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(hù)或控制故障過程中的信息關(guān)聯(lián)而導(dǎo)致只能進(jìn)行設(shè)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(yīng)保護(hù)或控制功能的信息集合進(jìn)行梳理，分別建立包含事件報文序列和物理設(shè)備狀態(tài)等因素的保護(hù)與控制功能Petri模型與能夠推理出設(shè)備各子功能狀態(tài)的Petri子網(wǎng)，并通過網(wǎng)絡(luò)報文獲知故障時各信息狀態(tài)，從而進(jìn)行基于Petri網(wǎng)模型的保護(hù)與操作控制故障診斷與故障位置推理，其診斷與定位結(jié)果能夠反映設(shè)備邏輯功能的缺陷。實(shí)例證明該方法在智能變電站保護(hù)與操作控制過程中的故障診斷與定位起到良好的效果。

關(guān)鍵詞：智能變電站;Petri網(wǎng);功能關(guān)聯(lián)關(guān)系;故障定位

中圖分類號：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàng)目：四川省科技計(jì)劃支撐項(xiàng)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?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。

0 引言

作為電網(wǎng)系統(tǒng)的重要節(jié)點(diǎn)，變電站的智能化完成了全站信息化、設(shè)備智能化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化的技術(shù)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(jié)構(gòu)，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(chǔ)，結(jié)合不同的人工智能算法能夠完成不同現(xiàn)場的不同技術(shù)要求。

由于智能變電站二次系統(tǒng)“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)的劃分，過程層信息需要通過間隔層設(shè)備“轉(zhuǎn)達(dá)”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(dǎo)致信息無法上送，影響系統(tǒng)以及運(yùn)維人員的判斷。文獻(xiàn)[3]以IEC61850協(xié)議為基礎(chǔ)，結(jié)合VALN、Subnet等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用情況，對智能變電站各層網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)與流程化管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障定位。文獻(xiàn)[4]從SCD（substation configuration description整站配置文件）中獲取過程層網(wǎng)絡(luò)的虛回路和物理端口信息，通過拓?fù)渌阉鞯玫芥溌返耐ǖ拦?jié)點(diǎn)集合并完成故障舉證表并以此進(jìn)行故障定位。但將SCD中定義的節(jié)點(diǎn)與實(shí)際變電站中的板卡、端口等一一對應(yīng)是一個很大的工作量，且不具有通用性。文獻(xiàn)[5]通過增加SCD文件擴(kuò)展完成對虛鏈路與實(shí)際物理鏈路映射的描述并據(jù)此進(jìn)行故障定位。文獻(xiàn)[6]將二次系統(tǒng)保護(hù)回路化為Petri網(wǎng)模型，并以監(jiān)控后臺與網(wǎng)絡(luò)分析儀所收到的信息為初始分析條件進(jìn)行斷鏈位置推理。

以上文獻(xiàn)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(shè)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(jìn)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(fù)雜的邏輯關(guān)系以及各個數(shù)據(jù)描述的專業(yè)定義難以快速準(zhǔn)確的進(jìn)行推理得知。因此，智能變電站需要一種能夠?qū)ξ锢韺釉O(shè)備鏈路以及邏輯層信息缺失、錯誤進(jìn)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(nèi)部的并行過程和邏輯關(guān)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(luò)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(jié)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(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，完成能夠?qū)Χ挝锢碓O(shè)備、鏈路通斷以及邏輯設(shè)備進(jìn)行故障診斷與定位的方法。

1 保護(hù)與控制故障信息分析

SCD文件中描述了定義在各個邏輯設(shè)備下的數(shù)據(jù)屬性，以邏輯設(shè)備（logic device）、邏輯節(jié)點(diǎn)（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(shè)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(jié)構(gòu)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(hù)事件發(fā)生后，在監(jiān)控后臺和網(wǎng)絡(luò)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(hù)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(hù)事件的發(fā)生不僅有本間隔內(nèi)二次設(shè)備的信息交互，還有與其后備保護(hù)間隔的信息交互。因此，對一個保護(hù)過程的完整描述應(yīng)該是本間隔所有保護(hù)相關(guān)的報文集合以及與后備保護(hù)間隔之間所有與該保護(hù)內(nèi)容相關(guān)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(xiàng)的缺失都是非正常狀態(tài)的體現(xiàn)。文獻(xiàn)[8]將這種與功能或事件有關(guān)的報文之間的聯(lián)系稱之為功能關(guān)聯(lián)關(guān)系，而這樣的報文集合稱為功能關(guān)聯(lián)關(guān)系庫。

結(jié)合實(shí)際保護(hù)鏈路以及智能變電站過程層回路可以得出保護(hù)功能的信息模型。以線路保護(hù)為例的保護(hù)信息流程見圖1。

同理，遙控事件也可以通過具有功能關(guān)聯(lián)關(guān)系的報文集合以及各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)來進(jìn)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(hù)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(jìn)行一個定性的描述，無法進(jìn)行定量的計(jì)算和嚴(yán)密的推理。為了方便對信息模型進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和定量分析，本文將信息模型映射到Petri網(wǎng)模型中進(jìn)行故障診斷與定位。

2 基于Petri網(wǎng)的保護(hù)與操作控制模型

Petri網(wǎng)是由德國物理學(xué)家Carl Adam Petri提出的使用網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)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(guān)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(guān)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(guān)系，描述了有向弧的方向[9-12]，并且其關(guān)聯(lián)關(guān)系由下式表示：

其中Weight表示權(quán)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(biāo)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(zhuǎn)化和時序。Petri網(wǎng)的分析過程實(shí)際上就是令牌的轉(zhuǎn)移過程。

當(dāng)保護(hù)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(diǎn)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(shè)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(luò)鏈接狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)與變遷之間的有向關(guān)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(luò)鏈接狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)為準(zhǔn)。

由此可以將圖1的保護(hù)信息流程圖轉(zhuǎn)化為圖3的Petri網(wǎng)。

操作控制信息流程與保護(hù)信息流程的區(qū)別在于下發(fā)命令的一方從保護(hù)裝置變位測控裝置，且需要從站控層網(wǎng)絡(luò)開始進(jìn)行信息流程描述。在此過程中保護(hù)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(hù)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(yīng)庫所的初始狀態(tài)M₀以及變遷觸發(fā)矢量X的值進(jìn)行分析。

3 正常狀態(tài)下的保護(hù)信息Petri網(wǎng)推理過程

Petri網(wǎng)的執(zhí)行是靠變遷的點(diǎn)燃來實(shí)現(xiàn)的。變遷的點(diǎn)燃標(biāo)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(dāng)中的黑點(diǎn)，隨著變遷的點(diǎn)燃，Token的位置也將發(fā)生變化直至最終態(tài)。

變遷能否點(diǎn)燃由變遷觸發(fā)矢量X決定，觸發(fā)矢量X由當(dāng)前Token值與變遷之間的關(guān)系決定的，若變遷所對應(yīng)的X的值大于等于1，則變遷使能，反之則變遷關(guān)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(jié)構(gòu)和設(shè)置的權(quán)重完成關(guān)聯(lián)矩陣W。

2）根據(jù)報文獲知相應(yīng)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(jì)算公式計(jì)算庫所狀態(tài)并完成 Token的轉(zhuǎn)移。系統(tǒng)狀態(tài)計(jì)算公式為：

M_i+1= M_i+XW^T（i≥0）（2）

5）當(dāng)Token到達(dá)最后一個庫所時表示著Petri網(wǎng)狀態(tài)變化過程結(jié)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(jìn)行分析得知。

以某220kV變電站220kV線路間隔為例進(jìn)行保護(hù)與操作控制的算例分析。其二次系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。根據(jù)SCD文件對該間隔設(shè)備的描述以及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以總結(jié)出在無告警的情況A相跳閘的功能關(guān)聯(lián)關(guān)系如表1所示。

結(jié)合其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，A相跳閘保護(hù)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(guān)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(jì)算公式分別對每一個元素的值進(jìn)行計(jì)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(dá)最終庫所P₁₂，保護(hù)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(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，線路保護(hù)功能關(guān)聯(lián)信息與Petri網(wǎng)庫所與變遷名稱如表1所示。假設(shè)其保護(hù)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(yīng)的智能終端響應(yīng)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(hù)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(jì)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(jì)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(jìn)行操作控制的故障診斷分析。假設(shè)發(fā)生了GOOSE鏈路中斷。

圖4所示的關(guān)系矩陣為：

由于P₇同時是兩個變遷的輸入，因此加權(quán)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(jì)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(dǎo)致下一個變遷無法激活，診斷結(jié)果為操作控制失敗。

5 二次設(shè)備功能的Petri網(wǎng)

從保護(hù)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(shè)備的故障點(diǎn)（斷鏈的大概位置或出現(xiàn)故障的設(shè)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(hù)裝置上的保護(hù)功能因?yàn)楦婢蚱渌绊憣?dǎo)致保護(hù)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(hù)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(jié)出決定保護(hù)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(hù)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(dǎo)出保護(hù)功能所處狀態(tài)并對故障狀態(tài)下的邏輯故障點(diǎn)進(jìn)行定位，精確故障定位的范圍。

6 結(jié)束語

通過對保護(hù)行為和操作控制中功能關(guān)聯(lián)關(guān)系的梳理以及實(shí)際情況的建模，完成了能夠?qū)Χ卧O(shè)備物理回路狀態(tài)進(jìn)行診斷，并對邏輯設(shè)備功能信息缺失進(jìn)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(jìn)行最終庫所的狀態(tài)計(jì)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(jìn)行故障診斷與定位時能夠精確到與故障相關(guān)的壓板、控制字或告警。實(shí)例證明本文提出的方法能夠準(zhǔn)確對保護(hù)和操作控制過程中的故障進(jìn)行診斷與定位。

參考文獻(xiàn)

[1]梁俊斌，張煒，鄧雨榮，等.智能化變電站監(jiān)測數(shù)據(jù)現(xiàn)場并行處理技術(shù)研究[J].電力建設(shè)，2013，34（2）：35-40.

[2]徐長寶，莊晨，蔣宏圖.智能變電站二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43（7）：127-131.

[3]伊洋，劉育權(quán)，陳宇強(qiáng)，等.基于信息綜合判斷的智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信故障定位技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2016，44（3）：135-140.

[4]高磊，楊毅，劉玙，等.基于舉證表的智能變電站過程層通道故障定位方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2015，39（4）：147-151.

[5]王彥，李進(jìn)，李敏，等.智能變電站虛實(shí)回路映射及故障定位方法[J].電力大數(shù)據(jù)，2017，20（12）：74-79.

[6]周紅陽，黃佳胤，張弛，等.基于Petri網(wǎng)的智能變電站GOOSE回路故障診斷[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2017，11（6）：49-56.

[7]鄧?yán)?基于Petri網(wǎng)的安全工作流管理系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2004.

[8]羅漪瀾.面向智能變電站的運(yùn)行狀態(tài)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2017.

[9]李振興，孟曉星，王玲，等.基于Petri網(wǎng)的含DG配電網(wǎng)區(qū)域故障定位新方法[J].電網(wǎng)與清潔能源，2018，34（2）：1-8，16.

[10]趙洪山，米增強(qiáng)，楊奇遜.基于冗余嵌入Petri網(wǎng)技術(shù)的變電站故障診斷[J].電力系統(tǒng)自動化，2002（4）：32-35.

[11]時誼，佘維，張丹，等.基于有色Petri網(wǎng)的變電站監(jiān)控數(shù)據(jù)版本控制建模與研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42（4）：98-104.

[12]章璨.Petri網(wǎng)結(jié)合粗糙集的變電站故障診斷方法的研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2015.

[13]謝晉.基于Petri網(wǎng)的廣義互斥約束轉(zhuǎn)換算法研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2017.

[14]張磊.基于FPN推理的多Agent網(wǎng)絡(luò)故障診斷系統(tǒng)模型的研究lD].長沙：長沙理工大學(xué)，2008.

（編輯：譚玉龍）