基于Petri网的水轮机调速系统联动控制研究

【摘要】传统水轮机调速系统无法对其电气、机械、液压设备之间的联动关系进行有效的控制，直接降低水轮机运行的安全性。针对这一难题本文设计了一种基于Petri网的水轮机调速系统联动控制模型。模型利用Petri网拓扑图形进行推理并借助微机控制平台实现控制功能。算例分析证明了该模型的有效性。

【关键词】水轮机调速器;Petri网;联动保护

1.引言

在我国，水力发电总量仅次于火力发电，是第二大发电方式。水电站安全运行直接影响水力发电总量，甚至直接影响我国国民经济运行。因此确保水电站发电安全是一项十分重要的工作。水轮机调速器作为水电站调节系统中的一种重要部分，对水电站的安全运行起到保护作用。传统的水轮机调速系统中电气设备、机械设备、液压设备时单独控制。三者之间的联动控制设计无法满足我国水电站数字化控制的需求[1]。这直接导致了导致接力器抽动、溜负荷、调压阀与导叶联动不准确引起的机组过速和涡壳水压超标等安全隐患不能有效解。

近年来，微机控制方式逐渐被引入水轮机调速系统中来解决上述问题[2]。这种方式通过微机控制器（如PLC、工控机等）对整个水轮机调速系统进行控制，可以提升水轮机调速系统的控制性能。这也使得将智能控制方法用于水轮机调速系统联动控制成为可能。本文基于微机控制平台设计了一种水轮机调速系统电气、机械、液压三部分设备联动控制模型。以此解决水轮机调速系统联动控制中存在的不足。

水轮机调速器对水电站的安全运行起到保护作用。传统的水轮机调速系统对电气设备、机械设备、液压设备三者间的联动控制无法满足我国水电站数字化控制的需求[1]。近年来，微机控制方式逐渐被引入水轮机调速系统中来解决上述问题。这种方式通过微机控制器（如PLC、工控机等）对整个水轮机调速系统进行控制，可以提升水轮机调速系统的控制性能。本文基于微机控制平台设计了一种水轮机调速系统电气、机械、液压三部分设备联动控制模型。以此解决水轮机调速系统联动控制缺陷。

2.Petri网概念及建模方式

Petri网模型包括网络拓扑图、推理机制和数学表达式三部分。其中数学表达式由P，T，F，M0组成。其中P、T分别表示库所和变迁集合，F 表示输入库所到变迁以及变迁到输出库所的有向弧集合，M0表示各库所中令牌数的初始状态集。当库所获得令牌后，输入库所将根据Petri网结构中与之相连的有向弧以并根据模型结构构建输出推理式。输出库所根据推理式得到相应结果即输出库所的令牌数量。如果令牌为零表示该输出库所对应的事件没有发生，令牌数不为零则事件发生。Petri网模型网络拓扑图可以根据数学表达式中与每个库所对应的实际事件之间的物理关系构建。在水轮机调速系统联动控制模型中，库所之间的拓扑机构根据系统中的各种联动控制关系构建[2]。

3.水轮机调速系统联动Petri网模型

图1-图3为水轮机调速系统联动Petri网模型拓扑图。水轮机调速系统联动Petri网模型模型包含导叶与调压阀联动、频率与闭环控制参数联动、机组功率与导叶开度联动三个分模块。模型首先根据电气-机械-液压设备之间联动控制要求将控制对应事件抽象出来并将这些事件在Petri网拓扑图中用库所代表，并将存在联系的输入库所和输出库所用变迁和有向弧连接起来。确定拓扑图后再根据Mk=Mk-1+AT・uk得到结果。水轮机调速系统联动Petri网模型是基于微机控制器基础上，因此可以将微机的扫描周期设定为联动控制模型的扫描周期。

其过程如下：

（1）确定联动控制Petri网模型数学表达式中的初始状态值包括P、T、F、W、M0等;

（2）以系统扫描周期为间隔，以M0为初始值，每隔一个扫描周期将前一个周期的状态集向量Mk-1带入Mk=Mk-1+AT・uk中进行推理并得到Mk值，并由Mk中各输出库所的令牌数量来判断其代表的事件是否发生;

（3）循环上述步骤，仅当水轮机调速器联动控制模型停止时，结束上述推理步骤。当模型从新开始工作时，模型先进行初始化再循环执行上述步骤。

4.算例分析

如水轮机调速系统检测到第k-1个扫描周期P20、P23所代表事件的触发征兆。则P20、P23在第k-1周期末、第k周期初的令牌均为1。根据图3机组功率与导叶开度联动Petri拓扑图可得下式：

由拓扑图可知P24、P26被激活。

5.结束语

利用Petri网模型构建水轮机调速系统联动控制模型可以提高联动控制的可靠性，确保水轮机调速系统的安全。利用概率细化令牌的可信度是该领域今后的研究方向。

参考文献

[1]陈启明，吕桂林. 基于IEC61850的数字化水轮机调速系统的探讨[J].水电自动化与大坝监测，2011，35（2）：8-12.

[2]赵熙临，周建中，刘辉.基于规则获取的Petri网诊断模型设计[J].计算机工程与设计，2008，29（5）：1222-1225.

[3]潘熙和，等.我国水轮机调速器技术发展与市场状况分析[J].长江科学院院报，2009，26（9）：88-91.

[4]刘启钊.水电站[M].北京：中国水利水电出版社，2007.