（电力系统及其自动化专业论文）基于petri网的电网故障诊断方法的研究.pdf

华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 摘要 现代电力系统互联规模不断扩大和加强，电网一旦出现故障，如果不能及时准 确的处理，很可能波及相当大的供电区域，导致大面积停电的发生。而当电网发生 故障时，装设在电力系统中的自 动化装置会产生大量的报警信息，给运行人员的故 障诊断带来很大困难。因而电力系统故障诊断问题的研究己逐渐成为完善电网运行 的一项重要课题。 本文提出了一种基于p e t r i 网改进模型的电网故障诊断方法， 建立 了包含模型及其推理规则的故障诊断系统，并在吉林省四平地区电力系统中进行了 实际的故障诊断计算。 结果表明， 该诊断系统对于各种复杂的故障情况如多重故障、 存在保护和断路器不正确动作的故障等， 均能够快速准确地诊断， 其结果可靠有效， 适合应用于电网的在线故障诊断。 关键词: 电力系统，故障诊断，p e t r i 网 abs tract t h e i n t e r c o n n e c t i o n s c a l e o f t h e m o d e r n p o w e r s y s t e m i s c o n t i n u o u s l y a m p l i a t i v e a n d f o r t i fi e d . o n c e t h e f a u l t o c c u r s , w e m u s t p r o c e s s i t t i m e l y a n d a c c u r a t e l y . o t h e r w i s e , i t m a y b e s p r e a d t o l a r g i s h a r e a s a n d r e s u l t i n l a r g e - s c a l e b l a c k o u t . wh e n t h e f a u l t o c c u r s t h e a u t o m a t i c d e v i c e s o f t h e p o w e r s y s t e m w o u l d p r o d u c e a m a s s o f a l a r m i n f o r ma t i o n , a n d b r i n g m u c h d i f f i c u l t y t o t h e o p e r a t o r s f o r f a u l t d i a g n o s i s . s o t h e f a u l t d i a g n o s i s o f p o w e r s y s t e m i s b e c o m i n g a m o r e i m p o r t a n t p r o b l e m. a f a u l t d i a g n o s i s m e t h o d b a s e d o n p e t r i n e t s i m p r o v e d m o d e l i s p r e s e n t e d a n d t h e f a u l t d i a g n o s i s s y s t e m c o m p o s e d o f t h e m o d e l a n d i t s i l l a t i o n r u l e s i s e s t a b l i s h e d i n t h i s t h e s i s . t h i s s y s t e m h a s a p p l i e d i n t h e g r i d o f s i p i n g c i t y j i l i n p r o v i n c e . t h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e s y s t e m c a n w o r k f a s t a n d a c c u r a t e l y . i t c a n d i a g n o s i s t h e c o m p l i c a t e d f a u l t s s u c h a s m u l t i p l e f a u l t s a n d f a u l t s c o m p o s e d o f p r o t e c t i o n d e v i c e s m i s o p e r a t i o n . t h e d i a g n o s i s r e s u l t s a r e r e l i a b l e a n d e f f e c t i v e , a n d t h e s y s t e m c a n b e a p p l i e d t o t h e g r i d f o r o n - l i n e f a u l t d i a g n o s i s . y a n g c h u n f a ( e l e c t r i c p o w e r s y s t e m 、使用学位论文的规定 学校可以 采用影印、 ，即: 学校有权保管、并向 有关 缩印或其它复制手段复制并保存学 位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以学术交流为目 的， 复制赠送和交换学 位论文; 同意学校可以 用不同 方式在不同 媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守 此规定) 作者签名: 导师签名 日期: : 如 夯 尽 . ; 了 / 期 :口 14 . 1 2 , 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第一章引言 1 . 1电网故障诊断的目的和意义 随着现代社会生产力水平的不断提高，电能用户对于供电可靠性特别是连续性 的要求越来越高，优质、可靠、稳定的电力供应已成为电力用户的普遍需求。与此 同时，现代电力系统的互联规模和运行的复杂性也在不断增大，使得电网故障造成 的损失较以往大大增加。因此保证连续可靠的供电己成为电力系统的一个极为重要 的目 标。然而由于自 然、人为等多种因素的影响，故障的出现又是不可必免的。这 就要求当电力系统发生故障时，运行人员能够迅速准确地判断故障区域、识别真正 的故障元件，以便将其隔离并给予后续的故障恢复工作提供可靠的依据，从而恢复 非故障区域的正常运行，增强供电的可靠性和连续性。 另一方面，电力系统 自动化水平在不断加强，越来越多的自动装置应用到电力 系统，当电网发生故障时，各级自动装置会产生大量的报警信息，诸如故障录波器 动作、保护装置报警、保护动作、断路器跳闸、过电流、重合闸等等。这些信号在 电力系统发生故障的瞬间将会不加选择地涌入控制中心，特别是同时出现多重故障 并伴随有保护和断路器的拒动、误动作时，故障诊断问题就会变得异常复杂。在这 种情况下，要求调度运行人员在很短的时间内迅速准确地判断故障实际上是相当困 难的， 很容易出现误判断、 误处理， 使事故进一步扩大、 故障恢复时间进一步加长， 从而会导致更为严重的停电事故。 综上所述，研究一个优质的输电网络故障诊断系统具有重要的意义。在电网故 障特别是复杂故障的情形下，该系统能够辅助运行人员进行故障诊断，达到自动、 快速、准确地判定故障区域、识别故障元件的目的。 输电网络是电力系统的的骨干，是联系电厂和终端用户的中间环节，起着电能 传输的职能，电网正常运行与否直接关系着系统的稳定。因此输电网络的故障诊断 研究在电力系统故障诊断中显得尤为重要，随着自动化水平的不断发展，输电网络 故障诊断系统将成为控制中心调度自动化系统中不可或缺的一个重要组成部分。 1 . 2电网故障诊断的内容和国内外研究现状 输电网络故障诊断主要是对输电网络中的各级各类保护装置产生的报警信息、 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第一章引言 1 . 1电网故障诊断的目的和意义 随着现代社会生产力水平的不断提高，电能用户对于供电可靠性特别是连续性 的要求越来越高，优质、可靠、稳定的电力供应已成为电力用户的普遍需求。与此 同时，现代电力系统的互联规模和运行的复杂性也在不断增大，使得电网故障造成 的损失较以往大大增加。因此保证连续可靠的供电己成为电力系统的一个极为重要 的目 标。然而由于自 然、人为等多种因素的影响，故障的出现又是不可必免的。这 就要求当电力系统发生故障时，运行人员能够迅速准确地判断故障区域、识别真正 的故障元件，以便将其隔离并给予后续的故障恢复工作提供可靠的依据，从而恢复 非故障区域的正常运行，增强供电的可靠性和连续性。 另一方面，电力系统 自动化水平在不断加强，越来越多的自动装置应用到电力 系统，当电网发生故障时，各级自动装置会产生大量的报警信息，诸如故障录波器 动作、保护装置报警、保护动作、断路器跳闸、过电流、重合闸等等。这些信号在 电力系统发生故障的瞬间将会不加选择地涌入控制中心，特别是同时出现多重故障 并伴随有保护和断路器的拒动、误动作时，故障诊断问题就会变得异常复杂。在这 种情况下，要求调度运行人员在很短的时间内迅速准确地判断故障实际上是相当困 难的， 很容易出现误判断、 误处理， 使事故进一步扩大、 故障恢复时间进一步加长， 从而会导致更为严重的停电事故。 综上所述，研究一个优质的输电网络故障诊断系统具有重要的意义。在电网故 障特别是复杂故障的情形下，该系统能够辅助运行人员进行故障诊断，达到自动、 快速、准确地判定故障区域、识别故障元件的目的。 输电网络是电力系统的的骨干，是联系电厂和终端用户的中间环节，起着电能 传输的职能，电网正常运行与否直接关系着系统的稳定。因此输电网络的故障诊断 研究在电力系统故障诊断中显得尤为重要，随着自动化水平的不断发展，输电网络 故障诊断系统将成为控制中心调度自动化系统中不可或缺的一个重要组成部分。 1 . 2电网故障诊断的内容和国内外研究现状 输电网络故障诊断主要是对输电网络中的各级各类保护装置产生的报警信息、 华北电 力大学 ( 北京)硕士学位论文 作情况作出评价。 电力系统故障诊断的研究始于上世纪六十年代，当时人们试图采用传统的数学 建模技术来解决这一问题，但是由于故障诊断过程很难用传统的数学模型来描述， 也缺乏相应的数学计算方法，因此电力系统故障诊断的研究进展缓慢。在七十年代 初八十年代末，随着人工智能技术的发展，人们开始尝试将该技术引入电网故障诊 断领域。人工智能技术善于模拟人类处理问题的过程，容易计及人的经验并具有一 定的学习能力，使得这一技术在故障诊断领域得到了广泛的应用。电力系统故障诊 断问题逐渐成为近年来十分活跃的研究课题之一，国内外就此课题进行了大量地研 究，取得了许多有价值的理论研究成果，提出了许多解决方法。目前，国内外应用 于电力系统故障诊断问题的人工智能方法可以主要归纳为以下几类:基于专家系统 的方法 ( e x p e r t s y s t e m) 、基于人i神经网络的方法( a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k ) .基 于模糊理论的方法( f u z z y t h e o r y ) 、基于遗传算法的方法( g e n e t i c a l g o r i t h m s ) 等。 2 . 1基于专家系统的方法 专家系统口 是发展最早， 也是比 较成熟的一 种人工智能技术。 一般地说， 专家 系统是一个具有大量专门知识与经验的程序系统，它根据某个领域的专家提供的知 识和经验进行推理和判断，模拟专家的决策过程，以解决那些需要专家决策的复杂 问题。 故障诊断专家系统由知识库、数据库推理机、解释机制和人机接口组成，根 据某领域的专家所提供的特殊领域知识进行推理，模拟人类专家做出决策，提供具 有专家水平的解答口专家系统中知识表示规则有分类框架法、产生式规则黑板、 语义网络等方法。目前应用最多的是基于产生式规则的专家系统。 基于专家系统的故障诊断系统在电力系统中的应用始于上世纪 7 0年代，由日 本研究人员将其引入电力系统， 1 9 8 6 年日本学者最早提出用专家系统技术进行电力 系统故障诊断，它能提供强有力的推理及解释能力，在早期的故障诊断中得到了广 泛的应用， 随后研究人员对电力系统故障诊断进行大量的研究 2 1 。 迄今为止， 专家 系统已广泛应用于电力系统规划、控制、监视、故障诊断以及调度员仿真培训等领 域。 根据故障诊断的知识表示和所用推理策略的不同，大致可以分为三类: ( 1 ) 基于产生式规则的系统 3 - 5 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i断的结论。现在大多数的故障诊断属于这一类。 c 2 ) 基于模型的系统 6 1 这类专家系统用系统的模型来模拟故障时实际电力 华北电 力大学 ( 北京)硕士学位论文 作情况作出评价。 电力系统故障诊断的研究始于上世纪六十年代，当时人们试图采用传统的数学 建模技术来解决这一问题，但是由于故障诊断过程很难用传统的数学模型来描述， 也缺乏相应的数学计算方法，因此电力系统故障诊断的研究进展缓慢。在七十年代 初八十年代末，随着人工智能技术的发展，人们开始尝试将该技术引入电网故障诊 断领域。人工智能技术善于模拟人类处理问题的过程，容易计及人的经验并具有一 定的学习能力，使得这一技术在故障诊断领域得到了广泛的应用。电力系统故障诊 断问题逐渐成为近年来十分活跃的研究课题之一，国内外就此课题进行了大量地研 究，取得了许多有价值的理论研究成果，提出了许多解决方法。目前，国内外应用 于电力系统故障诊断问题的人工智能方法可以主要归纳为以下几类:基于专家系统 的方法 ( e x p e r t s y s t e m) 、基于人i神经网络的方法( a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k ) .基 于模糊理论的方法( f u z z y t h e o r y ) 、基于遗传算法的方法( g e n e t i c a l g o r i t h m s ) 等。 2 . 1基于专家系统的方法 专家系统口 是发展最早， 也是比 较成熟的一 种人工智能技术。 一般地说， 专家 系统是一个具有大量专门知识与经验的程序系统，它根据某个领域的专家提供的知 识和经验进行推理和判断，模拟专家的决策过程，以解决那些需要专家决策的复杂 问题。 故障诊断专家系统由知识库、数据库推理机、解释机制和人机接口组成，根 据某领域的专家所提供的特殊领域知识进行推理，模拟人类专家做出决策，提供具 有专家水平的解答口专家系统中知识表示规则有分类框架法、产生式规则黑板、 语义网络等方法。目前应用最多的是基于产生式规则的专家系统。 基于专家系统的故障诊断系统在电力系统中的应用始于上世纪 7 0年代，由日 本研究人员将其引入电力系统， 1 9 8 6 年日本学者最早提出用专家系统技术进行电力 系统故障诊断，它能提供强有力的推理及解释能力，在早期的故障诊断中得到了广 泛的应用， 随后研究人员对电力系统故障诊断进行大量的研究 2 1 。 迄今为止， 专家 系统已广泛应用于电力系统规划、控制、监视、故障诊断以及调度员仿真培训等领 域。 根据故障诊断的知识表示和所用推理策略的不同，大致可以分为三类: ( 1 ) 基于产生式规则的系统 3 - 5 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i断的结论。现在大多数的故障诊断属于这一类。 c 2 ) 基于模型的系统 6 1 这类专家系统用系统的模型来模拟故障时实际电力 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 系统的行为。推理的思路包括产生和检验两个过程。首先需要建立保护系统结构和 功能的模型，根据报警信息产生假设的故障元件，然后在模型上进行故障模拟，根 据模拟结果和实际报警信息的匹配程度来确定故障假设是否成立。 ( 3 )正、反向推理的系统 7 。此类系统比 较符合人脑分析问题的思维过程。 如果只进行由跳闸断路器，保护和故障设备的正向推理，再有开关、保护拒动或误 动的情况下得到的可能故障设备较多，使用不便;通过采用人机对话形式，对可能 故障设备集进行针对其它信息的反向推理，这样有效地缩小了可能的故障范围，保 证了 诊断的正确性。 文献 7 介绍的即是一种采用基于正反向推理的电力系统故障诊 断专家系统。它首先根据跳闸开关提出故障假设，然后根据开关和保护动作信息逐 一检验假设的准确性，最后给出故障设备和故障范围。该方法可以诊断输电线路、 母线、变压器和发电机设备的故障及继电保护和断路器的非正确动作。 虽然专家系统能够有效的模拟故障诊断专家完成故障诊断的过程，但是在实际 应用中无论是基于启发式规则的系统、基于模型的还是正反向推理的系统，都仍就 存在着一定的缺陷: ( 1 )获取完备的知识库是形成故障诊断专家系统的瓶颈。如果建立的知识库 不完备，可能导致专家系统推理混乱并得出错误的结论，而知识获取及验证其完备 j胜是比较困难的，这在很大程度上限制了故障诊断专家系统的发展。 ( 2 )专家系统在推理时需要搜索、匹配知识库内一定的规则集才能得出结论， 所以当系统较大时完成诊断的速度非常慢。 ( 3 )当输电网络的结构或自动装置的配置发生变化时，专家系统的知识库要 进行相应的修改，然而增加或修改规则后很有可能会造成不完整或不一致的知识 库，为此必须对知识库再次进行校核，校核的难度比较大，所以大型专家系统的维 护难度很大。 ( 4 )专家系统一般不具备学习能力，一旦发生知识库没有涵盖的新故障，专 家系统将发生诊断错误或无结果。 ( 5 )专家系统容错能力较差。在故障后保护装置或断路器错误动作的情况下 专家系统因缺乏有效的方法识别错误信息而容易造成诊断错误。 在这些局限性中，前4 点缺陷是由专家系统的结构所决定的，不容易得到根本 解决。而最后一点可以通过将专家系统与模糊理论结合起来，对知识进行模糊推理 而得到改善，这也是专家系统近几年发展的主要趋势。 2 . 2基于人工神经网络的方法 人z神经网络( a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k , 缩写为 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。自1 9 4 3 年mc c u l l o c h和 p i t t s 第一次提出 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 系统的行为。推理的思路包括产生和检验两个过程。首先需要建立保护系统结构和 功能的模型，根据报警信息产生假设的故障元件，然后在模型上进行故障模拟，根 据模拟结果和实际报警信息的匹配程度来确定故障假设是否成立。 ( 3 )正、反向推理的系统 7 。此类系统比 较符合人脑分析问题的思维过程。 如果只进行由跳闸断路器，保护和故障设备的正向推理，再有开关、保护拒动或误 动的情况下得到的可能故障设备较多，使用不便;通过采用人机对话形式，对可能 故障设备集进行针对其它信息的反向推理，这样有效地缩小了可能的故障范围，保 证了 诊断的正确性。 文献 7 介绍的即是一种采用基于正反向推理的电力系统故障诊 断专家系统。它首先根据跳闸开关提出故障假设，然后根据开关和保护动作信息逐 一检验假设的准确性，最后给出故障设备和故障范围。该方法可以诊断输电线路、 母线、变压器和发电机设备的故障及继电保护和断路器的非正确动作。 虽然专家系统能够有效的模拟故障诊断专家完成故障诊断的过程，但是在实际 应用中无论是基于启发式规则的系统、基于模型的还是正反向推理的系统，都仍就 存在着一定的缺陷: ( 1 )获取完备的知识库是形成故障诊断专家系统的瓶颈。如果建立的知识库 不完备，可能导致专家系统推理混乱并得出错误的结论，而知识获取及验证其完备 j胜是比较困难的，这在很大程度上限制了故障诊断专家系统的发展。 ( 2 )专家系统在推理时需要搜索、匹配知识库内一定的规则集才能得出结论， 所以当系统较大时完成诊断的速度非常慢。 ( 3 )当输电网络的结构或自动装置的配置发生变化时，专家系统的知识库要 进行相应的修改，然而增加或修改规则后很有可能会造成不完整或不一致的知识 库，为此必须对知识库再次进行校核，校核的难度比较大，所以大型专家系统的维 护难度很大。 ( 4 )专家系统一般不具备学习能力，一旦发生知识库没有涵盖的新故障，专 家系统将发生诊断错误或无结果。 ( 5 )专家系统容错能力较差。在故障后保护装置或断路器错误动作的情况下 专家系统因缺乏有效的方法识别错误信息而容易造成诊断错误。 在这些局限性中，前4 点缺陷是由专家系统的结构所决定的，不容易得到根本 解决。而最后一点可以通过将专家系统与模糊理论结合起来，对知识进行模糊推理 而得到改善，这也是专家系统近几年发展的主要趋势。 2 . 2基于人工神经网络的方法 人z神经网络( a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k , 缩写为 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。自1 9 4 3 年mc c u l l o c h和 p i t t s 第一次提出 华北电 力大学 ( 北京) 硕士学位论文 模拟神经元以来， 它迅速发展成为与专家系统并列的人工智能技术的另一个重要分 支。 与专家系统相比人工神经网络最大的特点是采用神经元及它们之间的有向权 重连接来隐含处理问题的知识，并具有以下特点: ( 1 ) 信息分布存储，有较强的容错处理能力。 ( 2 ) 将知识隐含在连接权重中，具有知识的自我组织，自我学习能力。学习 完成之后， 还具有一定的泛化能力。 ( 3 ) 神经元之间计算具有相对独立性，便于并行处理。 ( 4 ) 具有联想记忆能力，鲁棒特性好。 基于以上特点使基于人工神经网络的技术在故障诊断中得以广泛的运用.a n n 在电网故障诊断中的应用主要是故障定位和故障类型识别两个方面。 文献咚 1 采用3 层前馈神经网络， 用全局逼近的b p 学习算法完成故障定位。文 献 9 则使用局部逼近的径向基函数神经网络 ( r b f )实现故障定位。它们均以输电 网络中所有可能获得的保护和断路器的状态作为输入，所有可能的故障位置作为输 出，并以 0 , 1二进制来表明输入、输出相量激活与否。这两种方法比较而言，径 向基函数神经网络的学习收敛速度比较快，但相应的应用条件也比较严格。这两种 方法虽然在给定的测试系统中均取得了良 好的诊断效果，但输入和输出节点数目 将 随输电网络规模的扩大而迅速增加，不适用于大型输电网络的故障诊断。 文献 1 0 根据主保护、后备保护、断路器和重合闸的动作时段不同的特点，提 出使用时空神经网络解决故障定位问题。所谓时空神经网络是指用不同的、独立的 b p神经网络分别模拟这些元件时段内的动作特性， 再将这些不同的b p网络模型按 照时间的相关性级联起来构成一个完整的系统，其思路较为新颖。 文献 川提出应用新型径向基函数神经网络解决故障诊断问题，文中将正交最 小二乘算法扩展用于优化径向基函数神经网络的参数，并用同样的 b p神经网络来 解决同一问题加以比较。通过4 母线测试系统中的仿真，结果表明径向基函数神经 网络在解决电网故障诊断方面，优于 b p神经网络模型。 a n n 在故障诊断中应用的主要问题为: ( 1 ) a n n 在使用之前需要大量的、 有代表性的样本供其学习， 且学习算法收敛 的速度一般比较慢。学习完成之后， 如果系统结构发生变化， 则需要增加新的样本重 新学习。 ( 2 ) a n n通常只能给出一个介于0 -1 之间的数字作为输出， 对诊断结果缺乏 解释能力， 这不利于运行人员理解诊断结果。 ( 3 ) 对运行人员来讲， a n n的工作过程是一个黑箱。因此， 尽管 a n n具有一定 的容错能力( 当存在保护装置不正常动作时仍能给出正确的诊断结果) ， 但是它不能 提供信息帮助运行人员推断不正常动作的装置。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 ( 4 ) .a n n学习完成之后具有较好的内插结果， 但外推时则可能误差较大， 特别 是当系统非线性较强或具有病态特性时误差更为严重。 ( 5 、 对于大型输电网络的a n n 故障诊断模型的建模困难。 1 . 2 . 3基于模糊理论的方法 模糊理论是将经典集合理论模糊化，并引入语言变量和近似推理的模糊逻辑， 具有完整的推理体系的智能技术。模糊理论可适应不确定性问题，其模糊知识库使 用语言变量来表述专家的经验，更接近人的表达习惯，模糊理论能够得到问题的多 个可能的解决方案，可以根据这些方案的模糊度的高低进行优先程度排序等。 一般模糊系统的结构与专家系统的结构类似，由模糊知识库、模糊推理机和人 机界面等几个部分组成。它与其它人工智能技术结合可以增加处理不确定性的能 力，在一定程度上提高了诊断的准确性。 目前， 在电网故障诊断领域，模糊理论主要是与专家系统和神经网络技术进行 结合。模糊理论与专家系统的结合方式主要有两种 1 2 1 4 。一种方式是如文献 1 2 , 1 3 的方法，根据保护、断路器动作行为的统计数据和网络当前的情况赋予输 入报警信息不同的可信度，随后由模糊度的传递性计算所有可能发生故障组件的故 障可能性。这种结合方式是模糊化了输入信息从而得到相应模糊化的结果。 另外一种结合方式 1 4 认为输入信息仍然是确定的， 但故障与动作保护装置之 间的关联关系是不确定的并用一个介于 0 -1之间的数表示对于可能的故障位置， 寻找由故障点到报警信息的通路将通路上的模糊度合成就能得到该位置故障的可 能性量度。 神经网络与专家系统的结合也有两种， 一种方式【 1 5 也是模糊化神经网络的输 入进而得到模糊的输出结果。第二种方式仁 1 6 则把神经网络的输出作为模糊系统的 输入用模糊系统去解释神经网络的输出，最终提供给运行人员一个语言化的结论， 便于运行人员理解。这在一定程度上弥补了神经网络不具备解释能力的弱点。 模糊理论与其他人工智能技术结合构成的诊断系统虽然可以增强处理不确定 j性的能力 在一定程度上提高诊断的准确度， 但是它不能完全消除专家系统所固有 的缺点。因而基于模糊理论的方法也有以下不足: ( 1 )模糊系统在推理时也要搜索知识库内一定的规则集之后才能得出诊断结 论，所以当系统较大时完成诊断的速度也比较慢。 ( 2 )当输电网络的结构或自动装置的配置发生变化时，模糊系统的知识库或 相关规则的模糊度也要进行相应的修改，即模糊系统也存在维护的问题。 ( 3 )模糊系统不具备学习能力等。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 ( 4 ) .a n n学习完成之后具有较好的内插结果， 但外推时则可能误差较大， 特别 是当系统非线性较强或具有病态特性时误差更为严重。 ( 5 、 对于大型输电网络的a n n 故障诊断模型的建模困难。 1 . 2 . 3基于模糊理论的方法 模糊理论是将经典集合理论模糊化，并引入语言变量和近似推理的模糊逻辑， 具有完整的推理体系的智能技术。模糊理论可适应不确定性问题，其模糊知识库使 用语言变量来表述专家的经验，更接近人的表达习惯，模糊理论能够得到问题的多 个可能的解决方案，可以根据这些方案的模糊度的高低进行优先程度排序等。 一般模糊系统的结构与专家系统的结构类似，由模糊知识库、模糊推理机和人 机界面等几个部分组成。它与其它人工智能技术结合可以增加处理不确定性的能 力，在一定程度上提高了诊断的准确性。 目前， 在电网故障诊断领域，模糊理论主要是与专家系统和神经网络技术进行 结合。模糊理论与专家系统的结合方式主要有两种 1 2 1 4 。一种方式是如文献 1 2 , 1 3 的方法，根据保护、断路器动作行为的统计数据和网络当前的情况赋予输 入报警信息不同的可信度，随后由模糊度的传递性计算所有可能发生故障组件的故 障可能性。这种结合方式是模糊化了输入信息从而得到相应模糊化的结果。 另外一种结合方式 1 4 认为输入信息仍然是确定的， 但故障与动作保护装置之 间的关联关系是不确定的并用一个介于 0 -1之间的数表示对于可能的故障位置， 寻找由故障点到报警信息的通路将通路上的模糊度合成就能得到该位置故障的可 能性量度。 神经网络与专家系统的结合也有两种， 一种方式【 1 5 也是模糊化神经网络的输 入进而得到模糊的输出结果。第二种方式仁 1 6 则把神经网络的输出作为模糊系统的 输入用模糊系统去解释神经网络的输出，最终提供给运行人员一个语言化的结论， 便于运行人员理解。这在一定程度上弥补了神经网络不具备解释能力的弱点。 模糊理论与其他人工智能技术结合构成的诊断系统虽然可以增强处理不确定 j性的能力 在一定程度上提高诊断的准确度， 但是它不能完全消除专家系统所固有 的缺点。因而基于模糊理论的方法也有以下不足: ( 1 )模糊系统在推理时也要搜索知识库内一定的规则集之后才能得出诊断结 论，所以当系统较大时完成诊断的速度也比较慢。 ( 2 )当输电网络的结构或自动装置的配置发生变化时，模糊系统的知识库或 相关规则的模糊度也要进行相应的修改，即模糊系统也存在维护的问题。 ( 3 )模糊系统不具备学习能力等。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 2 . 4基于遗传算法的方法 遗传算法是6 0 年代后期出现的一种优化技术， 通过模仿生物遗传和进化的过程 寻求复杂问题的全局最优解或局部最优解。它将问题的每个候选解都编码形成一个 个体 又称“ 染色体”( c h r o m o s o m e )而相应编码位则类似于生物的“ 基因”( g e n e ) , 并用适应度( f i t n e s s ) 函数来衡量该候选解的优劣， 多个 “ 染色体”构成遗传过程中的 一代。当形成第一代个体以后， 按照生物界适者生存的原则选择生命力强， 即适应度 函数值高的个体存活到下一代， 随后使用交叉( c r o s s o v e r ) 和变异( m u t a t i o n ) 算子对这 些 “ 染色体”中的 “ 基因”进行操作， 从而产生新个体， 此时再次进行选择产生下一 代。 可以证明这样若干代以后存活下来的个体将逐渐逼近问题的最优解。 由此可见， 遗传算法对待求解问题几乎没有什么限制， 也不涉及常规优化问题求解的复杂数学 过程， 并能够得到全局最优解集或局部最优解集， 这是它优于传统优化技术之处。 遗传算法是全局收敛的且其搜索效率远远高于一般随机算法， 在解决多变量、 非线性、不连续的问题时显示出其独特的优势。文献 1 7 利用遗传算法从提高实时 性和灵活利用信息的角度提出了一种分层信息故障诊断方法。在不失信息的完整性 和可靠性的基础上。 把采集信息按目前电力系统通讯规约在时间优先级的规定划分 为三层， 第一层为断路器和保护等遥信， 第二层为电压、电流、功率等遥测信息， 第 三层为录波信息。利用全部三层的信息可以进行故障诊断，有效地减小了搜索空间 的规模， 提高了搜索效率， 取得了较好效果。 遗传算法从优化的角度出发基本上可以解决故障诊断问题， 尤其是在复故障或 存在保护、断路器误动作的情况下， 能够给出全局最优或局部最优的多个可能的诊 断结果 1 8 , 1 9 。但是如何建立合理的输电网络故障诊断数学模型是使用遗传算法 的主要 “ 瓶颈” 。 遗传算法属于随机优化技术的范畴。随机优化技术是一种基于数学模型的求解方 法。其基本思想是首先将电力系统故障诊断描述为优化问题， 之后用优化方法求解。目 前随机优化技术用于故障诊断主要是建立诊断的数学模型，最终都归结为无约束 0 -1 整数规划问题，然后采用启发式随机优化算法。如果能够建立合理的数学模型， 那么 不仅可以使用遗传算法解决故障诊断问题， 还可以使用其他类似的启发式优化算法 解决故障诊断问题， 如蚂蚁系统算法 2 0 , t a b u 搜索算法仁 2 工 等。 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，而 且有的已经在实际电力系统中应用，从而使得电网故障诊断问题得以长足发展。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，需要繁 复的推理和计算或在庞大的解空间中搜索最优结果而使速度变慢等等。 p e t r i 网理论 ( p e t r i n e t t h e o r y )作为近年来逐步发展和成熟的人工智能技术， 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 己在各个领域得到了广泛地应用。 p e t r i 网能够解释系统的结构和动态行为的重要信 息，图形化地表达系统的模型，非常适合于描述并列、次序及循环发生的行为，而 电网故障的发生过程正是这样一个典型的动态过程。 因而利用p e t r i 网模型诊断电网 的故障情况能够取得满意的效果。 3本文的主要工作 本文的研究对象是基于p e t r i 网理论的输电网络故障诊断系统。 结合国内外的研 究现状， 本文总结了现有各种故障诊断方法的特点， 分析了这些方法的优点和缺陷， 在此基础上提出了基于 p e t r i 网的输电网络故障诊断方法， 主要工作包括以下几个方 面: ( 1 )在对 p e t r i 网基本理论及 p e t r i 网模型的特点详细讨论的基础上，分析了 p e t r i 网理论应用于电网故障诊断的可行性和优点， 针对输电网络的特点建立了基于 p e t r i 网的电网故障诊断模型及其推理规则，详细讨论了模型的建模、推理和诊断过 程。 ( 2 )针对以往提出的加入后备保护的p e t r i 网故障诊断方法的不足，对该方法 进行了改进和完善， 结合加入后备保护的 p e t r i 网故障诊断模型提出了识别实际故障 元件的判定规则，使该故障诊断系统能够在较多的可能故障元件集中识别出真正的 故障元件;提出了适用于故障诊断模型独立进行保护设备动作情况评价的推理模 板。在整个诊断过程中，无需再调用故障清除模型，仅利用故障诊断模型及其判定 规则、推理模板就可以完成保护设备动作情况的评价和故障元件的诊断，从而简化 了故障诊断过程，提高了故障诊断的速度和精度。 ( 3 ) 在加入后备保护的 p e t r i 网模型的基础上， 进一步提出了新型的p e t r i 网故 障诊断改进模型。使得故障节点的判别更加简便直观，大大缩减了故障元件的识别 过程， 充分体现了p e t r i 网的顺次、 并发处理问题的特性。 该模型对于多重故障尤其 是以往的方法很难处理的存在保护和断路器不正确动作的严重故障情况，均能够快 速准确的得到故障诊断结果。 ( 4 )结合电力系统运行的实际提出了电网故障诊断的具体算法流程，编制了 故障诊断程序，形成了基于p e t r i 网改进模型的电网故障诊断系统。 ( 5 )通过一个包含十六节点，十八组保护、断路器的局部电力系统网络，对 所提出的故障诊断方法进行了详尽的故障建模及推理分析，验证了该方法的有效 性。 ( 6 )将所建立的故障诊断系统应用于吉林省四平地区电网，取得了很好的诊 断效果，证实了该诊断系统能够在复杂的故障情况下对实际的电力系统进行实时、 准确的故障诊断。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 己在各个领域得到了广泛地应用。 p e t r i 网能够解释系统的结构和动态行为的重要信 息，图形化地表达系统的模型，非常适合于描述并列、次序及循环发生的行为，而 电网故障的发生过程正是这样一个典型的动态过程。 因而利用p e t r i 网模型诊断电网 的故障情况能够取得满意的效果。 3本文的主要工作 本文的研究对象是基于p e t r i 网理论的输电网络故障诊断系统。 结合国内外的研 究现状， 本文总结了现有各种故障诊断方法的特点， 分析了这些方法的优点和缺陷， 在此基础上提出了基于 p e t r i 网的输电网络故障诊断方法， 主要工作包括以下几个方 面: ( 1 )在对 p e t r i 网基本理论及 p e t r i 网模型的特点详细讨论的基础上，分析了 p e t r i 网理论应用于电网故障诊断的可行性和优点， 针对输电网络的特点建立了基于 p e t r i 网的电网故障诊断模型及其推理规则，详细讨论了模型的建模、推理和诊断过 程。 ( 2 )针对以往提出的加入后备保护的p e t r i 网故障诊断方法的不足，对该方法 进行了改进和完善， 结合加入后备保护的 p e t r i 网故障诊断模型提出了识别实际故障 元件的判定规则，使该故障诊断系统能够在较多的可能故障元件集中识别出真正的 故障元件;提出了适用于故障诊断模型独立进行保护设备动作情况评价的推理模 板。在整个诊断过程中，无需再调用故障清除模型，仅利用故障诊断模型及其判定 规则、推理模板就可以完成保护设备动作情况的评价和故障元件的诊断，从而简化 了故障诊断过程，提高了故障诊断的速度和精度。 ( 3 ) 在加入后备保护的 p e t r i 网模型的基础上， 进一步提出了新型的p e t r i 网故 障诊断改进模型。使得故障节点的判别更加简便直观，大大缩减了故障元件的识别 过程， 充分体现了p e t r i 网的顺次、 并发处理问题的特性。 该模型对于多重故障尤其 是以往的方法很难处理的存在保护和断路器不正确动作的严重故障情况，均能够快 速准确的得到故障诊断结果。 ( 4 )结合电力系统运行的实际提出了电网故障诊断的具体算法流程，编制了 故障诊断程序，形成了基于p e t r i 网改进模型的电网故障诊断系统。 ( 5 )通过一个包含十六节点，十八组保护、断路器的局部电力系统网络，对 所提出的故障诊断方法进行了详尽的故障建模及推理分析，验证了该方法的有效 性。 ( 6 )将所建立的故障诊断系统应用于吉林省四平地区电网，取得了很好的诊 断效果，证实了该诊断系统能够在复杂的故障情况下对实际的电力系统进行实时、 准确的故障诊断。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第二章 p e t r i 网络基本理论 p e t r i 网 2 2 , 2 3 是1 9 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”中首次建立的。p e t r i博士当初建立的模型实际上是一类特殊网一一安 全网，并理解为一种新的自动机模型，主要用于刻划通信机制，后经p e t r i 本人及 其追随者们的不断努力，使之逐渐形成一门崭新的科学分支。 p e t r :网是一种可用图形表示的组合模型，同时又是严格定义的数学对象，借 助数学开发的p e t r i 网分析方法和技术，既可以用于静态结构分析，又可用于动态 的行为分析。系统模型是对实际应用系统的抽象。网系统以研究系统的组织结构和 动态行为为目标，着眼于系统中可能发生的各种变化和变化间的关系。网并不关心 变化发生的物理和化学性质，只关心变化的条件及发生后对系统的影响。 2 . 1 p e t r i 网的基本概念 p e t r i网是一种网状信息流模型，包括条件和事件两类节点，在条件和事件为 节点的有向图基础上添加表示状态信息的托肯 t o k e n )分布，并按引发规则使得 事件驱动状态演变，从而反映系统动态运行过程。下面首先介绍相关的基本概念。 ( 1 )资源:在系统中发生的变化所涉及与系统有关的因素，称为资源。包括 原料、部件、产品( 成品或半成品) 、人员、工具、设备、数据及信息。 ( 2 )状态元素:资源按其在系统中的作用分类，每一类放在一处，则该处抽 象为一个相应的状态元素，又称 p 元素。 ( 3 )库所 ( 位置) :状态元素又称库所。库所不仅表示一个场所，而且表示在 该场所存放了一定的资源。 ( 4 )变迁 ( 跃迁) :资源的消耗，使用及产生引起状态元素的变化，网论中称 为变迁，又称 t 元素。 ( 5 )托肯 ( 令牌) :库所中资源的数量。 ( 6 )条件:如果一个库所只有两种状态，有托肯( t o k e n ) 和无托肯，则该库所 称为条件。 ( 7 )事件:涉及条件的变迁称为事件。 ( 8 )容量:库所对贮存资源数量的限制称为库所的容量。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 2 . 2 p a t r i 网系统的定义和图形表示 定义 1 三元组n = ( p , t , f ) 称为有向网( 简称网) 的充分必要条件是: ( 1 )p 自t =必，p ut *动; ( 2 ) f s ( p xt ) u ( t xp ) ; ( 3 ) d o m ( f ) u c o d ( f ) =p ut 其中 p 叫做 n的库所集， t叫做变迁集， f 叫做流集。 x = p u t叫做 n 的元素集。 p的元素叫库所 ( p l a c e ) , t中的元素叫变迁( t r a n s i t i o n ) , 0表示空集合。x是 两集合的笛卡尔乘积运算，f为库所结点与变迁结点之间的有向弧集合。d o m ( f ) 是 f 所含有序偶的第一个元素所成的集合，c o d ( f ) 则是第二个元素的集合。 d o m ( f ) = x 3 y 旧 y : ( x , y ) e f ( 2 一1 ) c o d ( f ) = x : ( x , y ) e f ( 2 一2 ) 网的图形表示是指将库所节点、变迁节点和有向弧用图形的方法表示出来。在 图形中用圆圈 0”表示库所，用竖线或小矩形 “1 ”表示变迁，用从x 到y的有 向弧( a r c ) 表示有序偶( x , y ) 。如果有向弧是从库所到变迁，则称此库所是输入库 所，变迁是库所