《Energies》：Petri-Net-Based Interlocking and Supervisory Logic for Tap-Changer-Assisted Transformers: A Formalized Control Approach
Alfonso Montenegro and
Luis Tipán
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针对配电网运行变异性增大对电压调控设备（尤其是带载分接开关变压器）提出更高要求的挑战，本文开发并验证了一种基于Petri网的离散监控控制方案。该方案在Simulink/Simscape中与OLTC变压器电磁模型耦合，并在Stateflow中实现，用于形式化处理OLTC操作的条件与顺序逻辑。在包含IEEE 13节点标准网络突发负载变化和单相接地故障的暂态场景下，该控制器成功将电压维持在容差带内，显著降低了均方根误差，并实现了100%的操作效率，证实了基于Petri网的监控逻辑能够同时提升电压质量和开关效率，为配电网自动化提供了可复现的替代方案。
随着光伏等分布式能源大规模并网，现代电力系统正朝着更加活跃和动态化的方向发展。这场能源转型在支持可持续发展的同时，也引入了功率流的不确定性与变异性，对维持电压在可接受限值内构成了严峻挑战。尤其是在可再生能源高渗透率的馈线中，电压调节不再是一个静态问题，而成为关乎供电质量与系统韧性的关键操作功能。配电网中的电压波动直接取决于线路压降，而负载的剧烈变化常常导致电压偏差超出用户容忍范围。在这一背景下，配备带载分接开关（On-Load Tap Changer, OLTC）的变压器，作为通过离散调整变比来稳定电压的传统方案，其角色愈发重要。然而，OLTC的安全可靠运行，不仅依赖于调节算法本身，更取决于管理操作序列、延时和约束条件的互联机制，这本质上构成了一个离散事件问题。当前工业实践中，这些监控功能通常由可编程逻辑控制器（PLC）实现。但随着运行复杂性增加——包括异步事件、多运行模式和故障条件——对更结构化、可验证的解决方案需求日益迫切。为此，本文提出了一种基于Petri网的OLTC辅助变压器互联与监控控制策略，旨在通过形式化的离散事件监控逻辑，显式处理序列约束、互联条件和时间相关决策，以提升电压质量与开关效率。
为开展此项研究，作者主要应用了以下几个关键技术方法：首先是建立了基于Petri网的离散监控逻辑形式化模型，用于描述OLTC操作的条件与顺序逻辑；其次，将该Petri网模型在MathWorks的Stateflow环境中进行实现，构建了监控控制器；接着，在Simulink/Simscape平台上建立了OLTC变压器的详细电磁暂态模型；最后，将上述控制器与变压器模型进行耦合，构建了完整的闭环仿真系统。研究使用IEEE 13节点标准测试馈线作为验证网络，并设计了包含负载突变、光伏注入和线路临时断开等多种扰动场景来评估控制器性能。
研究结果
电压调节性能评估（基准案例）：在包含突发负载变化和节点634单相接地故障的暂态场景中，所提出的控制器在96%的仿真时间内将电压维持在±1.875%的容差带内。与无控制器情况相比，电压均方根（RMS）误差降低了88%（从1.92%降至0.23%），并且实现了100%的操作效率（共16次有效操作，仅发生1次振荡事件）。这表明该控制器能有效应对严重故障，大幅提升电压稳定性。
在标准IEEE 13节点网络中的验证：在标准的IEEE 13节点网络上进行了进一步验证，模拟了600秒内施加的四种扰动（两次负载增加、光伏注入和一次临时线路断开）。在此情况下，电压调节在96.8%的时间内保持在±0.3%的精度区内，平均RMS误差为0.23%，效率为100%，且未发生振荡事件。这证明了该方案在更复杂、更接近实际的多扰动网络环境中依然能保持高精度和高可靠性。
Petri网监控逻辑的有效性：通过上述仿真结果，研究证实了基于Petri网的监控逻辑能够同时处理OLTC操作的离散、顺序和并发特性。该形式化方法不仅实现了电压的精细调节，还通过内置的逻辑约束（如操作间延时）有效防止了冲突、冗余操作或不正确的开关序列，从而保证了逻辑一致性与操作安全。
结论与讨论
本研究成功开发并验证了一种基于Petri网的离散监控控制方案，用于OLTC辅助变压器的电压调节。该方案的核心贡献在于将Petri网这一形式化工具应用于OLTC的互联与监控逻辑，从而能够显式地建模和处理其操作中的条件、序列及时间依赖关系。仿真结果表明，该控制器在应对负载突变、故障以及光伏波动等多种典型配电网扰动时，均能显著将电压维持在设定容差带内，大幅降低电压偏差，并几乎完全消除不必要的分接开关操作（振荡），实现了接近100%的操作效率。
这项工作的重要意义在于，它为配电网中OLTC等离散动作设备的智能控制提供了一条可形式化验证、可复现的技术路径。不同于传统的PLC编程或基于优化、人工智能的黑箱算法，Petri网模型提供了清晰的图形化表示和严格的数学基础，便于逻辑验证、错误排查和代码自动生成，这对于确保关键电力基础设施控制系统的安全性与可靠性至关重要。该研究将控制理论中的离散事件系统形式化方法与电力工程实际需求相结合，为应对高比例可再生能源接入带来的电压管理挑战，提供了一种兼具理论严谨性与工程实用性的创新解决方案。论文发表在《Energies》期刊上。
