基于Petri網(wǎng)的調(diào)控一體化智能防誤系統(tǒng)的建模

于杰，陳秋臨，呂鑫，夏敏燕

（國網(wǎng)浙江省電力公司臺(tái)州供電公司，浙江臺(tái)州318000）

基于Petri網(wǎng)的調(diào)控一體化智能防誤系統(tǒng)的建模

于杰，陳秋臨，呂鑫，夏敏燕

（國網(wǎng)浙江省電力公司臺(tái)州供電公司，浙江臺(tái)州318000）

電氣裝置的防誤閉鎖是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。利用Petri網(wǎng)建模具有直觀性、邏輯嚴(yán)密性的特點(diǎn)，可將其用于電網(wǎng)防誤閉鎖系統(tǒng)的建模。著重研究了防誤系統(tǒng)的建模方法和主要算法，分析了防誤閉鎖功能的實(shí)現(xiàn)過程，并給出電網(wǎng)運(yùn)行方式變化時(shí)模型的快速修正方法。算例結(jié)果表明，Petri網(wǎng)是一種有效的防誤閉鎖建模工具。

Petri網(wǎng)；調(diào)控一體化；智能；防誤系統(tǒng)

0 引言

電氣設(shè)備的防誤操作是電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要屏障。隨著調(diào)控一體化模式的廣泛應(yīng)用，開發(fā)與該模式相適應(yīng)的防誤系統(tǒng)已成為迫在眉睫的工作。

從原理上看，傳統(tǒng)的防誤系統(tǒng)是通過間隔內(nèi)或間隔間的閉鎖邏輯來實(shí)現(xiàn)的[1]，存在無法判斷誤拉、誤合開關(guān)對系統(tǒng)影響的問題，無法實(shí)現(xiàn)廠站間設(shè)備的相互配合。防誤閉鎖邏輯基于人工定義，擴(kuò)展性、重用性、維護(hù)性均較差，難以滿足電網(wǎng)發(fā)展的要求。在調(diào)控一體化模式下，與其相適應(yīng)的SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）能夠全景化、一體式、實(shí)時(shí)性的掌握電網(wǎng)中一二次設(shè)備的歷史狀態(tài)、實(shí)時(shí)狀態(tài)。因此，調(diào)控一體化的防誤系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)間隔內(nèi)、間隔間“站控級(jí)”的防誤閉鎖，同時(shí)也能通過對整個(gè)電網(wǎng)的拓?fù)浞治?、?shí)時(shí)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)廠站間“網(wǎng)控級(jí)”的防誤閉鎖。

對電網(wǎng)遙控操作過程中的智能防誤問題，文獻(xiàn)[2]中提出通過基于電網(wǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)分析的約束檢查機(jī)制，實(shí)現(xiàn)綜合性電網(wǎng)調(diào)度/集控操作防誤操作，但其約束機(jī)制采用人工定義，在調(diào)控一體化模式下，面臨電網(wǎng)設(shè)備數(shù)量龐大、運(yùn)行方式變化頻繁等問題，會(huì)陷入難以維護(hù)的境地。文獻(xiàn)[3]中提出調(diào)控一體化下基于電氣狀態(tài)判斷的智能防誤，解決了人工定義操作邏輯的防誤方式維護(hù)量巨大的問題，但該方法主要針對間隔與間隔的相互邏輯閉鎖，未考慮不同廠站間的配合。

Petri網(wǎng)[4]作為一種多抽象層次、多用途的通用網(wǎng)絡(luò)，因具有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、直觀的模型描述、較強(qiáng)的模型可實(shí)現(xiàn)性，在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]介紹了Petri網(wǎng)在電力系統(tǒng)故障恢復(fù)中的應(yīng)用，文獻(xiàn)[6]將其引入電力系統(tǒng)建模，文獻(xiàn)[7-8]中將其用于電力系統(tǒng)故障分析，均收到良好的效果?；诖?，將Petri網(wǎng)引入調(diào)控一體化電網(wǎng)防誤裝置建模，利用SCADA系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、全景化的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)控級(jí)”防誤操作，并提出在電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)的快速修正方法，有效提高防誤系統(tǒng)可維護(hù)性。

1 Petri網(wǎng)

1.1 Petri網(wǎng)的定義

Petri網(wǎng)的本質(zhì)是一種特殊的有向圖，其建模的優(yōu)勢在于圖形描述的直觀性和數(shù)學(xué)邏輯的嚴(yán)謹(jǐn)性，能較好地處理并發(fā)、異步、沖突等關(guān)系。在Petri網(wǎng)中，庫所P記錄構(gòu)成系統(tǒng)的個(gè)體及系統(tǒng)本身的狀態(tài)，庫所可以被賦予若干個(gè)標(biāo)記，稱為“托肯”（Token），它代表著系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，變遷T代表引起反應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)變化的事件，弧F描述狀態(tài)與操作之間的聯(lián)系。將其用于電網(wǎng)防誤模型中，能方便靈活地描述電網(wǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)與電網(wǎng)操作時(shí)引起的系統(tǒng)運(yùn)行方式變化之間的聯(lián)系。

定義1：Petri網(wǎng)可以描述為這樣一個(gè)5元組：

式中：P={p1，p2，…，pn}為有限的庫所集；T={t1，t2，…，tm}為有限的變遷集；庫所集與變遷集不相交，即P∩T=Φ。F1?P×T∪T×P為基本弧集；F2?P×T為禁止弧集，F(xiàn)1∩F2=Φ；M∶P→{-1，0，1}標(biāo)示各庫所的托肯狀態(tài)，它為一列向量，M=[m（p1），m（p2），…，m（pn）]T；m（pi）為命題pi的標(biāo)示，m（pi）=1，pi中有托肯，m（pi）=0，pi中無托肯，m（pi）=-1，不確定。

1.2 Petri網(wǎng)的知識(shí)推理

根據(jù)Petri網(wǎng)的定義，可通過數(shù)學(xué)表達(dá)式描述變遷發(fā)生過程并進(jìn)行推理計(jì)算。

定義3：若p∈P，且·p=Φ，則p為輸入庫所。

定義4：Petri網(wǎng)變遷t的使能條件為：在標(biāo)示M下，對于所有屬于變遷t輸入集的庫所，基本弧F1的輸入庫所標(biāo)示為1，禁止弧F2的輸入庫所均為0，如圖1所示。

圖1 基本控制系統(tǒng)的Petri網(wǎng)表示

2 Petri網(wǎng)建模及快速修正

2.1 Petri網(wǎng)的防誤模型

根據(jù)電力系統(tǒng)操作5防規(guī)則：防止誤拉、誤合開關(guān)，防止帶負(fù)荷誤拉、誤合隔離開關(guān)，防止帶接地線合閘，防止帶電合接地隔離開關(guān)，防止誤入帶電間隔[9]。通過Petri網(wǎng)建模可以將5防規(guī)則封裝到開關(guān)操作中去，通過系統(tǒng)的閉鎖來避免人為因素產(chǎn)生的誤操作，提高電力系統(tǒng)的安全性。

以主變壓器（簡稱主變）停役操作的閉鎖邏輯為例，在圖2所示某220 kV降壓變電站中，1號(hào)、2號(hào)主變高、中、低壓側(cè)并列運(yùn)行。在停役主變時(shí)，除考慮操作對電網(wǎng)潮流變化等影響外，還應(yīng)考慮開關(guān)操作的順序。如圖中1號(hào)主變停役操作，在正常情況下，應(yīng)先拉開中、低壓側(cè)開關(guān)CBL1與CBM1，再拉開高壓側(cè)開關(guān)CBH1，防止中低壓側(cè)向高壓側(cè)反充電，導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)；在緊急情況下，若主變中、低壓側(cè)分列，可直接拉開主變高壓側(cè)開關(guān)CBH1，使主變停役；若主變中、低壓側(cè)并列運(yùn)行時(shí)，拉開主變高壓側(cè)開關(guān)CBH1則為誤操作，需對該操作進(jìn)行閉鎖。

圖2 某220 kV變電站主接線

將以上防誤規(guī)則用形象化、易于理解的圖形描述，對應(yīng)圖2變電站的Petri網(wǎng)模型如圖3所示。為簡化模型，僅涉及開關(guān)操作的順序。圖中庫所P分別對應(yīng)CBH1與CBM1等開關(guān)的狀態(tài)，庫所P中有Token表示開關(guān)處于合閘位置，開關(guān)分閘位置對應(yīng)的庫所P中無Token。

2.2 防誤模型的快速修正

電網(wǎng)運(yùn)行方式的變化會(huì)引起防誤邏輯的變化，電網(wǎng)防誤系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對防誤模型的快速修正，以滿足各種電網(wǎng)拓?fù)渥兓男枨蟆?/p>

如圖3所示，防誤閉鎖系統(tǒng)在不經(jīng)任何修正的情況下，就能實(shí)現(xiàn)對正常的主變并聯(lián)、分列運(yùn)行狀態(tài)的閉鎖邏輯。除正常的運(yùn)行方式外，防誤閉鎖系統(tǒng)還需要面對電網(wǎng)檢修、設(shè)備異常等特殊運(yùn)行方式。如圖2所示中，若某電壓等級(jí)的1條母線檢修，1號(hào)、2號(hào)主變將倒至同一母線單母運(yùn)行。此時(shí)，將該電壓等級(jí)的母聯(lián)開關(guān)CBx對應(yīng)庫所的Token恒置為1，滿足電網(wǎng)運(yùn)行方式變化的需求。

若圖3所示中增加1臺(tái)主變，此時(shí)，相當(dāng)于在判斷2臺(tái)變壓器是否并列的變遷P9與T10處再增加1個(gè)并聯(lián)支路，如圖4所示。CBM3為增加的主變對應(yīng)的某側(cè)開關(guān)編號(hào)，其余方向的Petri網(wǎng)模型不變。

圖3 主變操作規(guī)則的Petri網(wǎng)模型

圖4 添加的Petri網(wǎng)子模型

將添加的子模型與其他防誤Petri網(wǎng)模型組合為新的防誤規(guī)則模型，其他方向的Petri網(wǎng)模型不變。在計(jì)算時(shí)保留未增加支路前的計(jì)算結(jié)果，再與增加支路后的結(jié)果進(jìn)行融合即可滿足防誤規(guī)則修正的要求，這樣就可方便地完成防誤模型的快速修正，大大減小了建模復(fù)雜程度。

3 防誤模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法流程

3.1 防誤模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Petri網(wǎng)模型的優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)學(xué)邏輯的嚴(yán)密性，將防誤規(guī)則用關(guān)聯(lián)矩陣的形式描述，通過矩陣的運(yùn)算即可實(shí)現(xiàn)防誤規(guī)則的推理。定義以下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

庫所：包括庫所名p_id、標(biāo)識(shí)p_token、初值init_value、輸出值output_value。

變遷：包括變遷名t_id、發(fā)生標(biāo)志t_active。

輸入矩陣：A=[aij]m×n描述變遷與輸入庫所之間的關(guān)系，m為庫所數(shù)，n為變遷數(shù)。

輸出矩陣：輸出矩陣B=[bij]m×n描述變遷與輸入庫所之間的關(guān)系，m為庫所數(shù)，n為變遷數(shù)。

圖3對應(yīng)的輸入關(guān)聯(lián)矩陣A與輸出關(guān)聯(lián)矩陣B分別如下：

3.2 防誤模型的遍歷算法

在Pctri網(wǎng)中如果有1個(gè)變遷是激活的，觸發(fā)就可以繼續(xù)下去,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中沒有變遷可以觸發(fā)時(shí)，Petri網(wǎng)運(yùn)行停止，進(jìn)入了最終穩(wěn)定狀態(tài)。借助拓?fù)渑判虻幕舅枷?，可以?shí)現(xiàn)基于Petri網(wǎng)防誤模型的推理過程。具體算法流程如圖5所示。

3.3 算例

表1 防誤閉鎖系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖5 Petri網(wǎng)防誤模型的算法流程

為模擬防誤閉鎖系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程，通過C++對防誤模型進(jìn)行仿真。在初始標(biāo)示集中，若庫所有托肯，該庫所標(biāo)示置為1，若庫所無托肯，該庫所標(biāo)示置為0，其余庫所標(biāo)示為-1。仿真結(jié)果如表1所示。

由表1可見，Petri網(wǎng)能夠識(shí)別不同的運(yùn)行方式，并根據(jù)運(yùn)行方式給出不同的運(yùn)行結(jié)果，靈活地實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)防誤閉鎖。

4 結(jié)語

根據(jù)Petri網(wǎng)嚴(yán)謹(jǐn)、直觀的建模特點(diǎn)，以某變電站的主變停役操作為例，應(yīng)用Petri網(wǎng)進(jìn)行防誤閉鎖系統(tǒng)的建模，討論了在電網(wǎng)運(yùn)行方式變化后模型的快速修正方法，并給出Petri網(wǎng)模型的遍歷算法。算例分析證明：給出的建模方法具有嚴(yán)謹(jǐn)、直觀，適應(yīng)電網(wǎng)不同運(yùn)行方式的特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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[7]王楠，律方成，劉云鵬，等.基于粗糙集理論與模糊Petri網(wǎng)絡(luò)的油浸電力變壓器綜合故障診斷[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23（12）∶127-132.

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（本文編輯：楊勇）

Modeling of Intelligent Anti-misoperation System with Integrated Dispatching and Control Based on Petri Net

YU Jie，CHEN Qiulin，LYU Xin，XIA Minyan
（State Grid Taizhou Power Supply Company，Taizhou Zhejiang 318000，China）

Anti-misoperation lockout of electrical devices is the key to operation safety of power grid.Petri net modeling is characterized by its intuitiveness and logicalness，so it is used for modeling of anti-misoperation lockout system for power grid.This paper lays emphasis on research of modeling methods and major algorithms；it analyzes the implementation of anti-misoperation lockout and proposes rapid correction method of the model when the operating mode of power grid is changed.The numerical result shows that Petri net is an effective modeling tool of anti-misoperation lockout.

Petri net；integrated dispatching and control；intelligent；anti-misoperation system

TM631；TP273+.5

B

1007-1881（2014）11-0019-04

2014-09-11

于杰（1982-），男，浙江臨海人，工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度工作。