基于故障枚舉樹生成模糊Petri 網的變電站故障診斷方法

摘要：針對目前考慮時序信息的Petri 網故障診斷模型復雜、自動建模困難的問題，提出了一種基于故障枚舉樹生成模糊Petri 網的變電站故障診斷方法。為了完備地遍歷變電站系統中各故障組合場景，提出了一種基于廣度優先搜索的故障枚舉樹遍歷方法，實現了變電站一二次故障組合的快速遍歷仿真。基于仿真結果建立變電站模糊時序Petri 網故障診斷模型，通過并行推理計算實現變電站故障快速診斷。在CloudPSS 云仿真平臺建立典型110 kV 變電站的一二次聯動仿真算例進行測試，結果表明：該方法將保護設備和斷路器的動作時限信息計入故障推理過程，考慮在經典Petri 網模型的矩陣運算推理基礎上加入動作時限與告警信息的時間戳比對計算，因此在部分告警信息失真的情況下依然有較好的診斷效果；該方法可在保證故障診斷準確性的情況下應用于更加復雜的二次保護系統；采用并行分層矩陣推理算法，提升了診斷模型的推理效率，具有較高實用價值；在推理計算過程中對置信度增加了修正步驟，更加充分地考慮了保護拒動或誤動及告警信息誤報或漏報對故障診斷的影響，對于復雜故障情況有更高的容錯性。

關鍵詞：變電站；故障診斷；繼電保護；CloudPSS 建模仿真；模糊Petri 網

中圖分類號：TD61 文獻標志碼：A

0 引言

變電站是電力輸送和分配的關鍵節點，其運行的安全性、可靠性和穩定性直接關系到電力系統的正常供電。隨著變電站向數字化、智能化發展，變電站系統特別是二次系統結構日益復雜，當系統發生故障時，變電站運維人員會接收到海量告警信息，對告警信息的處理和判斷十分依賴運維人員的經驗和水平，易造成故障誤判、漏判，使得系統故障難以快速解決。因此研究變電站故障智能化診斷方法，對于輔助運維人員及時進行故障分析和應對、快速恢復變電站系統安全可靠運行具有十分重要的現實意義。

電力系統的故障診斷是指通過對系統中開關量和電氣量等故障征兆信息的分析，判斷故障元件和故障類型，并對繼電保護設備和斷路器的動作情況作出評價。目前常用的故障診斷方法包括專家系統[1-2]、人工神經網絡[3-4]、貝葉斯網絡[5-6]、粗糙集理論[7-8]、解析模型[9-10]、Petri 網[11]等，這些方法各有其特點及適用場景[12]。其中，基于Petri 網的故障診斷方法將電力系統故障過程建模為一個離散事件的動態系統，易于圖形化表示，且基于矩陣運算進行推理，計算速度快。在電網故障診斷的研究場景下，Petri 網模型應用的主要思路是將電網設備如繼電保護裝置和開關等視為庫所（Place），將其對應的動作行為建模為變遷（Transition），保護配置關系和結線關系構成連接?。ˋrc），則針對所研究的設備都可建立對應的Petri 網診斷模型[13-14]。研究者們從引入更多故障表征信息、增強模型處理告警信息不確定性能力、降低建模復雜度等角度開展了更加深入的研究。為了增強Petri 網模型對告警信息不確定性的處理能力，文獻[15]將模糊理論引入了Petri 網模型推理過程。文獻[16]利用概率信息描述了具有不確定性的繼電保護和斷路器動作信息。文獻[17]研究了模糊Petri 網模型結構的最優設計方法，并提出了適用于并行推理的矩陣算法，大幅提升了模糊Petri 網模型推理計算速度。文獻[18]提出的改進Petri 網診斷模型可直接由穩態網絡的托肯分布得出診斷結論，不需要基于規則的推理，提高了整個故障診斷系統的速度。文獻[19]充分合理地利用保護和斷路器動作信息的時序屬性，提出了動作信息不完備情況下的糾錯算法。文獻[20-21]通過構建分層模糊Petri 網模型，并引入交叉檢查方法，修正不滿足時序約束的保護與斷路器動作的概率，提高了診斷準確性。文獻[22-23]根據繼電保護設備與斷路器之間的時序關系，在Petri 網診斷模型中引入告警信息的時序約束，提升了診斷模型的容錯性。但是由于電網系統復雜，設備元件數量大，拓撲結構變動頻繁，建立完備的Petri 網故障診斷模型比較困難。對于變電站系統，盡管一次拓撲結構相對簡單，但二次系統保護配置復雜，如何高效地實現診斷模型的在線構建是基于Petri 網的故障診斷模型走向實用化需要解決的關鍵難題。

本文針對變電站Petri 網故障診斷模型復雜、在線自動建模困難的問題，依托CloudPSS[24]云端仿真平臺的XStudio 工坊套件、軟件開發套件（SoftwareDevelopment Kit， SDK） 及應用程序編程接口（Application Programming Interface， API） 功能， 開發了一種基于故障枚舉樹生成Petri 網的故障診斷方法。該方法能夠基于批量故障仿真得到的仿真結果自動生成對應的模糊時序Petri 網故障診斷模型，從而實現告警信息分析和故障快速診斷。

1 變電站故障枚舉樹遍歷仿真方法

1.1 變電站繼電保護系統建模

1.1.1 繼電保護元件模型

基于CloudPSS SimStudio 中的模塊封裝功能，構建了過流保護、零序過流保護、差動保護、距離保護、重合閘和備自投設備等元件模型，如圖1 所示。該模型主要包括原理模型和外特性模型2 個部分。原理模型基于繼電保護原理，根據測量值和整定值進行邏輯計算；外特性模型與外部實現信息交互，包括功能配置、保護定值設置和報告輸出等。元件外部設置了5 類接口，分別用于操作信號、設備狀態信號、電氣量測信號、保護動作告警信息、設備參數設置信息的交互，從而實現繼電保護系統對一次系統的監測、控制和保護功能[25]。