动态地线防误闭锁系统在电力系统中的应用

摘 要：本文旨在探讨动态地线防误闭锁系统在现代电力系统中的设计和性能优化，以提高设备运行安全性和操作效率。本文设计讨论了接地防误闭锁的系统结构，说明其具体操作方式，并通过性能测试对预置设备管理、地线实时显示、“五防”要求管理及结果储存打印功能进行耗时评估。研究发现，在不同远动点参与水平下，五防要求管理具有较短时间消耗（约250ms），而其他业务可能超过300ms甚至500ms。同时，在不同并发规模下通信耗时随着任务数量增加，整体处理时间也相应增加。结果有效验证了动态地线防误闭锁系统的有效性，能够支持其在电力系统中的应用。

关键词：地线；防误闭锁装置；电脑钥匙；模型应用

中图分类号：TM 77 文献标志码：A

在现代电力系统中，地线防误闭锁系统是确保电力设备运行安全的重要组成部分。杨俊明等[1]研究了12kV真空断路器闭锁失效故障分析及改进方案，最终选择微动开关与接近开关作为预警方式，避免合闸线圈烧损等事故。孙建超等[2]在抽水蓄能电站中应用智能接地线管理系统，监控临时接地线全过程状态实现智能化闭环管理。张海庭等[3]设计了变电站防误闭锁逻辑可视化校验系统，并实现全站一次设备防误闭锁逻辑图形展示与仿真校核。任辉等[4]提出一种模型驱动的测控装置优化方法，统一完成测控装置全部配置并消除配置文件风险。邢晓敏等[5]设计无监测盲点的智能临时接地线管理系统并成功运行于场景中。李冬[6]探讨18kV发电机出口刀闸操作隐患分析及改进方式，提供2种解决方案，以保障操作安全、稳定。林俊[7]分享中心站接地线管控行业内完整解决方案经验，并介绍项目经济效益和技术原理，以加强管理水平。基于先行研究，本文将探讨动态地线防误闭锁系统在电力系统中的应用，分析其设计原理、性能测试方法及实际应用效果。

1 系统设计

动态地线防误闭锁系统是基于微机防误闭锁系统的演化，安装了动态地线防误闭锁软件，提供图形界面，并内置基于图形拓扑技术的防误逻辑。软件界面中预设了110kV和10kV电压等级的地线库，当需要挂接地线时，用户可以从地线库中选择特定地线，然后将其拖放至需要挂接的位置。这一操作简便，不涉及人为审核过程，由软件利用图形拓扑搜索技术，搜索与该位置连接的设备，并获取这些设备的相关状态。随后，软件调用地线的防误操作规则进行实时判断。如果判断结果为禁止，那么相关操作项无法生成；如果判断结果为允许，那么软件会自动读取该位置的描述信息，例如某断路器与某隔离刀闸之间，生成相应的操作项。传输适配器负责与监控系统进行数据交换，确保闭锁操作的实时性和准确性。操作人员通过携带电脑钥匙到现场进行操作，该钥匙在系统中起到确认和控制操作合法性的作用。各类锁具和移动地线桩则用于实际的地线挂接操作，通过与电脑钥匙配合，确保操作的准确性和安全性。其中，任何违背五防要求或操作票的操作均实施闭锁，结合语音提示、屏幕显示予以警报，并相应给出正确操作，从而实现防误效果。

其中，防误主机配备了动态地线防误闭锁软件，该软件提供了图形界面，并集成了基于图形拓扑技术的防误逻辑。在图形界面中，不再需要设置固定接地点图元，而是可以在图形中的任意点挂接母线及连接线的接地线。

针对这一框架，其图形拓扑结构如公式（1）所示。

G=（V，E） （1）

式中：V为关键节点，包括上述电脑要素、锁具和防误主机；E为其线路连接。

设节点V的数量为m，线路E的数量为n，设置操作中拓扑关系改变的矩阵，如公式（2）所示。

（2）

式中：P为拓扑关系节点关联矩阵；Pmn为节点m与支路n的连通性，如果节点m与支路n彼此联通，那么Pmn=1，否则Pmn=0。

而动态地线防误闭锁系统的设计理念结合了图形拓扑技术和防误逻辑，如公式（3）所示。

f：（V，E）→{0，1} （3）

此框架对应部颁“五防”标准，即防止误拉合断路器，防止误入带电间隔，防止带负荷拉隔离开关，防止带电挂地线或合接地刀闸，防止带他线（接地刀闸）合隔离开关。通过防误逻辑判断，系统得以实现对设备操作的精确控制和闭锁保护，仅允许在系统内模拟通过且为正确顺序的操作，从而最大程度地减少操作人员的误操作风险。通过以上系统设计和实施方案，动态地线防误闭锁系统能够有效地提升电力设备的操作安全性和可靠性，为电力系统的稳定运行提供重要保障。

对拓扑矩阵P来说，跟踪每个操作的拓扑状态能够获得其在属性层、拓扑层的条件取值。根据公式（3），设其操作共有n项相关条件，以覆盖五防逻辑的全部要求，形成操作条件合集，如公式（4）所示。

Ct=C1，C2，…，Cn （4）

式中：Ct为罗列关系的合集；C1，C2，…，Cn为各项操作条件。

将公式（4）转化为判断矩阵，如公式（5）所示。

（5）

基于公式（5），当其图形化展示中未进行模拟时，只会显示具有地线挂接的地点的接地线状态。当进行模拟操作涉及地线挂接时，用户可以从地线库中拖动地线符号，将其挂接到图形中线路的任意点，并在挂接过程中进行五防逻辑判断：如果符合五防逻辑，就允许挂接；如果不符合五防逻辑，会提示错误原因。一旦接地线挂接到指定接地点，用户可以继续模拟与地线相关的设备操作步骤。在安装接地线后，不符合五防逻辑的设备将被禁止操作。模拟结束后，已挂接的地线符号将会显示在界面上。

2 性能测试

本文对动态地线防误闭锁系统中的预置设备管理、地线实时显示、“五防”要求管理和结果储存打印等功能进行耗时评估，以验证系统在实际应用中的性能表现。

基于公式（4），Ct作为操作关系的合集，在给定条件下仅能抽取特定元素形成当下操作，其关系到具体节点，也关系到操作的总体耗时。设给定节点运行状态为Cij，则其耗时计算如公式（6）所示。

t=tmn+tij （6）

式中：t为运算总耗时；tmn为其中的通信耗时，受到矩阵规模与的影响；tij为其中的计算耗时，受到给定操作的影响。

当考虑不同规模的点位参与时，通信耗时和计算耗时会对总耗时产生影响。其中，通信耗时受到矩阵规模和通信耗时系数的影响。通信耗时的增加通常随着矩阵规模的增加而增加，因为更多的点位参与需要更多的通信。因此，通信耗时会随着参与点位数量的增加而线性增加，对总耗时产生影响。而计算耗时受给定操作的影响，不同操作可能会有不同的计算耗时。计算耗时的增加取决于具体操作的复杂度和计算量。综合考虑通信耗时和计算耗时对总耗时的影响，可以使用公式（6）来计算总耗时。

其中，不同点位参与水平下的数据传输响应耗时如图1所示。

在不同的远动点参与水平下，五防要求管理的耗时较短，这意味当处理远动点的数据传输和响应工作时，通常可以在250ms内完成。这使调度资源可以更多地倾斜给这些远动点，以便更快地响应和处理相关任务。相比之下，预置设备管理等其他业务则需要更长的时间来完成。例如结果打印出单耗时可能超过300ms，地线的实时显示也受到渲染制约，耗时较长，由于预置设备管理涉及更多的设备和设置，因此其耗时较长，最长可达到500ms。

因此，通过将更多的调度资源倾斜给五防要求管理的远动点，可以更快地完成数据传输和响应工作，提高系统的响应速度和效率。其中，通信耗时和计算耗时的影响会根据矩阵规模、通信耗时系数和给定操作的计算耗时系数来进行综合计算。通过这种方式，可以更全面地考虑不同规模的点位参与对系统总耗时的影响，从而优化系统性能。这样可以确保在需要时能够及时采取行动，并更好地管理和控制电力系统的运行。

为计算其安全度的总体评价，需要考虑全部操作的权值，如公式（7）所示。

（7）

式中：Qi为特定操作条件判断矩阵和运行状态Cij下的对应权值。

针对预置设备管理功能，操作人员需要事先设置相关参数，以确保系统正常运行。地线实时显示是指监控系统可以随时展示各个接地点的连接状态，并提供清晰直观的图形界面。“五防”要求是指按照电力安全生产标准规定的相关措施。最后一个关键功能是将操作记录保存并打印输出，对需要追溯历史记录或事故调查的情况具有重要意义。它们共同构成了一个完整而严密的安全标准体系，为现场人员提供了明确指引，并有效降低了潜在风险。操作安全度即此操作权值构建权重向量后考虑运行状态和输出值的合计结果。

当涉及不同并发规模时，系统性能和效率可能会受到影响，需要处理更多的通信请求。可能导致通信耗时增加，因为系统需要在更短的时间内处理更多的通信请求。如果系统的通信带宽有限或者通信协议复杂，那么增加的并发请求可能导致通信延迟增加。更高的并发规模可能需要系统同时处理更多的计算任务。这可能导致计算资源竞争和负载增加，从而影响系统的计算性能。如果系统的计算资源有限或者算法复杂度较高，那么增加的并发请求可能导致计算延迟增加。高并发规模可能导致系统资源的竞争，例如CPU、内存、存储等。如果系统资源无法有效分配和管理，可能会导致性能下降和系统崩溃。高并发规模可能增加系统的复杂性和负担，从而增加系统发生故障或错误的风险。系统需要具备足够的稳定性和容错能力，以应对高并发情况下可能出现的问题。高并发规模下可能需要对系统进行优化和调整，以提高性能和效率。这可能涉及调整系统参数、优化算法、增加资源等措施，以适应高并发情况下的需求。其总耗时则如图2所示。

由图2可知，虽然通信和反馈耗时较短（250ms），但是总耗时却显示出与之相反的趋势。在这种情况下，五防要求管理的耗时最长，在远动点参与数量众多时甚至可达到1.5s。相比之下，预置设备管理虽然也有较长的耗时，但地线实时显示和结果存储打印的时间消耗较短，约0.5s。尽管通信和反馈本身需要花费更少的时间来完成，并且针对单个任务来说效率很高，但当涉及大量任务并行执行或者需要综合处理各项工作成果、整体调度等操作时，就会导致整体运行效率受到挑战。

综合考虑通信耗时、计算耗时、资源竞争、系统稳定性和优化调整等因素，可以更好地理解不同并发规模对系统性能的影响，并采取相应的措施来优化系统性能。基于此，整理不同并发规模中通信耗时部分，其数据如图3所示。

对比不同的并发规模时，各类项目的耗时与并发规模成正相关。意味随着任务数量增加，整体处理时间也相应增加。

3 结语

在现代电力系统中，动态地线防误闭锁系统的设计和应用对保障设备运行安全至关重要。通过监测设备接地状态并及时采取闭锁措施，该系统有效预防了因接地异常而导致的设备损坏或安全事故。这一系统是基于微机防误闭锁系统演化而来的，在图形界面展示接地线挂接环境，并结合图形拓扑技术和防误逻辑进行设计。通过引入动态地线防误闭锁软件、传输适配器以及操作人员携带电脑钥匙等元素，该系统提供了精确控制和高效保护，并符合“五防”标准要求。其性能测试包括预置设备管理、地线实时显示、五防要求管理以及结果储存打印功能评估，验证了其在实际应用中的表现。

然而，在不同远动点参与水平下，数据传输响应耗时存在差异，五防要求管理较短（约250ms），其他业务（例如结果打印）则可能超过300ms甚至500ms，在不同并发规模下通信耗时也有所变化，成正相关：随着任务数量增加，整体处理时间也随之增加。为提高整体运行效率与响应速度，需要考虑引入并行计算和分布式处理技术、设计合理负载均衡策略、建立弹性伸缩机制等手段优化资源分配；倾斜更多调度资源，加快数据传输与相应工作；综合考虑各项工作成果进行整体调度也能提高运行效率。

参考文献

[1]杨俊明，游一民，戴冬云，等.12kV真空断路器闭锁失效故障分析及改进方案[J].高压电器，2023，59（7）：186-192.

[2]孙建超，郑春，刘士刚，等.智能接地线管理系统在抽水蓄能电站的应用[J].水利水电技术（中英文），2021，52（增刊2）：286-289.

[3]张海庭，张思远，刘登鑫，等.变电站防误闭锁逻辑可视化校验系统设计及应用[J].电力系统保护与控制，2021，49（12）：181-187.

[4]任辉，窦仁晖，郑永康，等.一种模型驱动的测控装置优化研究[J].电力系统保护与控制，2019，47（3）：129-135.

[5]邢晓敏，陈成，张鹏宇，等.无监测盲点的智能临时接地线管理系统的开发和应用[J].水电能源科学，2017，35（7）：194-197.

[6]李冬.18kV发电机出口刀闸操作隐患分析及改进措施探讨[J].水力发电，2017，43（4）：28-30.

[7]林俊.中心站接地线管理的方法与运用[J].华东电力，2012，40（1）：158-159.