（电力系统及其自动化专业论文）有色petri网模型在电力网拓扑分析中的应用.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文有色p e t r i 网模型在电力网 拓扑分析中的应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导 下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注 和致谢之处外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得华北电力大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 学位菇文作者签名：差! 叁窒日期：也互丝! 笪 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用 影印、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) - 哆 、 鼍 o ) _ - - - i 作者签名：垂圣j 导师签名：益赵垒丝巷 日期：2 堕! 垒! 丛 日期：竺堕：! 三：型： 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引言 1 1 课题研究的目的和意义 目前我国电力工业已经进入大电网、大电厂、大机组、高参数、超高压输电、 高自动化控制和信息化时期，大电网具有明显的优越性，但其安全稳定控制更加复 杂，旦电网发生故障时，要求调度员能迅速做出正确判断，并给出相应的处理措 施，及时恢复系统的正常运行，否则有可能扩大事故范围，导致大面积停电。这就 要求调度员具有足够的理论知识和丰富的实践经验，对许多重大事故的分析表明， 运行人员临时慌乱做出错误判断和处理不当，是事故扩大的主要原因之一。提高调 度员的水平，增强反事故能力成为迫切的任务。随着计算机的广泛应用，调度员培 训仿真器( d i s p a t c h e rt r a i n i n gs i m u l a t o r ，简称d t s ) 目益成为培训电网调度员的重要 手段之一。d t s 是对电网及其监控装置、保护装置及自动装置的详细模拟，是加快 运行人员知识与经验积累，提高系统安全运行水平的一个很好的途径。网络拓扑 分析是进行电网分析计算的基础，而d t s 为了提高其仿真效果，要求网络拓扑分析 快速准确，这就需要寻找一种快速、可靠且通用的分析策略。 1 2 网络拓扑分析理论的研究现状 网络拓扑分析是许多大型软件如d t s 、e m s 中的一个非常重要的基本功能模 块，状态估计、动态潮流以及安全稳定分析也都离不开网络各组成部分之间的电气 连接信息。 电力系统中，开关、输电线、变压器、发电机及负荷等的端点称为节点( n o d e ) ， 也称物理节点；通过闭合开关连接在一起的节点集合称为母线( b u s ) ，也称逻辑节 点；线路、变压器、发电机、负荷等合称为元件( e q u i p m e n t ) ；输电线或变压器也称 为支路( b r a n c h ) ；通过支路连接在一起的母线集合称为电气岛( i s l a n d ) ，也称为子系 统。电力网络拓扑分析的主要任务，1 ) 厂站母线分析即闭合开关把节点连接成多少 个母线；2 ) 系统网络分析即支路把母线连接成多少个电气岛；3 ) 根据开关的状态变 化快速准确地反映网络结构变化。 从网络拓扑分析各部分所用时间看，厂站内母线分析占用了网络拓扑分析的大 部分时间( 约8 0 ) 。因此，尽可能地减少每次厂站内母线分析的搜索范围，是提高 拓扑分析效率的关键【6 j 针对此问题，许多文献提出了不同的方法。文献 2 采用的是传统的拓扑分析 华北电力大学硕士学位论文 方法利用堆栈技术进行搜索，先准备好开关元件关联表( t k e ) 、变电站开关起点表 ( t t k i ) 、支路元件关联表( t l e ) 、注入量元件关联表( t j e ) 和量测系统信息表 ( m s y s ) ，然后对所有节点分配母线号，当开关状态发生变化后，重新在每个厂站 内进行搜索，并重新为母线编号，这种方法需要建立繁杂的关联矩阵，而且再搜索 过程中需要进行多次的递归和回溯，其运算量比较大，同时这种方法也没有很好的 扩展性。文献 3 提出了保存前一次网络拓扑的结果，局部修改母线编号，提高了 拓扑分析效率；文献 4 提出了广度优先的快速拓扑搜索以及跟踪、修正算法，该 方法不受接线方式和初始条件的限制，具有稳定的分析效率，适应电力网络的频繁 局部变化，在保持原有节点排序可用性的基础上，省去了重新形成网络拓扑关系、 因子表的过程，己应用于华东电网d t s 上；文献 5 提出了网络连接的局部更新算 法( n c l u ) ，效率高于深度搜索算法；文献 6 提出了当开关状态发生变化时，只搜 索断开开关所在的电压等级，其方法基于两点1 ) 电力系统中处于经常断开状态的开 关只是极少数，2 ) 某开关状态的变化只影响本电压等级内母线的形成，以京津唐电 网为例进行了仿真实验；文献 7 提出了二级搜索策略，在文献 6 的基础上，对第 一级子站局部拓扑提出了改进，将与子站相连的支路也考虑进来，联合形成子站拓 扑变化的信息，以确保只有在母线分裂或合并及支路开断的情况下才展开全局搜 索，并针对母线分裂及支路开断采用了特殊的算法，减少了全局搜索的概率并提高 了搜索的效率；以上方法都没有系统的表达出问题的逻辑关系，分析效率不高，而 在文献 8 中，构建了网络拓扑分析的基本有色p e t r i 网分析单元，理论上论证了基 于此模型网络拓扑分析算法的可靠性和高效性。 1 3p e t r i 网理论的发展 1 9 6 2 年联邦德国的c a r la d a mp e t r i 在他的博士论文用自动机通信中首次使 用网状结构模拟通信系统。6 0 年代，p e t r i 网的研究以孤立的网系统为对象，以寻求 分析技术和应用方法为目标，研究的内容主要为特殊网论( s p e c i a ln e tt h e o r y ) 。而 通用网论( g e n e r a ln e tt h e o r y ) 的研究始于7 0 年代初，以网系统的全体作为对象， 研究分类及各类网之间的关系，发展了以并发论( c o n c u r r e n c y ) ，同步论 ( s y n c h r o n y ) ，网逻辑( e n l o g y ) 和网拓扑( n e tt o p o l o g y ) 为主要内容的理论体系。8 0 年代开始为p e t r i 网综合发展阶段，以理论与应用的结合及计算机辅助工具的开发为 主要内容，p e t r i 网的应用已涉及计算机学科的各个领域，例如线路设计，网络协议， 软件工程，人工智能，形式语义，操作系统，并行编译，数据管理等【9 j 。 p e t r i 网是一种可用图形表示的组合模型，具有直观易懂易用的优点，对描述和 分析并发现象有它独到的优越之处。p e t r i 网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用于静态的结构分析，又可用于动态的行为分析。 华北电力大学硕士学位论文 p e t r i 网在诞生不久就已经成为离散时间系统建模和分析的有力工具，随着研究的不 断深入，产生了一些具有不同性质和不同功能的高级p e t r i 网，特别是混杂p e t r i 网 和微分p e t r i 网的出现，使得p e t r i 网能够描述连续变量控制系统，从而逐渐能够胜 任对混杂控制系统的建模和分析。 1 4 离线数据库的管理 d t s 包含的数据量大、类型复杂，其中包括了电网中所有元件的类型和参数、 电网的拓扑关系、仿真结果、历史曲线任务、培训事件表及培训过程中的操作信息 以及为培训而实施的各个厂站的图形信息。有效的数据管理是d t s 的基本要求，关 系到d t s 能否做到准确、快速、真实，而数据库技术在数据管理方面有着很大的优 势，目前电力系统基本上大多采用商用大型关系型数据库来存储管理数据，可以说 数据库支持是d t s 支持系统的核心。一个典型的关系型数据管理系统至少具有下面 的功能【1 0 】： ， 1 ) 安全地管理多个并发用户对单个数据库的共享访问。例如d b m s 在用户增加 删除数据时锁住数据，从而使得多个用户不会破坏性地干扰对方的工作，同时保证 数据库系统的安全。 2 ) 智能化地利用计算机内部资源，使得大量应用程序用户可以快速高效的完 成其任务。 3 ) 能够重构由于某种原因( 例如电源故障、计算机病毒破坏等) 而造成的工作 损失，对数据库信息进行保护。 1 5 开发工具的选取和主要工作 1 5 1 开发工具的选取 网络拓扑分析程序采用v i s u a lc + + 6 0 开发环境下的基于w i n 3 2c o n s o l e a p p l i c a t i o n 的c + + 语言编程。v i s u a lc + + 是m i c r o s o f t 公司推出的目前使用极为广泛 的基于w i n d o w s 平台的可视化编程环境。v i s u a lc + + 6 0 是在以往版本不断更新的基 础上形成的，其功能强大、灵活性好、完全可扩展，具有强有力的i n t e r n e t 支持， 是目前最为流行的c + + 语言集成开发环境【1 1 | 。 v i s u a lc + + 提供m i c r o s o f t 基础类库( m f c ) 应用程序框架，以及各种实用工具， 如d e v e l o p e rs t u d i o 资源编辑器、a p p w i z a r d 、c l a s sw i z a r d 等，大大减轻了编程人 员的负担，降低了编写程序相关代码所需的时间。v i s u a lc + + 不仅仅是c + + 语言的 集成开发环境，而且与w i n 3 2 紧密相连，所以，利用v i s u a lc + + 开发系统可以完成 华北电力大学硕士学位论文 各种各样应用程序的开发，从底层平台到上层直接面向用户的软件都可以用v i s u a l c + + 来开发完成；而且v i s u a lc + + 强大的调试功能也为大型复杂软件的开发提供了 有效的排错手段。同v i s u a lb a s i c 、j a v a 这类解释型语言相比，编译型的v i s u a lc + + 具有更加精练的代码、更高的执行效率、更突出的灵活性。随着版本的不断升级， v i s u a lc + + 的功能也越来越强大】。所以统一选择v i s u a lc + + 进行界面和计算程序 的编辑，有力于程序的稳定和便于接口的处理。 c + + 是一门高效实用的程序设计语言，它既可进行过程化程序设计，也可进行 面向对象程序设计。c + + 语言强调对高级抽象的支持。c + + 实现了类的封装、数据 隐藏、继承及多态，使得其代码容易维护及高度可重用 1 3 】。为了使网络拓扑模块与 其它模块兼容性更好效率更高，选用v i s u a lc + + 6 0 环境下基于w i n 3 2c o n s o l e a p p l i c a t i o n 的c + + 语言编程。 o r a c l e 数据库是目前世界上最流行的关系数据库管理系统( r d b m s ) 之一，可以 在1 0 0 多种硬件平台上运行，支持多种操作系统。o r a c l e 作为第一个全面支持i n t e r n e t 数据库，具有集成式w e b 信息管理工具的数据库和内置j a v a 弓i 擎的可扩展的企业级 数据库平台，提供了可靠、可扩展、安全和易用的数据库，有以下特点： 1 ) 具有完整的数据管理功能。主要包括：外存数据的存储存取功能、数据对 象的定义与操纵功能、并发控制、安全性控制、完整性控制、故障恢复、与高级语 言接口等； 2 ) 优秀的超完备关系型产品。其关系数据模型包括数据结构、操作和完整性 约束这3 个方面，支持面向对象，将面向对象引入关系型数据库中； 3 ) 具有非常丰富的开发工具。o r a c l e 为用户提供了功能全面、易学易用、风格 统一的高级应用开发工具。如s q l * 是面向开发人员的，p r o * 是对高级程序语言的接 口： 4 ) 具有优良的开放性。o r a c l e 支持s q l m 际标准数据库语言，采用移植性较好 的c 语言开发，可移植性高，s q l * s t a r 是o r a c l e 的开放式体系结构； 5 ) 具有非常高的可靠性，容错能力和自恢复能力。电力行业是对系统可靠性 要求非常高的行业。因此，就要求数据库有足够的容错能力，以应付有意或无意的 系统损坏，并提供在硬件、操作系统出现故障时，从错误中恢复的能力。o r a c l e 可 支持双机热备份、快速加载数据和快速备份数据恢复。 由于d t s 数据类型复杂，数据量大，所以使用o r a c l e 数据库管理系统可以较好 地满足d t s 对数据管理的各项要求。 目前，v i s u a lc + + 和o r a c l e 数据库连接的方法很多。因此，针对不同操作，采 用不同方法开发基于o r a c l e 数据库的v i s u a lc + + 应用程序，从而保证系统开发在时 华北电力大学硕士学位论文 间周期、系统性能诸方面达到设计要求。本文v i s u a lc + + 与o r a c l e 数据库的连接部 分采用a d o ( a c t i v e xd a t ao b j e c t s ) 技术开发数据库，o r a c l ep r o * c c + + 与a d o 相互 结合完成运行数据的初始化，0 c l ( o r a c l ec l a s sl i b r a r y ) 批量加载仿真结果。a d o 方 式易于使用、速度较快、内存支出少和磁盘遗迹小，但不够灵活；p r o * c c + + 直接 与通信接口联系，具有最高执行效率，支持嵌入式p l s q l 块等o r a c l e 自身特有的 优点，但正因为这些特点，使得用p r o * c c + + 开发出的应用程序无法向异构数据库 平台移植，而且开发周期相对较长、开发难度较大。o c l 是把o c ia p i 函数调用封 装成类，是建立在标准c + + 类库基础上的。使用o c l 批量加载仿真结果速度快、 程序开发方便，但按封装的类调用函数灵活性差。 。一 1 5 2 本文的主要工作 本文详细介绍了网络拓扑分析技术的设计和实现方法，对其中的主要功能给出 了较详细的分析策略和流程图，说明了离线数据库的管理方法及数据的读写方式， 最后以某省电网为例进行了仿真实验。主要做了以下具体工作： 1 ) 拓扑分析数据的准备，在离线数据库里构建表示网络结构关系的节点开关 元件关联表；应用o r a c l ep r o * c + + 预编译器以非滚动游标方式读取o r a c l e 数据库的 表，宿组结构作为临时变量逐行处理数据，转移到节点结构体数组中。与a d o 方 式相结合完成运行数据的初始化。7 2 ) 基于有色p e t r i 网理论比较分析节点收缩模型与节点搜索模型在d t s 网络拓 扑分析中的应用。提出节点搜索模型的两级拓扑分析策略：厂站母线分析和系统网 络分析。 3 ) 节点排序部分，大型电网中有许多孤立节点，所以有必要调整母线和电气 岛的编号，将孤立节点排在非孤立节点的后面。本文节点排序不必对全网节点逐一 调整编号，只需修正链表头指针的位置和内容，大大提高了排序效率。 4 ) 局部拓扑分析的修正，由节点搜索模型生成的单向链表，极大地缩小了开 关操作后局部搜索范围，然后依据节点类型直接修正导纳矩阵，节省了拓扑分析时 间，满足了d t s 的要求，提升了动态仿真的性能。 5 ) 离线数据库的管理，针对d t s 数据的特点，进行离线数据库数据表的分类 和表空间的逻辑划分，进行离线数据库的更新、备份和优化，实现有选择性地回放 历史曲线。 6 ) 协调各功能模块间的关系，以某省电网为例进行了仿真实验，得到了拓扑 分析结果，绘制了实时曲线与历史曲线，仿真结果证明了节点搜索模型的可靠性和 高效性。 华北电力大学硕士学位论文 第二章p e t r i 网理论及其在电力系统中的应用 2 1p e t r i 网的基本知识 自p e t r i 网问世以来，随着研究的不断开展，在理论方面，p e t r i 网以网络理论、 代数理论等作为数学基础，建立了p e t r i 网分析方法，k a r p 和m i l l e r 首先引进了可 达性树的概念，p e t e r s o n 则较系统地研究了矩阵方法，这两种方法已经成为p e t r i 网 最常用的分析方法。在应用方面，适合于描述异步并发现象的计算机系统模型和对 并行及并发系统进行行为分析，它已经远远超出了计算机科学的领域，成为研究离 散动态系统的有力工具。 2 1 1p e t r i 网的基本概念 1 ) 定义l ： 一个六元组纠忙，t , f ；c ，彬) 称为一个p e t r i 网，当且仅当： a n b = ( p ，ld 为一有限基本网，有限节点集合p 的元素称为库所( p l a c e ) ；有 限节点集合t 的元素称为变迁( t r a n s i t i o n ) ；并且满足集合p 和集合t 的交集为空， 并集不为空集； 。 b 有序二元组集合f c 妒刁u ( t x p ) 的元素称为库所节点和变迁节点的关联 关系，“”为笛卡儿积； c c ：p j u o 。) 称为库所容量函数； d w ：f 专矿称为关联关系对应的权函数； e m o ：p j u o o ) 称为库所节点的初始状态标识，且对所有的库所尸f ，满足 m o ( p t ) 。 对发生权和发生规则的另一种描述方法为护卫函数，称p e t r i 网外加一护卫函数 集构成的系统模型为受控p e t r i 网。护卫函数集的元素( 护卫函数) 与p e t r i 网的变迁 一一对应，并称与变迁t 对应的元素为变迁t 的护卫函数。护卫函数是二值函数， 其值为真或假。 2 1 2p e t r i 网图形表示方法 一 p e t r i 网可以用库所、变迁、连接库所和变迁的有向弧及初始标识表示。库所节 点是静态的，其作用是记录构成系统的个体及系统本身的状态。变迁节点使系统中 状态改变的规则动态化。 p e t r i 网的图形用“o ”表示库所，用“i ”表示变迁，用从x 到y 的有向弧( 箭 头) 表示有序偶( x ，y ) 。如果有向弧是从库所到变迁，则称库所是输入库所，变迁是 库所的输入变迁。反之，如果有向弧是从变迁到库所，则称库所是变迁的输出库所， 变迁是库所的输出变迁。如果一个标识给库所p 分配了一个非负整数k ，则在库所 p 中置以k 个小黑点，并称这些小黑点为令牌，也称为托肯( t a k e n ) ，称库所p 标 识有k 个令牌( 托肯) 。 如图2 1 所示是个库所变迁( p t ) 系统的例子： s o ：工人w 的就绪待命状态；s ；：等待组装的a ( 及a 上的部件) ； s 。：机床a 的就绪待命状态；s 6 ：等待组装的b ( 及b 上的部件) ； s 2 ：机床b 的就绪待命状态；s 7 ：检修状的a ，a 在“休息”； s 3 ：w 开机床a 工作；s 8 ：检修状的b ，b 在“休息”； s 4 ：w 开机床b 工作；s 9 ：休息中的w ； 华北电力大学硕士学位论文 t i ( t 2 ) ：w 开动a ( b ) ： t 3 ( t 4 ) ：w 结束a ( b ) _ 1 2 力1 2 1 2 ： t 7 ：a 和b 上加工后的部件组装； t 8 ：w 恢复为待命态 t 5 ( t 6 ) ：检修a ( b ) ，或a ( b ) 恢复等待； 这个系统中有三个个体，个体的状态可分为四类：就绪( r e a d y ) ，工作( w o r k i n g ) ， 等待( w a i t i n g ) 和休息( r e s t i n g ) 。 2 1 3p e t r i 网的基本性质 图2 1 机床加工p e t r i 网图 p e t r i 网由于其结构参数和初始状态标识的不同，而使其状态转换过程表现出不 同的特点。这些特点包括：可达性、有界性、活性等。 1 ) 可达性 对给定初始标识m o 的一个p e t r i 网，可达集定义为此p e t r i 网在初始标识下按照 发生规则可到达的所有状态标识的集合。 如果一个p e t r i 网的状态标识m 。在初始标识m o 下是可达的，那么必然存在一 个发生序列，能够使p e t r i 网由初始标识m o 转移到状态标识m 。 2 ) 有界性和安全性 ： 对初始标识为m o 的p e t r i 网，如果对在初始标识m o 下的任意可达状态标识m 以及任一库所p i ，都满足旭尸，) g ，则称该p e t r i 网是k _ 有界的，其中k 为有限正整 数。如果p e t r i 网是，有界的，则称其为安全的。 8 华北电力大学硕士学位论文 3 ) 活性 对初始标识为m o 的p e t r i 网，如果对m o 的任一可达的状态标识m ，p e t r i 网的 任一变迁都相应存在一个发生序列，使得该变迁在由该发生序列导出的新的标识 m 7 下具有发生权，那么称该p e t r i 网具有活性。 4 ) 冲突 冲突就是两个或多个事件间的一种竞争现象，在p e t r i 网理论中，冲突指的是两 个或多个变迁节点同时具有发生权，但是由于它们共享某些库所节点，使得其中一 个变迁的发生导致其它节点丧失发生权。 2 1 4p e t r i 网的分析方法 ，系统性能是评价系统品质优劣的一个重要方面，也是对系统进行优化处理的重 要依据之一，p e t r i 网主要有三种基本的分析方法，即覆盖图分析法，矩阵方程分析 法和化简分解分析法。 1 ) 覆盖图分析法 最理想的是能用一个有限的图来表示p e t r i 网的所有可达状态标识，但是在一般 情况下，是难以满足的。这是因为p e t r i 网的可达状态集是无限的，不可能用一个有 限的图直接来表示。尽管如此，我们却可以用一个有限的覆盖图来表示p e t r i 网的所 有状态标识，其中p e t r i 网的每一个状态标识或者被表示为覆盖图的一个节点，或者 被覆盖图的一个节点所覆盖。 定义2 ( 可覆盖性) ：称p e t r i 网的一个状态标识m 为可覆盖的，如果存在另一 个可达的状态标识m 7 ，使p e t r i 网中的每个库所p i 的标识成立：g ( p ，) 三坝p ，) 为了表示无限的可达集，在覆盖图中引入无限参量。在可覆盖图的构造过程中如 果某个变迁的发生导致某个库所标识不断增加- ，可以将该库所标识记为0 9 ，并且0 9 满足性质：对任意的有限实常数a ，成立0 9 一口= 和0 3 + a ：0 9 。 2 ) 矩阵方程分析法 给定一个p e t r i 网，通过对网络结构的分析，可构成一个表征其库所和变迁间关 联关系的矩阵，称之为关联矩阵。矩阵方程分析法就是基于关联矩阵来分析p e t r i 网基本性质的一种方法。 设p e t r i 网包含，z 个库所和m 个变迁，则其关联矩阵d 是一个m 行胛列的矩阵。 d = d o - 。其中元素如，符合公式2 2 。 公式2 2 中，w ( s ，f ) 是s 到f 的有向弧的权；以s ，f ) f 表示从s 到r 存在有向通路； w ( t ，s ) 含义亦同理。 9 华北电力大学硕士学位论文 咛降错 推论1 ：设m 和分别为p e t r i 网的两个状态标识， 定m 维向量。则可得关联矩阵基本分析方程为式2 3 。 、 m j ：m + x d ( 2 2 ) d 为其关联矩阵，x 为待 ( 2 3 ) 3 ) 化简分解分析法 为了对大型和复杂系统p e t r i 网模型进行分析，经常需要对p e t r i 网模型进行适 当的化简，而且要尽量使化简前后p e t r i 网的性质保持不变。现在已经发展了许多 p e t r i 网模型的化简分解技术。在此仅介绍几种最简单的化简技术，这些化简技术都 能保证p e t r i 网模型在变换后能保持其活性、安全性和有界性不变。 a 串联库所的合并； b 串联变迁的合并； c 并联库所的合并； d 并联变迁的合并； e 白循环库所的消除； f i 自循环变迁的消除。 2 2 高级p e t r i 网 为了适应不同的建模和分析需要，并有效弥补普通p e t r i 网的缺陷，人们在实际 应用中构造出了一些特殊的p e t r i 网，如有色p e t r i 网( c o l o r e dp e t r in e t s ) 、赋时p e t r i 网( t i m e dp e t r in e t s ) 、模糊p e t r i 网( f u z z yp e t r in e t s ) 、随机p e t r i 网( s t o c h a s t i cp e t r i n e t s ) 、混杂p e t r i 网( h y b r i dp e t r in e t s ) 、微分p e t r i 网( d i f f e r e n t i a lp e t r in e t s ) 等。 1 ) 有色p e t r i 网 定义3 ：有色p e t r i 网是一个六元组腓( 尸，l c ，p r e ，p o s t ，m o ) ，其中： a p 为库所集合，丁为变迁集合，满足p n 产和pu 丁g ； b c ( 尸) 和c ( 乃分别是和库所和变迁有关的颜色集； c 令芦= ip f p , c ec ( p 协，于= it i et , c ec ( 乃) ) ，p r e 和p o s t 分别 是在卢于上定义的输入和输出函数； d m o ：芦j o ，n o = o ，l ，2 ，) 称为初始状态标识( i n i t i a lm a r k i n g ) 。 有色p e t r i 网也可以做如下描述： 华北电力大学硕士学位论文 a 库所中令牌是有颜色的； b 每个库所都有一个令牌颜色取值域；。 c 每个变迁都有一个颜色处理函数，变迁引发时都先从它的每个输入库所取 一个有色令牌，然后根据其颜色处理函数对这些令牌进行处理，给每个输出库所产 生一新颜色的令牌； d 网的标识是m ( m 为库所个数) 维阵列，阵列的每个元素都是令牌颜色的集 合。 2 ) 赋时p e t r i 网 ； 、 赋时p e t r i 网可以考虑事件发生和结束所需要的时间。将各事件的持续时间标在 库所旁，这样库所中产生的标记要经过一定的时间后才能参与p e t r i 网的运行。还有 另外一种时间标注，即将时间标在变迁上，这样授权的变迁要延迟一段时间才能发 生，或者变迁发生后，立即从输入库所中移走相应的标记点，但却延迟一段时间在 输出库所中产生标记点。 3 ) 模糊p e t r i 网 一个模糊p e t r i 网的结构肼w 是一个七元组胛= ( p ，t , k ，。 ，l o ) 。 p = 尸，n ，p 玎) ( 门芝1 ) 是库所节点的有限集合；联t l ，t e ，) ( m 1 ) 是变迁节点的有限 集合，i 肛 k ，膨，如) 是库所初始托肯( t o k e n ) ( m 1 ) 的有限集合；a c _ ( p x 印和f l c ( t x p ) 表示库所到变迁和变迁到库所的有向弧；以和优是变迁n 的输入库所和输出库所 的有限集合。 当一个变迁有大于或等于两个输入库所时，称该变迁是连接的，否则称该变迁 是非连接的。 4 ) 随机p e t r i 网 随机p e t r i 网是指时延参数o j ( = 1 ，2 ，m ) 为随机变量的一类赋时p e t r i 网，由于 时延参数可以服从一定的随机分布，使随机p e t r i 网可以考虑系统中的随机因素。通 常，总是假定时延参数为按指数分布的随机变量，以简化分析。 随机p e t r i 网可以表示为一个六元组妒_ ( p ，t , p r e ，p o s t ，蚴，网，其中： a p 和丁分别是库所和变迁的有限集合，满足尸n 产。和p u 丁g ； b 尸朋和p o s t 分别是输入、输出权函数，p r e ：尸卜，n o = 0 ，l ，2 ，) ，p o s t ： 丁p 一d ，= 0 ，1 ，2 ，) ； c m o ：尸一n o ，n o = 0 ，1 ，2 ，) 称为初始状态标识； d t f 为时间函数集：当矾是时间变迁时，参数o j 为按负指数分布的随机变量； 当矾是立即变迁时，参数o j 为变迁乃发生的概率。 华北电力大学硕士学位论文 5 ) 混杂p e t r i 网 混杂p e t r i 网的概念首先由d a v i d 和a l l a 在1 9 9 2 年提出，他们将标识拓展到实 数域，网络的启动也由变迁的启动速度所决定。 6 ) 微分p e t r i 网 d e m o n g o d i a 和k o u s s o u l a s 在1 , 9 9 8 年引进了微分p e t r i 网的概念，其中包括微分 库所、微分变迁和相应的演变规则。微分p e t r i 包括两类节点，一类是离散库所和离 散变迁，另一类是微分库所和微分变迁，后者的标识扩展到了实数域，它代表了连 续变量系统中的状态变量。 n 2 3p e t r i 网在电力系统中的应用 电力系统是个典型的混杂系统，既含连续动态，也含离散动态。p e t r i 网在诞生 不久就已经成为离散时问系统建模和分析的有力工具，随着研究的不断深入，产生 了一些具有不同性质和不同功能的高级p e t r i 网，特别是混杂p e t r i 网和微分p e t r i 网 的出现，使得p e t r i 网能够描述连续变量控制系统，从而逐渐能够胜任对混杂控制系 统的建模和分析。 p e t r i 网已成功应用于电力系统故障诊断、系统恢复和混杂电力系统的建模等方 面。文献 1 6 介绍了一种应用p e t r i 网数学模型并结合专家系统进行电力系统输电网 络故障诊断的方法。根据断路器跳闸信息确定故障区域，通过搜索“六元素”找出 故障区域中动作的各类保护及相关的断路器，通过与s c a d a 系统提供的信息进行 比较，把对应各设备的继电保护信息输入p e t r i 网故障诊断模型，提高了故障诊断速 度。文献 1 9 基于智能互补融合的思想，将粗糙集理论与模糊p e t r i 网络有机结合在 、一起进行油浸电力变压器故障诊断。基于最小诊断规则的p e t r i 网络模型可以有效降 低网络结构的复杂性与故障特征获取的难度。同时利用模糊p e t r i 网络实现并行模糊 推理，便于描述故障特征的变化及对变压器运行特性的快速分析。文献 2 1 介绍了 离散事件系统的模型工具p e t r i 网与混杂系统的模型工具可编程赋时p e t r i 网 ( p r o g r a m m a b l et i m e dp e t r in e t s ，p t p n ) 。提出了利用可编程赋时p e t r i 网来建立混杂 电力系统模型的方法。在p e t r i 网的原理的指导下，有针对性地定义特定领域的专用 p e t r i 网是有效的也是应该的。p e t r i 网在程序优化分析中也有重要作用，下面给出一 个p e t r i 网优化分析的例子如图2 2 所示。 一个容量不定的先进先出( f i f o ) 栈总体设计思想。只需完成对平移，上推及下 推等“动作”的p e t r i 网设计即可获得完整的p e t r i 网f i f o 模型。如图2 2 所示以 l i 和r i ( i _ 1 ，2 ，3 ，) 分别表示入栈部和出栈部从上往下数第i 个数据单元，再以d i ， m i 和u i i ( i 。i = l ，2 ，3 ，) 表示l i + l 中数据的下推，平移和r i 中数据的上推。d i ，m j 中 华北电力大学硕士学位论文 m i 应有优先权，设w i 为表示r j 排在出栈部数据后的第一个空格单元成真的条件， w i 中的托肯不仅应随m i 的发生而下降，还应随上推的发生而上升。当出栈部最后 一个数据r i 上推到r i - l ，r i 变成出栈数据后的第一个空单元时，w i + 1 中的托肯应上 升到w i ，若r i 不是最后一个数据时，w i 和w i + l 中均无托肯，这时r i 中数据的上推 不影响w j 和w i + l 。u i i 使得w i 中托肯上升和下降的两个事件有可能处于冲突状态情 况避免了，在u i ! 和m i 都能发生时，应该让m i 先发生，这时w i 中托肯会下降到 w m ，同时l i 中数据平移到r i ，在w i 失去托肯后，r i l 中的数据可以自由上推到 r i 一2 ( u j 2 发生) 。 2 4 本章小结 d 1 d 2 d 3 图2 2 容量不定的先入先出栈p e t r i 网模型 p e t r i 网是一种可用图形表示的组合模型，具有直观易懂和易用的优点，已证明 p e t r i 网的模拟能力与图灵机等价，对描述并发现象有它独到的优越之处。本章简略 地介绍了p e t r i 网的基本概念，性质，分析方法。对高级p e t r i 网中的有色p e t r i 网、赋 时p e t r i 网、模糊p e t r i 网、随机p e t r i 网、混杂p e t r i 网和微分p e t r i 网进行了说明，概括 地阐述了p e t r i 网在电力系统故障诊断、系统恢复和混杂电力系统中的应用。大量成 功的事例表明，p e t r i 网理论与实际问题相结合建立合适的模型是p e t r i 网理论有效运 用的关键。 华北电力大学硕士学位论文 第三章网络拓扑分析的前期准备 网络拓扑分析的基础首先是数据的准备，拓扑分析数据来源于离线数据库，离 线数据库的数据来自于s c a d a 系统，但s c a d a 系统本身并不提供网络结构信息， 所以要在离线数据库里做好网络结构信息的准备工作；接着是数据的读写，在数据 库的连接过程中选用合适的方式，有助与提高整个系统的性能。图形编辑模块中的 图形网络关系要与离线库的网络结构相一致才能正确显示仿真结果，所以编辑图形 时图元手工输入或自动形成的编号要与离线库相对应。在仿真计算前设定培训事件 信息，发生事件后由局部拓扑修正形成新的网络结线关系，提供新结线方式下的信 息与数据。 3 1 拓扑信息数据表的准备 s c a d a 系统得到的数据一般不会给出系统网络结构连接的关系，只有各个厂 站名称及其所含元件的参数和名称，例如一条交流线的参数如表3 - 1 所示。 表3 1 交流线原始数据参数表 表3 1 中线路参数有线路的名称和描述，线路的首末端节点名称，线路的导纳 华北电力大学硕士学位论文 和阻抗，线路的长度和类型。虽然线路有详细的描述，但不能直接看出线路与其它 元件的连接关系，所以需要以节点表为基础对开关表、线路表、变压器表、发电机 表和负荷表等进行检索，形成表示网络结构关系的节点开关元件关联表，如表3 2 所示。 表3 - 2 节点开关元件关联表 表3 - 2 显示出与物理节点2 5 5 6 相联的开关有3 个，编号为3 5 5 7 、3 5 5 8 、3 5 5 9 ， 相联的元件有1 条交流线，1 个负荷，编号分别为1 6 1 、14 4 。对应的数据结构见图 4 3 。 3 2 数据的读写方式 数据信息准备好后，选用合适的数据读写方式对提高整个系统的性能很重要。 本文v i s u a lc + + 与o r a c l e 数据库的连接部分采用a d o ( a c t i v e xd a t ao b j e c t s ) 技术开发 数据库，o r a c l ep r o * c c + + 与a d o 相互结合完成运行数据的初始化，o c l ( o r a c l e c l a s sl i b r a r y ) 批量加载仿真结果。 3 2 1a d o 方式开发数据库 典型的关系数据库都支持开放式数据库连接( o d b c ) 标准，并可以用结构化查询 语言( s q l ) 命令进行操作。m i c r o s o f t 为此提供的就是o l ed b ，这是一整套的组件对 象模型( c o m ) 接v 1 ，能够对各种信息源中存储的数据提供一种统一的访问形式。虽 然o l ed b 提供了为优化各种应用程序而设计的编程接口，但是不能满足所有简单 化的要求。a c t i v e x 数据对象( a c t i v e xd a t ao b j e c t s ，a d o ) 就是0 l ed b 与应用 程序之间的桥梁。a d o 是简化o l ed b 的应用程序编程接口( a p i ) 。 一 a d o 被设计为一种易于使用的应用级o l ed b 接口。o l ed b 提供对任何数据 源的高性能访问。数据源包括关系型和非关系型数据库、电子邮件和文件系统。a d o 通过在应用程序和数据源之间提供最少的层数以提供轻负荷、高性能的接口。a d o 访问数据库可以通过a d o 数据控件也可以通过a d o 对象模型，使用数据控件可视 化效果好，使用方便但是不够灵活，使用a d o 对象模型较直接使用数据控件复杂， 但功能更强大，更灵活。其最主要的优点是易于使用、速度快、内存支出少和磁盘 遗迹小。 华北电力大学硕士学位论文 3 2 2p r o * c + + 方式读取数据 p r o 木c c + + 是o r a c l e 公司提供的在第三代高级程序设计语言中嵌入s q l 语句来 访问数据库的一套预编译程序，程序员用p r o * c c + + 编写嵌入s q l 语句的p r o 源 程序后运行预编译程序，把嵌入的s q l 语句转换为标准的o r a c l e 调用并生成目标 源程序，即纯高级语言格式的源程序，然后就可以将这些源程序加入用户的程序中 调用。 1 ) p r o 木c c + + 编译过程如图3 1 所示。 内嵌s q l o r a c l e 预编译 预编译程序添 生成。 连语句的 加至0 p r o j e c t 中 编 目标 + p r o 半c + + 源 器( s q l 代码转 调用其访问数 译接 换为s q l l i b ) 据库函数 文件 程序( p c ) 图3 1p r o * c c + + 编译过程 2 ) o r a c l ep r o * c c + + 预编译程序有以下特征： a 允许使用c c + + 程序设计语言编写o r a c l e 应用程序； b 允许在c c + + 语言中内嵌s q l 语句，遵循a n s i i s o 标准； c 支持动态s q l 特征，从而使得程序可以在运行时接收和建立s q l 语句； d 允许编写共享服务器进程应用； e 可以自动在o r a c l e 数据类型和c 数据类型之间进行转换； f 允许内嵌p l s q l 块，从而提高应用性能； g 允许单独预编译多个程序模块，然后链接为一个可执行程序； h 允许使用宿主数组作为输入和输出变量，从而降低网络和处理开销，提高 应用性能； i 提供s q l c a 结构、w h e n e v e r 和d o 语句，使得应用程序可以处理s q l 错 误和警告； i 支持l o b 类型，从而使得开发人员可以开发l o b 应用。 通过预编译构建o r a c l e 数据库的登陆与退出，行的查找、删除与更新，表的创 建与删除，错误处理等予函数。在形成的c + + 源程序编译前要加入e x t e r n “c ”扩展 才能编译成功。本文应用o r a c l ep r o * c + + 预编译器以非滚动游标方式读取o r a c l e 数 据库的表，宿组结构作为临时变量逐行处理数据，转移到节点结构体数组中。宿主 变量( h o s tv a r i a b l e ) 是宿主程序与o r a c l e 进行数据交换的c 语言变量，注意要定义 与o r a c l e 相匹配的数据类型。宿主结构是指包含多个宿主变量的c 语言结构，用于 1 6 华北电力大学硕士学位论文 处理单行多列的数据。当在p r o * c + + 应用程序中处理s e l e c t 语句返回多行数据时， 使用非滚动游标方式可以一行- - i t 地处理数据，并且可以跟踪当前正在处理的行。 由此可见，通过p r o 木c 预编译程序与v c 高级语言的结合，既可以利用s q l 强 有力的功能和灵活性，为数据库应用系统的开发提供强有力的手段，又可以充分利 用高级语言自身在系统开发方面的优势，从而提供一个完备的基于o r a c l e 数据库应 用程序的开发解决方案。 3 2 3o c l 方式批量加载数据 在o r a c l e 数据库中，使用c c + + 开发应用程序另一种是使用o c i ( o r a c l ec a l l i n t e r f a c e ) 函数，当使用o c i 函数开发应用程序时，开发人员不仅要掌握c c + + 、s q l 和p l s q l 外，还必须掌握o r a c l e 提供的大量o c i 函数。o c l 是把o c ia p i 函数 调用封装成类，是建立在标准c + + 类库基础上的。使用o c l 批量加载仿真结果速 度快、程序开发方便，但按封装的类调用函数灵活性差。o c l 中有两种加载数据的 方法：常规加载和直接路径加载，后者使用o r a c l e