对于“合接地闸刀或装设接地线时，不应导致电网内接地短路”“合断路器时，不应导致电网内接地短路”“合隔离开关时，不应导致电网内接地短路”等电气规则，其判断方法是，将电网方式调整为操作后的状态，进行拓扑分析和设备赋源，如果赋源结果中，“电源”与“接地”在同一节点上出现，则予以闭锁；
(2)对于“打开开关柜后柜门时，柜门内的设备不得带电”“合断路器时，不应导致开启柜门的区域内设备带电”等电气规则，其判断方法是，将电网方式调整为操作后的状态，进行拓扑分析和赋源，如果打开的柜门内设备“带电”，则予以闭锁；
(3)对于“分断路器时，不宜导致站内大范围停电或下级变电站失电”的电气规则，其判断方法是，将电网方式调整为操作后的状态，进行拓扑分析和设备赋源，如果出现大范围的设备失去电源，禁止操作；
(4)对于“分合隔离开关时，如果存在可靠的并联回路，则允许等电位操作；否则不应在带有负荷或可能带负荷的情况下分合隔离开关”的电气规则，其判断方法是：将电网方式调整为被操作隔离开关分闸后的状态，进行拓扑分析和设备赋源，接着进行等电位判断，如果隔离开关两侧处于同一电气岛内，则为等电位操作，允许进行；否则进一步进行带负荷拉合隔离开关的判断，如果隔离开关一侧有“电源”，另一侧有“负载”“接地”，则禁止操作。
10.根据权利要求1一种基于拓扑分析的电网防误操作电气原理判断方法，其特征在于：所述步骤四中“仅满足电气规则的操作”是符合电气规律但不符合管理要求的操作，属于特殊复杂操作，此时开启对特殊复杂操作的授权功能，一旦获得授权，可解除管理规则约束，使符合电气规则的特殊复杂操作能够进行下去；解除管理规则约束时，电气规则仍然发挥作用，仍然满足“五防”要求。
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