Petri網(wǎng)智能變電站保護控制故障診斷與定位方法研究

陳軍 劉鑫 王利平 鄭中 葉翔 任杰

摘要：針對傳統(tǒng)故障診斷由于未考慮在智能變電站保護或控制故障過程中的信息關聯(lián)而導致只能進行設備物理層面或通信鏈路故障診斷與定位等問題，文章對反應保護或控制功能的信息集合進行梳理，分別建立包含事件報文序列和物理設備狀態(tài)等因素的保護與控制功能Petri模型與能夠推理出設備各子功能狀態(tài)的Petri子網(wǎng)，并通過網(wǎng)絡報文獲知故障時各信息狀態(tài)，從而進行基于Petri網(wǎng)模型的保護與操作控制故障診斷與故障位置推理，其診斷與定位結果能夠反映設備邏輯功能的缺陷。實例證明該方法在智能變電站保護與操作控制過程中的故障診斷與定位起到良好的效果。

關鍵詞：智能變電站;Petri網(wǎng);功能關聯(lián)關系;故障定位

中圖分類號：TM63 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）10-0128-07

收稿日期：2018-12-01;收到修改稿日期：2019-01-28

基金項目：四川省科技計劃支撐項目（5219991307X7）;四川省青年科技基金（2017TD0009）

作者簡介：陳軍（1971-），男，四川成都市人，高級工程師，碩士，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護。

0 引言

作為電網(wǎng)系統(tǒng)的重要節(jié)點，變電站的智能化完成了全站信息化、設備智能化、通信平臺網(wǎng)絡化的技術要求[1-2]。相比于傳統(tǒng)變電站，智能變電站具有更加清晰的二次系統(tǒng)結構，其發(fā)展為全站信息監(jiān)測、故障診斷、一鍵式檢修等智能分析系統(tǒng)提供了研發(fā)基礎，結合不同的人工智能算法能夠完成不同現(xiàn)場的不同技術要求。

由于智能變電站二次系統(tǒng)“三層兩網(wǎng)”結構的劃分，過程層信息需要通過間隔層設備“轉達”給站控層[3]，如果其中出現(xiàn)鏈路中斷或者裝置告警等故障，會導致信息無法上送，影響系統(tǒng)以及運維人員的判斷。文獻[3]以IEC61850協(xié)議為基礎，結合VALN、Subnet等網(wǎng)絡技術的應用情況，對智能變電站各層網(wǎng)絡翎允態(tài)、拓寧陣剖溝、網(wǎng)墓備凄口位置以及接口信自等進行系統(tǒng)組態(tài)與流程化管理，進而實現(xiàn)故障定位。文獻[4]從SCD（substation configuration description整站配置文件）中獲取過程層網(wǎng)絡的虛回路和物理端口信息，通過拓撲搜索得到鏈路的通道節(jié)點集合并完成故障舉證表并以此進行故障定位。但將SCD中定義的節(jié)點與實際變電站中的板卡、端口等一一對應是一個很大的工作量，且不具有通用性。文獻[5]通過增加SCD文件擴展完成對虛鏈路與實際物理鏈路映射的描述并據(jù)此進行故障定位。文獻[6]將二次系統(tǒng)保護回路化為Petri網(wǎng)模型，并以監(jiān)控后臺與網(wǎng)絡分析儀所收到的信息為初始分析條件進行斷鏈位置推理。

以上文獻所提到的故障定位方法只針對物理鏈路是否斷鏈或者是物理設備端口、板卡是否出現(xiàn)故障。智能變電站中，物理層的故障是能夠通過告警信息或者現(xiàn)場狀況進行推理而得知的，而邏輯層面的信息缺失、信息錯誤由于大量的報文、復雜的邏輯關系以及各個數(shù)據(jù)描述的專業(yè)定義難以快速準確的進行推理得知。因此，智能變電站需要一種能夠對物理層設備鏈路以及邏輯層信息缺失、錯誤進行故障診斷的方法。

Petri網(wǎng)是一種能夠描述系統(tǒng)元素異步并發(fā)操作的工作模型，可以從過程的角度描述系統(tǒng)內部的并行過程和邏輯關系[7]，用于智能變電站二次系統(tǒng)邏輯行為描述中，能夠清晰形象的展現(xiàn)過程層網(wǎng)絡信息流的全過程。本文提出了一種基于Petri網(wǎng)的智能變電站故障診斷與定位模型，結合智能變電站二次系統(tǒng)過程層在故障情況下的信息特點以及網(wǎng)絡結構，完成能夠對二次物理設備、鏈路通斷以及邏輯設備進行故障診斷與定位的方法。

1 保護與控制故障信息分析

SCD文件中描述了定義在各個邏輯設備下的數(shù)據(jù)屬性，以邏輯設備（logic device）、邏輯節(jié)點（logic node）、數(shù)據(jù)集（data set）以及數(shù)據(jù)模型屬性等完成一個設備的信息建模。其信息交互方式和智能變電站二次系統(tǒng)結構使得一個事件的發(fā)生能夠通過一個具有時序的報文集合來描述。例如，一個保護事件發(fā)生后，在監(jiān)控后臺和網(wǎng)絡分析儀上能夠看到的不僅僅是跳閘報文，還包括位置信息、啟動失靈、采樣值等。如果保護回路出現(xiàn)故障，還會出現(xiàn)包括鏈路告警，裝置告警等報文。一個保護事件的發(fā)生不僅有本間隔內二次設備的信息交互，還有與其后備保護間隔的信息交互。因此，對一個保護過程的完整描述應該是本間隔所有保護相關的報文集合以及與后備保護間隔之間所有與該保護內容相關的報文集合。

對一個功能或事件的描述也是由一個有時間序列的報文集合反映的。其中任意一項的缺失都是非正常狀態(tài)的體現(xiàn)。文獻[8]將這種與功能或事件有關的報文之間的聯(lián)系稱之為功能關聯(lián)關系，而這樣的報文集合稱為功能關聯(lián)關系庫。

結合實際保護鏈路以及智能變電站過程層回路可以得出保護功能的信息模型。以線路保護為例的保護信息流程見圖1。

同理，遙控事件也可以通過具有功能關聯(lián)關系的報文集合以及各節(jié)點狀態(tài)來進行表示。遙控信息流程如圖2所示。

圖1、圖2展示了正常狀態(tài)下線路保護與控制功能執(zhí)行后的信息流程。信息模型僅僅是對事件發(fā)生的過程進行一個定性的描述，無法進行定量的計算和嚴密的推理。為了方便對信息模型進行數(shù)學建模和定量分析，本文將信息模型映射到Petri網(wǎng)模型中進行故障診斷與定位。

2 基于Petri網(wǎng)的保護與操作控制模型

Petri網(wǎng)是由德國物理學家Carl Adam Petri提出的使用網(wǎng)絡狀結構進行離散時間動態(tài)建模的、能夠有效的刻畫系統(tǒng)狀態(tài)變化過程以及因果關系的模型。Petri網(wǎng)可以用N={P，T，F(xiàn)，X，W，M₀}來表示，其中P為庫所（place）的有限集，代表狀態(tài)元素;T為變遷的有限集，表示變化元素;F為有向弧，表示從庫所到變遷的有向關系;X為變遷觸發(fā)矢量，表明T集合中的變遷是否使能;W為庫所與變遷之間的關系，描述了有向弧的方向[9-12]，并且其關聯(lián)關系由下式表示：

其中Weight表示權值，（p，t）表示其有向弧為從變遷到庫所，反之為從庫所到變遷。

M₀為Petri網(wǎng)的初始標志。在Petri網(wǎng)中用M表示各個階段的狀態(tài)矩陣。另外，利用令牌（Token）來表示狀態(tài)過程的轉化和時序。Petri網(wǎng)的分析過程實際上就是令牌的轉移過程。

當保護與操作控制信息模型映射到Petri網(wǎng)時，Petri網(wǎng)中的庫所表示智能變電站二次系統(tǒng)的各節(jié)點包括鏈路、裝置、告警等，其狀態(tài)可以通過報文得知。

變遷表示的是狀態(tài)變化過程的過渡狀態(tài)，在信息流程圖中有許多無法從智能設備邏輯模型中獲取到狀態(tài)的描述可以在Petri網(wǎng)中的變遷來表示。

二次系統(tǒng)網(wǎng)絡鏈接狀態(tài)、設備狀態(tài)與變遷之間的有向關系映射為有向弧集F。庫所初始狀態(tài)M₀由報文中給出的二次系統(tǒng)網(wǎng)絡鏈接狀態(tài)、設備狀態(tài)為準。

由此可以將圖1的保護信息流程圖轉化為圖3的Petri網(wǎng)。

操作控制信息流程與保護信息流程的區(qū)別在于下發(fā)命令的一方從保護裝置變位測控裝置，且需要從站控層網(wǎng)絡開始進行信息流程描述。在此過程中保護裝置只作為位置信號的收端存在。根據(jù)圖2所示的操作控制信息流程圖得出圖4的操作控制流程Petri網(wǎng)模型。

保護與操作控制信息流程Petri網(wǎng)模型建立完成之后，可根據(jù)報文中的信息獲取相應庫所的初始狀態(tài)M₀以及變遷觸發(fā)矢量X的值進行分析。

3 正常狀態(tài)下的保護信息Petri網(wǎng)推理過程

Petri網(wǎng)的執(zhí)行是靠變遷的點燃來實現(xiàn)的。變遷的點燃標志著該變遷的輸入和輸出庫所狀態(tài)的變化[13-14]。在Petri網(wǎng)中用Token來表示庫所的狀態(tài)并在網(wǎng)圖中表示為圓圈當中的黑點，隨著變遷的點燃，Token的位置也將發(fā)生變化直至最終態(tài)。

變遷能否點燃由變遷觸發(fā)矢量X決定，觸發(fā)矢量X由當前Token值與變遷之間的關系決定的，若變遷所對應的X的值大于等于1，則變遷使能，反之則變遷關閉。

根據(jù)以上規(guī)則，可以得出分析步驟：

1）根據(jù)Petri網(wǎng)模型結構和設置的權重完成關聯(lián)矩陣W。

2）根據(jù)報文獲知相應庫所的初始狀態(tài)M₀=（m₁，m₂…m_n）。

3）根據(jù)變遷的輸入庫所的狀態(tài)判斷變遷是否使能。若變遷t_i的輸入庫所的狀態(tài)為m₁，m₂…m_n，則首先令G=m₁‖m₂‖…‖m_n，若G=1，則判定變遷t_i使能，且x_i=m₁+m₂+…+m_n。

4）根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)計算公式計算庫所狀態(tài)并完成 Token的轉移。系統(tǒng)狀態(tài)計算公式為：

M_i+1= M_i+XW^T（i≥0）（2）

5）當Token到達最后一個庫所時表示著Petri網(wǎng)狀態(tài)變化過程結束，所得到的W矩陣為最終各個庫所的最終狀態(tài)，根據(jù)W矩陣可以對系統(tǒng)是否故障以及故障位置進行分析得知。

以某220kV變電站220kV線路間隔為例進行保護與操作控制的算例分析。其二次系統(tǒng)拓撲結構如圖5所示。根據(jù)SCD文件對該間隔設備的描述以及其拓撲結構可以總結出在無告警的情況A相跳閘的功能關聯(lián)關系如表1所示。

結合其拓撲結構可知，A相跳閘保護信息流程圖及其Petri網(wǎng)模型與圖1、圖3相同。在無故障情況下庫所的初始狀態(tài)如下：

M₀=（1，1，1，0，1，1，0，0，1，0，1，0，0）（3）

而圖3的Petri網(wǎng)模型的關聯(lián)矩陣為：其中行為庫所P，列為變遷T，若庫所p_i（0<_i≤13）為變遷t_j（0

X=（x₁，x₂，…x_n）（5）

式中n為變遷的數(shù)量，而根據(jù)觸發(fā)矢量的計算公式分別對每一個元素的值進行計算：

g₁=m₁&m₂=1，x₁=1;

g₂=m₃&m₄&m₅=0，x₂=0;

g₃=m₈&m₉=0，x₃=0;（6）

g₄=m₆&m₇=0，x₄=0;

g₅=m₁₀&m₁₁&m₁₂=0，x₅=0;

因此有

X₀=（1，0，0，0，0）（7）

根據(jù)式（2）可以求得經(jīng)過第一次變遷之后庫所的狀態(tài)矢量為：

M₁=（0，0，1，1，1，1，0，0，1，0，1，0，0）（8）

此時Petri網(wǎng)的Token狀態(tài)如圖6所示，根據(jù)狀態(tài)M₁的值得到變遷觸發(fā)序列：

X₁=（0，1，0，0，0）（9）

得到狀態(tài)M₂為：

M₂=（0，0，0，0，0，1，1，1，1，0，1，0，0）（10）

Petri網(wǎng)的Token狀態(tài)變?yōu)閳D7：

依次求到變遷t₅并得到最后的狀態(tài)值為：

M₄=（0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1）（11）

且Token到達最終庫所P₁₂，保護功能成功。

4 基于Petri網(wǎng)模型的故障診斷

以鐵佛220kV智能變電站某一個220kV線路間隔為例，其二次設備拓撲結構如圖5所示，線路保護功能關聯(lián)信息與Petri網(wǎng)庫所與變遷名稱如表1所示。假設其保護裝置功能正常并在接收到一次線路暫態(tài)電流電壓后發(fā)送了跳閘令與啟失靈報文，并由相應的智能終端響應跳開了指定的斷路器，但是由于該智能終端故障，在完成跳閘操作后并沒有反饋位置給保護與測控裝置。

根據(jù)現(xiàn)象可以得知其初始狀態(tài)為：

M₀=（1，1，1，0，1，1，0，0，1，0，0，0，0）（12）

得到第一個變遷的觸發(fā)序列為：

X₀=（1，0，0，0，0）（13）

然后計算在第一個變遷觸發(fā)后得到的狀態(tài)為：

M₁=（0，0，1，1，1，1，0，0，1，0，1，0，0）

依次計算到

M₄=（0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，-1，0，1）其中P₁₃為1表示Token至噠了最終庫所。但P₁₁為-1代表智能終端出現(xiàn)故障使其未能上傳斷路器位置信息。

同樣以該間隔二次系統(tǒng)為例進行操作控制的故障診斷分析。假設發(fā)生了GOOSE鏈路中斷。

圖4所示的關系矩陣為：

由于P₇同時是兩個變遷的輸入，因此加權為1/2。且其初始狀態(tài)

M₀=（1，1，1，0，0，1，0，0，0，0，0）（15）

經(jīng)過計算的出：

M₄=（0，0，0，0，0，0，0，-1，1，0，0）（16）

其中P₈為-1表示GOOSE鏈路中斷導致下一個變遷無法激活，診斷結果為操作控制失敗。

5 二次設備功能的Petri網(wǎng)

從保護信息Petri網(wǎng)模型中可以看出，本文提出的方法雖然在故障診斷和定位中能夠精確到物理設備的故障點（斷鏈的大概位置或出現(xiàn)故障的設備）以及邏輯信息的缺失（報文缺少及其原因）。但如果是集成在保護裝置上的保護功能因為告警或其他影響導致保護功能閉鎖，則在該模型中只能得到“P₃為-1”，而無法得知使保護功能閉鎖的原因。

而根據(jù)SCD文件以及對廠家資料的整理，可以總結出決定保護功能投入或閉鎖的影響因子集合。以圖5所示的某220kV變電站線路間隔為例，可以將圖4所示的保護信息Petir網(wǎng)模型中的P3用Petrl子網(wǎng)代替，其子網(wǎng)模型如圖g所示。

圖g中所有的軟壓板，控制字以及告警狀態(tài)等信息均可以通過SCADA（supervisory control anddata acquisition數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）抓取并解析報文獲得，通過所形成的Petri網(wǎng)模型推導出保護功能所處狀態(tài)并對故障狀態(tài)下的邏輯故障點進行定位，精確故障定位的范圍。

6 結束語

通過對保護行為和操作控制中功能關聯(lián)關系的梳理以及實際情況的建模，完成了能夠對二次設備物理回路狀態(tài)進行診斷，并對邏輯設備功能信息缺失進行判別的Petri網(wǎng)模型。從報文中提取出各個庫所的初始狀態(tài)并選取合適的變遷觸發(fā)序列進行最終庫所的狀態(tài)計算。通過SCD以及廠家資料整理出對功能具有影響的數(shù)據(jù)對象，形成決定功能狀態(tài)的Petri子網(wǎng)，使得在進行故障診斷與定位時能夠精確到與故障相關的壓板、控制字或告警。實例證明本文提出的方法能夠準確對保護和操作控制過程中的故障進行診斷與定位。

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（編輯：譚玉龍）