基于Petri網(wǎng)方法的智能變電站故障診斷方法研究

高煒

（國網(wǎng)山西省電力公司 嵐縣供電公司，山西 呂梁 035200）

0 引 言

變電站是電網(wǎng)的關(guān)鍵部分，在電網(wǎng)中起著承上啟下的作用，是連接發(fā)電站與電力用戶之間的橋梁。因此，變電站是否能夠正常工作，直接影響電力系統(tǒng)的運行，以及用戶用電的穩(wěn)定性。為此，對變電站故障診斷技術(shù)進行研究，保證變電站的正常、穩(wěn)定運行，對保障電力系統(tǒng)的正常運行有非常重要的意義。隨著電力信息化的建設(shè)，變電站不僅滿足于電網(wǎng)信息的日常測量，其自動化與集成度也越來越高，已經(jīng)逐漸成為電網(wǎng)中重要的信息節(jié)點。同時變電站智能化水平不斷提升，根據(jù)《國家電網(wǎng)公司發(fā)展戰(zhàn)略綱要》，國家電網(wǎng)規(guī)劃在2025年前建立7 700座智能變電站，以提高經(jīng)營效率。智能變電站的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，元器件更多，傳統(tǒng)的故障診斷技術(shù)，已越來越難以滿足智能變電站的快速與精準(zhǔn)診斷的需求。為此，需要針對智能變電站及其故障的特點，采用更先進的技術(shù)進行智能變電站的故障快速、精確診斷。本文將基于智能變電站及其故障特點，采用Petri網(wǎng)技術(shù)，進行智能變電站故障快速與精準(zhǔn)診斷，達到協(xié)助工作人員快速、精確進行變電站故障定位和快速恢復(fù)變電站正常工作、減少社會經(jīng)濟損失的目的。

1 智能變電站及其故障特點

1.1 智能變電站的特點

智能變電站是智能電網(wǎng)的重要組成部分，可有效整合站內(nèi)全部數(shù)據(jù)，具有“智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備、符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)通信系統(tǒng)”三個基本特征，其內(nèi)部信息全部數(shù)據(jù)化，信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，通信模型標(biāo)準(zhǔn)化實現(xiàn)識別和功能共享。與傳統(tǒng)變電站相比，智能變電站設(shè)備有智能斷路器、變壓器、電流電壓互感器等多種類型的智能設(shè)備，可實現(xiàn)保護、控制與報警等附加功能，以實現(xiàn)變電站智能化要求；大量使用光纖以太網(wǎng)，運用網(wǎng)絡(luò)交換機，將所有測控、保護裝置連接至站控層交換機，可以較好的滿足智能變電站對電壓電流次采樣、設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控、控制指令采集等信息傳遞的需求。

1.2 智能變電站的故障特點

智能變電站中的變壓器的電氣量會因元器件故障而發(fā)生改變，故障區(qū)域的故障元器件的電氣量幅值變大，而非故障元件電量幅值小幅度變化，以故障電流為例，不同類型元件故障時，電流變化特征有以下三種。

1.2.1 變壓器故障電流特征

變壓器故障主要是因為相間短路、過負荷等因素所致，進而導(dǎo)致氣體保護、差動保護等主保護在變壓器故障時，驅(qū)動變壓器保護裝置動作的電流與變壓器最大負荷電流的關(guān)系如式（1）所示：

1.2.2 輸電線路故障電流特征

輸電線路模型如圖1所示。

圖1 輸電線路模型

線路兩端分別為S發(fā)送端母線，與R接收端母線，流過的電流分別為和。兩端例如電流模值I為標(biāo)量。

1.2.3 母線故障電流特征

2 變電站故障診斷方法應(yīng)用

本文用于對變電站故障診斷模型實驗的變電站系統(tǒng)如圖2所示。在本文所實驗研究的變電站局部電網(wǎng)圖中包含了7條母線、9條聯(lián)絡(luò)線路和18組斷路器保護設(shè)備。

圖2 變電站局部電網(wǎng)圖

2.1 故障診斷方法

采用Petri網(wǎng)進行智能變電站故障診斷的具體流程如圖3所示。

具體流程為：

（1）根據(jù)變電站系統(tǒng)中元件結(jié)構(gòu)的實際情況，構(gòu)建基于變電站元件的Petri網(wǎng)模型。

（2）當(dāng)變電站系統(tǒng)發(fā)生元件故障時，從電力信息管理系統(tǒng)采集變電站系統(tǒng)的故障監(jiān)測信息，如保護動作信息以及斷路器動作信息。

（3）對所采集到的變電站故障監(jiān)測信息進行預(yù)處理，包括錯誤信息的修正和缺失信息的監(jiān)測，以保證所采集到的變電站故障監(jiān)測信息的正確性。

圖3 故障診斷流程

（4）對預(yù)處理結(jié)束后的變電站故障監(jiān)測信息進行分析，并且將相應(yīng)的托肯放入相應(yīng)的Petri網(wǎng)中，實現(xiàn)Petri網(wǎng)故障診斷模型的初始化，得到Petri網(wǎng)故障診斷模型的初始標(biāo)識向量。

（5）根據(jù)Petri網(wǎng)故障診斷模型的點火規(guī)則，依次、并列的方式對滿足點火規(guī)則的變遷進行點火，并采用矩陣分析方法完成模型內(nèi)的變遷計算。

（6）在所有的點火完成后，Petri網(wǎng)故障診斷模型進入最終的穩(wěn)定狀態(tài)，得到變電站系統(tǒng)對應(yīng)的終態(tài)Petri網(wǎng)，并得到Petri網(wǎng)中對應(yīng)終態(tài)標(biāo)識向量。

（7）按照預(yù)設(shè)的變電站故障元件判定規(guī)則，和Petri網(wǎng)故障診斷模型的保護設(shè)備評價規(guī)則，對Petri網(wǎng)穩(wěn)定終態(tài)中仍保存托肯的元件進行分析，最終確定變電站系統(tǒng)內(nèi)的故障元件以及保護設(shè)備動作評價。

2.2 故障診斷流程

根據(jù)圖2所示的變電站局域電網(wǎng)圖，進行Petri網(wǎng)模型的初始化。故障情況：線路L、L同時發(fā)生故障，保護R、R、R、R動作，跳開斷路器CB、CB、CB、CB。

（1）元件L、L的Petri網(wǎng)故障診斷模型，如圖4、圖5所示。

圖4 L1的Petri網(wǎng)故障診斷模型

圖5 L2的Petri網(wǎng)故障診斷模型

（2）元件L、L的Petri網(wǎng)模型的關(guān)聯(lián)矩陣：

下面對線路L的故障診斷流程進行詳細分析。

在Petri網(wǎng)故障模型中，根據(jù)Petri網(wǎng)所采集到的變電站故障信息，按照初始Petri網(wǎng)故障初始模型中的托肯布入規(guī)則，實現(xiàn)L子網(wǎng)的Petri網(wǎng)診斷模型初始化。如圖6所示。

圖6 模型初始狀態(tài)

得到初始標(biāo)識向量：

根據(jù)變遷觸發(fā)規(guī)則，變遷t、t點火，托肯轉(zhuǎn)移至R、R中，變遷T滿足條件，托肯轉(zhuǎn)移至L中。

整個點火過程的矩陣運算過程為：

第一階段點火的矩陣分析：

上式中，為第一階段點火的控制向量。

圖7為L的Petri網(wǎng)模型中間狀態(tài)。相應(yīng)的Petri網(wǎng)的變化為：

圖7 L2的Petri網(wǎng)模型中間狀態(tài)

第二階段點火的矩陣分析：

滿足條件的變遷全部完成點火后，Petri網(wǎng)進入最終的穩(wěn)定狀態(tài)。如圖8所示。

通過如上的分析，在得出如圖8所示的變電站元件L的最終穩(wěn)態(tài)中，存在一個托肯。根據(jù)Petri網(wǎng)模型的判定規(guī)則，確定變電站子網(wǎng)中的L發(fā)生故障，使用同樣的規(guī)則，對變電站的L子網(wǎng)進行分析，并據(jù)此確定變電站子網(wǎng)中的L存在故障。

圖8 L2的Petri網(wǎng)模型穩(wěn)定狀態(tài)

對于變電站中，L子網(wǎng)和L子網(wǎng)以外的其他變電站元件的故障診斷，可根據(jù)庫所資源是否發(fā)生變化，而分成兩類：對于庫所資源沒發(fā)生變化的變電站內(nèi)元件Petri網(wǎng)而言，由于在故障診斷過程中，相應(yīng)的資源并沒有發(fā)生變遷點火，和托肯的布入和轉(zhuǎn)移等變化，因此可以看出該元件沒有發(fā)生故障，因此不需要分析該元件的Petri網(wǎng)。

而對于庫所資源發(fā)生變化對變電站內(nèi)元件Petri網(wǎng)而言，可以通過L、L的故障診斷推理，得到穩(wěn)態(tài)Petri網(wǎng)。并分析得到其他元件的穩(wěn)態(tài)Petri網(wǎng)。

最終，通過如上的分析可以得出如下的結(jié)論：變電站中的元件L和L發(fā)生故障，而且變電站在故障發(fā)生后所采取的保護設(shè)備動作均準(zhǔn)確。

通過如上的分析可以看出，在變電站Petri網(wǎng)故障診斷模型中，首先通過對Petri網(wǎng)的劃分，分為多個Petri網(wǎng)子網(wǎng)，通過對多個Petri網(wǎng)子網(wǎng)的并列分析，減少Petri網(wǎng)內(nèi)的元件數(shù)量，降低Petri網(wǎng)的子網(wǎng)規(guī)模，以提高Petri網(wǎng)變電故障診斷模型的診斷效率，并通過子網(wǎng)類型的分類，使得不同子網(wǎng)類型的故障診斷分析更有針對性，也有助于提高變電站故障診斷的準(zhǔn)確性。

3 結(jié) 論

變電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分，變電站能否正常工作在很大程度上決定了電力系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行。為此，當(dāng)變電站故障發(fā)生時，在短時間內(nèi)抓住報警實質(zhì)，快速判斷出故障元件或故障部位，對于及時排除電力系統(tǒng)故障，和保障電力系統(tǒng)的正常運行有非常重大的意義。本文采用Petri網(wǎng)技術(shù)進行智能變電站故障診斷研究，提高了故障診斷、故障定位的效率和準(zhǔn)確性，降低了運行檢修人員對于故障排除的時間，提高了故障處理的效率，實現(xiàn)了電力的快速恢復(fù)，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供了保障。