繼電保護戶外柜機械安全聯鎖控制方法

付 強，趙通漢

（國網固原供電公司，固原 756000）

繼電保護戶外柜在繼電保護中是一個重要的設備，其運行過程中會不斷產生繼電保護信號[1]。目前，由于不同廠家的繼電保護裝置之間性能差異較大，很難做到在不同廠家產品之間互為備用，因此對繼電保護戶外柜的聯鎖控制成為一個重要課題[2-3]。通過不同廠家系統間的聯鎖控制，有效地解決繼電保護設備和戶外柜的聯鎖控制問題。

文獻[4]以兩種常見的冗余結構計算機聯鎖系統為研究對象，建立計算機聯鎖系統的風險失敗概率和動態故障樹模型。由于概率逼近法與馬爾科夫法的結果近似，利用概率逼近法求解相應的風險失敗概率和動態故障樹模型。通過對比兩種冗余結構的計算機聯鎖系統，得出兩種不同類型的計算機聯鎖系統在全故障狀態下的安全性能；文獻[5]提出了一種利用DNN 和CVM 技術的繼電保護設備狀態監測控制方法。采用變焦相機對變電站的實時影像進行降噪，然后根據相關度對其進行匹配。基于尺度不變特征轉換的方法，利用DNN 對圖像進行分類，并對設備的狀態進行識別。在此基礎上，給出了一種改進的方法，使該方法能夠在各種光照情況下保持較好的魯棒性。經過實踐證明，該方法的識別精度在99%以上，使變電站的安全性能得到了極大的提高。

基于以上研究背景，本文針對繼電保護戶外柜的機械安全聯鎖設計一種控制方法，以保證繼電保護戶外柜的安全性。

1 機械安全聯鎖控制方法設計

1.1 搜索機械安全聯鎖進路

為了確保機械安全聯鎖進路的搜索結果最優，本文利用蟻群算法對機械安全聯鎖進路進行尋優[6]，在搜索初始時刻，將每一個戶外柜之間的信息素濃度設為常數，螞蟻φ 在進路搜索過程中，在T 時刻根據路徑上的信息素濃度χij（T），確定機械安全聯鎖進路搜索方向。（T）代表螞蟻φ 在T 時刻從戶外柜i 選擇到j 的概率，計算公式為

式中：allowedφ代表螞蟻φ 接下來到達的戶外柜集合；a 代表機械安全聯鎖進路搜索路徑上的信息素濃度對搜索路徑選擇的影響力；γij代表螞蟻φ 從戶外柜i 轉移到j 的期望程度；b 代表γij對搜索路徑選擇的重要性。

螞蟻φ 選擇下一個戶外柜的概率全部依賴于搜索路徑上的信息素濃度，經過m 個時刻之后，螞蟻可以遍歷所有繼電保護戶外柜，完成一次搜索。每一只螞蟻搜索的路徑都是一個可行解[7]，此時利用式（2）對機械安全聯鎖進路搜索路徑上的信息素進行更新，即：

式中：ξ 代表信息素的殘留因子。隨著搜索的進行，搜索路徑上的信息素會逐漸減少，利用1-ξ 表示信息素的衰減程度[8]，那么利用式（3）可以計算出搜索路徑的信息素增量：

根據上述螞蟻尋優過程，對機械安全聯鎖進路搜索算法進行改進設計，將加入信號設備與戶外柜的二維坐標作對比，如果搜索到信號設備超出了戶外柜安全聯鎖信號范圍，停止本次搜索，提高搜索效率；如果搜索到防護沖撞的道岔，需要根據螞蟻尋優策略，沿著道岔的反方向搜索。

先確定機械安全聯鎖進路初始端口的信號機坐標和終端信號機坐標，表示為（xc，yc）和（xr，yr），判斷2 個信號機的相對位置，如果xc＜xr，則向右搜索機械安全聯鎖進路，否則向左搜索機械安全聯鎖進路。

接著由初始端口的信號機向前搜索信號設備Sp，通過信號設備Sp與始端信號機和終端信號機的坐標對比，判斷信號設備Sp是否處于機械安全聯鎖進路搜索范圍內，如果搜索范圍內不存在信號設備Sp，則判定始端信號機和終端信號機之間不存在有效的機械安全聯鎖進路，并終止搜索。如果搜索范圍內存在信號設備Sp，存在以下3 種情況，即：

（1）如果信號設備Sp是對立道岔并且是戶外柜進口的防護沖撞道岔，信號設備Sp定位通往安全線，將信號設備Sp保存并沿著道岔反方向搜索；

（2）如果信號設備Sp是對立道岔并且不是戶外柜進口的防護沖撞道岔，獲取信號設備Sp的岔后定位坐標（xn，yn）和反位坐標（xf，yf），計算出2 個坐標與終端信號機的縱坐標絕對差，記為時，保存信號設備Sp并繼續搜索；

根據以上過程，利用蟻群算法搜索得到機械安全聯鎖進路。

1.2 機械安全聯鎖狀態監測

搜索到機械安全聯鎖進路之后，需要監測機械安全聯鎖狀態，構建機械安全聯鎖的狀態方程，表示為

式中：?T代表機械安全聯鎖狀態信息的提取方程；Λ代表機械安全聯鎖狀態的分類屬性；?i代表聯鎖控制信號的瞬時幅度；l 代表機械安全聯鎖狀態的特征；δ 代表控制數據的訓練集合。

利用機械安全聯鎖的狀態方程，構建機械安全聯鎖裝置的控制信號模型，表示為

式中：σ（εi）代表機械安全聯鎖控制數據的采樣時刻。

控制信號模型可以對機械安全聯鎖的狀態特征進行時間序列采樣，通過更新采樣時間，得到機械安全聯鎖狀態的頻譜信息，結合時頻分析，估計出機械安全聯鎖狀態的瞬時頻率，給出機械安全聯鎖狀態的概率密度函數：

式中：fi代表機械安全聯鎖狀態的瞬時頻率。

機械安全聯鎖狀態數據集是由ζ 個狀態數據樣本構成的集合，利用式（7）對機械安全聯鎖狀態數據集進行后驗概率估計，即：

式中：Uj（k）代表機械安全聯鎖狀態的聯合概率密度函數。

為了實時監測機械安全聯鎖狀態，引入時頻分析法，構建機械安全聯鎖狀態監測函數，即：

式中：xi代表機械安全聯鎖狀態矢量；ui代表機械安全聯鎖狀態的特征提取結果。

利用機械安全聯鎖的狀態方程，構建機械安全聯鎖裝置的控制信號模型，根據機械安全聯鎖狀態的概率密度函數，對機械安全聯鎖狀態數據集進行后驗概率估計，獲取機械安全聯鎖狀態，為機械安全聯鎖控制提供數據支持。

1.3 設計機械安全聯鎖控制程序

在機械安全聯鎖控制程序中，以機械安全聯鎖狀態為依據，先建立機械安全聯鎖控制的數學表達式：

式中：ψp代表聯鎖控制的比例增益；r（t）代表機械安全聯鎖控制中輸入與輸出的差值；td代表時間常數的微分值；t*代表時間常數的積分值。

通常情況下，可以采用無刷直流電機實現繼電保護戶外柜的機械安全聯鎖控制，此時電機運動方程為

式中：ω 代表電機的轉速；Lz代表無刷直流電機的電磁轉矩；Lf代表電機的負載轉矩；ζ 代表阻尼系數；G代表電機的轉動慣量。

在機械安全聯鎖控制程序設計中，利用STEP9軟件編寫電機運動的控制程序，從而對繼電保護戶外柜進行機械安全聯鎖控制。在此基礎上，利用STEP9 軟件編寫聯鎖控制程序。通過將組態硬件和編輯軟件的結合，創建一個機械安全聯鎖的自動化控制方案。利用STEP9 軟件組建機械安全聯鎖的自動化控制方案，是以對象的形式儲存控制方案所需的硬件組態數據，并通過PLC 控制程序和網絡通訊的組態參數，建立機械安全聯鎖自動化控制方案，具體流程如圖1 所示。

圖1 機械安全聯鎖自動化控制方案的創建流程Fig.1 Flow chart for creating an automation control scheme for mechanical safety interlocking

選用梯形邏輯語言進行機械安全聯鎖控制邏輯軟件的編寫，梯形圖語言與傳統的繼電器聯鎖的電路形式非常相似，非常適用于編寫機械安全聯鎖控制邏輯軟件。為了將編寫完成的機械安全聯鎖控制程序下載到PLC 中，或者將PLC 程序安裝在計算機的終端，在PLC 程序與計算機終端建立網絡通信連接，利用網絡通信適配器與PLC 程序的MPI 連接，實現機械安全聯鎖控制程序與計算機終端的通信，由此實現繼電保護戶外柜機械安全聯鎖控制。

2 實驗分析

2.1 搭建實驗平臺

為了驗證繼電保護戶外柜機械安全聯鎖控制的性能，將上位機系統與戶外柜機械安全聯鎖裝置相結合，搭建的實驗平臺如圖2 所示。

圖2 實驗平臺Fig.2 Experimental platform

在進路的實驗與模擬中，先由上位機發出設定進路的指令，再通過上位機的CRT 接口觀察進路的運行，利用機械安全聯鎖裝置的模擬模塊，進路將進入開啟信號和列車壓入檢測，如果進路沒有進入這一階段，那么有可能是上位機發送的指令錯誤，或者在聯鎖操作中出現錯誤。當進路進入開啟信號和壓入檢查階段之后，利用計算機模擬模塊，對進路、故障閉合情況、列車壓入后的正常開鎖情況進行檢測。

在繼電保護戶外柜機械安全聯鎖控制中，當2臺CPU 的計算結果不一致且可以檢測出某個特定的單元發生故障時，可以進行轉換，否則將會關閉聯鎖裝置的輸出。在上述情況下，可以確定聯鎖裝置的4 種狀態，分別為：

狀態0：兩個單元都是正常的；

狀態1：聯鎖裝置運行狀態下降；

狀態2：聯鎖裝置失效-安全狀況；

狀態3：聯鎖裝置處于危險狀態。

將繼電保護戶外柜機械安全聯鎖裝置的失效率設置為μ，那么聯鎖裝置4 種狀態之間的轉移關系如圖3 所示。

圖3 聯鎖裝置4 種狀態之間的轉移關系Fig.3 Transfer relationship between the four states of interlocking devices

2.2 聯鎖裝置的安全可靠性分析

根據聯鎖裝置4 種狀態之間的轉移關系，計算聯鎖裝置的可靠度和不安全度，結果如圖4 所示。

圖4 聯鎖裝置的安全可靠性結果Fig.4 Safety and reliability results of interlocking devices

圖4 的結果顯示，聯鎖裝置可靠度函數可以反映出聯鎖控制的可靠度在90%以上，符合繼電保護戶外柜機械安全聯鎖控制中的可靠性要求；不安全度函數可以反映出聯鎖控制的不安全度低于0.002%，同樣符合繼電保護戶外柜機械安全聯鎖控制中的安全性要求。

2.3 性能對比

為了突出文中方法的控制性能，引入基于動態故障樹的控制方法和基于深度神經網絡的控制方法作對比，在不同的道岔轉換時間下，測試戶外柜的使用效率，結果如圖5 所示。

圖5 戶外柜的使用效率Fig.5 Usage efficiency of outdoor cabinets

從圖5 的結果可以看出，隨著道岔轉換時間的延長，戶外柜的使用效率逐漸下降，采用基于動態故障樹的控制方法和基于深度神經網絡的控制方法時，戶外柜使用效率下降幅度較大，說明動態故障樹和深度神經網絡對繼電保護戶外柜機械安全聯鎖的控制效果較差。但是采用文中方法時，雖然戶外柜使用效率逐漸下降，但是仍然可以控制在93%以上，說明文中方法對進路的搜索，可以提高戶外柜的使用效率，具有更好的控制效果。

3 結語

本文提出了繼電保護戶外柜機械安全聯鎖控制方法研究，經過實驗測試發現，該方法在機械安全聯鎖控制中具有更好的效果。但是本文的研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以針對機械安全聯鎖的發展趨勢，研究聯鎖條件下的帶動道岔問題，提升戶外柜的工作效率。