基于BPMN的变电站辅助监控应急预案模型研究

杨 莎 ，黄树欣 ，陈 亮 ，杨世亭

（1.南瑞集团公司（国网电力科学研究院），南京 210032；2.国电南瑞科技股份有限公司，南京 211106；3.建投邢台热电有限公司，邢台 054000）

目前，变电站智能化发展对应急预案数字化、标准化提出了更高的要求。传统的应急处理机制实现了变电站辅助各子系统之间信息集成及与调度自动化系统信息共享，有效解决了多系统间的协同互动问题，一定程度上提高了运维人员对变电站事故的反应能力和处理能力[1-3]，但是存在方案决策没有充分考虑动态性、程序化控制联动预案处理方法模式简单、工程配置复用性移植性差、业务流程管理没有采用标准化设计方法、尚未形成一套完整标准统一的应急预案管理体系、分析过程复杂等问题。

应急预案是决策者通过分析故障发生后电网及变电站可能的薄弱环节及危险点，提出相应的控制和处理措施，目的是提供安全、高效处理事故的流程指导。针对以上问题，引入BPMN建模语言标准，对构建实时、高效、准确的应急管理体系，改变以往应急预案管理缺乏统一标准规范、数据支撑及响应较为滞后的状况具有非常重要的意义。

1 平台介绍

1.1 系统架构

变电站辅助综合监控系统属于电力系统自动化的范畴，在统一的监控平台上集成或互联SCADA系统、视频系统、门禁系统和各个辅助子系统等，各个子系统间的协同联动、信息共享在一定程度上实现了辅助决策、智能联动目的。变电站辅助综合监控系统服务部署如图1所示。平台具备成熟稳定的架构和数据采集功能、告警处理功能、脚本处理功能、驱动扩展能力、远程站点功能，同时支持C/S、B/S模式。

图1 变电站辅助综合监控系统服务部署Fig.1 Service deployment diagram of substation auxiliary integrated monitoring system

1.2 应急处理机制功能结构

应急预案功能模块从预案管理、决策管理2个方面进行设计，实现与自动化系统或电话、OA系统互联互通，具有较强的通用性、实用性。功能示意如图2所示。

图2 应急预案功能模块示意Fig.2 Emergency plan functional module schematic

2 BPMN2.0抽象组件建模

BPMN建模语言标准提供了丰富的建模图元，有助于在业务用户、流程设计与实施者之间沟通流程信息，具有丰富的属性，通过引入XML语言来描述业务流程间很多含糊不清的问题，流程越复杂，XML也越复杂，每个BPMN对象可以用XML语言来定义，流程模型可以在不同厂商的业务流程管理软件中运行并产生一致的结果。

BPMN2.0流对象主要包括Events事件，Activities业务活动，Gateways网关3类。

2.1 Event事件

事件根据对进程产生影响的时间不同，BPMN2.0提供3种通用Event事件：开始事件、中间事件和结束事件，符号示意如图3所示。

图3 通用Event事件示意Fig.3 Schematic of general Event

根据变电站辅助综合监控系统业务应用需求，总结出5类事件：

Msgevent有固定收发方的消息事件，可来源于具体服务，或来源于脚本，通过定义具体的消息通道及消息类型，预案推理服务采用订阅方式，触发相应联动动作。此种模式灵活、方便，提供了一种由具体服务或者操作员打开某联动的开关。

Timerevent定时触发事件，可应用于辅助系统中每天可按时间来操作的动作行为，例如智能变电站日常巡检需要在特定时间执行，时间触发方式完全满足设计需要。

Conditionevent条件触发事件，基于某些遥信点的变位，通过采集1个或多个子系统接口的触发点在系统内部进行逻辑运算，当满足预定义的逻辑结果时触发联动。

Multievent综合触发事件，通过对以上3种方式，采用“与”或者“或”等方式的有机组合，集成多种可能的触发事件。

Endevent结束事件。

2.2 Activities业务活动

原子模块活动类型Activities主要分2类：任务Task和过程Process。5种基本活动功能如表1所示。

表1 五种基本活动功能Tab.1 Five basic activities function

BPMN2.0业务活动在变电站辅助综合监控系统中的应用分析如下：

User Task人机交互界面，可接受用户输入指令业务类型，通过比较当前用户及操作用户的权限，选择执行不同任务。

Send Task主要的业务类型，联动预案的核心任务，集成各种辅助子系统及SCADA系统操作。目前给用户开放所有子系统的控制动作权限，如远程打开灯光、空调等遥控开出动作，打开视频预览、录像、抓图、打开门禁等，用户可根据需求选择相应业务来配置预案动作。

Receive Task接收消息任务，通过交互式订阅，发布方式，接收消息，此消息的来源不是唯一，可以是具体服务或者指定操作员发起。

Script Task通过运行脚本，模块化独立性强，目前支持 python，shell，lua 等方式。

Service Task通过服务程序自动化完成任务。

Sub Process子过程。用户可以把重复度高的相应流程，通过操作派生成模板下次直接调用操作即可。例如，变电站常出现的火灾告警联动预案的控制流程及业务逻辑几乎是一样的，只是Send Task控制的现场设备不一样，此时通过设计模板Sub Process，即可实现模型的复用。

2.3 Gateways网关

网关是决策点，它根据一些逻辑条件控制顺序流的汇聚和分支。如果说事件决定了联动的开始和结束，业务组成了联动的操作原子，那网关则决定了此联动预案的业务逻辑和控制流程。通过网关可以改变联动预案有向图的拓扑结构，达到实现联动的差异化及多样性。其中，Exclusive跳转，parallel并行区。网关模型符号示意如图4所示。

图4 网关模型符号示意Fig.4 Gateway model notation schematic diagram

3 应急预案模型设计

应急处理机制作为变电站辅助综合监控系统的核心处理模块，各个模块或者子系统间的协同互动开发过程完全采用程序接口调用方式实现，本文引入BPMN建模语言对模块与模块之间以及模块内部工作流进行设计，利用BPMN强大的建模功能，从设计、开发、管理、使用、维护等多方面对流程进行统一化、标准化设计[4-5]。

BPMN在体系结构中提供数据支撑的作用，如图5所示。

图5 BPMN2.0作用示意Fig.5 Function schematic diagram of BPMN2.0

3.1 预案管理

3.1.1 预案制定

预案知识库需依据事实现状不断更新、修正。在辅助监控平台上完成预案编制后必须经过不断修订、反事故演练、评估等步骤[6]，加强了预案的动态管理。以工作流模式动态管理预案，将预案的修订完善和演练工作制度化、标准化，通过演习与实战评价，总结经验，及时评价改进预案内容，增强预案的科学性、时效性和可操作性，使应急预案更加符合实际。

将文本预案结构化分解，利用BPMN设计预案制定过程，以BPMN服务链的流程化形式管理应急预案，通过对服务链的调整，快速整合服务流程，形成实际的清晰、方便的工作流程，如图6所示。

图6 利用BPMN设计预案制定过程Fig.6 Using BPMN to design the plan making process

3.1.2 预案知识库

预案知识库通过逻辑推理来实现其价值。在应急预案知识库的构建中，对大量实际预案和案例进行分析，针对特殊情形特殊处理，利用知识理解和推理的准确性，多专家参与，形成丰富的领域规则，完善各种情况的推理规则知识，使得推理规则更加完善，推理效果更加符合实际需要。

XML是一组用来创建描述数据的语法标签的规则集，面向数据，用于描述数据本身的性质和结构，同时能够描述数据之间的关系，还能够存储数据。BPMN2.0设计的流程图对应的XML文件为建立预案知识模型提供数据支撑，本文以XML为基础建立半结构化数据的预案知识库，将经常发生的各种事故告警信息与知识库中归纳的告警信号和应急预案建立关联关系，形成逐一事件推理判断关系。根据系统运行历史数据，建立知识结构，形成预案知识库，知识库包括：

知识索引每一个案例知识都形成面向元事件、事件和场景主要特征元素的索引。

事件可以是单一事件或综合事件，通用的几种预案触发方式包括 Msgevent，Timerevent，Conditionevent，Multievent等，一般紧急情况下的处理规程，如火灾、门禁闯入、越界等，都应该被定义为自动触发决策，有效提高了处理效率和速度。

预案记录有关事件的完整描述和事件处置联动预案操作规则及操作引导。

3.2 决策执行

3.2.1 预案启动

将告警信息按严重程度进行分类，默认分为一级：提示信息，二级：普通告警信息，三级：变位信息，四级：事故告警信息。传统辅助监控系统一般采用单事件报警或状态变位触发机制，此方式比较单一，只能解决简单逻辑触发，不能满足对综合事件、时间触发的要求。

BPMN2.0支持人工启动、定时启动、周期性启动、自定义条件启动、Web服务启动、邮件监测、文件目录监测等，本文应急预案流程启动事件类型归结为Msgevent消息事件、Timerevent定时触发事件、Conditonevent条件事件、Multievent综合事件等。在发生大面积、跨区域的应急事件时，不仅仅需要协调多部门、多业务的应急救援，而且还需要面对次生、衍生事件，即所谓的“综合事件”，例如，火灾告警和风速传感告警2个事件同时发生，此时，Multievent综合事件能够用来设计启动处理。

紧急情况下的预案规则，如火灾、停电、越界等，都应该被定义为自动触发方式，可以缩短应急响应时间，有效提高工作效率，自动触发机制实现预案的自动联动规则，实现了实时信息及时反馈。

3.2.2 逻辑推理

1）逻辑推理过程

逻辑推理模块负责预案知识规则的推理，其核心是推理服务。逻辑推理类似专家解决问题的思维方式。推理服务周期性的加载所有规则，一旦发现有条件触发，进行有效性识别、信号分检，过滤掉虚假、错误报警信息，向专家决策模块“求助”并发送专家决策模块相关触发事件，等待专家决策模块的决策结果，然后根据结果确定完整的应急方案并自动生成预案。

通过人机界面以“信息组团”形式提供给操作人员操作、处理流程建议，即操控预案，人员确认后直接进入决策执行界面，如图7所示。不同类型事故启动不同的联动预案，对于自动触发的联动预案规程执行过程，联动预案执行不需要人的参与，系统可自动执行联动动作，进行一系列的操作、处理；如果预案规程是非自动触发机制，则需要人为控制操作执行。

图7 “信息组团”预案界面Fig.7 “Information mission” plan interface

火灾告警预案联动组态方案如图8所示。该流程首先接收联动信息，然后联动执行服务将联动信息同步发送到相关辅助子系统，视频子系统首先向监控中心推送实时视频播放及大屏幕切换并转到火灾现场的预置位，值班人员远程对现场火灾主观评级并做出下一步决策，对不同严重等级采用不同的应急措施及抢救恢复措施等，并推告警窗和生成报告。

图8所示组态案例的逻辑流程，其触发方式是消息触发，当收到告警的消息时触发。第一个parallel并行区，并联了视频、预置位、电视墙、警铃警笛、门禁开等，以便于管理人员利用视频远程决策，第一个exclusive网关是第一个parallel并行区的汇合，只要有个条件到达就可以进行事故评级，第二个exclusive网关是根据严重程度执行不同分支，完成预设定的逻辑。最后串联一个Endevent表示结束，只有当所有的Endevent都完成，此联动才结束。

2）联动预案模板化

应急任务是任务执行的递归终结，不同的应急任务涉及不同的联动预案动作。传统方案是根据请求调用相应的联动预案脚本，脚本没有固定格式，预案脚本分析过程复杂，需要定制开发。

图8 火灾告警事故联动组态案例Fig.8 Case of fire alarm accident linkage configuration

告警事故或者故障处理流程，纳入自动化处理流程。首先，配置流程文件，然后部署文件，获取流程引擎，最后，启动流程等待。利用BPMN2.0的子过程元素设计XML格式预案处理流程模版，针对不同的事故设计不同的模版，以便于流程配置过程简单、方便。

3.2.3 专家决策

专家系统具备较强的知识获取和自动学习能力，通过学习和知识获取，进一步扩充和修改预案知识库中内容。通过改变、完善知识库的关联关系来提高专家系统的性能，同时满足预案动态管理理念。专家系统的问题求解过程通过知识库中的知识来模拟专家的思维方式。专家决策系统2个主要任务为

事件快速适配专家决策采用 “事件适配技术”提供快速适配功能，针对逻辑推理模块向自己“求助”问题的条件或已知信息，自动反复匹配知识库中的规则，得到最佳方案，并向逻辑推理模块提供适配结果。

综合事件分析在传统决策系统中一个或多个故障点的发生，往往伴随着次生、衍生的故障点发生，其中的特殊关系不是一个时序关系能体现的，还表现出量变到质变的关系，即几个影响较小的故障事件导致发生影响较大的故障事件，如图9所示。

图9 故障渐变图Fig.9 Malfunction gradient scheme

系统需解决事件组合判断的问题，设定一个时间窗口 t′［t0，t1］，分析 t′内若干影响较小的故障点逐次发生的过程，将有关联的事件并入“综合事件”，然后推断出某个重要故障事件从量变到质变的过程，利用蕴含式中未发生事件概率来表示监测告警信息，并及时完善、更新知识库，提高了专家的性能，并实现了预案的动态管理。

4 结语

变电站应急预案是关系到电力系统安全运行的重要保障措施。目前变电站智能化发展对应急预案数字化、标准化提出了更高的要求。本文以辅助综合监控系统为平台，引入BPMN建模标准，设计了一套完整、标准统一的应急预案模型，实现了应急预案的动态化、可视化、标准化管理，提升了工作流模型的标准化程度；模板复用及可移植，极大的提高了自动化建模的程度，并对于减少重复性建模，实现业务层与技术层的分离有着重要的意义，更为重要的是提供了为不同的工作流管理的互操作提供了可行的方法。

该系统目前运行稳定，大大提升了系统应对突发事件的能力，使得辅助综合监控系统处置变电站告警事故更加全面、高效、智能，为变电站安全运行提供了安全保障措施。

[1]赵东华.变电站智能辅助综合监控平台在智能变电站中的应用[J].山西电力，2014（5）：34-37.

[2]刘进进，吴旻，董小艳.基于变电站智能辅助控制系统应用研究[J].工业控制计算机，2013，26（6）：137.

[3]刘伟，李江林，杨恢宏，等.智能变电站智能告警与辅助决策的实现[J].电力系统保护与控制，2011，39（15）：146-150.

[4]罗华永，张敏杰，杨宁，等.基于BPMN2.0标准的电力系统业务流程管理平台[J].电力系统自动化，2012，36（18）：148-152.

[5]蔡章利，易树平，高庆萱.基于工作流模式的BPMN过程模型验证方法[J].计算机集成制造系统，2010，16（8）：1578-1586.

[6]巩思汉.基于工作流的应急预案管理系统的设计与实现[J].软件，2015，36（11）：89-91.