电气操作五防闭锁的拓扑分析算法 技术领域：
本技术属于电力系统电气操作的微机仿真及过程控制领域，特别是变电站微机防误闭锁，变电站微机操作票，配网自动化系统，配网操作票，电网仿真调度系统。
背景技术：
变电或配电运行中经常涉及倒闸操作，操作不当会危及人身安全，引发电网事故，造成巨大经济损失。为确保操作安全，电力部规定所有电气操作必须严格执行五防要求：防止误拉、合开关，防止带负荷拉、合刀闸(或推拉小车)，防止带电挂地线(合接地刀闸)，防止带地线合开关(合刀闸)，防止误入带电间隔，变电站倒闸操作必须首先拟写操作票，通过五防系统验证后，才能进行实际操作。上述开关又名断路器，有消弧装置，可以带电分合；刀闸又名隔离开关、隔离刀闸，带电分合会发生弧光放电，因而，因而严格禁止带电分合。
五防闭锁可以分为机械闭锁和微机闭锁，机械五防闭锁装置(如88202300、89210622、92216250)，只能处理相邻电气设备的联动关系，只能处理局部问题，范围稍作扩展，就无法处理；微机闭锁根据电气设备之间的逻辑关系，控制设备的电气操作，从原理上来看，可以有效解决大范围电气操作的五防闭锁。
目前的微机闭锁系统或操作票系统，毫无例外地采用人工编制逻辑判据的办法，枚举各种电气组件的状态，编制允许或禁止操作的逻辑条件，合上一个刀闸可能涉及数十甚至数百种电气状态的组合，而一个变电站或配电网包含成百上千的开关刀闸，需要编制的逻辑条件成千上万，其准确性、完整性无法保证，工作量特别大，对于安全操作构成隐患。
针对现有技术存在的工作量大而安全性差的缺陷，本发明提出电气操作五防闭锁拓朴分析，以微机算法取代传统的人工分析，实现五防闭锁分析过程的微机化。
发明内容：
本发明所采取的技术方案：根据五防要求，通过对电气接线图的拓扑分析，计算拉合开关、拉合刀闸(推拉小车)、挂地线(合接地刀闸)的电气操作是否符合安全规范。
绘制电气接线图，并在各线路末端设置电源(负载)点，该点区别于通常的电源和负载，实际反应电网上的电流流动，可以有输入、输出、双向、切断四种状态。电气接线图上的电气组件是软件对象，具有连接点、通断状态等属性；电源(负载)点的状态可动态调整，以符合实际地电力边界条件。
根据接线图上电气设备状态和相互连接关系，以及接线图上的电源(负载)状态和分布进行拓朴分析，计算合开关、合刀闸(推入小车)、分刀闸(拉出小车)、挂地线(合地刀)的电气操作是否符合安全规范。具体如下：
合开关，在接线图上搜索该开关两侧无接地通路；
合刀闸，在接线图上搜索该刀闸两侧无接地通路，并且，合上前两侧存在通路或者合上后未构成供电回路；
分刀闸，在接线图上搜索该刀闸断开后，两侧存在通路；或者分开前该刀闸未构成供电回路；
挂地线(合地刀)，在接线图上搜索该接地点不存在电源通路；并且该接地点与电源之间存在分开的刀闸或拉出的小车，构成安全隔离。
采用本发明的微机防误闭锁系统或操作票系统，无须输入任何逻辑条件，只要绘制准确的电气接线图，微机即可根据五防要求对电气操作进行动态分析，准确判断每一步操作是否合理，确保电气操作的安全性。
本发明适合各种接线关系、各种运行方式的变化，可完全取代目前基于人工输入逻辑条件的办法，从而节省大量劳动、杜绝人工失误，使五防闭锁的完整性、准确性得到充分保证。
附图说明：
图1变电站局部电气接线示意图。
图2接地搜索流程图(拓朴分析过程I)，搜索参考点电气接线各方向是否存在接地线或已合上的接地刀闸，只要寻找到任意一个接地通路即可判定该点存在接地回路。
图3电源搜索流程图(拓朴分析过程II)，假定合上部分设备，搜索参考点电气接线各方向是否存在电源，输入输出双向节点也视为电源，只要寻找到任意一个电源连接通路即可判定该点存在电源回路。
图4负载搜索流程图(拓朴分析过程III)，搜索参考点电气接线各方向是否存在负载，输入输出双向节点也视为负载，只要寻找到任意一个负载连接通路即可判定该点存在负载回路。
图5电源-负载通路搜索流程图(拓朴分析过程IV)，假定合上部分设备，搜索两点间的电源负载连接，即一个端点连接电源，另一个端点连接负载，输入输出双向节点可视为电源也可视为负载，只要寻找到任意一个电源负载通路即可判定两点间存在电源负载回路。
图6两点间通路搜索流程图(拓朴分析过程V)，假定切断部分设备，搜索两点间的联接通路，即一个端点与另一个端点可以允许大电流流过，只要寻找到任意一个联接通路即可判定两点间存在电气通路，两节点是连通的。
图7电流流向计算流程图(拓朴分析过程VI)，假定合上部分设备，搜索两点间所有电源-负载对，以判定电流流向，如所有电源-负载对的电流流向一致，即可得到其真正的电流流动方向。
具体实施方式：
本发明涉及运用计算机程序，对电气接线图进行拓朴分析实现电气操作五防闭锁，算法分为两大部分，首先将具体设备的操作条件展开成电气拓扑分析条款，然后给出这些拓扑分析条款的具体计算过程。
这里将设备操作条件划分为电气条件和单元条件两个方面，通常要求两个方面同时满足，也有部分地区对单元条件不作硬性规定，本技术给出完整算法，具体应用时，可以只取其中一部分。电气条件如防止带电接地、防止带负荷拉合刀闸等与设备带电状态有关，是必须遵守的操作规则，通过拓扑分析准确判断被操作设备的电气状态，即可解决此类闭锁；单元条件，如电气单元内先合刀闸后合开关，先断负载侧刀闸、后断电源侧刀闸等规则，只要通过拓扑分析识别相应电气单元，并分析电流流动，即可解决。
主要电气设备操作的拓扑分析条款分述如下：
合开关，首先，如果开关两侧存在接地通路，则合上开关有可能引起对地短路，引发重大事故，所以，要求合上开关前应确保地线已拆除(地刀已拉开)；其次，考虑到合刀闸直接送电易引起事故，要求送电时先合刀闸后合开关，即合上开关前其两侧刀闸已合上。
合刀闸，首先，为避免对地短路引起重大事故，要求送电过程中，首先拆除地线，即合上刀闸前应确保地线已拆除(地刀已拉开)；其次，如果刀闸合上后即能构成供电回路，则在将合未合之时，发生弧光放电，引发重大事故，所以要求刀闸合上后不构成供电回路，即回路上存在分开的开关隔离电源-负载回路，但有一个例外：母联投运后，开关单元切换母线运行，此时合上刀闸固然构成供电回路，但由于处于运行状态母联短路该刀闸两侧节点，合上刀闸也不会构成危险，即刀闸合上前，如果两侧存在母联通路，合上刀闸是安全的；再次，假定刀闸所在电气单元的开关处于假分闸状态，为缩小可能的事故范围，应先合电源侧刀闸，后合负载侧刀闸。
分刀闸，首先，如果刀闸分开前构成供电回路，则在将要拉开时，发生弧光放电，引发重大事故，所以要求刀闸分开前不构成供电回路，即回路上存在分开的开关隔离电源-负载回路，但有一个例外：母联运行后，开关单元切换母线运行，此时刀闸分开前固然构成供电回路，但处于运行状态的母联短路该刀闸两侧节点，拉开刀闸也不会构成危险，即刀闸分开前，如果两侧存在母联通路，分开刀闸是安全的；其次，假定刀闸所在电气单元的开关处于假分闸状态，为缩小事故范围，应先断负载侧刀闸，后断电源侧刀闸。
挂地线(合地刀)，首先，如果该接地点与电源之间存在通路，则接地引起对地短路，引发重大事故，因而要求接地点无电源连接；其次，如果接地点与电源之间仅有拉开的开关隔离，则开关误动作或开关假分闸，会导致对地短路，引发重大事故，所以要求接地点与电源之间应存在拉开的刀闸或拉出的小车，形成有效隔离；再次，为养成良好的操作习惯，要求接地前，接地点两侧刀闸已拉开。
这些设备操作的拓扑分析条款归纳如下表，表中给每条条款以一个编号，每个编号对应一个具体计算，随后逐条讨论。操作类型闭锁原则设备 操作电气条件单元条件开关 合①“两侧无接地”开关：⑨两侧刀闸已合上小车：⑨小车已推入刀闸 分②“断开后，两侧存在通路”或③“分开前不构成供电回路”⑩先断负载侧刀闸，后断电源侧刀闸 合④“两侧无接地”⑩先合电源侧刀闸，后合负载侧刀闸⑤“合上前，两侧存在通路”或⑥“合上后不构成供电回路” 地线(地 刀) 挂(合)⑦“接地点无电源连接”⑨两侧刀闸已拉开⑧“接地点与电源间存在拉开的刀闸或拉出的小车”
变电站电气接线图，是拓扑分析的基础。参考图1，是根据实际电路绘制的接线图，其中的开关、刀闸、变压器、线段等电气组件，是接线图的基本组成元素。本发明要求这些电气组件是软件对象，具有连接点、通断状态等属性，便于对电气组件的相互连接及电气通路的搜索。
考虑到电气接线图是从整个电网中人为切割的一部分，需要在切割的边界，即线路末端，设置电源(负载)点的分布，这里所述的电源(负载)点区别于通常意义上的电源或负载，它本质上反映了电网上电流流动，可以为输入、输出、双向、切断任意一种状态，状态之间可以动态切换，以反映该电气接线图代表的一小块电网的实际工作状态。电源(负载)点实际上给定了电气拓扑分析的边界条件，通过分析该电气接线图上电气元件的通断状态及相互连接关系，求解电路上节点之间的联结通路，或节点与具体设备间的联结通路。主要处理表中所列的几种计算：
①开关“两侧无接地”
采用“拓朴分析过程I”(图2)。
搜索参考点电气接线各方向是否存在接地线或已合上的接地刀闸，只要寻找到任意一个接地通路，即可判定该点存在接地通路，开关不允许合上。
②刀闸“断开后，两侧存在通路”
采用“拓扑分析过程V”(图6)。
假定切断该刀闸，搜索刀闸两侧的通路，如存在通路，表明断开该刀闸，电流可以从其它通路流过，两侧等电势。
③刀闸“分开前不构成供电回路”
采用“拓扑分析过程IV”(图5)。
在该刀闸两侧搜寻电源-负载通路，如未发现电源-负载通路，表明该刀闸分开前无电流流过，不构成供电回路。
④刀闸“两侧无接地”
采用“拓扑分析过程I”(图2)。
搜索刀闸两侧的接地通路，如找到一条接地通路，则该刀闸不允许合上，否则，容易发生误操作。
⑤刀闸“合上前，两侧存在通路”
采用“拓扑分析过程V”(图6)。
搜索连接刀闸两侧的通路，如存在通路，表明刀闸两侧等电势。
⑥刀闸“合上后不构成供电回路”
采用“拓扑分析过程IV”(图5)。
假定合上该刀闸，在该刀闸两侧搜寻电源-负载通路，如未发现电源-负载通路，表明该刀闸合上后无电流流过，否则，在合闸过程中可能出现弧光放电。
⑦“接地点无电源连接”
采用“拓扑分析过程II”(图3)。
在该点周围搜索电源通路，如未找到电源通路，则在该点接地不会引起接地短路。
⑧“接地点与电源间存在拉开的刀闸或拉出的小车”
采用“拓扑分析过程II”(图3)。
假定合上接线图上所有开关，搜索接地点的电源通路，如未发现电源通路，则接地点与电源间存在除开关之外的其它断开设备，构成安全隔离。
⑨单元状态分析
开关单元的识别，通过简单图形搜索即可实现。对于普通开关，一个工作单元由一个开关及两侧刀闸组成；对于小车开关，一个工作单元或者是一个独立的小车开关，或者是一个小车开关外加相邻刀闸。找到开关工作单元后，即可判断两侧刀闸状态，或小车开关状态。
⑩单元内电流流向分析
找到开关工作单元，然后采用“拓扑分析过程VI”(图7)，分析开关两侧刀闸，哪一侧为电源侧，哪一侧为负载侧，从而判别“先断负荷侧刀闸，后断电源侧刀闸”和“先合电源侧刀闸，后合负载侧刀闸”等条件。
对于没有拓扑连接关系的设备的操作条件，有些(如网门)可以作为对象属性由程序自动处理，有些(如二次保护)可以辅助逻辑表达式，这种逻辑关系非常简单，不易出错。
采用本技术的操作序列输出到电脑钥匙中，并以电脑钥匙控制现场锁具，即可构成完善的微机防误闭锁系统，与现有的采用人工编制逻辑条件的系统相比，是一个革命性进展。