基于Petri網的調控一體化智能防誤系統的建模

于杰，陳秋臨，呂鑫，夏敏燕

（國網浙江省電力公司臺州供電公司，浙江臺州318000）

基于Petri網的調控一體化智能防誤系統的建模

于杰，陳秋臨，呂鑫，夏敏燕

（國網浙江省電力公司臺州供電公司，浙江臺州318000）

電氣裝置的防誤閉鎖是實現電網安全運行的重要環節。利用Petri網建模具有直觀性、邏輯嚴密性的特點，可將其用于電網防誤閉鎖系統的建模。著重研究了防誤系統的建模方法和主要算法，分析了防誤閉鎖功能的實現過程，并給出電網運行方式變化時模型的快速修正方法。算例結果表明，Petri網是一種有效的防誤閉鎖建模工具。

Petri網；調控一體化；智能；防誤系統

0 引言

電氣設備的防誤操作是電網安全運行的重要屏障。隨著調控一體化模式的廣泛應用，開發與該模式相適應的防誤系統已成為迫在眉睫的工作。

從原理上看，傳統的防誤系統是通過間隔內或間隔間的閉鎖邏輯來實現的[1]，存在無法判斷誤拉、誤合開關對系統影響的問題，無法實現廠站間設備的相互配合。防誤閉鎖邏輯基于人工定義，擴展性、重用性、維護性均較差，難以滿足電網發展的要求。在調控一體化模式下，與其相適應的SCADA（數據采集與監控系統）能夠全景化、一體式、實時性的掌握電網中一二次設備的歷史狀態、實時狀態。因此，調控一體化的防誤系統不僅能實現間隔內、間隔間“站控級”的防誤閉鎖，同時也能通過對整個電網的拓撲分析、實時運算實現廠站間“網控級”的防誤閉鎖。

對電網遙控操作過程中的智能防誤問題，文獻[2]中提出通過基于電網實時狀態分析的約束檢查機制，實現綜合性電網調度/集控操作防誤操作，但其約束機制采用人工定義，在調控一體化模式下，面臨電網設備數量龐大、運行方式變化頻繁等問題，會陷入難以維護的境地。文獻[3]中提出調控一體化下基于電氣狀態判斷的智能防誤，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[4]作為一種多抽象層次、多用途的通用網絡，因具有嚴密的數學基礎、直觀的模型描述、較強的模型可實現性，在電力系統中得到廣泛應用。文獻[5]介紹了Petri網在電力系統故障恢復中的應用，文獻[6]將其引入電力系統建模，文獻[7-8]中將其用于電力系統故障分析，均收到良好的效果。基于此，將Petri網引入調控一體化電網防誤裝置建模，利用SCADA系統實時性、全景化的特點實現“網控級”防誤操作，并提出在電網拓撲結構發生變化時的快速修正方法，有效提高防誤系統可維護性。

1 Petri網

1.1 Petri網的定義

Petri網的本質是一種特殊的有向圖，其建模的優勢在于圖形描述的直觀性和數學邏輯的嚴謹性，能較好地處理并發、異步、沖突等關系。在Petri網中，庫所P記錄構成系統的個體及系統本身的狀態，庫所可以被賦予若干個標記，稱為“托肯”（Token），它代表著系統當前的狀態，變遷T代表引起反應系統狀態變化的事件，弧F描述狀態與操作之間的聯系。將其用于電網防誤模型中，能方便靈活地描述電網的實時狀態與電網操作時引起的系統運行方式變化之間的聯系。

定義1：Petri網可以描述為這樣一個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，F1∩F2=Φ；M∶P→{-1，0，1}標示各庫所的托肯狀態，它為一列向量，M=[m（p1），m（p2），…，m（pn）]T；m（pi）為命題pi的標示，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網的知識推理

根據Petri網的定義，可通過數學表達式描述變遷發生過程并進行推理計算。

定義3：若p∈P，且·p=Φ，則p為輸入庫所。

定義4：Petri網變遷t的使能條件為：在標示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 基本控制系統的Petri網表示

2 Petri網建模及快速修正

2.1 Petri網的防誤模型

根據電力系統操作5防規則：防止誤拉、誤合開關，防止帶負荷誤拉、誤合隔離開關，防止帶接地線合閘，防止帶電合接地隔離開關，防止誤入帶電間隔[9]。通過Petri網建模可以將5防規則封裝到開關操作中去，通過系統的閉鎖來避免人為因素產生的誤操作，提高電力系統的安全性。

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、2號主變高、中、低壓側并列運行。在停役主變時，除考慮操作對電網潮流變化等影響外，還應考慮開關操作的順序。如圖中1號主變停役操作，在正常情況下，應先拉開中、低壓側開關CBL1與CBM1，再拉開高壓側開關CBH1，防止中低壓側向高壓側反充電，導致繼電保護裝置誤動或拒動；在緊急情況下，若主變中、低壓側分列，可直接拉開主變高壓側開關CBH1，使主變停役；若主變中、低壓側并列運行時，拉開主變高壓側開關CBH1則為誤操作，需對該操作進行閉鎖。

圖2 某220 kV變電站主接線

將以上防誤規則用形象化、易于理解的圖形描述，對應圖2變電站的Petri網模型如圖3所示。為簡化模型，僅涉及開關操作的順序。圖中庫所P分別對應CBH1與CBM1等開關的狀態，庫所P中有Token表示開關處于合閘位置，開關分閘位置對應的庫所P中無Token。

2.2 防誤模型的快速修正

電網運行方式的變化會引起防誤邏輯的變化，電網防誤系統需要實現對防誤模型的快速修正，以滿足各種電網拓撲變化的需求。

如圖3所示，防誤閉鎖系統在不經任何修正的情況下，就能實現對正常的主變并聯、分列運行狀態的閉鎖邏輯。除正常的運行方式外，防誤閉鎖系統還需要面對電網檢修、設備異常等特殊運行方式。如圖2所示中，若某電壓等級的1條母線檢修，1號、2號主變將倒至同一母線單母運行。此時，將該電壓等級的母聯開關CBx對應庫所的Token恒置為1，滿足電網運行方式變化的需求。

若圖3所示中增加1臺主變，此時，相當于在判斷2臺變壓器是否并列的變遷P9與T10處再增加1個并聯支路，如圖4所示。CBM3為增加的主變對應的某側開關編號，其余方向的Petri網模型不變。

圖3 主變操作規則的Petri網模型

圖4 添加的Petri網子模型

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

3 防誤模型的數據結構及算法流程

3.1 防誤模型的數據結構

Petri網模型的優點在于數學邏輯的嚴密性，將防誤規則用關聯矩陣的形式描述，通過矩陣的運算即可實現防誤規則的推理。定義以下數據結構：

庫所：包括庫所名p_id、標識p_token、初值init_value、輸出值output_value。

變遷：包括變遷名t_id、發生標志t_active。

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

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系，m為庫所數，n為變遷數。

圖3對應的輸入關聯矩陣A與輸出關聯矩陣B分別如下：

3.2 防誤模型的遍歷算法

在Pctri網中如果有1個變遷是激活的，觸發就可以繼續下去,當網絡中沒有變遷可以觸發時，Petri網運行停止，進入了最終穩定狀態。借助拓撲排序的基本思想，可以實現基于Petri網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 防誤閉鎖系統仿真結果

圖5 Petri網防誤模型的算法流程

為模擬防誤閉鎖系統的實現過程，通過C++對防誤模型進行仿真。在初始標示集中，若庫所有托肯，該庫所標示置為1，若庫所無托肯，該庫所標示置為0，其余庫所標示為-1。仿真結果如表1所示。

由表1可見，Petri網能夠識別不同的運行方式，并根據運行方式給出不同的運行結果，靈活地實現電網防誤閉鎖。

4 結語

根據Petri網嚴謹、直觀的建模特點，以某變電站的主變停役操作為例，應用Petri網進行防誤閉鎖系統的建模，討論了在電網運行方式變化后模型的快速修正方法，并給出Petri網模型的遍歷算法。算例分析證明：給出的建模方法具有嚴謹、直觀，適應電網不同運行方式的特點，具有較強的實用性。

[1]劉雪飛，劉國亮.關于變電站五防閉鎖裝置的探討[J].電力系統保護與控制，2008，36（19）∶77-80.

[2]穆國強，魏賓，劉海瑩，等.綜合性電網調度/集控操作防誤系統的設計與實現[J].電力系統自動化，2007，31（23）∶42-45.

[3]倪鵬，馬曉春，余建明，等.調控一體化中綜合智能防誤校核方法研究[J].中國電力，2012，45（7）∶16-19.

[4]袁崇義.Petri網原理與應用[M].北京：電子工業出版社, 2005.

[5]CHEN CHAOSHUN，LIN CHIAHUNG，TSAI HUNGYING.A Rule based Expert System with Colored Petri Net Models for Distribution System Service Restoration[J]. IEEE trans on power systems，2001，17（4）∶1073-1080.

[6]王磊，萬秋蘭.擴展時間Petri網在仿真保護及自動裝置動作邏輯中的應用[J].電力系統自動化，2005，29（6）∶71-74.

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

[8]楊健維，何正友.基于時序模糊Petri網的電力系統故障診斷[J].電力系統自動化，2011，35（15）∶46-51.

[9]周鄴飛，梁鋒，許祖鋒.基于三態拓撲計算的變電站防誤操作研究[J].電力系統保護與控制，2011（16）∶145-149.

（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，從事電網調度工作。