李洪坤，梁猛，楊雪飛，吳振凱，楊光照，林欣森

（1.超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545000；2.埃克斯工業(yè)（廣東）有限公司，廣東 廣州 510000）

0 前言

目前，國內(nèi)多采用三維建?？梢暬夹g(shù)對變電站內(nèi)變壓器等設(shè)備建模，雖然一定程度上解決了傳統(tǒng)管理方法所存在的管理協(xié)同工作的難題，但隨著電力系統(tǒng)呈現(xiàn)開放式的發(fā)展趨勢，其非線性、高維度、分層、分布式等特征給三維數(shù)字可視化帶來巨大的挑戰(zhàn)。單純的三維數(shù)字可視化建模難以精確描述設(shè)備之間、設(shè)備內(nèi)部的聯(lián)動機制和約束關(guān)系，無法整合設(shè)備運行的相關(guān)環(huán)境信息，進(jìn)而難以實現(xiàn)對變電站設(shè)備運行狀態(tài)過程的綜合性分析[1-7]。

因此，需要深入的開展對變電站設(shè)備間的聯(lián)動機制、約束關(guān)系及動態(tài)運行過程表達(dá)方式方法的研究，探索運行機理建模的實現(xiàn)方法。變壓器作為變電站中較為昂貴的設(shè)備，尤為需要開展針對變壓器的運行工作機理建模、數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)融合、運行狀態(tài)過程推演預(yù)測、智能故障診斷分析、智能預(yù)測性運維等研究工作，通過構(gòu)建可以描述變壓器離散事件過程的數(shù)字孿生系統(tǒng)，為后續(xù)基于數(shù)字孿生開展變壓器狀態(tài)預(yù)測與故障診斷等方面奠定模型基礎(chǔ)[8-14]。

基于上述情況，本文采用ROPN（面向資源的高級Petri 網(wǎng)建模技術(shù)）系統(tǒng)工程建模方法對變壓器運行狀態(tài)過程進(jìn)行全方位、細(xì)粒度的機理建模，構(gòu)建變壓器運行系統(tǒng)的數(shù)字孿生體，實現(xiàn)變壓器物理系統(tǒng)與虛擬鏡像系統(tǒng)的信息交互回饋，通過虛實交互回饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為變壓器物理系統(tǒng)運行增加和擴(kuò)展新的能力。

1 高級系統(tǒng)工程建模技術(shù)——ROPN

Petri（Resource -Oriented Petrinet）網(wǎng)作為目前較為流行的建模方法，能夠?qū)﹄x散并發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行很好的描述。同時Petri 網(wǎng)適合于描述系統(tǒng)狀態(tài)和行為的改變，而狀態(tài)趨勢及故障是以設(shè)備狀態(tài)和行為變化為特征的，狀態(tài)趨勢與故障的產(chǎn)生和傳播是一個動態(tài)過程，因此Petri 網(wǎng)可以很好地表示系統(tǒng)狀態(tài)和行為的變化關(guān)系，準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)的產(chǎn)生和傳播特性。

但傳統(tǒng)Petri 網(wǎng)在進(jìn)行對生產(chǎn)系統(tǒng)的建模時有一個共同的特征：生產(chǎn)系統(tǒng)越復(fù)雜，該類模型的規(guī)模就會快速增長。因此本文提出了基于一種高級Petri 網(wǎng)的系統(tǒng)工程建模技術(shù)（ROPN，Process Oriented Petrinet），通過建立緊湊的系統(tǒng)工程模型實現(xiàn)復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)建模。

1.1 變壓器運行機理的ROPN建模研究

通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表述及直觀的圖形表達(dá)，基于ROPN 技術(shù)的變壓器機理建模不僅可以描述生產(chǎn)系統(tǒng)的動態(tài)運行過程，也可以較好地處理異步并發(fā)事件。對于變壓器機理建模，其實質(zhì)是構(gòu)建變電站變壓器各功能環(huán)節(jié)在不同狀態(tài)下機理模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式。具體介紹如下：

1）機理模型的定義

機理模型，亦稱白箱模型。是根據(jù)設(shè)備、生產(chǎn)過程、工作原理的內(nèi)部機制、規(guī)律或者物質(zhì)流的傳遞機理，經(jīng)嚴(yán)格推導(dǎo)建立起來的精確數(shù)學(xué)模型。機理模型的優(yōu)點是參數(shù)具有非常明確的物理意義，易于調(diào)整，所得的模型具有很強的適應(yīng)性。

2）機理模型的構(gòu)建流程

如圖1中所示，首先需根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和遵循的內(nèi)在科學(xué)規(guī)律（物理定律、化學(xué)定律等）構(gòu)建初步的機理模型，然后在系統(tǒng)運行時的大量輸入、輸出數(shù)據(jù)，借助合適的優(yōu)化算法，獲取高精度的機理模型。

圖1 機理模型構(gòu)建過程

3）機理模型的表現(xiàn)形式

機理模型可以是一個數(shù)學(xué)表達(dá)式或者多個數(shù)學(xué)表達(dá)式的組合，每個數(shù)學(xué)表達(dá)式均代表著該功能環(huán)節(jié)在某種狀態(tài)下的運行機理。

1.2 ROPN建模研究案例

下面以變壓器差動保護(hù)裝置為例進(jìn)行ROPN離散事件系統(tǒng)工程建模過程。

差動保護(hù)是變壓器的保護(hù)裝置，它是根據(jù)“電路中流入節(jié)點電流的總和等于零”原理制成的；差動保護(hù)把被保護(hù)的電氣設(shè)備看成是一個節(jié)點，正常時流進(jìn)被保護(hù)設(shè)備的電流和流出的電流相等，差動電流等于零。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，流進(jìn)被保護(hù)設(shè)備的電流和流出的電流不相等，差動電流大于零。當(dāng)差動電流大于差動保護(hù)裝置的閾值時，執(zhí)行保護(hù)動作，將被保護(hù)設(shè)備的各側(cè)斷路器跳開，使故障設(shè)備斷開電源。差動保護(hù)原理簡單、保護(hù)范圍明確、動作不需延時，一直用于變壓器做主保護(hù)。

基于差動保護(hù)的工作原理，其保護(hù)過程的ROPN 離散事件系統(tǒng)工程建模如圖2所示。

圖2 變壓器差動保護(hù)裝置ROPN離散事件系統(tǒng)工程建模

其中：庫所p1表示差動電流監(jiān)測裝置；庫所p2表示故障報警裝；庫所p3表示故障診斷與維修過程；變遷t1表示差動保護(hù)裝置執(zhí)行保護(hù)動作使得變壓器停止工作；變遷t2表示故障維修完畢且恢復(fù)變壓器工作狀態(tài)；變遷t3表示解除故障報警。

在該ROPN 離散事件系統(tǒng)工程建模中，庫所p1中的令牌和變遷t1具有顏色，分別用C(p1)和C(t1) 表示。C(p1) 是差動電流監(jiān)測裝置所獲取的差動電流值，而C(t1)是差動保護(hù)裝置的保護(hù)閾值。

當(dāng)C(p1) ＞C(t1)時，變遷t1使能，可以觸發(fā)。觸發(fā)變遷t1后，p1中的令牌消失，而p2和p3分別進(jìn)入下一個令牌，分別代表著保護(hù)裝置進(jìn)行故障報警和故障排除。當(dāng)工程師接收報警信息后，可人為解除報警，故控制庫所pc1表示解除報警。當(dāng)工程師確認(rèn)故障排除時，可恢復(fù)變壓器工作狀態(tài)，故控制庫所pc2表示恢復(fù)變壓器工作狀態(tài)。這樣，當(dāng)t2觸發(fā)時，令牌從庫所p3移動到p1中，回到對差動電流進(jìn)行監(jiān)測的狀態(tài)。差動保護(hù)工作原理簡單，因此其ROPN 離散事件系統(tǒng)工程建模規(guī)模相對簡單緊湊。

2 變壓器數(shù)字孿生體構(gòu)建

2.1 變壓器數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)融合分析研究

變電站變壓器在運行過程中會產(chǎn)生大量的檢修和管理數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)增長速率非?？欤瑪?shù)據(jù)種類繁多。因此為實現(xiàn)物理實體中獲取全面的數(shù)據(jù)，變電站變壓器數(shù)字孿生體的構(gòu)建必然需要解決數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)融合的問題。

數(shù)據(jù)融合是多方面、多層次的處理過程，其主要功能在于對來源不同的不同種類的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測分析，從而獲得更準(zhǔn)確的狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)融合可以處理較多的問題，比如數(shù)據(jù)偏差、錯誤數(shù)據(jù)、異構(gòu)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)內(nèi)部聯(lián)系等。通過數(shù)據(jù)融合算法，實現(xiàn)變電站孿生體對物理實體的全方位映射及信息交互回饋。

本文從多個層級建立數(shù)據(jù)融合體系，并通過多種數(shù)據(jù)融合算法實現(xiàn)變電站變壓器數(shù)字孿生體對其物理系統(tǒng)變化進(jìn)行實時反饋，以及綜合分析決策。變電站變壓器系統(tǒng)數(shù)字孿生體多級數(shù)據(jù)融合體系的建立首先需要建立變電站設(shè)備信息采集通道，以實現(xiàn)對變電站變壓器物理系統(tǒng)運行狀態(tài)全面數(shù)據(jù)的獲取。通過應(yīng)用于前端設(shè)備的傳感器（監(jiān)測單元）對設(shè)備運行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，經(jīng)RS454/RS485 傳輸?shù)酵ㄐ殴芾韱卧缓蟛捎媚暇W(wǎng)專用通信接口協(xié)議，將采集數(shù)據(jù)匯總到多級數(shù)據(jù)融合平臺。平臺數(shù)據(jù)經(jīng)過清洗處理并導(dǎo)入數(shù)字孿生系統(tǒng)，形成對現(xiàn)實物理系統(tǒng)的虛擬仿真。源源不斷的數(shù)據(jù)導(dǎo)入為數(shù)字孿生系統(tǒng)提供了大數(shù)據(jù)計算資源，再通過引入的人工智能對大數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，實現(xiàn)變壓器運行狀態(tài)推演預(yù)測。

2.2 變壓器運行狀態(tài)推演預(yù)測分析

基于變電站變壓器系統(tǒng)的ROPN 模型，采用可達(dá)圖分析法對變電站變壓器系統(tǒng)模型進(jìn)行分析，結(jié)合智能計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)實時預(yù)測變壓器系統(tǒng)生產(chǎn)運行狀態(tài)變化，并建立變電站變壓器系統(tǒng)運行狀態(tài)模型庫以及突發(fā)事件應(yīng)急指令庫，對突發(fā)事件進(jìn)行實時推薦智能應(yīng)急響應(yīng)指令，實現(xiàn)規(guī)范化操作與控制，盡可能減少突發(fā)事件對變電站系統(tǒng)造成的影響，不僅在一定程度上節(jié)省大量的人力、物力與財力，也可以避免人為操作不當(dāng)導(dǎo)致的嚴(yán)重后果，保障系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。

基于變電站變壓器的ROPN 系統(tǒng)工程運行機理模型，設(shè)定以達(dá)成對設(shè)備的預(yù)測性維護(hù)為目標(biāo)，從而建立變電站變壓器運行狀態(tài)推演分析系統(tǒng)。變壓器運行狀態(tài)推演分析系統(tǒng)的建設(shè)流程如圖3所示。

圖3 變壓器運行狀態(tài)推演分析系統(tǒng)建設(shè)流程

1）接入設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建監(jiān)測數(shù)據(jù)指標(biāo)在時間維度上的趨勢圖，以振動監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，如圖4所示。

圖4 某站主變的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)示意圖

圖4為對某站主變的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的頻域分析圖，在此處研究振動趨勢分析變化，則可以預(yù)測出設(shè)備早期缺陷，防微杜漸，可防范于未然。

2）設(shè)備狀態(tài)的推演分析。主要采用兩種方式，一種是基于設(shè)備的機理模型，代入設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行推理計算，針對推理結(jié)果進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)的推演分析，如圖5所示。

圖5中為了推演變壓器的狀態(tài)，會綜合考慮變壓器油的狀態(tài)（油溫、油位、油色譜、油雜質(zhì)等），運行時的電流、有功功率、無功功率、短路發(fā)生、振動、噪音等，環(huán)境狀態(tài)（氣溫、相對溫度等）。

圖5 變壓器狀態(tài)推演過程示意圖

另一種是根據(jù)設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)指標(biāo)的趨勢圖，進(jìn)行設(shè)備在時間維度上趨勢圖的對比分析等，以此來推演設(shè)備的狀態(tài)，如圖6所示，當(dāng)設(shè)備的監(jiān)測指標(biāo)在不同的時間段上，經(jīng)過對比分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)生劇烈變化時，則代表著設(shè)備可能發(fā)生異常，需要及時進(jìn)行檢修維護(hù)。

圖6 監(jiān)測數(shù)據(jù)時間維度對比分析示意圖

2.3 變壓器智能故障預(yù)測診斷分析研究

如果以變電站主變壓器的主要故障為研究對象，構(gòu)建ROPN 系統(tǒng)工程故障診斷模型。其需建立的業(yè)務(wù)流程如下：

Step 1：業(yè)務(wù)分析，對系統(tǒng)中的故障情況進(jìn)行分析歸納，從故障的特性出發(fā)進(jìn)行故障類型的梳理；

Step 2：故障邏輯分析，對以往故障發(fā)生的情況以及故障發(fā)生的原因等數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計計算；并進(jìn)行故障產(chǎn)生邏輯的推理分析；

Step 3：根據(jù)ROPN 系統(tǒng)工程建模方法，建立ROPN 系統(tǒng)工程故障診斷模型。

Step 4：AI 優(yōu)化模型進(jìn)行ROPN 系統(tǒng)工程故障診斷模型的參數(shù)優(yōu)化，達(dá)到最優(yōu)的ROPN系統(tǒng)工程故障診斷模型。

其故障預(yù)測分析具體案例將在下文進(jìn)行闡述。

3 驗證方法

3.1 基于歷史數(shù)據(jù)驗證

對于如何驗證變壓器故障診斷和分類的準(zhǔn)確性，其首要思路是模型需基于歷史數(shù)據(jù)中變壓器故障發(fā)生的事件案例，獲取歷史故障發(fā)生時的設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)，代入故障診斷和預(yù)測模型中進(jìn)行推理分析，將輸出模型的預(yù)測結(jié)果與實際結(jié)果進(jìn)行對比，以此來進(jìn)行系統(tǒng)效果的驗證。

3.2 實際線上驗證

在建立模型通過基于歷史數(shù)據(jù)的驗證后，可在系統(tǒng)部署上線后，將設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)實時輸入故障診斷和預(yù)測模型中進(jìn)行推理分析，當(dāng)有真實故障發(fā)生時，將模型的預(yù)測結(jié)果與實際結(jié)果進(jìn)行對比，以此來進(jìn)行系統(tǒng)效果的驗證。

3.3 實際效用說明

下面以預(yù)測繞組線圈受短路電流沖擊造成變形或損壞為例進(jìn)行實際效用說明。

變壓器在電力系統(tǒng)中掛網(wǎng)正常工作，其電磁參數(shù)皆趨近額定值。但當(dāng)系統(tǒng)中運行的突然空載重合閘、突然變化的用電負(fù)荷以及二次側(cè)出口處突發(fā)短路故障等外部不可抗力因素作用于變壓器上時，會危及變壓器運行的穩(wěn)定性、安全性。特別當(dāng)變壓器發(fā)生短路時，非常大的短路電動力會瞬間作用于其繞組之上，盡管過程極其短暫，但是如果變壓器繞組在承載短路能力方面存在缺陷，繞組即會發(fā)生毀壞，造成嚴(yán)重的事故，電網(wǎng)正常運行將受到極大危害。因此依靠本方案建立的故障預(yù)測系統(tǒng)，針對繞組線圈故障的預(yù)測，具體實現(xiàn)方式如圖7所示。

圖7 AI預(yù)測模型迭代優(yōu)化過程

通過故障預(yù)測平臺的建設(shè)，提前感知預(yù)測變電站主變壓器設(shè)備故障發(fā)生的可能性與時間節(jié)點，及時進(jìn)行預(yù)測性的設(shè)備維護(hù)，避免主變短路等事故的發(fā)生，保障電網(wǎng)生產(chǎn)運行的安全。如基于AI 預(yù)測模型，通過分析油樣色譜中氫、乙炔、總烴等故障特征氣體的含量的變化趨勢，來預(yù)測未來一段時間內(nèi)變壓器匝間短路故障的發(fā)生的概率大小，當(dāng)超過設(shè)定的概率值時，則認(rèn)為故障在預(yù)測的時間段內(nèi)將會發(fā)生，需要進(jìn)行提前的設(shè)備維護(hù)[15-21]。

4 結(jié)束語

針對目前油浸式電力變壓器建模所普遍采用的三維可視化技術(shù)，本文指出該方法存在無法精準(zhǔn)描述故障設(shè)備之間、設(shè)備內(nèi)部的聯(lián)動機制和約束關(guān)系等問題，并提出使用面向資源的高級Petri 網(wǎng)建模技術(shù)（ROPN）進(jìn)行分析、預(yù)測和解決。通過闡述基于ROPN 建模技術(shù)的變壓器狀態(tài)運行趨勢分析和故障診斷分析模型建立流程，并以變壓器繞組線圈故障預(yù)測為例子，驗證出該ROPN 技術(shù)在電力系統(tǒng)中構(gòu)建物理對象與虛擬環(huán)境一一映射實施的可行性與準(zhǔn)確性。本文所采用的技術(shù)建模架構(gòu)可以與目前電力系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行有效整合和使用，實現(xiàn)變壓器運行狀態(tài)趨勢及故障預(yù)測診斷分析精確預(yù)測，具有較強的推廣價值和應(yīng)用前景。