基于Petri网的调控一体化智能防误系统的建模

于杰，陈秋临，吕鑫，夏敏燕

（国网浙江省电力公司台州供电公司，浙江台州318000）

基于Petri网的调控一体化智能防误系统的建模

于杰，陈秋临，吕鑫，夏敏燕

（国网浙江省电力公司台州供电公司，浙江台州318000）

电气装置的防误闭锁是实现电网安全运行的重要环节。利用Petri网建模具有直观性、逻辑严密性的特点，可将其用于电网防误闭锁系统的建模。着重研究了防误系统的建模方法和主要算法，分析了防误闭锁功能的实现过程，并给出电网运行方式变化时模型的快速修正方法。算例结果表明，Petri网是一种有效的防误闭锁建模工具。

Petri网；调控一体化；智能；防误系统

0 引言

电气设备的防误操作是电网安全运行的重要屏障。随着调控一体化模式的广泛应用，开发与该模式相适应的防误系统已成为迫在眉睫的工作。

从原理上看，传统的防误系统是通过间隔内或间隔间的闭锁逻辑来实现的[1]，存在无法判断误拉、误合开关对系统影响的问题，无法实现厂站间设备的相互配合。防误闭锁逻辑基于人工定义，扩展性、重用性、维护性均较差，难以满足电网发展的要求。在调控一体化模式下，与其相适应的SCADA（数据采集与监控系统）能够全景化、一体式、实时性的掌握电网中一二次设备的历史状态、实时状态。因此，调控一体化的防误系统不仅能实现间隔内、间隔间“站控级”的防误闭锁，同时也能通过对整个电网的拓扑分析、实时运算实现厂站间“网控级”的防误闭锁。

对电网遥控操作过程中的智能防误问题，文献[2]中提出通过基于电网实时状态分析的约束检查机制，实现综合性电网调度/集控操作防误操作，但其约束机制采用人工定义，在调控一体化模式下，面临电网设备数量庞大、运行方式变化频繁等问题，会陷入难以维护的境地。文献[3]中提出调控一体化下基于电气状态判断的智能防误，解决了人工定义操作逻辑的防误方式维护量巨大的问题，但该方法主要针对间隔与间隔的相互逻辑闭锁，未考虑不同厂站间的配合。

Petri网[4]作为一种多抽象层次、多用途的通用网络，因具有严密的数学基础、直观的模型描述、较强的模型可实现性，在电力系统中得到广泛应用。文献[5]介绍了Petri网在电力系统故障恢复中的应用，文献[6]将其引入电力系统建模，文献[7-8]中将其用于电力系统故障分析，均收到良好的效果。基于此，将Petri网引入调控一体化电网防误装置建模，利用SCADA系统实时性、全景化的特点实现“网控级”防误操作，并提出在电网拓扑结构发生变化时的快速修正方法，有效提高防误系统可维护性。

1 Petri网

1.1 Petri网的定义

Petri网的本质是一种特殊的有向图，其建模的优势在于图形描述的直观性和数学逻辑的严谨性，能较好地处理并发、异步、冲突等关系。在Petri网中，库所P记录构成系统的个体及系统本身的状态，库所可以被赋予若干个标记，称为“托肯”（Token），它代表着系统当前的状态，变迁T代表引起反应系统状态变化的事件，弧F描述状态与操作之间的联系。将其用于电网防误模型中，能方便灵活地描述电网的实时状态与电网操作时引起的系统运行方式变化之间的联系。

定义1：Petri网可以描述为这样一个5元组：

式中：P={p1，p2，…，pn}为有限的库所集；T={t1，t2，…，tm}为有限的变迁集；库所集与变迁集不相交，即P∩T=Φ。F1⊂P×T∪T×P为基本弧集；F2⊂P×T为禁止弧集，F1∩F2=Φ；M∶P→{-1，0，1}标示各库所的托肯状态，它为一列向量，M=[m（p1），m（p2），…，m（pn）]T；m（pi）为命题pi的标示，m（pi）=1，pi中有托肯，m（pi）=0，pi中无托肯，m（pi）=-1，不确定。

1.2 Petri网的知识推理

根据Petri网的定义，可通过数学表达式描述变迁发生过程并进行推理计算。

定义3：若p∈P，且·p=Φ，则p为输入库所。

定义4：Petri网变迁t的使能条件为：在标示M下，对于所有属于变迁t输入集的库所，基本弧F1的输入库所标示为1，禁止弧F2的输入库所均为0，如图1所示。

图1 基本控制系统的Petri网表示

2 Petri网建模及快速修正

2.1 Petri网的防误模型

根据电力系统操作5防规则：防止误拉、误合开关，防止带负荷误拉、误合隔离开关，防止带接地线合闸，防止带电合接地隔离开关，防止误入带电间隔[9]。通过Petri网建模可以将5防规则封装到开关操作中去，通过系统的闭锁来避免人为因素产生的误操作，提高电力系统的安全性。

以主变压器（简称主变）停役操作的闭锁逻辑为例，在图2所示某220 kV降压变电站中，1号、2号主变高、中、低压侧并列运行。在停役主变时，除考虑操作对电网潮流变化等影响外，还应考虑开关操作的顺序。如图中1号主变停役操作，在正常情况下，应先拉开中、低压侧开关CBL1与CBM1，再拉开高压侧开关CBH1，防止中低压侧向高压侧反充电，导致继电保护装置误动或拒动；在紧急情况下，若主变中、低压侧分列，可直接拉开主变高压侧开关CBH1，使主变停役；若主变中、低压侧并列运行时，拉开主变高压侧开关CBH1则为误操作，需对该操作进行闭锁。

图2 某220 kV变电站主接线

将以上防误规则用形象化、易于理解的图形描述，对应图2变电站的Petri网模型如图3所示。为简化模型，仅涉及开关操作的顺序。图中库所P分别对应CBH1与CBM1等开关的状态，库所P中有Token表示开关处于合闸位置，开关分闸位置对应的库所P中无Token。

2.2 防误模型的快速修正

电网运行方式的变化会引起防误逻辑的变化，电网防误系统需要实现对防误模型的快速修正，以满足各种电网拓扑变化的需求。

如图3所示，防误闭锁系统在不经任何修正的情况下，就能实现对正常的主变并联、分列运行状态的闭锁逻辑。除正常的运行方式外，防误闭锁系统还需要面对电网检修、设备异常等特殊运行方式。如图2所示中，若某电压等级的1条母线检修，1号、2号主变将倒至同一母线单母运行。此时，将该电压等级的母联开关CBx对应库所的Token恒置为1，满足电网运行方式变化的需求。

若图3所示中增加1台主变，此时，相当于在判断2台变压器是否并列的变迁P9与T10处再增加1个并联支路，如图4所示。CBM3为增加的主变对应的某侧开关编号，其余方向的Petri网模型不变。

图3 主变操作规则的Petri网模型

图4 添加的Petri网子模型

将添加的子模型与其他防误Petri网模型组合为新的防误规则模型，其他方向的Petri网模型不变。在计算时保留未增加支路前的计算结果，再与增加支路后的结果进行融合即可满足防误规则修正的要求，这样就可方便地完成防误模型的快速修正，大大减小了建模复杂程度。

3 防误模型的数据结构及算法流程

3.1 防误模型的数据结构

Petri网模型的优点在于数学逻辑的严密性，将防误规则用关联矩阵的形式描述，通过矩阵的运算即可实现防误规则的推理。定义以下数据结构：

库所：包括库所名p_id、标识p_token、初值init_value、输出值output_value。

变迁：包括变迁名t_id、发生标志t_active。

输入矩阵：A=[aij]m×n描述变迁与输入库所之间的关系，m为库所数，n为变迁数。

输出矩阵：输出矩阵B=[bij]m×n描述变迁与输入库所之间的关系，m为库所数，n为变迁数。

图3对应的输入关联矩阵A与输出关联矩阵B分别如下：

3.2 防误模型的遍历算法

在Pctri网中如果有1个变迁是激活的，触发就可以继续下去,当网络中没有变迁可以触发时，Petri网运行停止，进入了最终稳定状态。借助拓扑排序的基本思想，可以实现基于Petri网防误模型的推理过程。具体算法流程如图5所示。

3.3 算例

表1 防误闭锁系统仿真结果

图5 Petri网防误模型的算法流程

为模拟防误闭锁系统的实现过程，通过C++对防误模型进行仿真。在初始标示集中，若库所有托肯，该库所标示置为1，若库所无托肯，该库所标示置为0，其余库所标示为-1。仿真结果如表1所示。

由表1可见，Petri网能够识别不同的运行方式，并根据运行方式给出不同的运行结果，灵活地实现电网防误闭锁。

4 结语

根据Petri网严谨、直观的建模特点，以某变电站的主变停役操作为例，应用Petri网进行防误闭锁系统的建模，讨论了在电网运行方式变化后模型的快速修正方法，并给出Petri网模型的遍历算法。算例分析证明：给出的建模方法具有严谨、直观，适应电网不同运行方式的特点，具有较强的实用性。

[1]刘雪飞，刘国亮.关于变电站五防闭锁装置的探讨[J].电力系统保护与控制，2008，36（19）∶77-80.

[2]穆国强，魏宾，刘海莹，等.综合性电网调度/集控操作防误系统的设计与实现[J].电力系统自动化，2007，31（23）∶42-45.

[3]倪鹏，马晓春，余建明，等.调控一体化中综合智能防误校核方法研究[J].中国电力，2012，45（7）∶16-19.

[4]袁崇义.Petri网原理与应用[M].北京：电子工业出版社, 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，万秋兰.扩展时间Petri网在仿真保护及自动装置动作逻辑中的应用[J].电力系统自动化，2005，29（6）∶71-74.

[7]王楠，律方成，刘云鹏，等.基于粗糙集理论与模糊Petri网络的油浸电力变压器综合故障诊断[J].中国电机工程学报，2003，23（12）∶127-132.

[8]杨健维，何正友.基于时序模糊Petri网的电力系统故障诊断[J].电力系统自动化，2011，35（15）∶46-51.

[9]周邺飞，梁锋，许祖锋.基于三态拓扑计算的变电站防误操作研究[J].电力系统保护与控制，2011（16）∶145-149.

（本文编辑：杨勇）

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，浙江临海人，工程师，从事电网调度工作。