動態地線防誤閉鎖系統在電力系統中的應用

摘 要：本文旨在探討動態地線防誤閉鎖系統在現代電力系統中的設計和性能優化，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結構，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”要求管理及結果儲存打印功能進行耗時評估。研究發現，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），而其他業務可能超過300ms甚至500ms。同時，在不同并發規模下通信耗時隨著任務數量增加，整體處理時間也相應增加。結果有效驗證了動態地線防誤閉鎖系統的有效性，能夠支持其在電力系統中的應用。

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

在現代電力系統中，地線防誤閉鎖系統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，監控臨時接地線全過程狀態實現智能化閉環管理。張海庭等[3]設計了變電站防誤閉鎖邏輯可視化校驗系統，并實現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]提出一種模型驅動的測控裝置優化方法，統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]設計無監測盲點的智能臨時接地線管理系統并成功運行于場景中。李冬[6]探討18kV發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、穩定。林俊[7]分享中心站接地線管控行業內完整解決方案經驗，并介紹項目經濟效益和技術原理，以加強管理水平。基于先行研究，本文將探討動態地線防誤閉鎖系統在電力系統中的應用，分析其設計原理、性能測試方法及實際應用效果。

1 系統設計

動態地線防誤閉鎖系統是基于微機防誤閉鎖系統的演化，安裝了動態地線防誤閉鎖軟件，提供圖形界面，并內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。隨后，軟件調用地線的防誤操作規則進行實時判斷。如果判斷結果為禁止，那么相關操作項無法生成；如果判斷結果為允許，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控系統進行數據交換，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場進行操作，該鑰匙在系統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，從而實現防誤效果。

其中，防誤主機配備了動態地線防誤閉鎖軟件，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，其圖形拓撲結構如公式（1）所示。

G=（V，E） （1）

式中：V為關鍵節點，包括上述電腦要素、鎖具和防誤主機；E為其線路連接。

設節點V的數量為m，線路E的數量為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為拓撲關系節點關聯矩陣；Pmn為節點m與支路n的連通性，如果節點m與支路n彼此聯通，那么Pmn=1，否則Pmn=0。

而動態地線防誤閉鎖系統的設計理念結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，系統得以實現對設備操作的精確控制和閉鎖保護，僅允許在系統內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。通過以上系統設計和實施方案，動態地線防誤閉鎖系統能夠有效地提升電力設備的操作安全性和可靠性，為電力系統的穩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能夠獲得其在屬性層、拓撲層的條件取值。根據公式（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。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

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

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，其關系到具體節點，也關系到操作的總體耗時。設給定節點運行狀態為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。

當考慮不同規模的點位參與時，通信耗時和計算耗時會對總耗時產生影響。其中，通信耗時受到矩陣規模和通信耗時系數的影響。通信耗時的增加通常隨著矩陣規模的增加而增加，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量的增加而線性增加，對總耗時產生影響。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據傳輸響應耗時如圖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據傳輸和響應工作時，通常可以在250ms內完成。這使調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務則需要更長的時間來完成。例如結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，通過將更多的調度資源傾斜給五防要求管理的遠動點，可以更快地完成數據傳輸和響應工作，提高系統的響應速度和效率。其中，通信耗時和計算耗時的影響會根據矩陣規模、通信耗時系數和給定操作的計算耗時系數來進行綜合計算。通過這種方式，可以更全面地考慮不同規模的點位參與對系統總耗時的影響，從而優化系統性能。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Cij下的對應權值。

針對預置設備管理功能，操作人員需要事先設置相關參數，以確保系統正常運行。地線實時顯示是指監控系統可以隨時展示各個接地點的連接狀態，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標準規定的相關措施。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查的情況具有重要意義。它們共同構成了一個完整而嚴密的安全標準體系，為現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值構建權重向量后考慮運行狀態和輸出值的合計結果。

當涉及不同并發規模時，系統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，因為系統需要在更短的時間內處理更多的通信請求。如果系統的通信帶寬有限或者通信協議復雜，那么增加的并發請求可能導致通信延遲增加。更高的并發規模可能需要系統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，從而影響系統的計算性能。如果系統的計算資源有限或者算法復雜度較高，那么增加的并發請求可能導致計算延遲增加。高并發規模可能導致系統資源的競爭，例如CPU、內存、存儲等。如果系統資源無法有效分配和管理，可能會導致性能下降和系統崩潰。高并發規模可能增加系統的復雜性和負擔，從而增加系統發生故障或錯誤的風險。系統需要具備足夠的穩定性和容錯能力，以應對高并發情況下可能出現的問題。高并發規模下可能需要對系統進行優化和調整，以提高性能和效率。這可能涉及調整系統參數、優化算法、增加資源等措施，以適應高并發情況下的需求。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行或者需要綜合處理各項工作成果、整體調度等操作時，就會導致整體運行效率受到挑戰。

綜合考慮通信耗時、計算耗時、資源競爭、系統穩定性和優化調整等因素，可以更好地理解不同并發規模對系統性能的影響，并采取相應的措施來優化系統性能。基于此，整理不同并發規模中通信耗時部分，其數據如圖3所示。

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

3 結語

在現代電力系統中，動態地線防誤閉鎖系統的設計和應用對保障設備運行安全至關重要。通過監測設備接地狀態并及時采取閉鎖措施，該系統有效預防了因接地異常而導致的設備損壞或安全事故。這一系統是基于微機防誤閉鎖系統演化而來的，在圖形界面展示接地線掛接環境，并結合圖形拓撲技術和防誤邏輯進行設計。通過引入動態地線防誤閉鎖軟件、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果儲存打印功能評估，驗證了其在實際應用中的表現。

然而，在不同遠動點參與水平下，數據傳輸響應耗時存在差異，五防要求管理較短（約250ms），其他業務（例如結果打印）則可能超過300ms甚至500ms，在不同并發規模下通信耗時也有所變化，成正相關：隨著任務數量增加，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化資源分配；傾斜更多調度資源，加快數據傳輸與相應工作；綜合考慮各項工作成果進行整體調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.

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[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.