Petri网智能变电站保护控制故障诊断与定位方法研究

陈军 刘鑫 王利平 郑中 叶翔 任杰

摘要：针对传统故障诊断由于未考虑在智能变电站保护或控制故障过程中的信息关联而导致只能进行设备物理层面或通信链路故障诊断与定位等问题，文章对反应保护或控制功能的信息集合进行梳理，分别建立包含事件报文序列和物理设备状态等因素的保护与控制功能Petri模型与能够推理出设备各子功能状态的Petri子网，并通过网络报文获知故障时各信息状态，从而进行基于Petri网模型的保护与操作控制故障诊断与故障位置推理，其诊断与定位结果能够反映设备逻辑功能的缺陷。实例证明该方法在智能变电站保护与操作控制过程中的故障诊断与定位起到良好的效果。

关键词：智能变电站;Petri网;功能关联关系;故障定位

中图分类号：TM63 文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）10-0128-07

收稿日期：2018-12-01;收到修改稿日期：2019-01-28

基金项目：四川省科技计划支撑项目（5219991307X7）;四川省青年科技基金（2017TD0009）

作者简介：陈军（1971-），男，四川成都市人，高级工程师，硕士，主要研究方向为电力系统继电保护。

0 引言

作为电网系统的重要节点，变电站的智能化完成了全站信息化、设备智能化、通信平台网络化的技术要求[1-2]。相比于传统变电站，智能变电站具有更加清晰的二次系统结构，其发展为全站信息监测、故障诊断、一键式检修等智能分析系统提供了研发基础，結合不同的人工智能算法能够完成不同现场的不同技术要求。

由于智能变电站二次系统“三层两网”结构的划分，过程层信息需要通过间隔层设备“转达”给站控层[3]，如果其中出现链路中断或者装置告警等故障，会导致信息无法上送，影响系统以及运维人员的判断。文献[3]以IEC61850协议为基础，结合VALN、Subnet等网络技术的应用情况，对智能变电站各层网络翎允态、拓宁阵剖沟、网墓备凄口位置以及接口信自等进行系统组态与流程化管理，进而实现故障定位。文献[4]从SCD（substation configuration description整站配置文件）中获取过程层网络的虚回路和物理端口信息，通过拓扑搜索得到链路的通道节点集合并完成故障举证表并以此进行故障定位。但将SCD中定义的节点与实际变电站中的板卡、端口等一一对应是一个很大的工作量，且不具有通用性。文献[5]通过增加SCD文件扩展完成对虚链路与实际物理链路映射的描述并据此进行故障定位。文献[6]将二次系统保护回路化为Petri网模型，并以监控后台与网络分析仪所收到的信息为初始分析条件进行断链位置推理。

以上文献所提到的故障定位方法只针对物理链路是否断链或者是物理设备端口、板卡是否出现故障。智能变电站中，物理层的故障是能够通过告警信息或者现场状况进行推理而得知的，而逻辑层面的信息缺失、信息错误由于大量的报文、复杂的逻辑关系以及各个数据描述的专业定义难以快速准确的进行推理得知。因此，智能变电站需要一种能够对物理层设备链路以及逻辑层信息缺失、错误进行故障诊断的方法。

Petri网是一种能够描述系统元素异步并发操作的工作模型，可以从过程的角度描述系统内部的并行过程和逻辑关系[7]，用于智能变电站二次系统逻辑行为描述中，能够清晰形象的展现过程层网络信息流的全过程。本文提出了一种基于Petri网的智能变电站故障诊断与定位模型，结合智能变电站二次系统过程层在故障情况下的信息特点以及网络结构，完成能够对二次物理设备、链路通断以及逻辑设备进行故障诊断与定位的方法。

1 保护与控制故障信息分析

SCD文件中描述了定义在各个逻辑设备下的数据属性，以逻辑设备（logic device）、逻辑节点（logic node）、数据集（data set）以及数据模型属性等完成一个设备的信息建模。其信息交互方式和智能变电站二次系统结构使得一个事件的发生能够通过一个具有时序的报文集合来描述。例如，一个保护事件发生后，在监控后台和网络分析仪上能够看到的不仅仅是跳闸报文，还包括位置信息、启动失灵、采样值等。如果保护回路出现故障，还会出现包括链路告警，装置告警等报文。一个保护事件的发生不仅有本间隔内二次设备的信息交互，还有与其后备保护间隔的信息交互。因此，对一个保护过程的完整描述应该是本间隔所有保护相关的报文集合以及与后备保护间隔之间所有与该保护内容相关的报文集合。

对一个功能或事件的描述也是由一个有时间序列的报文集合反映的。其中任意一项的缺失都是非正常状态的体现。文献[8]将这种与功能或事件有关的报文之间的联系称之为功能关联关系，而这样的报文集合称为功能关联关系库。

结合实际保护链路以及智能变电站过程层回路可以得出保护功能的信息模型。以线路保护为例的保护信息流程见图1。

同理，遥控事件也可以通过具有功能关联关系的报文集合以及各节点状态来进行表示。遥控信息流程如图2所示。

图1、图2展示了正常状态下线路保护与控制功能执行后的信息流程。信息模型仅仅是对事件发生的过程进行一个定性的描述，无法进行定量的计算和严密的推理。为了方便对信息模型进行数学建模和定量分析，本文将信息模型映射到Petri网模型中进行故障诊断与定位。

2 基于Petri网的保护与操作控制模型

Petri网是由德国物理学家Carl Adam Petri提出的使用网络状结构进行离散时间动态建模的、能够有效的刻画系统状态变化过程以及因果关系的模型。Petri网可以用N={P，T，F，X，W，M₀}来表示，其中P为库所（place）的有限集，代表状态元素;T为变迁的有限集，表示变化元素;F为有向弧，表示从库所到变迁的有向关系;X为变迁触发矢量，表明T集合中的变迁是否使能;W为库所与变迁之间的关系，描述了有向弧的方向[9-12]，并且其关联关系由下式表示：

其中Weight表示权值，（p，t）表示其有向弧为从变迁到库所，反之为从库所到变迁。

M₀为Petri网的初始标志。在Petri网中用M表示各个阶段的状态矩阵。另外，利用令牌（Token）来表示状态过程的转化和时序。Petri网的分析过程实际上就是令牌的转移过程。

当保护与操作控制信息模型映射到Petri网时，Petri网中的库所表示智能变电站二次系统的各节点包括链路、装置、告警等，其状态可以通过报文得知。

变迁表示的是状态变化过程的过渡状态，在信息流程图中有许多无法从智能设备逻辑模型中获取到状态的描述可以在Petri网中的变迁来表示。

二次系统网络链接状态、设备状态与变迁之间的有向关系映射为有向弧集F。库所初始状态M₀由报文中给出的二次系统网络链接状态、设备状态为准。

由此可以将图1的保护信息流程图转化为图3的Petri网。

操作控制信息流程与保护信息流程的区别在于下发命令的一方从保护装置变位测控装置，且需要从站控层网络开始进行信息流程描述。在此过程中保护装置只作为位置信号的收端存在。根据图2所示的操作控制信息流程图得出图4的操作控制流程Petri网模型。

保护与操作控制信息流程Petri网模型建立完成之后，可根据报文中的信息获取相应库所的初始状态M₀以及变迁触发矢量X的值进行分析。

3 正常狀态下的保护信息Petri网推理过程

Petri网的执行是靠变迁的点燃来实现的。变迁的点燃标志着该变迁的输入和输出库所状态的变化[13-14]。在Petri网中用Token来表示库所的状态并在网图中表示为圆圈当中的黑点，随着变迁的点燃，Token的位置也将发生变化直至最终态。

变迁能否点燃由变迁触发矢量X决定，触发矢量X由当前Token值与变迁之间的关系决定的，若变迁所对应的X的值大于等于1，则变迁使能，反之则变迁关闭。

根据以上规则，可以得出分析步骤：

1）根据Petri网模型结构和设置的权重完成关联矩阵W。

2）根据报文获知相应库所的初始状态M₀=（m₁，m₂…m_n）。

3）根据变迁的输入库所的状态判断变迁是否使能。若变迁t_i的输入库所的状态为m₁，m₂…m_n，则首先令G=m₁‖m₂‖…‖m_n，若G=1，则判定变迁t_i使能，且x_i=m₁+m₂+…+m_n。

4）根据系统状态计算公式计算库所状态并完成 Token的转移。系统状态计算公式为：

M_i+1= M_i+XW^T（i≥0）（2）

5）当Token到达最后一个库所时表示着Petri网状态变化过程结束，所得到的W矩阵为最终各个库所的最终状态，根据W矩阵可以对系统是否故障以及故障位置进行分析得知。

以某220kV变电站220kV线路间隔为例进行保护与操作控制的算例分析。其二次系统拓扑结构如图5所示。根据SCD文件对该间隔设备的描述以及其拓扑结构可以总结出在无告警的情况A相跳闸的功能关联关系如表1所示。

结合其拓扑结构可知，A相跳闸保护信息流程图及其Petri网模型与图1、图3相同。在无故障情况下库所的初始状态如下：

M₀=（1，1，1，0，1，1，0，0，1，0，1，0，0）（3）

而图3的Petri网模型的关联矩阵为：其中行为库所P，列为变迁T，若库所p_i（0<_i≤13）为变迁t_j（0

X=（x₁，x₂，…x_n）（5）

式中n为变迁的数量，而根据触发矢量的计算公式分别对每一个元素的值进行计算：

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）

根据式（2）可以求得经过第一次变迁之后库所的状态矢量为：

M₁=（0，0，1，1，1，1，0，0，1，0，1，0，0）（8）

此时Petri网的Token状态如图6所示，根据状态M₁的值得到变迁触发序列：

X₁=（0，1，0，0，0）（9）

得到状态M₂为：

M₂=（0，0，0，0，0，1，1，1，1，0，1，0，0）（10）

Petri网的Token状态变为图7：

依次求到变迁t₅并得到最后的状态值为：

M₄=（0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，1）（11）

且Token到达最终库所P₁₂，保护功能成功。

4 基于Petri网模型的故障诊断

以铁佛220kV智能变电站某一个220kV线路间隔为例，其二次设备拓扑结构如图5所示，线路保护功能关联信息与Petri网库所与变迁名称如表1所示。假设其保护装置功能正常并在接收到一次线路暂态电流电压后发送了跳闸令与启失灵报文，并由相应的智能终端响应跳开了指定的断路器，但是由于该智能终端故障，在完成跳闸操作后并没有反馈位置给保护与测控装置。

根据现象可以得知其初始状态为：

M₀=（1，1，1，0，1，1，0，0，1，0，0，0，0）（12）

得到第一个变迁的触发序列为：

X₀=（1，0，0，0，0）（13）

然后计算在第一个变迁触发后得到的状态为：

M₁=（0，0，1，1，1，1，0，0，1，0，1，0，0）

依次计算到

M₄=（0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，-1，0，1）其中P₁₃为1表示Token至哒了最终库所。但P₁₁为-1代表智能终端出现故障使其未能上传断路器位置信息。

同样以该间隔二次系统为例进行操作控制的故障诊断分析。假设发生了GOOSE链路中断。

图4所示的关系矩阵为：

由于P₇同时是两个变迁的输入，因此加权为1/2。且其初始状态

M₀=（1，1，1，0，0，1，0，0，0，0，0）（15）

经过计算的出：

M₄=（0，0，0，0，0，0，0，-1，1，0，0）（16）

其中P₈为-1表示GOOSE链路中断导致下一个变迁无法激活，诊断结果为操作控制失败。

5 二次设备功能的Petri网

从保护信息Petri网模型中可以看出，本文提出的方法虽然在故障诊断和定位中能够精确到物理设备的故障点（断链的大概位置或出现故障的设备）以及逻辑信息的缺失（报文缺少及其原因）。但如果是集成在保护装置上的保护功能因为告警或其他影响导致保护功能闭锁，则在该模型中只能得到“P₃为-1”，而无法得知使保护功能闭锁的原因。

而根据SCD文件以及对厂家资料的整理，可以总结出决定保护功能投入或闭锁的影响因子集合。以图5所示的某220kV变电站线路间隔为例，可以将图4所示的保护信息Petir网模型中的P3用Petrl子网代替，其子网模型如图g所示。

图g中所有的软压板，控制字以及告警状态等信息均可以通过SCADA（supervisory control anddata acquisition数据采集与监视控制系统）抓取并解析报文获得，通过所形成的Petri网模型推导出保护功能所处状态并对故障状态下的逻辑故障点进行定位，精确故障定位的范围。

6 结束语

通过对保护行为和操作控制中功能关联关系的梳理以及实际情况的建模，完成了能够对二次设备物理回路状态进行诊断，并对逻辑设备功能信息缺失进行判别的Petri网模型。从报文中提取出各个库所的初始状态并选取合适的变迁触发序列进行最终库所的状态计算。通过SCD以及厂家资料整理出对功能具有影响的数据对象，形成决定功能状态的Petri子网，使得在进行故障诊断与定位时能够精确到与故障相关的压板、控制字或告警。实例证明本文提出的方法能够准确对保护和操作控制过程中的故障进行诊断与定位。

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（编辑：谭玉龙）