基于BPMN的變電站輔助監(jiān)控應(yīng)急預(yù)案模型研究

楊 莎 ，黃樹欣 ，陳 亮 ，楊世亭

（1.南瑞集團公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），南京 210032；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106；3.建投邢臺熱電有限公司，邢臺 054000）

目前，變電站智能化發(fā)展對應(yīng)急預(yù)案數(shù)字化、標準化提出了更高的要求。傳統(tǒng)的應(yīng)急處理機制實現(xiàn)了變電站輔助各子系統(tǒng)之間信息集成及與調(diào)度自動化系統(tǒng)信息共享，有效解決了多系統(tǒng)間的協(xié)同互動問題，一定程度上提高了運維人員對變電站事故的反應(yīng)能力和處理能力[1-3]，但是存在方案決策沒有充分考慮動態(tài)性、程序化控制聯(lián)動預(yù)案處理方法模式簡單、工程配置復(fù)用性移植性差、業(yè)務(wù)流程管理沒有采用標準化設(shè)計方法、尚未形成一套完整標準統(tǒng)一的應(yīng)急預(yù)案管理體系、分析過程復(fù)雜等問題。

應(yīng)急預(yù)案是決策者通過分析故障發(fā)生后電網(wǎng)及變電站可能的薄弱環(huán)節(jié)及危險點，提出相應(yīng)的控制和處理措施，目的是提供安全、高效處理事故的流程指導(dǎo)。針對以上問題，引入BPMN建模語言標準，對構(gòu)建實時、高效、準確的應(yīng)急管理體系，改變以往應(yīng)急預(yù)案管理缺乏統(tǒng)一標準規(guī)范、數(shù)據(jù)支撐及響應(yīng)較為滯后的狀況具有非常重要的意義。

1 平臺介紹

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

變電站輔助綜合監(jiān)控系統(tǒng)屬于電力系統(tǒng)自動化的范疇，在統(tǒng)一的監(jiān)控平臺上集成或互聯(lián)SCADA系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)和各個輔助子系統(tǒng)等，各個子系統(tǒng)間的協(xié)同聯(lián)動、信息共享在一定程度上實現(xiàn)了輔助決策、智能聯(lián)動目的。變電站輔助綜合監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)部署如圖1所示。平臺具備成熟穩(wěn)定的架構(gòu)和數(shù)據(jù)采集功能、告警處理功能、腳本處理功能、驅(qū)動擴展能力、遠程站點功能，同時支持C/S、B/S模式。

圖1 變電站輔助綜合監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)部署Fig.1 Service deployment diagram of substation auxiliary integrated monitoring system

1.2 應(yīng)急處理機制功能結(jié)構(gòu)

應(yīng)急預(yù)案功能模塊從預(yù)案管理、決策管理2個方面進行設(shè)計，實現(xiàn)與自動化系統(tǒng)或電話、OA系統(tǒng)互聯(lián)互通，具有較強的通用性、實用性。功能示意如圖2所示。

圖2 應(yīng)急預(yù)案功能模塊示意Fig.2 Emergency plan functional module schematic

2 BPMN2.0抽象組件建模

BPMN建模語言標準提供了豐富的建模圖元，有助于在業(yè)務(wù)用戶、流程設(shè)計與實施者之間溝通流程信息，具有豐富的屬性，通過引入XML語言來描述業(yè)務(wù)流程間很多含糊不清的問題，流程越復(fù)雜，XML也越復(fù)雜，每個BPMN對象可以用XML語言來定義，流程模型可以在不同廠商的業(yè)務(wù)流程管理軟件中運行并產(chǎn)生一致的結(jié)果。

BPMN2.0流對象主要包括Events事件，Activities業(yè)務(wù)活動，Gateways網(wǎng)關(guān)3類。

2.1 Event事件

事件根據(jù)對進程產(chǎn)生影響的時間不同，BPMN2.0提供3種通用Event事件：開始事件、中間事件和結(jié)束事件，符號示意如圖3所示。

圖3 通用Event事件示意Fig.3 Schematic of general Event

根據(jù)變電站輔助綜合監(jiān)控系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，總結(jié)出5類事件：

Msgevent有固定收發(fā)方的消息事件，可來源于具體服務(wù)，或來源于腳本，通過定義具體的消息通道及消息類型，預(yù)案推理服務(wù)采用訂閱方式，觸發(fā)相應(yīng)聯(lián)動動作。此種模式靈活、方便，提供了一種由具體服務(wù)或者操作員打開某聯(lián)動的開關(guān)。

Timerevent定時觸發(fā)事件，可應(yīng)用于輔助系統(tǒng)中每天可按時間來操作的動作行為，例如智能變電站日常巡檢需要在特定時間執(zhí)行，時間觸發(fā)方式完全滿足設(shè)計需要。

Conditionevent條件觸發(fā)事件，基于某些遙信點的變位，通過采集1個或多個子系統(tǒng)接口的觸發(fā)點在系統(tǒng)內(nèi)部進行邏輯運算，當滿足預(yù)定義的邏輯結(jié)果時觸發(fā)聯(lián)動。

Multievent綜合觸發(fā)事件，通過對以上3種方式，采用“與”或者“或”等方式的有機組合，集成多種可能的觸發(fā)事件。

Endevent結(jié)束事件。

2.2 Activities業(yè)務(wù)活動

原子模塊活動類型Activities主要分2類：任務(wù)Task和過程Process。5種基本活動功能如表1所示。

表1 五種基本活動功能Tab.1 Five basic activities function

BPMN2.0業(yè)務(wù)活動在變電站輔助綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用分析如下：

User Task人機交互界面，可接受用戶輸入指令業(yè)務(wù)類型，通過比較當前用戶及操作用戶的權(quán)限，選擇執(zhí)行不同任務(wù)。

Send Task主要的業(yè)務(wù)類型，聯(lián)動預(yù)案的核心任務(wù)，集成各種輔助子系統(tǒng)及SCADA系統(tǒng)操作。目前給用戶開放所有子系統(tǒng)的控制動作權(quán)限，如遠程打開燈光、空調(diào)等遙控開出動作，打開視頻預(yù)覽、錄像、抓圖、打開門禁等，用戶可根據(jù)需求選擇相應(yīng)業(yè)務(wù)來配置預(yù)案動作。

Receive Task接收消息任務(wù)，通過交互式訂閱，發(fā)布方式，接收消息，此消息的來源不是唯一，可以是具體服務(wù)或者指定操作員發(fā)起。

Script Task通過運行腳本，模塊化獨立性強，目前支持 python，shell，lua 等方式。

Service Task通過服務(wù)程序自動化完成任務(wù)。

Sub Process子過程。用戶可以把重復(fù)度高的相應(yīng)流程，通過操作派生成模板下次直接調(diào)用操作即可。例如，變電站常出現(xiàn)的火災(zāi)告警聯(lián)動預(yù)案的控制流程及業(yè)務(wù)邏輯幾乎是一樣的，只是Send Task控制的現(xiàn)場設(shè)備不一樣，此時通過設(shè)計模板Sub Process，即可實現(xiàn)模型的復(fù)用。

2.3 Gateways網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)是決策點，它根據(jù)一些邏輯條件控制順序流的匯聚和分支。如果說事件決定了聯(lián)動的開始和結(jié)束，業(yè)務(wù)組成了聯(lián)動的操作原子，那網(wǎng)關(guān)則決定了此聯(lián)動預(yù)案的業(yè)務(wù)邏輯和控制流程。通過網(wǎng)關(guān)可以改變聯(lián)動預(yù)案有向圖的拓撲結(jié)構(gòu)，達到實現(xiàn)聯(lián)動的差異化及多樣性。其中，Exclusive跳轉(zhuǎn)，parallel并行區(qū)。網(wǎng)關(guān)模型符號示意如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)模型符號示意Fig.4 Gateway model notation schematic diagram

3 應(yīng)急預(yù)案模型設(shè)計

應(yīng)急處理機制作為變電站輔助綜合監(jiān)控系統(tǒng)的核心處理模塊，各個模塊或者子系統(tǒng)間的協(xié)同互動開發(fā)過程完全采用程序接口調(diào)用方式實現(xiàn)，本文引入BPMN建模語言對模塊與模塊之間以及模塊內(nèi)部工作流進行設(shè)計，利用BPMN強大的建模功能，從設(shè)計、開發(fā)、管理、使用、維護等多方面對流程進行統(tǒng)一化、標準化設(shè)計[4-5]。

BPMN在體系結(jié)構(gòu)中提供數(shù)據(jù)支撐的作用，如圖5所示。

圖5 BPMN2.0作用示意Fig.5 Function schematic diagram of BPMN2.0

3.1 預(yù)案管理

3.1.1 預(yù)案制定

預(yù)案知識庫需依據(jù)事實現(xiàn)狀不斷更新、修正。在輔助監(jiān)控平臺上完成預(yù)案編制后必須經(jīng)過不斷修訂、反事故演練、評估等步驟[6]，加強了預(yù)案的動態(tài)管理。以工作流模式動態(tài)管理預(yù)案，將預(yù)案的修訂完善和演練工作制度化、標準化，通過演習(xí)與實戰(zhàn)評價，總結(jié)經(jīng)驗，及時評價改進預(yù)案內(nèi)容，增強預(yù)案的科學(xué)性、時效性和可操作性，使應(yīng)急預(yù)案更加符合實際。

將文本預(yù)案結(jié)構(gòu)化分解，利用BPMN設(shè)計預(yù)案制定過程，以BPMN服務(wù)鏈的流程化形式管理應(yīng)急預(yù)案，通過對服務(wù)鏈的調(diào)整，快速整合服務(wù)流程，形成實際的清晰、方便的工作流程，如圖6所示。

圖6 利用BPMN設(shè)計預(yù)案制定過程Fig.6 Using BPMN to design the plan making process

3.1.2 預(yù)案知識庫

預(yù)案知識庫通過邏輯推理來實現(xiàn)其價值。在應(yīng)急預(yù)案知識庫的構(gòu)建中，對大量實際預(yù)案和案例進行分析，針對特殊情形特殊處理，利用知識理解和推理的準確性，多專家參與，形成豐富的領(lǐng)域規(guī)則，完善各種情況的推理規(guī)則知識，使得推理規(guī)則更加完善，推理效果更加符合實際需要。

XML是一組用來創(chuàng)建描述數(shù)據(jù)的語法標簽的規(guī)則集，面向數(shù)據(jù)，用于描述數(shù)據(jù)本身的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，同時能夠描述數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，還能夠存儲數(shù)據(jù)。BPMN2.0設(shè)計的流程圖對應(yīng)的XML文件為建立預(yù)案知識模型提供數(shù)據(jù)支撐，本文以XML為基礎(chǔ)建立半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的預(yù)案知識庫，將經(jīng)常發(fā)生的各種事故告警信息與知識庫中歸納的告警信號和應(yīng)急預(yù)案建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成逐一事件推理判斷關(guān)系。根據(jù)系統(tǒng)運行歷史數(shù)據(jù)，建立知識結(jié)構(gòu)，形成預(yù)案知識庫，知識庫包括：

知識索引每一個案例知識都形成面向元事件、事件和場景主要特征元素的索引。

事件可以是單一事件或綜合事件，通用的幾種預(yù)案觸發(fā)方式包括 Msgevent，Timerevent，Conditionevent，Multievent等，一般緊急情況下的處理規(guī)程，如火災(zāi)、門禁闖入、越界等，都應(yīng)該被定義為自動觸發(fā)決策，有效提高了處理效率和速度。

預(yù)案記錄有關(guān)事件的完整描述和事件處置聯(lián)動預(yù)案操作規(guī)則及操作引導(dǎo)。

3.2 決策執(zhí)行

3.2.1 預(yù)案啟動

將告警信息按嚴重程度進行分類，默認分為一級：提示信息，二級：普通告警信息，三級：變位信息，四級：事故告警信息。傳統(tǒng)輔助監(jiān)控系統(tǒng)一般采用單事件報警或狀態(tài)變位觸發(fā)機制，此方式比較單一，只能解決簡單邏輯觸發(fā)，不能滿足對綜合事件、時間觸發(fā)的要求。

BPMN2.0支持人工啟動、定時啟動、周期性啟動、自定義條件啟動、Web服務(wù)啟動、郵件監(jiān)測、文件目錄監(jiān)測等，本文應(yīng)急預(yù)案流程啟動事件類型歸結(jié)為Msgevent消息事件、Timerevent定時觸發(fā)事件、Conditonevent條件事件、Multievent綜合事件等。在發(fā)生大面積、跨區(qū)域的應(yīng)急事件時，不僅僅需要協(xié)調(diào)多部門、多業(yè)務(wù)的應(yīng)急救援，而且還需要面對次生、衍生事件，即所謂的“綜合事件”，例如，火災(zāi)告警和風(fēng)速傳感告警2個事件同時發(fā)生，此時，Multievent綜合事件能夠用來設(shè)計啟動處理。

緊急情況下的預(yù)案規(guī)則，如火災(zāi)、停電、越界等，都應(yīng)該被定義為自動觸發(fā)方式，可以縮短應(yīng)急響應(yīng)時間，有效提高工作效率，自動觸發(fā)機制實現(xiàn)預(yù)案的自動聯(lián)動規(guī)則，實現(xiàn)了實時信息及時反饋。

3.2.2 邏輯推理

1）邏輯推理過程

邏輯推理模塊負責(zé)預(yù)案知識規(guī)則的推理，其核心是推理服務(wù)。邏輯推理類似專家解決問題的思維方式。推理服務(wù)周期性的加載所有規(guī)則，一旦發(fā)現(xiàn)有條件觸發(fā)，進行有效性識別、信號分檢，過濾掉虛假、錯誤報警信息，向?qū)＜覜Q策模塊“求助”并發(fā)送專家決策模塊相關(guān)觸發(fā)事件，等待專家決策模塊的決策結(jié)果，然后根據(jù)結(jié)果確定完整的應(yīng)急方案并自動生成預(yù)案。

通過人機界面以“信息組團”形式提供給操作人員操作、處理流程建議，即操控預(yù)案，人員確認后直接進入決策執(zhí)行界面，如圖7所示。不同類型事故啟動不同的聯(lián)動預(yù)案，對于自動觸發(fā)的聯(lián)動預(yù)案規(guī)程執(zhí)行過程，聯(lián)動預(yù)案執(zhí)行不需要人的參與，系統(tǒng)可自動執(zhí)行聯(lián)動動作，進行一系列的操作、處理；如果預(yù)案規(guī)程是非自動觸發(fā)機制，則需要人為控制操作執(zhí)行。

圖7 “信息組團”預(yù)案界面Fig.7 “Information mission” plan interface

火災(zāi)告警預(yù)案聯(lián)動組態(tài)方案如圖8所示。該流程首先接收聯(lián)動信息，然后聯(lián)動執(zhí)行服務(wù)將聯(lián)動信息同步發(fā)送到相關(guān)輔助子系統(tǒng)，視頻子系統(tǒng)首先向監(jiān)控中心推送實時視頻播放及大屏幕切換并轉(zhuǎn)到火災(zāi)現(xiàn)場的預(yù)置位，值班人員遠程對現(xiàn)場火災(zāi)主觀評級并做出下一步?jīng)Q策，對不同嚴重等級采用不同的應(yīng)急措施及搶救恢復(fù)措施等，并推告警窗和生成報告。

圖8所示組態(tài)案例的邏輯流程，其觸發(fā)方式是消息觸發(fā)，當收到告警的消息時觸發(fā)。第一個parallel并行區(qū)，并聯(lián)了視頻、預(yù)置位、電視墻、警鈴警笛、門禁開等，以便于管理人員利用視頻遠程決策，第一個exclusive網(wǎng)關(guān)是第一個parallel并行區(qū)的匯合，只要有個條件到達就可以進行事故評級，第二個exclusive網(wǎng)關(guān)是根據(jù)嚴重程度執(zhí)行不同分支，完成預(yù)設(shè)定的邏輯。最后串聯(lián)一個Endevent表示結(jié)束，只有當所有的Endevent都完成，此聯(lián)動才結(jié)束。

2）聯(lián)動預(yù)案模板化

應(yīng)急任務(wù)是任務(wù)執(zhí)行的遞歸終結(jié)，不同的應(yīng)急任務(wù)涉及不同的聯(lián)動預(yù)案動作。傳統(tǒng)方案是根據(jù)請求調(diào)用相應(yīng)的聯(lián)動預(yù)案腳本，腳本沒有固定格式，預(yù)案腳本分析過程復(fù)雜，需要定制開發(fā)。

圖8 火災(zāi)告警事故聯(lián)動組態(tài)案例Fig.8 Case of fire alarm accident linkage configuration

告警事故或者故障處理流程，納入自動化處理流程。首先，配置流程文件，然后部署文件，獲取流程引擎，最后，啟動流程等待。利用BPMN2.0的子過程元素設(shè)計XML格式預(yù)案處理流程模版，針對不同的事故設(shè)計不同的模版，以便于流程配置過程簡單、方便。

3.2.3 專家決策

專家系統(tǒng)具備較強的知識獲取和自動學(xué)習(xí)能力，通過學(xué)習(xí)和知識獲取，進一步擴充和修改預(yù)案知識庫中內(nèi)容。通過改變、完善知識庫的關(guān)聯(lián)關(guān)系來提高專家系統(tǒng)的性能，同時滿足預(yù)案動態(tài)管理理念。專家系統(tǒng)的問題求解過程通過知識庫中的知識來模擬專家的思維方式。專家決策系統(tǒng)2個主要任務(wù)為

事件快速適配專家決策采用 “事件適配技術(shù)”提供快速適配功能，針對邏輯推理模塊向自己“求助”問題的條件或已知信息，自動反復(fù)匹配知識庫中的規(guī)則，得到最佳方案，并向邏輯推理模塊提供適配結(jié)果。

綜合事件分析在傳統(tǒng)決策系統(tǒng)中一個或多個故障點的發(fā)生，往往伴隨著次生、衍生的故障點發(fā)生，其中的特殊關(guān)系不是一個時序關(guān)系能體現(xiàn)的，還表現(xiàn)出量變到質(zhì)變的關(guān)系，即幾個影響較小的故障事件導(dǎo)致發(fā)生影響較大的故障事件，如圖9所示。

圖9 故障漸變圖Fig.9 Malfunction gradient scheme

系統(tǒng)需解決事件組合判斷的問題，設(shè)定一個時間窗口 t′［t0，t1］，分析 t′內(nèi)若干影響較小的故障點逐次發(fā)生的過程，將有關(guān)聯(lián)的事件并入“綜合事件”，然后推斷出某個重要故障事件從量變到質(zhì)變的過程，利用蘊含式中未發(fā)生事件概率來表示監(jiān)測告警信息，并及時完善、更新知識庫，提高了專家的性能，并實現(xiàn)了預(yù)案的動態(tài)管理。

4 結(jié)語

變電站應(yīng)急預(yù)案是關(guān)系到電力系統(tǒng)安全運行的重要保障措施。目前變電站智能化發(fā)展對應(yīng)急預(yù)案數(shù)字化、標準化提出了更高的要求。本文以輔助綜合監(jiān)控系統(tǒng)為平臺，引入BPMN建模標準，設(shè)計了一套完整、標準統(tǒng)一的應(yīng)急預(yù)案模型，實現(xiàn)了應(yīng)急預(yù)案的動態(tài)化、可視化、標準化管理，提升了工作流模型的標準化程度；模板復(fù)用及可移植，極大的提高了自動化建模的程度，并對于減少重復(fù)性建模，實現(xiàn)業(yè)務(wù)層與技術(shù)層的分離有著重要的意義，更為重要的是提供了為不同的工作流管理的互操作提供了可行的方法。

該系統(tǒng)目前運行穩(wěn)定，大大提升了系統(tǒng)應(yīng)對突發(fā)事件的能力，使得輔助綜合監(jiān)控系統(tǒng)處置變電站告警事故更加全面、高效、智能，為變電站安全運行提供了安全保障措施。

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