一种涉及母联开关的交流场最后断路器判断方法及装置

摘要

本发明属于特高压直流工程交流场技术领域中，特别的涉及一种涉及母联开关的交流场最后断路器判断方法及装置。本发明通过建立涉及母联开关的交流场等效模型和最后断路器图论求解模型来寻找最后断路器，当交流场的母联开关、隔离开关、线路和阀组的数量、接入位置发生变化时，无需修改原来复杂的控制保护逻辑程序，无需系统装置停电更新程序，只需在线修改简单的配置参数，系统即可通过实时采集当前交流场断路器的分合状态，快速、智能、准确的计算出所有输入线路到各个换流阀之间的最后断路器。

说明书

技术领域

本发明属于特高压直流输电工程技术领域，特别的涉及一种涉及母联开关的交流场最后断路器判断方法及装置。

背景技术

最后断路器是在特高压直流输电工程交流场中用于隔断交流接入线路与换流阀单元(阀组)之间的关键断路器，即只需分断一个断路器，所有的线路与某一阀组将被隔断，该阀组将失电。最后断路器是直流工程中的一种重要保护手段，用于特殊情况下通过分断最后断路器，将对应的阀组迅速闭锁，以保证系统安全可靠的运行。

高压直流工程最后断路器的判断过程比较复杂，以一个包含10条3/2交流分支串的常规交流场为例，共计30个断路器，那么相应的间隔开关组合多达2³⁰＝1073741824种。以往国内外直流工程最后断路器判断大多基于常规的逻辑判断方法，任意一处功能修改都可能导致现场修改应用程序，繁琐、耗时又存在安全隐患。2016年3月发表在《电力系统自动化》的《基于图论的特高压直流工程最后断路器自适应判断策略》提出了一种基于图论的最后断路器计算方法，实现了常规交流场最后断路器的判断。但是，目前国内最新规划的一些直流工程为了满足多种功率输送方式的要求，在逆变站的交流母线上接入了分段母联开关，通过分断母联开关和出线隔离开关，将直流功率直接输送到不同的异步电网。母联开关相当于把交流场分割成了几个部分，交流场的实际拓扑结构随着不同功率输送方式而发生变化，使得整个交流场最后断路器的判断变得更加复杂，使得现有技术中的最后断路器判断方法无法实现对包括母联开关在内的交流场最后断路器进行判断。

发明内容

本发明提供了一种涉及母联开关的交流场最后断路器判断方法及装置，用于解决多种功率输送方式下交流场最后断路器一次性求解问题。

一种涉及母联开关的交流场最后断路器判断方法，包括如下步骤：

1)将交流场抽象为图论中的无向连通图，其中将接入的N个母联开关的每条交流母线抽象为对应的N+1个图的节点，将连接在两个断路器之间的设备抽象为图的一个节点，将断路器及母联开关抽象为图的边，同时，在阀组和接入点之间加入虚拟连通边，建立交流场的图论求解模型；

2)采集各个断路器或者母联开关的通断状态，如果断路器或母联开关为闭合状态，则其对应边是连通的，如果断路器或者母联开关为断开状态，则其对应的边是非连通的；

3)搜索交流场图论模型中各个接入线路或者各个接入线汇集点到阀组之间的割边，从而得到阀组的最后断路器。

进一步的，步骤1)中连接在两个断路器之间的设备包括：接入阀组、线路、交流滤波器和隔离刀闸。

进一步的，步骤3)中寻找阀组割边的流程为：

首先、根据图论求解模型建立各个阀组及其相关节点之间的邻接矩阵，具体生成方法是：如果两个节点之间有边连接，并且该边代表的断路器或母联开关为闭合状态，则对应邻接矩阵中的元素为1，否则为0；

其次、以图论模型中对应阀组的邻接矩阵、起点、终点为输入，利用深度优先搜索算法寻找对应阀组的割边，寻找到的割边所对应的断路器或母联开关即为阀组的最后断路器。

所述深度优先搜索算法搜索无向连通图中割边的判断方法为：

a)指定起点和终点，即搜索各个接入线路或者各个接入线汇集点到某一指定阀组之间的所有路径；

b)记录路径的条数以及每条边的遍历次数；

c)路径中所有遍历次数等于路径条数的边即为割边。

一种涉及母联开关的交流场最后断路器判断装置，包括如下模块：

1)用于将交流场抽象为图论中的无向连通图模块，其中将接入的N个母联开关的每条交流母线抽象为对应的N+1个图的节点，将连接在两个断路器之间的设备抽象为图的一个节点，将断路器及母联开关抽象为图的边，同时，在阀组和接入点之间加入虚拟连通边，建立交流场的图论求解模型；

2)用于采集各个断路器或者母联开关的通断状态，如果断路器或母联开关为闭合状态，则设置其对应边是连通的，如果断路器或者母联开关为断开状态，则设置其对应的边是非连通的模块；

3)用于搜索交流场图论模型中各个接入线路到阀组之间的割边，从而得到阀组的最后断路器的模块。

进一步的，模块1)中连接在两个断路器之间的设备包括：接入阀组、线路、交流滤波器和隔离刀闸设备。

进一步的，模块3)寻找阀组割边的流程为：

首先、根据图论求解模型建立各个阀组及其相关节点之间的邻接矩阵，具体生成方法是：如果两个节点之间有边连接，并且该边代表的断路器或母联开关为闭合状态，则对应邻接矩阵中的元素为1，否则为0；

其次、以图论模型中对应阀组的邻接矩阵、起点、终点为输入，利用深度优先搜索算法寻找对应阀组的割边，寻找到的割边所对应的断路器或母联开关即为阀组的最后断路器。

所述深度优先搜索算法搜索无向连通图中割边的判断方法为：

a)指定起点和终点，即搜索各个接入线路或者各个接入线汇集点到某一指定阀组之间的所有路径；

b)记录路径的条数以及每条边的遍历次数(小于等于路径条数)；

c)路径中所有遍历次数等于路径条数的边即为割边。

本发明提出了一种涉及母联开关的交流场最后断路器判断方法及装置，当交流场母联开关、隔离开关、线路、阀组的数量和接入位置发生变化时，无需修改原来复杂的控制保护程序逻辑，无需控制系统停电更新程序，只需在线修改简单的配置参数，系统即可通过实时采集当前交流场断路器的分合状态，实现所有输入线路到各个换流阀组之间最后断路器快速、准确的判断。

附图说明

图1为逆变站交流场主接线图；

图2为涉及母联开关的交流场等效模型；

图3为涉及母联开关的最后断路器图论模型；

具体实施方式

本发明提供了一种涉及母联开关的交流场最后断路器判断方法及装置，将每条接入的N个母联开关的交流母线抽象为对应的N+1个节点，从而将涉及母联开关的交流场的最后断路器求解问题转换为无向连通图求解割边的问题，实现了多种功率输送方式下交流场最后断路器一次性求解。

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

一种涉及母联开关的交流场最后断路器判断方法的实施例：

包含母联开关的逆变站交流场主接线如图1所示，BX和BY表示两条交流母线，母线之间并联有9条3/2交流分支串，每条交流串有三个断路器，每两个断路器之间可以接入阀组、线路、交流滤波器、隔离刀闸等其他设备。

图1的交流出线共有四回，分别接入两个异步电网，其中出线1和出线2接入A省电网，出线3和出线4以及4回备用出线接入B省电网。该交流场的特殊之处在于交流母线上接入了M1、M2、M3和M4四个分段母联开关，在接入A省电网的两条出线上接入了两个隔离开关。通过分合母联开关和隔离开关，可以控制系统运行在直流功率“全送A省”，“全送B省”，“极1送A省、极2送B省”等三种方式，基本实现方案是：

1)直流功率“全送A省”：M1、M2母联开关合位，M3、M4母联开关分位，1#、2#出线隔离开关合位。

2)直流功率“全送B省”：M1、M2、M3、M4母联开关合位，1#、2#出线隔离开关分位。

3)直流功率“极1送A省，极2送B省”：M1、M2母联开关分位，M3、M4母联开关合位，1#、2#出线隔离开关合位。

由以上方案可知，各种功率输送方式下交流场的拓扑结构是不同的，而工程设计要求交流控制保护系统能够实时计算出不同功率输送方式下，整个交流场各阀组的最后断路器，另外，工程设计还要求以上三种功率输送方式可以进行在线转换，即在直流功率稳定输送的工况下完成功率输送方式的任意转换。由于在三种运行方式转换过程中存在不是三种标准运行方式的情况，转换操作会产生不同程度的直流过压。因此，使用分化求解的方法不但效率低，而且存在一定风险，有必要做进一步的改进。下面结合图示对本发明所提供的方法进行详细介绍。

1、建立涉及母联开关的交流场最后断路器求解模型

涉及母联开关的交流场等效模型如图2所示,模型中实线部分共并有4个交流分支，分别接入了2个线路和2个阀组。由图中虚线表示的路径可以看出，线路1和线路2均必需经过断路器A1、M3、A2、B2、C2才可以到达阀组1，分断其中任意一个，所有线路与阀组1将被隔断，因此可以简单的判断出A1、M3、A2、B2、C2都是所有线路到阀组1的最后断路器。当然，实际工程中交流场的分支串数、线路和阀组投入个数较多，断路器的分合状态也是千变万化，使得最后断路器的判断变得异常繁琐。

图论是以图为研究对象，研究顶点和边组成的图形的数学理论和方法，特别适合解决网络拓扑相关的工程问题。图论中的图形可以用来描述某些事物之间的某种特定关系，用节点代表事物，用连接两个节点的边表示相应两个事物间具有这种关系。为了方便计算机运算，通常采用邻接链表或者邻接矩阵来表示图中各节点之间的关系。设G(V,E)是一个具有n个节点的无向连通图，V表示所有节点的集合，E表示所有节点之间边的集合，则图的邻接矩阵是一个n*n的二维数组，这里用Edge[n][n]表示，它的定义为：

$Edge\left[i\right]\left[j\right]=\left(\begin{array}{cc}1& \begin{array}{cc}if& (V_i,V_j)\in E,or(V_j,V_i)\in E\end{array}\\ 0& other\end{array}\right)$

这里需要引入图论的另外一个概念是割边，即在无向连通图G中，e是其一条边，如果去掉e后，图G不再连通，则E称为图G的割边。这里定义一个割边的集合Ep，即删除Ep中的任意一条割边，图G不再连通。

根据交流场的交流母线、线路、阀组、断路器(包括母联开关和出线隔离开关)的配置及拓扑结构特点，可以利用图论创建最后断路器的图论求解模型，创建方法是：

1)将交流场抽象为无向连通图；

2)将断路器(母联开关和线隔离开关)抽象为无向连通图的边；

3)将交流母线、阀组、线路抽象为无向连通图的节点；

4)由于母联开关的接入，交流母线不再是单一的节点，针对每条母线上接入的N个母联开关，需将交流母线抽象为相应的N+1个节点。

如图3所示，由上述方法建立的如图2所示交流场最后断路器图论求解模型。其中黑色闭合的断路器表示连通的边，白色断开的断路器表示非连通的边。四个母联开关(M1、M2、M3、M4)将两条交流母线分割成了六段，这里将其抽象为6个节点、分别为BX1、BX2、BX3、BY1、BY2和BY3；另外，为了完善图论求解模型，增加了阀组与接入节点之间的虚拟连通边，如S1和S2，最后断路器计算结果中需要将其去除。

模型中各分支相邻断路器之间通过节点相连，同时为了简化后面的搜索运算，可将所有输入线路汇集为一个节点L，这样不需要分别搜索每条线路到阀组之间的最后断路器，只需一次性搜索线路汇集节点L到阀组的最后断路器即可。

由图3中的最后断路器图论求解模型可以建立各个阀组及其相关节点之间的邻接矩阵。具体生成方法是：如果两个节点之间有边连接，并且该边代表的断路器为闭合状态，则对应邻接矩阵中的元素为1，否则为0。与阀组1相关节点之间的邻接矩阵如下所示。

2、利用计算机实现最后断路器智能判断实现方案

直流工程在投运、运行、停运的过程中断路器的分合状态变化不定，需要对系统信息进行实时采集、计算和处理。因此，最后断路器判断应涵盖输入编码、智能判断、解码输出3个过程。

A)输入编码

工程中由分布式测控装置实时采集交流场所有断路器(包含母联开关、隔离开关)的分合状态，并通过现场总线传递给交流站控系统主机，并在其内部组织成系统能够识别的二进制输入序列码，有效位数由断路器的实际个数而定。组织规则是：二进制序列从右到左，从地位到高位依次表示母联开关M1、M2、M3、M4，隔离开关L1、L2，阀组与节点间的虚拟断路器S1、S2，然后自交流场左上角开始，从上到下，从左到右依次排列的交流串断路器。二进制序列中“1”表示闭合，“0”表示分断。图3模型对应的二进制序列如表1所示。

表1

然后，系统程序可以根据二进制输入序列码、交流场线路和阀组接入位置、交流分支串数，生成各阀组对应的邻接矩阵。

B)智能判断

本发明提出判断策略是，在图3最后断路器图论求解模型中，以输入线路汇集节点L为起点，以某一阀组节点为终点，搜索起点到终点之间割边的集合，集合中的每条割边代表一个最后断路器，该集合即为交流场所有接入线路到某一阀组最后断路器的集合。集合里割边的个数可以是一个、多个或者零个，删除集和中任意一条割边，即分断集合里任意一个断路器，起点到终点之间不再连通，所有线路与阀组将被隔断。

搜索无向连通图指定两点之间的割边可以使用深度优先搜索算法，它的算法思想是，首先选择图中任意一个未被访问过的节点作为起始点开始搜索，若被搜索到的节点满足从未被访问过，则将该节点标记为已访问，同时以该节点为起点继续搜索，如此反复，直到图中所有的节点均被访问。深度优先搜索是对图进行遍历的算法之一，在遍历的过程中可以设置不同的回退条件和判断逻辑，解决不同的工程问题。发明设置的深度优先搜索判断策略是：

1)指定起点和终点，即搜索线路汇集节点到某一指定阀组之间的所有路径；

2)记录路径的条数以及每条边的遍历次数(小于等于路径条数)；

3)路径中所有遍历次数等于路径条数的边都是割边。

该策略的输入量是图论模型中对应的阀组邻接矩阵、起点、终点，输出结果是起点到终点之间的所有路径、路径条数、各边遍历次数，以及经过判断输出的割边集合。图3模型中阀组1的计算结果如表2所示。交流场所有线路到阀组1的路径共有2条，其中只有断路器C2、B2、A2、M3、A1遍历的次数等于2，其他边的遍历次数均小于2，由此判断出C2、B2、A2、M3、A1即是所有线路到阀组1的最后断路器。S1是与阀组1邻接的虚拟连通边，需要将其从割边的集和中去除。另外，起点和终点不必计入集合中。

表2

C)解码输出

经系统判断，需将最后断路器计算结果转换成装置能够识别的二进制序列码，阀组1对应的二进制输出序列码如表3所示，其中“1”表示该位代表的断路器是最后断路器，“0”不是。该输出结果会通过控制总线发送给流阀保护系统主机、极控系统主机。在特殊情况下一旦有严重系统故障产生，即判断最后一个断路器中一个断路器即将分断，系统立即发出紧急停运连锁信号(ESOF)，紧急停运阀组。同时系统会通过站间通信将ESOF信号发送到对站，对站也采取相应的操作。

表3

一种涉及母联开关的交流场最后断路器判断装置的实施例：

一种涉及母联开关的交流场最后断路器判断装置，包括如下模块：

1)用于将交流场抽象为图论中的无向连通图模块，其中将接入的N个母联开关的每条交流母线抽象为对应的N+1个图的节点，将连接在两个断路器之间的设备抽象为图一个节点，将断路器及母联开关抽象为图的边，同时，在阀组和接入点之间加入虚拟连通边，建立交流场的图论求解模型；

2)用于采集各个边的的通断状态的模块：如果代表该边代表的断路器或者母联开关为闭合状态，则表示该边是连通的，如果代表该边的断路器或者母联开关为断开状态，则表示该边是非连通的；

3)用于搜索交流场图论模型中各个接入线路到阀组之间的割边，从而得到阀组的最后断路器的模块。

本发明所述的装置，实际上是基于本发明所述方法的一种计算机解决方案，即是一种软件构件，装置中所述模块与方法中步骤流程一一对应。由于对上述方法的介绍已经足够清楚完整，故对本发明装置的实施例不再赘述

本发明针对使用常规逻辑设计无法解决多种功率输送方式的直流工程交流场最后断路器判断的问题，提供了一种涉及母联开关的交流场最后断路器判断方法及装置，当交流场母联开关、隔离开关、线路、阀组的数量和接入位置发生变化时，无需修改原来复杂的控制保护程序逻辑，无需控制系统停电更新程序，只需在线修改简单的配置参数，系统即可通过实时采集当前交流场断路器的分合状态，实现所有输入线路到各个换流阀组之间最后断路器快速、准确的判断。该方法既适用于±500kV、±800kV及其它即将建设的特殊电压等级直流工程的常规交流场拓扑结构，也适用于复杂的分断交流场拓扑结构。