（电力系统及其自动化专业论文）基于petri网的变电站故障诊断的研究.pdf

贵州大学硕士论文基于p c t n 网的变电站故障诊断的研究 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，t h es c a l eo fp o w e ri n d u s t r yb e c o m e b i g g e ra n db i g g e r , a n dt h ee v e r yw a l ko fl i f ed e m a n df o rh i g h e rr e l i a b i l i t yo fp o w e r s y s t e m e v e ni ft h es h o r tt i m ep o w e rc u tm a yc a u s ed i s a d v a n t a g ei n f l u e n c e ：s ot h e e f f e c t i v es u p e r v i s o r yc o n t r o li sn e e d e d f o rt h es u b s t a t i o ni sa ni m p o r t a n tp a r ti n p o w e rs y s t e m s a f e t ya n dr e l i a b i l i t ya r ee v e nm o r ei m p o r t a n t ，e s p e c i a l l yt h ef a s ta n d e x a c tf a u l td i a g n o s i sf o rs u b s t a t i o ni sap o w e r f u lg u a r a n t e ef o rh e i g h t e n i n gr e l i a b i l i t y s oi ti sv e r yn e c e s s i t ya n di n s i s t e n tt os t u d yn e wf a u l td i a g n o s i sw a y sf o rs u b s t a t i o n w h e ns u b s t a t i o ng o e sw r o n g ，w en e e da ne f f c c t i v ea n df a s ts u b s t a t i o nf a u l t d i a g n o s i sf o rd e t e c t i n ga n de l i m i n a t i n gt h ef a u l tr a p i d l ya n di n s u r i n gt h ee l e c t r i c p o w e rs y s t e ma g a i n s tt h ef a i l u r e t h em o s ti m p o r t a n tw o r ki st of m daf a s ta n de x z i c t f a u l ts e c t i o nd i a g n o s i sa p p r o a c h p e t r in e t sa r eau s e f u lt o o lf o rd e d si nm o d e l i n g a n da n a l y z i n g i th a ss o m ec h a r a c t e r ss u c ha ss i m p l em o d e l ，e a s yr e a l i z a t i o na n ds oo n t ou s ei ti nf a u l td i a g n o s i sf i e l di sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt o ，n o w , p e t r i n e t sh a sb e e ni n t r o d u c e dt op o w e rs y s t e mf a u l td i a g n o s i s t h i sp a p e rm a i n l yd o e s r e s e a r c ho nt r a n s f o r m e r s ，b u sa n dl i n e so ns u b s t a t i o nc o m p o n e n t sr e s p e c t i v e l ya n d e s t a b l i s h e dac o m m o nf a u l td i a g n o s i sp e t r in e t sm o d e l a f t e rt h a t ，a c c o r d i n gt ot h e s u b s t a t i o n c o m p o n e n t sa n dn e t w o r kt o p o l o g y t oe s t a b l i s hl i n k so ft h ew h o l e s u b s t a t i o nf a u l td i a g n o s i sm o d e l t h em o d e lo ft h es u b s t a t i o nf a u l td i a g n o s i si ss i m p l e ， i t sp h y s i c a lm e a n i n gi sc l e a r r e s p o n s et ot h ef a i l u r eo fd y n a m i cc h a n g en e t w o r k a n a l y s i sm e t h o dd e s c r i b e db ym a t r i x i tm a k e sr e a s o n i n go ft h ef a u l td i a g n o s i si s h j g h s p e e d , r e a l t i m e a f t e rs i m u l a t i o n ，w ef m dt h a ti tc a l li n c r e a s ef a u l td i a g n o s i s s p e e da n dv e r a c i t y s o ，i ti sa s u i t a b l em e t h o df o ro n l i n ea p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：s u b s t a t i o n ，f a u l ts i m u l a t i o n ，f a u l td i a g n o s i s ，p e t r in e t s i i 贵州大学硕士论文 基于p e t r i 网的变电站故障诊断的研究 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。 对本文的研究曾做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 丈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：啦柳签名：丝虹日期蚀。胜厶 贵州大学硕士论文 基于p e t r i 网的变电站故障诊断的研究 第1 章绪论 1 1 电力系统故障诊断的目的和意义 电能是现代社会中最重要、也是最方便的能源。电能具有许多优点，它可以 方便的转化为其它形式的能，例如，机械能、热能、光能、化学能等，它的输送 和分配易于实现。因此电能被日益广泛的应用于工农业，交通运输业以及人民的 日常生活中。现在电力系统的发展使得电网的规模越来越大，结构越来越复杂， 不同区域之间的联系也越来越紧密，这就使得系统中所发生的故障对系统本身的 影响也随之扩大，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。然而由于气候、人为等多种因素的影响，故障的出现又是不可避免的。当电 力系统发生故障时，就要求运行人员能够迅速判断故障原因、切除故障元件并恢 复系统的正常运行，以便减少对电力设备的损坏，保证向用户安全可靠的供电。 随着电力系统自动化的发展，越来越多的自动装置应用到电力系统中，当系 统某一元件发生故障时，各级自动装置产生的大量报警信息例如保护动作、开关 跳闸、重合闸、过电流等信号将会在一瞬间涌入调度中心，在这种情况下，经验 不足和心理紧张的工作人员面对这么多的未加任何处理的报警信息去阅读并理 解其含义，抓住报警实质，迅速正确地判断故障是非常困难的，很容易出现误判 断或误处理，从而导致事故的进一步扩大和恢复时间的加长，特别是当故障同时 存在断路器或保护拒动、误动以及多重故障同时发生时，停电区域的加大往往会 增大故障判断的复杂性，因此，设计一个能够自动快速实现电力网络故障定位、 故障类型识别的故障诊断系统具有重要的意义。 电力系统的故障诊断包括系统故障诊断和元件故障诊断。系统故障诊断也就 是电网故障诊断，变电站是电网的一部分，电网故障诊断指的是在调度中心进行 的系统级的故障诊断，它的目的是在电力系统发生故障的时候，根据可以获得的 各种故障信息，判定故障区域、故障性质和评价保护动作行为，为调度员的决策 提供相关的判据。元件故障诊断则是指对系统运行中发生故障的电气元件进行的 故障性质的分析，主要有线路故障、变压器故障诊断、发电机故障诊断等等。本 文研究的是系统故障诊断。 贵州大学硕士论文 基于p e t r i 网的变电站故障诊断的研究 电力系统的故障诊断是利用保护和断路器的动作信息识别故障区域、故障元 件以及误动作的保护和断路器，其中故障区域以及故障元件的识别是关键问题。 变电站是电力系统的重要组成部分，也是联系发电厂和用户的中间环节，起着变 换和分配电能的作用，它在电网中数目众多，正常操作、事故判断和事故处理是 变电站的主要任务，作为电网重要环节的变电站来说，其安全运行问题就显得尤 为重要，尤其是一些枢纽变电站，或中心城市中的变电站，它的安全运行直接关 系到经济、生产和科研等工作的正常运转。而且一些变电站实现了无人值守，但 仍存在着发生各种自然灾害以及继电器和断路器不正确动作的可能，从而使事故 的发生不可避免。而站内一旦发生故障，就要求运行人员迅速处理大量报警信号， 分析故障状态，判断故障位置和故障元件，显然是比较困难的。在一些无人值守 变电站的集控中心，值班人员更是难以迅速处理并发事故，因此，无论是常规变 电站还是无人值守变电站，在其监控系统中，需要一个变电站故障诊断系统，辅 助运行人员确定故障位置并进一步处理故障以尽快恢复供电，减少停电损失。变 电站故障诊断系统的基本功能就是将以前需要调度员和其它单位共同协作完成 的变电站故障分析的结果交给计算机来实现，利用计算机的快速计算能力，快速 准确的给出分析结果，以便辅助调度员故障后做出合理运行决策。 1 2 国内外故障诊断方法研究现状及优缺点比较 故障诊断方法可以分成两大类：基于数学模型的故障诊断方法和基于人工智 能的故障诊断方法，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。人工智能技术则由于其善于模拟人类处理问题 的过程，容易计及人的经验以及具有一定的学习能力等特点在这一领域得到了广 泛的应用。目前如专家系统( 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 l n e t w o r k ) 、模糊理论( f u z z yt h e o r y ) 、优化技术( o p t i m i z a t i o nm e t h o d s ) 及p e t r i 网络( p e t r in e t ) 等人工智能技术在此领域得到了应用，取得了许多有价值的理 论研究成果，提出了许多解决的办法。 2 贵州大学硕士论文基于p c t r i 网的变电站故障诊断的研究 1 - 2 1 专家系统 专家系统【4 1 j ( e x p e r ts y s t e m ) 是发展最早，也是比较成熟的一种人工智能技 术。一般地说，它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。 专家系统在输电网络故障诊断中的典型应用是基于产生式规则的系统 3 9 , 3 l 4 3 】，即把保护、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，进而根据报警信息对知识库进行推理，获得故 障诊断的结论。输电网络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；基于产生式规则的专家系统允许增加、删除、 或修改一些规则，以确保诊断系统的实时性和有效性；能够在一定程度上解决不 确定问题；能够给出符合人类语言习惯的结论并具有相应的解释能力：所以该系 统能够有效地模拟故障诊断专家完成故障诊断的过程。 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l 弘j 。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。现在大多数的故障诊断属于这一类。 ( 2 ) 基于模型的系统。这类专家系统用系统的模型来模拟故障时实际电力系 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、反向推理的系统川。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及开关、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 9 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 3 贵州大学硕士论文 基于p e t r i 网的变电站故障诊断的研究 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。 专家系统由于自身的特点，使得其在应用过程中存在一些缺陷： 1 大型专家系统建设周期长，获取完备的知识库比较困难，维护难度大。 2 缺乏有效的学习机制，对付新情况能力有限，容错能力差，当网络结构与 参数发生变化时，可能得不到正确的结果甚至造成误判，可将专家系统和人工神 经网络、模糊推理相结合，提高专家系统的自学习能力和容错能力。 3 当系统规模较大时，知识库中的规则骤然增多，搜索匹配规则耗费大量的 时间，因此推理速度受到限制，多用于离线分析和培训。 由于上述原因，专家系统在故障诊断方面的应用仍然有大量的问题需要进一 步研究。 1 2 2 模糊理论 模糊理论( f u z z yt h e o r y ) 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，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部分组成。其模糊 知识库使用语言变量来表达专家的经验，更接近人的表达习惯，能够得到问题的 多个可能的解决方案，并可以根据这些方案的模糊度的高低进行优先程度排序 等。 电网故障诊断的不确定性主要是由保护或断路器误动、拒动，信道传输干扰 错误，保护动作时间偏差等因素造成的，对于要求严格匹配搜索的专家系统来说， 很容易导致错误的结果。当在专家系统中融入模糊理论后，由精确推理变为近似 推理，在相当程度上增加了专家系统的容错性。专家系统与模糊理论的结合方式 主要有两种【3 4 , 1 6 , 3 2 。一是认为系统的输入报警信息的可信度不再为1 ，而是根据 保护、断路器动作行为的统计数据和输电网络当前的情况赋予它们不同的可信 度。另外一种结合方式认为输入信息仍然是确定的，但是故障与动作的保护装置 之间，动作的保护装置与所控制的断路器之间的关联关系是不确定的，用一个介 于0 一l 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， 从而将可能的故障点与动作的保护装置之间，动作的保护装置与所控制的断路器 之间关联关系的模糊度合成就能得到该位置故障的可能性量度。 4 贵州大学硕士论文基于p e t r i 网的变电站故障诊断的研究 由于模糊理论与专家系统十分相似，所以存在着许多与专家系统类似的问题： 模糊系统在推理时要搜索知识库的规则，当系统比较大时诊断速度较慢，模糊自 学能力差，模糊建模困难，维护困难。总之，模糊系统不能完全消除于专家系统 类似的缺点。 1 2 3 人工神经网络 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 ，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m c c u ll o c h 和p i t t s 第 一次提出模拟神经元以来，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藏处理问题的知识，具有自我学习能力和容错能力比较 强的特点。 文献 3 0 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 3 7 则使用局部逼近的径向基函数神经网络实现故障定位。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、输出向量激活与否。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 4 1 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 1 0 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。通过文献 1 0 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。 神经网络在故障诊断应用中存在的问题如下： 1 神经网络在使用前需要大量的、有代表性的训练样本，且学习算法速度比较 5 贵州大学硕士论文基于p e t r i 网的变电站故障诊断的研究 慢，训练时间长，不易收敛或收敛于局部极小点。 2 神经网络的输入、输出都是经过量化的数值，这使得输出缺乏解释能力。 3 神经网络的工作过程是一个黑箱，当装置不正常动作的时候，不能向运行 人员提供信息，帮助运行人员推断出不正常动作的装置。 4 神经网络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神经网络故障诊断模型的建模困难。 1 2 4 优化技术 基于优化技术方法的故障诊断方法的基本思想是首先将电力系统故障诊断 描述为优化问题，建立电力系统故障诊断的解析模型，最终都归结为无约束0 - 1 整数规划问题。现在研究得比较多的是遗传算法、t a b u 搜索方法、模拟退火方 法。 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ) 是基于“适者生存 的一种高度并行、随机 和自适应的优化算法，它将问题的求解表示成“染色体的适者生存的过程，通 过“染色体 群的一代不断进化，包括复制、交叉和变异等操作，最终收敛到“最 适应环境 的个体，从而求得问题的最优解或满意解。遗传算法是一类随机优化 算法，但它不是简单的随机比较搜索，而是通过对染色体的评价和对染色体中基 因的作用，有效地利用已有信息来指导搜索有希望改善优化质量的状态。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，尤其是在复杂故障或存在保 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。但是如何建立合理的电网故障诊断数学模型是使用遗传算法的主要“瓶颈。 t a b u 搜索方法【2 8 】是对局部邻域搜索的一种扩展，是一种全局逐步寻优算法， t a b u 搜索方法通过引入一个灵活的存储结构和相应的禁忌准则来避免迂回搜索， 并通过藐视准则来赦免一些被禁忌的优良状态，进而保证多样化的有效探索以最 终实现全局优化。 模拟退火算法( s i m u l a t e da n n e a l i n g ，简称s a ) 是基于m e n t ec a r l o 迭代 求解策略的一种随机优化算法，其出发点是基于物理中固体物质的退火过程与一 般组合优化问题的相似性，s a 在某一初温下，伴随参数的不断下降，结合概率 6 贵州大学硕士论文基于p e t r i 网的变电站故障诊断的研究 突跳特性在解空间中随机寻找目标函数的全局最优解，即在局部最优解能概率性 地跳出并最终趋于全局最优。 优化技术应用于电力系统故障诊断具有一定的优势，但也存在需要改进的瓶 颈问题： 1 如何建立合理的电网故障诊断数学模型，在形成目标函数的过程中，需要 考虑多级后备保护时比较困难。 2 由于优化方法在寻优过程中存在随机因素，有可能会失去某些最优解。 3 由于在诊断过程中必须进行迭代，从而导致速度较慢，提高诊断速度也是 一个主要的研究方向。 以上各种人工智能技术，是从不同的途径去解决故障诊断问题的，而且有的 已经在实际电力系统中应用。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，需要反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 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 1 3 , 5 , 2 l , 1 8 , 8 它以描述系统中各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。值得注意的是，p e t r i 网的网络结构 以及跃迁的激活和执行不仅可以用图形直观的表示出来，而且可以用矩阵运算来 描述，这一特点使得它可以对同时发生、次序发生、循环发生的各种活动过程进 行定性和定量的分析，为此采用具有图形功能的p e t r i 网作为建模工具能很好的 描述变电站的结构及其动态行为，这种方法简单，求解速度快，从而为实现快速、 实时、在线诊断提供了一条途径，因而利用p e t r i 网模型诊断变电站的故障情况 能够取得满意的效果。 3 本文的主要工作 通过阅读大量文献并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点，在此基础上对变电站故障诊断进行 了新的探索，提出了基于p e t r i 网的变电站故障诊断 2 3 , 1 8 的方法，p e t r i 网是用 图形表示的组合模型，具有直观、易懂和易用的优点。p e t r i 网模型进行故障诊 7 贵州大学硕士论文 基于p e t r i 网的变电站故障诊断的研究 断是数学的求解法，其快速性、准确性对实时故障诊断是重要的。在国内，对于 利用p e t r i 网络【2 4 】进行变电站故障诊断的研究刚刚起步，没有形成成熟的理论体 系和有效的技术实现途径，本文的工作正是针对利用p e t r i 网进行变电站故障诊 断而展开的，变电站是电力系统的主要构成部分，也是故障易发地，如何准确、 快速地定位变电站故障区域，识别故障元件，为后续的故障的正确处理赢得时间 并提供了依据，因此研究快速、准确的变电站故障诊断系统具有重要的意义。 本文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 针对p e t r i 网基本理论及p e t r i 网模型的特点，本文分析了p e t r i 网理 论应用于变电站故障诊断的可行性和优点，确立了基于p e t r i 网的变电站故障诊 断的方法。 ( 2 ) 为了基于p e t r i 网变电站故障诊断的进一步的研究，本文详细分析了变 电站元件发生故障时保护和断路器的动态行为特征，为利用p e t r i 网进行故障诊 断提供了坚实的理论基础。 ( 3 ) 本文用基于p e t r i 网的方法进行变电站故障诊断，首先分别建立了变电 站元件( 变压器、母线、线路) 的故障诊断p e t r i 网模型，然后根据变电站网络拓 扑关系，建立整个变电站的故障诊断p e t r i 网模型。在此基础上得到了一种基于 p e t r i 网的变电站故障诊断的方法。利用p e t r i 网的状态方程m - m 。+ c u 来描 述变电站故障诊断p e t r i 网模型动态行为过程，反映系统的状态变化。只需获得 变电站故障诊断p e t r i 网模型库所的初始标识与故障诊断p e t r i 网模型的关联矩 阵c ，经过简单的矩阵运算m m 。+ c u 即可得到库所的最终标识。利用点火完 毕后的p e t r i 网稳态模型就可以直接完成变电站故障元件的判定及保护和断路 器的动作评价，该方法故障诊断过程简单，在故障诊断中仅用到简单的矩阵计算， 而不需要在庞大的解空间中寻找最优解，使得故障诊断推理速度高，实时性好。 ( 4 ) 通过一个变电站网络，对所提出的基于p e t r i 网的变电站故障诊断方法 进行了详尽的故障建模。 ( 5 ) 根据变电站故障诊断p e t r i 网模型，详细分析了它的推理过程，并通过 理论分析和仿真算例验证了该方法的有效性。 8 贵州大学硕士论文 基于p c t r i 网的变电站故障诊断的研究 第2 章变电站故障诊断信息来源及其常见故障 2 1变电站故障诊断信息来源 2 1 1s c a d a 系统的原理、结构 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统，即数据采集与 监视控制系统，它是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统；它可以 对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调 节以及各类信号报警等各项功能。s c a d a 系统应用非常广泛，在电力系统中，其 应用最为成熟。它作为能量管理系统( e m s 系统) 的一个最主要的子系统，有着信 息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态的优势，现已经成为电力调度不可缺 少的工具。s c a d a 系统 7 , 1 5 1 7 , 2 0 , 2 7 】的结构由三部分组成：主站端( m s ) 、通道及远动终 端( r t u ) 。s c a d a 系统结构如图2 1 所示。 图2 - 1s c a d a 系统结构图 2 远动终端( r t u ) 通常能完成的功能 ( 1 ) 遥测( y c ) 将电厂、变电所的电量，如电压、电流、功率等实时信息经过采 样后，运用通信技术送到调度中心端储存并显示； ( 2 ) 遥信( y x ) 将电厂、变电所的设备状态信号，如开关的分合及继电保护信号 采集后，运用通信技术送到调度中心端储存并显示； 9 贵州大学硕士论文 基于p e t r i 网的变电站故障诊断的研究 ( 3 ) 遥控( y k ) 调度中心端运用通信技术，对电厂、变电所的设备发送开停或分 合命令，对应厂站接受命令后执行。 远动终端r t u 的结构 本地站 远程站 图2 2 远程终端r t u 结构图 3 远动终端工作原理 每个远动终端由一个通讯模块和多个采样模块组成。通讯模块和采样模块用 总线连接起来。采样模块可根据具体要求配置，以采集不同的电量。 采样模块的工作原理如下： ( 1 ) y c 量的采集把二次回路的电压、电流接入采样模块变送器，通过多路开 关逐次送入a d 转换器，转变成数字量。再根据交流采样的原理计算出有功功率p 、 无功功率q 、功率因数c o s o ，频率f 等电量，通过总线送入通讯模块。 ( 2 ) y x 量的采集把断路器辅助节点或中间继电器节点与采样模块输入输出 回路( i o ) 接口相连，通过( i o ) 口进入采样模块总线，再经过总线接口送到通讯 模块。 ( 3 ) y k 的输出回路。由主站端( m s ) 发送的y k 命令经过验证后，经过通道到达 通讯模块，通讯模块通过总线将y k 命令送到采样模块的输出接口电路，i o 接口 电路驱动中间继电器以驱动开关分合闸。 通信模块的工作原理如下： 通过总线收集多个采样模块的采样值。将采样值作抗干扰编码后，驱动接口 1 0 贵州大学硕士论文基- t - p e t r i 网的变电站故障诊断的研究 送往当地主站，或通过m o d e m 口送往远方主站。其另一个重要功能为接收主站发 来的y k 命令，并通过总线送往采样模块以完成设备的驱动。 4 主站端( m s ) 工作原理 主站端将各r t u 送来的采样值送往计算机系统，用于显示各种图形，制作各种 报表、曲线。此外，数据还储存在计算机内供运行分析使用。 r t u 送来的信息通过解调器进入主站端的前置机，前置机对送来的抗干扰编 码进行检查，确认信号未被干扰破坏后，一方面送到服务器中储存起来，另一方 面则送到各个工作站端显示。同时，数据亦通过m o d e m 送往远程工作站显示。调 度工作站则把信号转换成一定格式，通过串口驱动模拟屏，这样r t u 采样的信号 亦可在模拟屏上显示出来。 5 通道 通道包括导线和信号的传输设备如调制解调器。它的种类也多：电力线高频 载波、微波、电话线、光缆等。 2 i 2s c 仰a 系统的应用 s c a d a 系统是人与设备的桥梁，通过s c a d a ，用户可以了解和控制现场设备， s c a d a 系统的作用表现在以下几个方面： ( 1 ) 变电站有许多运行信息需要测量，这些信息包括线路的电压、电流、开 关的分闸与合闸等。要想变电站正常运转，就必须实时的对这些量进行采集、分 析和处理，同时为工作人员观测到这些数据提供窗口。监控系统提供了这些功能。 ( 2 ) 工作人员可以通过监控系统向现场的测控设备下达控制命令( 包括开关 的分闸、合闸等) ，从而实现通过计算机对变电站的运行进行有效控制；同时， 监控系统还起到了对远程设备进行参数调节、修改以及向上级电力调度系统发送 数据、向中心监控系统上传电力系统的数据等作用。 ( 3 ) 变电站在运行的过程中不可避免的要出现各种异常情况，比如线路短路、 过载、过电压等。另外，变电站的一些运行状态也会不断的变化。这些异常与状 态的变化都需要进行及时的响应，因为它们可能会影响电力系统的稳定，甚至还 会引起重大的事故，造成经济损失和人员伤亡。监控系统提供了事件与报警系统， 使得电力系统运行的各种异常状态以及各种情况的变化都能迅速得到响应，从而 贵州大学硕士论文 基于p e t r i 网的变电站故障诊断的研究 为电力系统的安全提供了保证。 2 2 变电站常见故障 2 。2 。l 母线 变电站的母线是电力系统中重要的组成元件之一，是系统中汇集电能、分配 电能的枢纽点。当母线上发生故障时，将使与母线连接的所有元件短时或长期停 电，特别是当枢纽变电站的母线上发生故障时，还可能引起系统稳定性的破坏， 造成严重的后果。 运行经验表明：大多数母线故障是单相接地，而两相相间短路和三相短路故 障所占的比例很小。母线发生故障主要原因是： 1 ) 由于空气污秽，导致断路器套管及母线绝缘子的闪络。 2 ) 母线电压和电流互感器的故障。 3 ) 运行人员的误操作，如带负荷拉隔离开关、带接地线合断路器。 母线保护配置： 1 ) 单母线保护：母线完全电流差动保护、母线不完全电流差动保护、电流比 相式母线保护。 2 ) 双母线保护：双母线固定连接运行的母线完全差动保护、母联电流相位比 较式母线差动保护。 3 ) 3 2 断路器母线保护：母线完全电流差动保护、带比率制动的母线电流差 动保护。 2 2 2 变压器 变压器在电力系统中的地位非常重要，它的故障对供电可靠性和系统的正常 运行带来严重后果。由于绝大部分安装在户外，受自然条件的影响较大，同时受 到连接负荷的影响和电力系统短路故障的威胁，变压器在运行中有可能出现各种 类型的故障和不正常运行状态。因此，必须根据变压器容量和重要程度装设性能 良好、动作可靠的保护。 1 ) 变压器内部故障：变压器油箱内绕组之间发生相间短路、一相绕组中发 1 2 贵州大学硕士论文基于p e t r i 网的变电站故障诊断的研究 生的匝间短路、绕组与铁芯或引出线与外壳发生的单相接地短路。 2 ) 变压器外部故障：油箱外部引出线之间发生的各种相间短路、引出线因 绝缘套管闪络或破碎通过油箱外壳发生的单相接地短路。 变压器保护配置： 1 ) 瓦斯保护 2 ) 纵联差动保护 3 ) 过电流保护：过电流保护、复合电压起动的过电流保护、负序电流、单 相式低电压起动的过流保护、阻抗保护 4 ) 零序电流保护 5 ) 过励磁保护 2 2 3 输电线路 输电线路是电力系统的动脉，其运行状态直接决定电力系统的安全和效益。 根据故障情况，线路故障一般分以下几种： 1 ) 断路故障：是指线路的某一个回路非正常断开，使电流不能正常的在回 路中流通的故障。 2 ) 短路故障：指的是线路中不同电位的两点被导体短接起来，造成线路不 ，能正常工作的故障。 3 ) 接地故障：是指线路中某点非正常接地所形成的故障。接地故障有单相接 地、两相接地和三相接地故障。 线路保护配置： 1 ) 相间短路电流保护：电流速断保护、过电流保护。 2 ) 接地保护：零序电流速断保护、零序过电流保护。 3 ) 距离保护：距离保护i 段、距离保护i i 段、距离保护段 4 ) 差动保护：纵联差动保护、光纤纵联差动保护、高频保护。 2 3 本章小结 1 考虑到s c a d a 系统的覆盖范围达到地区电网的全部，同时它是电力系统 运行中十分成熟的技术。现阶段的电网故障诊断的数据基础仍然是s c a d a 遥信 1 3 贵州大学硕士论文基于p c t r i 网的变电站故障诊断的研究 数据。因此本文变电站故障诊断系统的故障信息均由s c a d a 系统得来，所以本 文介绍了s c a d a 系统的相关内容，s c a d a 系统的基本功能主要包括两个方面： 二方面是及时、准确的获取现场数据；另一方面是实现对有关数据信息的有效监 视和处理。 2 对变电站元件( 变压器、母线、输电线路) 的常见故障及保护配置进行了论 述。 1 4 贵州大学硕士论文基于p c t r i 网的变电站故障诊断的研究 第3 章p e t r i 网络基本理论 3 1p e t r i 网的简介 p e t r i 网【2 5 j 是在1 9 6 2 年由德国的c a r la d a mp 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，主要用于刻画通信机制，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 i 网是一 种通用的数学模型，它以描述系统中各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1 2 6 j 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。根据研究的问题不同，使用p e t r i 网的类型也有所不同。 3 2p e t r i 网的应用 p e t r i 网目前在许多领域得以应用，其性能经过证实与图灵机等价。下面简 要介绍一下其目前的主要应用。 1 通讯协议的验证。通讯协议的验证是p e t r i 网应用最成功的领域之一，最 初应用在7 0 年代初期，由于p e t r i 网以形式语言为基础，可形式化的对通讯协议 进行正确的验证。 2 计算机通讯网络性能评价及多媒体应用。随着计算机网络技术和信息技术 的发展，进入8 0 年代以后，p e t r i 网在计算机网络性能评价和多媒体技术领域内 得到越来越多的应用，对网络进行性能分析的需要，不仅出现于企业内部生产控 1 5 贵州大学硕士论文基于p e t d 网的变电站故障诊断的研究 制的局域总线网，而且出现于光纤局域网或a t m 网。 3 软件工程。由于产品开发中的竞争和革新需要，导致产品开发者面临着巨 大的压力，在软件工程中p e t r i 网主要应用于软件系统的建模和分析，比较成熟 的是有色p e t r i 网，可以用于大型软件系统的设计、说明、仿真、确认和实现。 在软件开发生命周期的各个阶段，p e t r i 网都可以得到很好的应用。 4 知识处理。p e t r i 网可用于a i 中的知识表达和推理的形式化模型的建立， 可以表达各个活动之间的各种关系，如顺序关系，与关系，或关系等，并可在模型 基础上通过己知的初始状态和初始条件进行逻辑推理。 5 f m s 模型的建立，分析和控制。柔性制造系统( f m s ) 对于现代制造业具有重 要作用，p e t r i 网由于其自身的优点，在制造系统中应用广泛，如带缓冲的简单 生产线，机床加工中心、自动生产线、柔性制造系统和加工系统。 6 系统的可靠性分析。系统的可靠性不仅包含硬件的可靠性，也包括软件的 可靠性，利用p e t r i 网对系统进行可靠性的分析，对软件进行可靠性分析。 7 多a g e n t 冲突检测。利用p e t r i 网技术来解决多专家( a g e n t ) 的知识和决策 间的冲突检测是一个有效的方法。若使用p e t r i 网对多专家知识库进行建模与表 达的话，通常任意一个专家的知识库可以认为是一个由产生式规则组成的知识 簇，多个专家的推理行为之间存在很大程度的冲突与矛盾，对这种设计模型的分 析是必要的，尤其是应证明在运行时刻可能造成的冲突的不一致性，因此可以将 p e t r i 网的模型用以分析和检测多专家知识的冲突问题。 3 3p e t r i 网的基本概念 p e t r i 网络是一个加权有向网络，其中节点可以被分为两个非空有限集合， 分别为库所( p l a c e ) 和变迁( t r a n s i t i o n ) 。这些节点之间用加权有向弧连接起来。 网络结构是静态的，网络的动态性质是由库所中托肯( t o k e n ) 的数目及其变迁体 现出来的。如果一个变迁的条件能够满足，那么该变迁将被激活，使得托肯按照 加权弧的约束由输入库所转移到输出库所，这称为p e t r i 网完成了一次状态变化。 当网络中没有变迁可以激活时，它进入了最终的稳定状态。值得注意的是，p e t r i 网络的结构以及变迁的激活和执行不仅可以用图形直观的表示出来，而且可以用 矩阵运算来描述，这一特点使得它可以对同时发生、次序发生或循环发生的各种 1 6 贵州大学硕士论文基于p e t r i 网的变电站故障诊断的研究 活动进行定性和定量的分析，所以p e t r i 网络是研究和模拟系统同时发生、次序 发生或循环发生的各种活动的理想工具。 p e t r i 网是由库所( 用圆圈表示) 、变迁( 用竖线表示) 、连接库所和变迁的有 向弧及初始标识构成的。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。 定义l 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 n r 一，p u t 妒。i ( 2 ) f ( p r ) u ( r 尸) ： ( 3 ) d o m ( f ) u c o d ( f ) 一p u t ，其中 d o m ( f ) = 仁i 砂：o ，y ) e f ) c d d 俨) 一 ) ，i 玉：o ，y ) f 】 其中p 叫做的库所集，z 叫做变迁集，f 为流关系，x 。p u t 叫做的 元素集，p 的元素叫库所，z 中的元素叫变迁，妒表示空集合，是两集合的笛 卡儿乘积运算，f 为库所节点与变迁节点之间的有向弧集合，d o r a ( f ) 是f 所含 有序偶的第一个元素组成的集合，c o d ( f ) 是第二个元素的集合。 网的图形表示是指将库所节点、