（电力系统及其自动化专业论文）petri网理论在电网故障诊断中的应用.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee v e ri n c r e a s i n g l ye n l a r g ea n dc o m p l i c a t ed e v e l o p m e n to f t h ep o w e rs y s t e m s ，o p e r a t o r so f f i c ew o u l db ef l o o d e dw i t he x t r a o r d i n a r i l y a b u n d a n ta l a r mi n f o r m a t i o no ft h er e l e v a n tr e l a ye q u i p m e n t sw h i c hc a n h a r d l yb ep r o c e s s e dw h e n e v e rt h ef a u l to c c u r s t h es t a b i l i t yo ft h ew h o l e p o w e rs y s t e mw o u l db ed i s t u r b e di ft h ef a u l te l e m e n t sc o u l dn o tb e l o c a t e da n dr e m o v e d f o r t u n a t e l y ，f a u l td i a g n o s i ss y s t e mc a nl o c a t et h e f a u l te q u i p m e n t sa n dt h ei m p r o p e r l ye x e c u t e dr e l a y sa c c o r d i n gt ot h e s t r u c t u r eo fp o w e rg r i da n dt h ef a u l ti n f o r m a t i o n ，a n dt h ef a u l tl o c a t i o ni s t h ek e yi s s u ea m o n gt h e s ef u n c t i o n t h e r e f o r ei ti sa ne s s e n t i a lp a r to f m a i n t a i n i n gt h es t a b l eo p e r a t i o no ft h ep o w e rs y s t e mt os t u d yo na n d d e v e l o pac o m p l e t e df a u l td i a g n o s i sm e t h o df o rp o w e rs y s t e m s t u d y i n go nf a u l td i a g n o s i ss y s t e mw i t he f f i c i e n tw o r k ，t h i sp a p e r p r e s e n t san e ws t e pm o d eo ft h ef a u l td i a g n o s i so ft h ep o w e rs y s t e mb a s e d o np e t r in e t e s t a b l i s h e dt h em o d e lo ft r a n s m i s s i o nl i n e sa n db u sb a r sf o r t h ef a u l ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，t h i sp a p e rf o r m st h es u s p i c i o u ss e to ff a u l t e q u i p m e n t sa c c o r d i n gt h ef a u l ti n f o r m a t i o n ，d e d u c e st h ef a u l te q u i p m e n t s b ys t e pm o d ea n dm a t h e m a t i cm e t h o d s ，c o n c l u d et h er u l e o ft h ef a u l t e l e m e n td e t e r m i n a t i o na n dc o m p a r e st h er e l i a b i l i t yo ft h ed i a g n o s i s r e s u l t s t h i sm e t h o dh a sb e e np u ti n t ot r i a la p p l i c a t i o ni np o w e rs y s t e m s ， a n dt h ea p p l i e dr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee s t a b l i s h e dm o d e la n dm a t r i x a l g o r i t h mo ft h i sm e t h o di sa c c u r a t ea n dw e l lp e r f o r m e d m o r e o v e r ，t h i s m e t h o dc a nb eu s e d i n c o m p l i c a t e d c i r c u m s t a n c e sl i k e m u l t i - c o n f i g u r a t i o nr e l a y s ，b r e a k sm i s b e h a v i o rc a s e s ，e t c c o m p a r e dw i t h o t h e rf a u l td i a g n o s i sm e t h o d s ，t h em e t h o dp r e s e n t e di n t h i sp a p e rh a s m o r er e a l i s t i cm e a n i n g s ，a n di sd e m o n s t r a t e dt ob em o r ee f f i c i e n ta n d m o r es u i t a b l ef o ro n l i n ef a u l td i a g n o s i s k e yw o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ；p e t r in e t ；f a u l ti n f o r m a t i o ns y s t e m 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：竭圣婆 e t 期：丝幺生趁 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ， 论文作者签名：翌圣逸导师签名： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电网故障诊断的意义 随着我国经济的发展，电力需求日益增长，电网的互联规模和传 输的电压等级也随之不断提高，从而使电网故障的危害程度较以往大 大增加。减少电网故障的影响，保证稳定、可靠、优质的电力供给不 仅是电力用户的需求，也成为电力系统调度运行的重要技术方面。虽 然在提高电力系统的可靠性和安全性方面采取了一系列的措施，包括 提高元件的可靠性和控制系统的容错性，但在实际中电网还是难免发 生各种故障。这就对调度人员提出了要求，当电网发生各种简单和复 杂故障时，需要在短时间内准确迅速识别故障区域，判断真正的故障 元件，以便故障元件隔离后不影响非故障区域的正常运行，增加供电 的持续性和稳定性。 然而随着电力系统调度自动化水平的不断提高，各种自动装置的 广泛应用，越来越丰富的故障报警信息会在故障发生时通过故障信息 系统传入调度端，尤其在发生复故障和保护配置多样化的情况下，要 求调度运行人员在这种紧急情况下人为地提取有效的故障信息并快速 正确判断出故障元件是非常困难的。因此研究一种完善的电网故障诊 断算法和实际计算机诊断系统具有十分重要的意义。 研究电网故障诊断方法，其本质是为了将需要运行人员和其它单 位协同完成的电网故障定位任务交给计算机系统来辅助完成，利用计 算机的快速计算能力，在设备故障后快速准确地给出分析结果，以便 辅助运行人员在故障后做出合理的运行决策。电网故障信息系统的建 设和完善为电网故障诊断提供了基础和保障。在电网发生故障后，继 电保护和断路器动作信息可通过网络传输到调度中心，丰富和全面的 故障信息为进一步提高故障诊断的准确性提供了基础，对调度人员进 山东大学硕士学位论文 一步了解电网发生的故障并采取正确有效的措施具有重要的作用。 1 2 电网故障诊断方法的国内外研究现状 由于电网故障诊断是根据各级各类继电保护装置产生的信息，断 路器的状态变化信息及其电压电流等电气测量量进行分析，根据元件 一保护一断路器之间的动作逻辑和以往运行人员的经验来推断可能的 故障位置。故障诊断所需要的数据源是电网中各级自动装置人为设定 的逻辑量而非物理量，所以不适合用电力系统中经典的数学分析方法 建立模型。 人工智能技术善于模拟人类处理逻辑问题的过程，容易归纳人的 经验以及具有一定的学习能力，比较适合解决电网故障诊断问题，所 以在这一领域得到了广泛的应用。典型的人工智能技术有专家系统 ( e x p e r ts y s t e m ) 、人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 、优化技术 ( o p t i m i z a t i o nm e t h o d ) 、模糊集理论( f u z z ys e tt h e o r y ) 、数据挖掘技术 ( d a t am i n i n g ) 、粗糙集理论( r o u g hs e tt h e o r y ) 、多代理系统( m u l t a g e n t s y s t e m ) 、贝叶斯网络( b a y e s i a nn e t w o r k ) 及p e t r i 网络( p e t r in e t ) 等， 本节将简要介绍这些方法的基本概念，并对各种方法的研究现状进行 述评，分析它们在电网故障诊断中应用的特点以及存在的主要问题。 1 2 1 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 专家系统1 2 1 是目前电网故障诊断中应用最广泛也是比较成功的一 种方法，专家系统是一个具有大量专业知识与经验的程序系统，它根 据某个领域的专家提供的知识和经验建立一个大型数据库，模拟专家 的推理和判断决策过程，以处理那些需要专家决策的复杂问题。 根据故障诊断的知识表示和所用推理策略的不同，专家系统大致 可以分为两类：( 1 ) 基于产生式规则的系统 3 l i4 1 。这一类专家系统把保 护和断路器的动作逻辑以及运行人员的诊断经验用规则表示出来，形 成故障诊断专家系统的知识库，采用数据驱动的正向推理即将所获得 的报警信息和知识库中的规则进行匹配，进而获得故障诊断的结论。 2 山东大学硕士学位论文 现阶段大多数的故障诊断属于这一类。( 2 ) 正、反向推理的系统1 5 】。通 过对可疑的故障设备集进行正向和反向逻辑推理，有效的减少了可疑 故障范围，以动作的继电保护装置和假设故障的符合程度计算出可信 度。 专家系统的优点：电网中保护的动作逻辑以及保护与断路器之间 的关系易于用直观的、模块化的规则表示出来；容易增加、删除或修 改一些规则，以确保诊断系统的实时性和有效性。但是相应也存在缺 陷：建设和维护完备的系统知识库难度较大，电网系统规模较大时诊 断速度慢，且对于错误的故障信息处理能力差。这些缺陷限制了专家 系统在大规模电网在线故障诊断的应用和发展。 1 2 。2 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 人工神经网络( a n n ) 是模拟人类神经系统传输、处理信息过程的一 种人工智能技术，它从领域专家所提供大量和充分的故障实例中，形 成用于故障诊断的人工神经网络模型的训练样本集，通过一定的训练 使诊断人工神经网络获得对电网故障的诊断功能，并具有一定的联想 和泛化能力。 目前电力系统故障诊断的有基于b p ( 误差反向传播) 模型的前向 神经网络和基于r b f ( 径向基函数) 的神经网络。文献 6 就提出了典型 的基于b p 模型的前向神经网络模型，具体方法以电网继电保护信息作 为a n n 输入，以可能的元件发生故障作为输出，选择合适的样本集训练 a n n ；基于径向基的神经网络具有函数逼近的能力，且学习能力快，文 献 7 就提出用新型径向基函数的神经网络解决故障诊断的方法，其仿 真结果表明，此方法进行故障诊断的能力优于传统的b p 模型。 a n n 方法避免了专家系统大型知识库建立、维护、管理的难题。但 是如何保证其样本集的完全性，提高训练速度和收敛速度是a n n 方法亟 需解决的问题，目前此方法只适应于中小型电网故障诊断。 山东大学硕士学位论文 1 2 3 优化技术( o p t i m i z a t i o nm e t h o d s ) 基于优化技术的诊断方法是一种基于数学函数的求解方法，其基 本思想是根据电网故障的特点设定假想事故集的目标函数，用各种优 化算法对事故集进行更新，直到搜索到适应度最大的假想事故集，即 最终的故障诊断结论。其实现方法是将电网故障诊断描述成0 一l 整数 规划问题，构造出解析数学模型，利用优化算法推导最优解。 文献 8 取故障元件数与误动的保护和断路器之和最小为目标函 数，描述保护和断路器的动作原理信息，对目标函数进行简化，得到 了二次型的目标函数，即转化为了0 1 整数规划问题。文献 9 提出了 发生故障时的报警信息对不可观测的保护状态进行识别的新概念，并 构造出故障诊断和不可观测保护状态集成的o 一1 整数规划模型。 基于优化技术的诊断方法不需要引入启发性知识，比较适合所需 信息比较完整的电力系统故障诊断，且诊断速度快，可求得全局最优 解，以及多个可能的解。但它的难点在于：如何根据元件、保护动作、 断路器跳闸之间的逻辑关系，建立合理的电网故障诊断数学函数，算 法的收敛速度也是一个需要改善的问题。 1 2 4 模糊集理论( f u z z ys e tt h e o r y ) 模糊集理论是在模糊集合理论基础上发展起来的，它用模糊隶属 度来描述不确定的对象，具有很强的容错能力，因此比较适合处理电 网故障诊断中继电保护动作的不确定性和故障信息的不完备。 文献f10 】中认为诊断所依据的信息准确，只是用模糊隶属度来描述 故障与对应的动作保护装置之间、保护和断路器之间存在的不确定的 关联关系，表示出元件发生故障可能性度量；文献 1 1 则认为诊断依 据的报警信息的可信度不都为1 ，根据系统网络拓扑和故障所发生的动 作保护、断路器状态赋予报警信息的可信度，再由专家系统或其他方 法给出故障诊断的模糊输出。模糊集理论能够处理不确定的信息，需 要和专家系统等其他方法结合使用。但建立准确的模糊集的隶属度函 数仍是需要解决的问题。 4 山东大学硕士学位论文 1 2 5 数据挖掘技术( d a t am i n i n g ) 和粗糙集理论( r o u g hs e tt h e o r y ) 数据挖掘技术是近几年国际上较为活跃的研究领域，其目的是从 大量数据中发现潜在的规律，提取有用的信息。而粗糙集理论是当前 数据挖掘的主要方法之一，它是一种新的研究不完整、不确定和不精 确信息的表达、学习和归纳的数学工具。文献【12 】在电网故障诊断方面 提出基于粗糙集理论的数据挖掘模型，其中用遗传算法的全局寻优能 力来求得粗糙集最佳属性约简。文献 13 14 中用粗糙集理论来处理 因保护装置和断路器误动、信号传输误码而造成的错误和不完整的信 号，建立决策表，然后实现决策表的自动约简的搜索，删除多余属性 后取出诊断规则，从而揭示信息冗余性。 基于数据挖掘技术和粗糙集理论的诊断方法能较强的处理信息不 完备和信息冗余的情况，容错能力强，从海量的故障样本中学习的能 力强。 1 2 6 多代理系统( m u l t - a g e n ts y s t e m ) 多代理系统( m a s ) 被看作是分布式人工智能的平台，是计算机 技术、网络技术和分布式人工智能相结合的产物，将一个问题在逻辑 上分解成多个子问题进行求解，每个子问题实体仅仅拥有求解所需要 的部分数据、信息和资源，不同的子问题求解实体需要互相交互才能 解决最终的问题。m a s 由多个a g e n t 所构成，它一般具有个体行为独 立自制、个体信息不完全、能力有限、无全局控制、数据分散化和计 算异步等特点。a g e n t 是一种能作用于自身和环境并能对环境做出反应 的抽象实体，在协同计算环境中持续发挥作用且具有自主性、交互性、 反应性和主动性的计算实体。 多代理系统的这一特点为电网故障诊断提供了一种自然的建模方 式。文献【15 】中提出了利用数据采集和监控系统( s c a d a ) 和数字故 障记录信息的基于多代理技术的电网故障诊断体系结构，该体系结构 包含多个a g e n t ，每个a g e n t 相互作用、通信、交换、合作，应用基于 知识和基于模型推理的方法形成多a g e n t 诊断系统，得到局部最优解。 5 山东大学硕士学位论文 多代理系统( m a s ) 是当前电网故障诊断的很有前途的发展方向， 它利用并行分布式处理技术提高电网故障诊断的实时性，并且可以综 合各种不同的方法，从而使这些方法的优缺点形成互补，提高诊断的 正确率和系统的容错性。对于规模较大的电网，可以对电网进行分区 后进行分布式故障诊断。但是m a s 中各a g e n t 的知识和行为、协调和 协作是有待于深入解决的核心问题。 1 2 7 贝叶斯网络( b a y e s i a nn e t w o r k ) 贝叶斯网络是基于图论和严格概率理论的一种不确定性知识表达 和推理模型，它将因果和先验概率信息有机结合，使用概率理论来处 理不同知识成分间因果之间产生的不确定性，再运用贝叶斯理论计算 后验概率，实现电网故障诊断。 文献【16 】根据元件故障、保护动作和断路器跳闸之间的内在逻辑 关系，建立了针对线路、母线、变压器各自故障诊断模型，并采用“概 率与 和“概率或 表示计算节点之间的关联关系，建立的贝叶斯网 络处理故障诊断中的不确定因素，模型概念明确，推导速度快；文献 【l7 】中首先对故障信息进行时序一致性和完备化的预处理，然后建立蕴 涵信息时序属性的改进型的故障诊断b n 模型。可以看出贝叶斯网络 方法具有以下优点：诊断模型清晰直观，易于发现数据间的因果关系： 适合不确定性和不完备信息下进行诊断决策，能处理较大规模电网故 障信息的复杂性和不确定性；有效地提高了诊断精度和速度。但是基于 贝叶斯网络的电网故障诊断研究刚刚起步，还存在很多不足，如知识 更新能力，自动建模能力等都有待提高。 以上人工智能方法各具特点，在电网故障诊断领域都得到不同程 度的应用。但是随着这些技术的不断应用，许多问题也随之暴露出来， 有些缺陷甚至是人工智能方法本身所固有的，很难改进。如知识库建 立和维护困难，建模方法复杂，需要大量资源来繁复的推理和计算而 使速度变慢等。所以这些方法实际应用的情况并不理想此，因此，探 索人工智能技术的新型应用来解决实际的电网故障诊断问题是非常必 要的。 6 山东大学硕士学位论文 1 2 8p e tri 网理论( p e t r in e tt h e o r y ) p e t r i 网理论( p e t r in e tt h e o r y ) 作为近年来逐步发展和成熟的人工 智能技术，己在各个领域得到了广泛地应用。它以描述系统中各个元 件之间的关系为基础，用网络来表示系统中同时发生、次序发生或循 环发生的各种活动。这种模型后来以p e t r i 网为名流传。现在p e t r i 网 一词既指这种模型，又指以这种模型为基础发展起来的理论。p e t r i 网 适合于描述异步、并发现象，它既有严格的数学定义，又有直观的图 形表示，既可以用于静态结构分析，又可用于动态的行为分析，是一 种适合于电网故障诊断建模和分析的理想工具。 电网故障的发生过程是一个典型的动态过程，由系统中各级电气 量的变化、各类保护动作反映故障，可以把切除故障看成一系列离散 事件的组成，依据时间序列和相应的实体对应起来。基于p e t r i 网的电 网故障诊断的关键问题在于设计一个合理的p e t r i 网结构模型及相应的 推理规则，而这是诊断的难点所在，而后续的数学处理过程是次要的。 文献【18 】以输电网的设备为单位，首先研究故障切除过程的p e t r i 网模 型，进而对故障诊断的p e t r i 网络模型求解。文献【19 在此基础上加入 后备保护模型，完善了故障诊断机制，发展了p e t r i 网的诊断模型。文 献【2 0 从基于模型的电力系统故障诊断出发，结合变电站故障诊断的具 体特点，从理论上建立了以母线为对象的变电站故障诊断的p e t r i 网络 模型。通过对实际变电站的故障仿真实验，证明了所建模型的可行性， 具备了p e t r i 网络模型快速、准确的特点。文献【2 1 】用p e t r i 网模拟故障 正向发生过程，分别提出了线路和母线的反向故障诊断模型，该模型 适合处理多重故障尤其是存在保护和断路器不正确动作的复杂故障情 况。此外国内外大量文献都介绍了各自应用高级p e t r i 网进行电网故障 诊断建模的方法1 2 2 - - 2 7 】，其中涉及到了模糊p e t r i 网、编码p e t r i 网、概 率信息p e t r i 网等概念。但是现阶段利用p e t r i 网进行故障诊断还存在 很多的不足，比如在电网构造比较复杂，接线和元件众多的情况下， 对整个电网建立p e t r i 网模型会发生组合爆炸，在故障诊断前如何排除 无用的信号信息，减少诊断所依据的信息量。多数文献中所设计的基 7 山东大学硕士学位论文 于p e t r i 网的故障诊断都仅仅是理论探索，没有和实际的信息录入系统 相结合。在文献【2 8 】中就结合实际的s c a d a 系统提出相应的p e t r i 网 故障诊断建模方法，进一步提高了p e t r i 网故障诊断的实际应用性。 1 3 故障信息系统简介 1 3 1 故障信息系统的组成和特点3 1 1 1 3 2 j 由于微机保护、安全自动装置在电力系统中的广泛应用，为通过数 据通信方式传送保护及故障录波器信息提供了可能；另外，随着以光纤 为媒介的新通信产品的广泛应用，电力系统的数据通信网获得了前所 未有的快速建设和发展，数据通信网的规模和容量大大增强。这些有利 条件促使了电力部门为提高电网安全运行的信息化水平，实现快速有 效地处理电网故障、恢复系统正常运行，而加紧建设电网继电保护及故 障信息处理系统。 电网继电保护及故障信息处理系统通常由设在网( 省、市) 调度中 心的主站或设在地区调度( 或设备直管单位) 的主站和若干个设在其 所管辖的变电站、发电厂的子站，通过电力系统的数据通信网络( 或专 线) 连接而成。 故障信息系统的任务是收集管理电网中各运行厂、站中的保护装 置、安全自动装置等涉及电网异常时的装置动作信号、断路器的开合 信号以及装置运行异常信号、微机保护装置和故障录波器的故障录波 数据和故障报告、保护的定值等，以及对这些数据、信号的综合、统计、 计算和分析等，实现继电保护运行、管理和电网故障处理的网络信息 化、智能化，达到为调度员安全、准确、迅速处理电网事故提供信息支 持与决策参谋；为继保人员对保护、安全自动装置及故障录波器的动 作行为分析和现代化运行管理提供必要的支持这两个目的。 故障信息系统按其功能可划分为以下几个模块：电网参数管理模 块、数据预处理模块、录波分析模块、故障重演模块、故障诊断模块 和故障信息管理模块。其中，本文的全部工作就是完成故障诊断模块 8 山东大学硕士学位论文 图卜l 故障信息系统结构图 1 3 2 故障诊断模块所需的数据 电网发生故障后，故障信息系统接收到实时的故障信息。故障信息 根据信息记录的对象可分为开关动作信息、保护动作信息、故障录波 类信息，这些信息在电网中按厂、站分层、分级统一进行联网管理。 开关动作信息记录断路器的动作情况和时间，其中断路器动作只有开、 合两个状态；保护动作信息记录保护装置中各个保护模块的动作情况 和时间；故障录波信息记录元件故障时的相关电流和电压的模拟量及 数字量的实时值。在电网发生故障时可以按照信息的时间优先级将故 障信息分为三级，即第一级是断路器动作信息；第二级是保护动作信 息；第三级是故障录波信息。 对于本文研究的故障定位诊断需要的数据信息包括电网拓扑结构 的描述、保护配置的情况和故障信息中第一级和第二级的断路器动作 信息和保护动作信息。公共数据信息的平台模型中都遵循ie c 6 19 7 0 和 i e c 6 1 8 5 0 的标准，所用信息的获取是基于通用信息模型( c i m ) 的可扩 展标记语言( x m l ) 文件导入、导出方式进行结构化信息交换。因此故 障信息系统中公共数据平台的建设是故障诊断的条件和基础。 9 山东大学硕士学位论文 1 4 本论文的主要工作 电网故障诊断的实质就是根据有关电网拓扑结构及其保护断路器 的动作信息识别出故障元件位置以及拒动、误动的保护元件，其中故 障元件位置的识别是关键问题。此前国内外提出了多种利用p e t r i 网进 行电网故障诊断的理论和思路，本论文在这些理论的基础上针对目前 电力系统故障诊断方面存在的不足，提出了一种基于故障信息系统平 台的p e t r i 网故障元件诊断识别的方法，其中着重研究如何建立电网故 障诊断的p e t r i 网数学模型。 本文的主要研究工作和取得的研究成果如下： 第一，本论文研究的电网故障诊断所依据的信息是建立在故障信 息系统平台之上的，故障信息系统中电网拓扑的联系、保护断路器的 配置关系都是由通用格式语言所描述的。例如i e c 6 18 5 0 中对一个元件 动作保护的信息是表示为某距离i 段或零序l i 段等形式，本文就是提 出了依据这种表达形式的信息建立p e t r i 网诊断模型的方法，该诊断方 法建立的模型可诊断不同原理保护配置下的电网发生复杂故障的情 况。因此该方法更具有实用性，将故障诊断理论和电力系统实时在线 监控系统相结合，为基于p e t r i 网理论的故障诊断方法实际应用提供了 一个新思路。 第二，在研究比较复杂的电网时，电网中元件众多、接线复杂， 在故障时对如此庞大的系统和系统产生的大量信息进行诊断十分困 难。因此在故障诊断前寻找可疑的故障区域，缩小故障诊断的范围是 首要问题。本文的具体方法为：首先对大量的保护断路器的信息进行 甄别，提取出动作的保护，根据这些动作的保护装置的保护区域挑选 出可疑的故障元件，建立可疑元件库，再对可疑元件分别进行具体的 故障诊断判别。这种数据甄别的方法对复杂电网故障诊断具有通用性， 提高了诊断速度。 第三，为了将本方法更好的应用到实际当中，所建立的基于p e t r i 网元件故障诊断模型要具有实时性，即能诊断配备不同整定范围和动 作时间保护的电网发生故障的情况。本论文中首先提出的带抑制弧的 l o 山东大学硕士学位论文 p e t r i 网模型利用与门、或门和非门的关系来描述元件、断路器和保护 之间逻辑关系，之后又在此基础上提出了一种动态形成的p e t r i 网故障 诊断分步模型，模型中保护装置的时间性和空间性能得到更充分的体 现。 第四，以往基于p e t r i 网故障诊断的模型在大型电网故障后进行矩 阵收敛运算时，容易发生组合爆炸的情况，不适用于在计算机中模拟 诊断。本文第四章提出的p e t r i 网故障诊断分步模型将诊断过程分为两 个步骤：对于线路首先可对送端和受端分别诊断，再将送端和受端诊 断的逻辑结果综合起来进行判别；母线分为多个不同的引出线分别诊 断，再将结果综合。虽然每个元件的诊断都需要建立多个p e t r i 网模型， 但每个模型规模相对较小，从而总体上提高了计算机的运算速度。本 文最后又引入故障诊断结果可信度的比较，通过分步模型中加入的虚 拟库所体现出元件所配置的不同保护之间的优先级别，从而利用保护 的优先级来比较相互矛盾的故障诊断结果的可信度，最终给出更加完 善和详细的诊断结论。 山东大学硕士学位论文 第二章p e tri 网的基础理论 p e t r i 网的概念【2 9 】【3 0 1 是l9 6 2 年由德国科学家c a p e t r i 先生在其 博士论文用自动机通信中首次提出来的。为了使并发这一概念直 观化，论文中提出了一种用于描述物理进程和物理系统的组合网状模 型。由此发展起来的一类系统模型，后来被称为p e t r i 网。p e t r i 网是由 库所、变迁、连接库所和变迁的有向弧及初始标识构成的。库所是静 态的，其作用是记录构成系统的个体及系统本身的状态，变迁是系统 中状态改变的规则动态化。 2 1p e tri 网的基本定义 定义1p e t r i 网是一个四元组 p n = ( p ，t ；f ，眠) ； p = ( n ，p 2 ，) ； t = ( 0 t 2 ，。) ； f ( p x 丁) u ( t x p ) ； 1 1 1 t = 矽且p u t ； 其中，p = ( b ，p 2 ，) 是库所的有限集合；t = ( f 1 ，t 2 乇) 是变迁的 有限集合；f 为弧集或流关系集，反映了库所与变迁之间的顺序关系。 定义2标识m 是一个m 1 维数组( m 是库所的个数) ，它的其中一 个元素对应一个库所，标识代表系统的状态，本文一般取值为整数0 或1 。表示在p e t r i 图形上时，如库所中有托肯( 即小黑点) ，即库所对 应标识的相应位置为l ；反之如没托肯，则为0 。m o 是初始标识，描 述了被模拟系统的初始状态。 如果从库所p 到变迁r 有连接弧，则称p 为t 的输入库所，计为 l ( t ) = p 。相反若从变迁，到库所p 有连接弧，则称p 为，的输出库所， 计为o ( t ) = p 。在图形上，库所p 用圆圈表示，变迁，用竖线表示，流 关系用带箭头的弧表示，托肯用库所中的小黑点表示。图2 1 是一个 1 2 山东大学硕士学位论文 简单p e t r i 网。 图2 l简单p e t r i 网 在p e t r i 网中，每个库所都拥有零个或一个托肯，托肯在各个库所 的分布状况就代表着p e t r i 网的状态。系统的动态行为通过托肯变化反 映，而托肯变化是由变迁的触发( 也叫点火) 来实现的。从而可以理解为 变迁能改变系统状态，在p e t r i 网里变迁按下列规则触发： ( 1 ) 若变迁f 的每个输入库所尸至少有一个托肯，那么t 在标识m 有触发权。 ( 2 ) 若变迁f 在标识m 有触发权，则，触发，从r 的每个输入库所 中消失一个托肯，而在，的每个输出库所中增加一个托肯，从而产生 新的标识。 在初始标识g o 下，拥有触发权的变迁触发就得到新标识m l 。在 m l 下有触发权的变迁继续触发，又得到新标识m 2 。这样延续下去，变 迁的不断触发及标识的不断变化，就是p e t r i 网系统的运行。 图2 1 中，各元素具体关系可描述为： p n = ( p ，丁；f ，m o ) ； p = ( 墨，昱，只，只) ： t = ( t l , t 2 ，t 3 ) ； ，( f 1 ) = e ，j ( r 2 ) = 异，i ( t 3 ) = ； d ( f 1 ) = 罡，o ( t 2 ) = 只，0 ( 如) = 只； m o = ( 1 ，0 ，0 ，0 ) ，变迁t l 就满足变迁规则，发生之后托肯就从p i 转 移到p 2 和p 3 中，即m 1 = ( 0 ，1 ，l ，o ) ；接着t 3 也满足变迁规则，变迁后 m 2 = ( 0 ，0 ，1 ，1 ) 。 山东大学硕士学位论文 2 2 抑止弧的定义 带抑止弧的p e t r i 网是在原形p e t r i 网的基础上增加了一种连接库 所和变迁的弧，这种弧不改变原形p e t r i 网的拓扑结构，只对具备发生 条件的变迁是否触发起控制作用。用图形表示抑止弧时，相当于把一 条有向边的箭头换成一个小圆圈，如图2 2 所示。本文图中的抑止弧 均用虚线表示。 图2 - 2带抑止弧p e t r i 网 当连接抑止弧的库所中存在至少一个托肯时，它就控制它所连接 的变迁，不触发。所以变迁，在标识m 触发的条件不仅要满足原形p e t r i 网的要求，且要满足抑止弧的要求。图2 2 中，在库所尸4 和变迁，2 间 有抑止弧。由于眠( 只) = 1 ，所以尽管p 2 内有托肯( ( ) = 1 ) ，变迁t 2 却不 具有触发权。反之如果眠( 只) = 0 ，t 2 便具有触发权。 2 3p e tri 网的矩阵分析方法 p e t r i 网的结构变化以及变迁的触发不仅可以用图形表示，而且可 以用矩阵运算来描述和分析，其中包括关联矩阵c 、标识矩阵m 、变 迁向量u 等。 首先用两个矩阵c + 和c 表示p e t r i 网的流关系，c 表示变迁节点丁 与输入库所的顺序连接关系，c + 表示变迁节点丁与输出库所的顺序连 接关系，c = c e 称为p e t r i 网的关联矩阵。关联矩阵c 描述p e t r i 网 的拓扑结构，它不受抑止弧引入的影响，是一个班行1 列的矩阵，如 下式： 1 4 “l f 暑沪 山东大学硕士学位论文 叩力= 黟 汐( 尸，f ) f f f f t ，尸) f ( 1 ) 其它 其中，w ( e ，) 表示从库所p 到变迁t 的有向弧，的权，在本文中 其值为1 。 网络标识矩阵m 表示p e t r i 网库所中托肯的数目。变迁序列u 表 示变迁节点是否满足触发条件，满足触发条件的变迁的输入库所中具 备可触发的托肯，则变迁序列u 相应的向量置1 ，否则为o 。在图2 1 中，变迁t l 和f 2 的输入库所中有托肯，具备了触发点火的条件，其点 火向量为u i = ( 1 ，1 ，0 ，o ) 7 。 关联矩阵c 、网络标识矩阵m 、点火序列u 形成后，就可以利用 p e t r i 网状态方程来分析p e t r i 网的变化过程。状态方程为 m 肿1 - m 疗+ c u 斛l ( 2 ) 它描述p e t r i 网络的动态行为过程，从而使系统的状态标识m 发生变化。 在图2 1 中，其关联矩阵可表示为： 另 c ：足 b 只 f 1f 2f 3 11o 101 o10 oo1 m l = + c u l = ，dp m o = ( 1 , 0 , 0 , 0 ) r , 变迁序列u = 羽，则 + 一110 lo一1 01o o01 | = ，可以从m l 中看出拓肯转 移到尸2 和p s 中；进一步，= ； ，则 m 2 = m l + c u 2 = + 一llo 1o一1 o1o oo1 ； = ，最终拓肯转移到p 3 和 j 5 山东大学硕士学位论文 p 4 中。 2 4p e t ri 网图形描述的逻辑关系 以上介绍了p e t r i 网和抑止弧的数学定义，可以看出，在原形p e t r i 网中加入抑止弧，给p e t r i 网系统的性质分析增加了更大难度。但其好 处就是增强了p e t r i 网的系统的模拟能力，对模拟逻辑与非或门有很大 帮助。电网故障诊断的推理过程就是一个逻辑推理的过程，所以本节 介绍p e t r i 网实现组合逻辑的方法。 在逻辑代数中，基本逻辑关系包括了与门、或门和非门等，这里 用a 和b 表示输入，c 表示输出，构造出基本逻辑元件的p e t r i 网模型， 如图2 3 、2 4 、2 5 所示。 图2 - 3 与门c - - a 八b图2 4 或门c = avb c 图2 - 5 非门c _ - - a 根据这些基本p e t r i 网逻辑模型，容易构造出各种描述故障诊断过 程的逻辑关系，以表达电网中各种元件与其保护断路器的配置关系。 2 5 小结 从p e t r i 网的定义中可以看出，p e t r i 网是一个可用图形表示的组合 模型，具有直观、易懂和易用的优点。它对描述和分析并发等离散的 现象有它独到的优越性，并且推理过程简单，只需进行矩阵运算，避 免了其它方法从庞大的解空间求解的过程【3 1 i 。因此，本文认为p e t r i 1 6 山东大学硕士学位论文 两趸夏再孓幕珏币丽定位诊断研究的，特别是与、或、非逻辑关系的 描述更是适合于描述元件、保护、断路器之间的关系。但是如何建立 与故障电网相对应的实时p e t r i 网分析模型，总结出一套通用的建模的 方法，是我们面临的也是即将要解决的问题。 1 7 山东大学硕士学位论文 第三章电网故障诊断的抑止弧p e t ri 网模型 3 1p o tri 网诊断电网故障的机理m m 4 1 p e t r i 网是一种图形化的建模3 2 具，且具有完善的矩阵运算理论。它能 清楚地描述和表示系统中并发、异步或循环发生的现象或事件，而电 网故障就是一个典型的离散动态过程，由一系列与电力设备元件相关 最后，应用状态方程鸭+ l = 鸭+ c u 州，推导出稳态p e t r i 网，根据 1 8 山东大学硕士学位论文 此模型中包含三类库所。第一类库所p l 为故障元件库所，包含 线路、母线、变压器等；第二类库所尸2 为保护继电器类库所，包含故 障元件所装设的保护尺；第三类库所p 3 为断路器库所，包含尸2 中保护 对应的断路器c b 。变迁f l 触发表示有故障发生，同时保护测量到故障 发生；变迁t 2 触发表示保护动作，发出跳闸命令，跳开断路器。 根据p e t r i 网理论，网络的初始状态代表系统最初的状态。在图3 1 中，如果元件故障，初始状态下库所p l 中布入一个托肯，接下来变迁 节点t l 满足触发条件而点火，即库所p 1 中的托肯转移到p 2 中，这就 表示保护继电器检测到故障，保护动作后t 2 会触发，最终托肯转移至 断路器库所p 3 中，表示断路器动作切除了故障。这就是故障正向的模 拟过程，当进行故障诊断时过程将正好相反，即利用p e t r i 网模型由断 路器保护动作诊断出元件故障，如图3 2 。其诊断的大致过程为：初始 状态时，由收到的故障信息标记断路器类库所，即将断路器库所尸3 中 置入托肯，通过，2 的点火进而r 1 点火，托肯最终被移至尸l 中，从而诊 断p l 库所内的元件故障。 图3 - 2 反向描述模型 3 2 故障诊断抑止弧p e trj 网模型的建立方法 3 2 1 故障发生的正向模拟1 3 5 1 1 3 6 1 对于正向模拟过程，可以用库所表示线路、母线、保护、断路器等， 托肯表示它们的工作状态；用变迁表示故障的传播，即保护检测到故 障的过程或保护发出信号使断路器动作的过程；用抑止弧表示主保护 对后备保护动作的优先级。 图3 3 是一个简单输电线路模型。线路三两端的主保护为足l 和足2 ， r 3 和r 4 是尺l 的后备保护，尺5 和尺6 是r 2 的后备保护。假设线路发生 故障，建立如图3 - 4 的带抑止弧p e t r i 网模型，来模拟故障发生的正向 1 9 山东大学硕士学位论文 过程。 三 口亡卜 c b ,c b 2 图3 3简单输电线路 图3 - 4正向p e t r i 网模型 在图3 4 中，后备保护库所和断路器库所间的跃迁f 3 l 、，4 l 、f 5 l 、f 6 l 的触发时间晚于主保护库所和断路器库所间的f 和f 2 l 。当线路三发生 故障时会出现两种情况： 一、若主保护正常动作，则t l 和t 2 触发，拓肯转移到尺l 和r 2 中， 迸一步触发，l l 、，2 l ，托肯最终转移到库所c b j 和c b 2 中，从而抑止弧 阻止，3 l 、t 4 1 、1 5 l 、，6 l 的触发，使后备保护断路器不动作； 二、若主保护拒动，故障由后备保护断路器切除，后备保护动作， 如t l1 不触发，c b l 中没有托肯，t 3 l 和f 4 1 会满足触发条件，最终托肯 通过兄3 和r 4 转移到库所c b 3 和c b 4 中，即后备保护断路器动作。 3 2 2 反向的故障诊断模型 推导出故障发生过程的p e tr i 网模型之后，可以根据其网络结构， 用收到的信息标记断路器类库所，将变迁反向，利用2 4 节中p e tr i 网描述逻辑关系的基本模型，就可以描述出故障诊断中的逻辑推理步 山东大学硕士学位论文 骤，形成p e t r i 网的故障诊断模型。 图3 - 5反向诊断模型 图3 5 为图3 3 中元件线路三故障诊断的抑止弧p e t r i 网模型。其 中库所和变迁的关系描述如下： 1 、日l 和仍是两个虚拟库所，没有实际意义。由于输电线路两端 装有保护，因此线路的模型中有两个虚拟库所；对于有多个连接线的 母线，存在几条连接线p e t r i 网模型中便建立几个虚拟库所，从而使一 个连接线的主后备保护库所内的托肯都能转移到一个虚拟库所中。 2 、h l 、，1 和，3 三者属于或门关系，表示主保护或后备保护动作会 在日1 内产生托肯。也、，2 和，4 亦为同样的关系。 3 、f 3 、j i c 3 和r