基于Petri網方法的智能變電站故障診斷方法研究

高煒

（國網山西省電力公司 嵐縣供電公司，山西 呂梁 035200）

0 引 言

變電站是電網的關鍵部分，在電網中起著承上啟下的作用，是連接發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，直接影響電力系統的運行，以及用戶用電的穩定性。為此，對變電站故障診斷技術進行研究，保證變電站的正常、穩定運行，對保障電力系統的正常運行有非常重要的意義。隨著電力信息化的建設，變電站不僅滿足于電網信息的日常測量，其自動化與集成度也越來越高，已經逐漸成為電網中重要的信息節點。同時變電站智能化水平不斷提升，根據《國家電網公司發展戰略綱要》，國家電網規劃在2025年前建立7 700座智能變電站，以提高經營效率。智能變電站的結構更復雜，元器件更多，傳統的故障診斷技術，已越來越難以滿足智能變電站的快速與精準診斷的需求。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網技術，進行智能變電站故障快速與精準診斷，達到協助工作人員快速、精確進行變電站故障定位和快速恢復變電站正常工作、減少社會經濟損失的目的。

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的重要組成部分，可有效整合站內全部數據，具有“智能化一次設備、網絡化二次設備、符合IEC61850標準通信系統”三個基本特征，其內部信息全部數據化，信息通過網絡傳輸，通信模型標準化實現識別和功能共享。與傳統變電站相比，智能變電站設備有智能斷路器、變壓器、電流電壓互感器等多種類型的智能設備，可實現保護、控制與報警等附加功能，以實現變電站智能化要求；大量使用光纖以太網，運用網絡交換機，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、設備運行狀態監控、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生改變，故障區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，進而導致氣體保護、差動保護等主保護在變壓器故障時，驅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為標量。

1.2.3 母線故障電流特征

2 變電站故障診斷方法應用

本文用于對變電站故障診斷模型實驗的變電站系統如圖2所示。在本文所實驗研究的變電站局部電網圖中包含了7條母線、9條聯絡線路和18組斷路器保護設備。

圖2 變電站局部電網圖

2.1 故障診斷方法

采用Petri網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）根據變電站系統中元件結構的實際情況，構建基于變電站元件的Petri網模型。

（2）當變電站系統發生元件故障時，從電力信息管理系統采集變電站系統的故障監測信息，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測信息進行預處理，包括錯誤信息的修正和缺失信息的監測，以保證所采集到的變電站故障監測信息的正確性。

圖3 故障診斷流程

（4）對預處理結束后的變電站故障監測信息進行分析，并且將相應的托肯放入相應的Petri網中，實現Petri網故障診斷模型的初始化，得到Petri網故障診斷模型的初始標識向量。

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

（6）在所有的點火完成后，Petri網故障診斷模型進入最終的穩定狀態，得到變電站系統對應的終態Petri網，并得到Petri網中對應終態標識向量。

（7）按照預設的變電站故障元件判定規則，和Petri網故障診斷模型的保護設備評價規則，對Petri網穩定終態中仍保存托肯的元件進行分析，最終確定變電站系統內的故障元件以及保護設備動作評價。

2.2 故障診斷流程

根據圖2所示的變電站局域電網圖，進行Petri網模型的初始化。故障情況：線路L、L同時發生故障，保護R、R、R、R動作，跳開斷路器CB、CB、CB、CB。

（1）元件L、L的Petri網故障診斷模型，如圖4、圖5所示。

圖4 L1的Petri網故障診斷模型

圖5 L2的Petri網故障診斷模型

（2）元件L、L的Petri網模型的關聯矩陣：

下面對線路L的故障診斷流程進行詳細分析。

在Petri網故障模型中，根據Petri網所采集到的變電站故障信息，按照初始Petri網故障初始模型中的托肯布入規則，實現L子網的Petri網診斷模型初始化。如圖6所示。

圖6 模型初始狀態

得到初始標識向量：

根據變遷觸發規則，變遷t、t點火，托肯轉移至R、R中，變遷T滿足條件，托肯轉移至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網模型中間狀態。相應的Petri網的變化為：

圖7 L2的Petri網模型中間狀態

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網進入最終的穩定狀態。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的最終穩態中，存在一個托肯。根據Petri網模型的判定規則，確定變電站子網中的L發生故障，使用同樣的規則，對變電站的L子網進行分析，并據此確定變電站子網中的L存在故障。

圖8 L2的Petri網模型穩定狀態

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

而對于庫所資源發生變化對變電站內元件Petri網而言，可以通過L、L的故障診斷推理，得到穩態Petri網。并分析得到其他元件的穩態Petri網。

最終，通過如上的分析可以得出如下的結論：變電站中的元件L和L發生故障，而且變電站在故障發生后所采取的保護設備動作均準確。

通過如上的分析可以看出，在變電站Petri網故障診斷模型中，首先通過對Petri網的劃分，分為多個Petri網子網，通過對多個Petri網子網的并列分析，減少Petri網內的元件數量，降低Petri網的子網規模，以提高Petri網變電故障診斷模型的診斷效率，并通過子網類型的分類，使得不同子網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確性。

3 結 論

變電站是電力系統的重要組成部分，變電站能否正常工作在很大程度上決定了電力系統能否穩定運行。為此，當變電站故障發生時，在短時間內抓住報警實質，快速判斷出故障元件或故障部位，對于及時排除電力系統故障，和保障電力系統的正常運行有非常重大的意義。本文采用Petri網技術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，實現了電力的快速恢復，為電力系統的安全穩定運行提供了保障。