基于Petri网的电网故障诊断方法研究

摘 要：提出基于Petri网理论的地区电网故障分层诊断方法。根据变迁的发生及库所中托肯的转移得到稳态Petri网模型，最终确定故障元件。该方法采用图形化和解析式对电网故障诊断过程进行描述，实现具有信息预处理及启动检测、故障的检测、网络结构的更新、故障诊断、设备动作行为评价、人机交互等功能。并在局部电网中进行了诊断与分析验证。

关键词：电网故障; 分层诊断; Petri网; 图形化; 解析式

中图分类号：TN711.1-34; TM711 文献标识码：A文章编号：1004-373X(2011)21-0144-05

Research on Fault Diagnosis System of Power Grid Based on Petri Net

WU Jin-fu1, RU Yuan2, MENG Zhen1, LI Shu-guang1, RU Feng1, JU Yong-feng1

(1.School of Electronic and Control Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, China;

2.School of Computer Science and Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710032, China)

Abstract：

The stratified structure diagnostic method based on Petri net is proposed. The stable state Petri net model was established based on the variation of trigger firings and the shift of Tokens in the places, and the fault parts were determined. The method adopted graphical approach and analytic formula to describe the process of power grid fault diagnostic and difference between the simple and the complex fault Petri net models. The fault diagnostic system has features of information pretreatment and start examination, fault examination, grid architecture renewal, fault diagnosis, performance evaluation of the equipment and man-machine interactive.

Keywords： power grid fault; stratified structure diagnosis; Petri net; graphical approach; analytic formula

收稿日期：2011-06-01

基金项目：国家自然科学基金项目(60804049)

0 引 言

目前我国电力系统高速发展，已经进入以高电压、大机组、跨区域、交直流混合为特点的大电网时代。为减少事故的发生，防止系统稳定性遭破坏，不仅要加强电源和电网的一次系统建设，还要发展监控系统以提高电网事故的应对处理能力。其中故障诊断及故障恢复等在线分析和预防控制技术是预防电力系统由偶然故障演化为大面积停电事故的有力支持，对减少故障影响，保证电力系统安全稳定运行，创造良好的生产经营环境具有重大意义。

随着计算机技术、新数学工具的不断发展，新的思路被提出应用在故障诊断领域，可以解决传统故障诊断方法在实用化及有效性方面存在的一些问题。本文将Petri网理论应用到地区电网故障诊断系统中，可以提高系统故障诊断速度，为进一步实用化打下基础。

1 电网故障诊断的Petri网简单模型

图1模拟的是故障的传播过程，这是利用Petri网进行故障诊断的最基本的情况。首先定义两类故障:简单故障和复杂故障。简单故障指电网故障均由主保护设备正确动作切除，不存在保护和断路器的拒动和误动；复杂故障则是指在故障的同时还伴随有保护装置的不正确动作。

本文称图1模型中包含三类库所节点：第一类库所P1表示故障元件，可以是线路、母线、变压器或发电机；第二类库所P2表示故障元件的主保护继电器R；第三类库所P3表示继电器R相对应的断路器CB。

图1 简单Petri网N的故障诊断模型

故障诊断的大致过程是：初始状态时，由收到的报警信息标记开关类库所，即P3中标记托肯，故障诊断过程中，通过t2的发生进而t1发生，托肯最终被移到P1中，从而诊断出线路故障。

Petri网故障诊断的简单模型是指Petri网模型中仅涉及与故障元件相关的主保护设备，不考虑后备保护装置的影响。

图2(a)是一条两侧均装有保护设备的线路L，假设线路L发生了故障。图2(b)是该线路L的Petri网模型。其中P库所是为了考虑问题方便而设的虚拟库所，无实际的物理意义,该模型是模拟故障清除的正向过程，称为正向Petri网模型。当该模型用于故障诊断时，由于是在故障发生后由开关及保护的状态来判断故障元件，因此过程正相反，即需将有向弧箭头反向，称为反向Petri网模型(如图2(c)所示)。

对于图2(a)所示的故障情况，其诊断过程是：初始状态时，CB1，CB2中标记了托肯，故障诊断过程中，通过t1，t2的发生进而tn发生，托肯被移至L中，最终诊断出线路L故障。

图2 线路L和故障模型

简单Petri网模型具有模型结构简单易建，相应的关联矩阵规模小，运算简便等特点。但是该模型未将后备保护模拟于元件的Petri网诊断模型中，当系统出现复杂的故障情形时，仅由主保护和开关的动作情况判定故障地点较为困难，容易得出错误的诊断结果，因此需要考虑涉及元件后备开关的复杂诊断Petri网模型。

2 考虑后备保护的Petri网故障诊断模型

根据保护动作原理，当系统中某一元件发生故障时，主保护和后备保护均感受到了故障电流，由于主保护是瞬时动作，而后备保护需要一个延时才可能动作。当主保护拒动时，经延时后故障电流仍然存在，则后备保护动作切除故障。考虑实际故障清除过程，可以建立涉及后备保护的Petri网故障诊断模型。图3即为考虑了后备保护的Petri网模型，其中Rl，CB1库所表示元件P1的主保护装置，R2，R3及CB2，CB3为元件P1的后备保护设备。

该模型是一个时延Petri网，变迁节点t2和t3是延时发生的。其模拟故障清除的过程如下：

(1) 当元件P1故障时，Petri网模型的库所P1中布入托肯；

(2) 变迁tn发生，托肯被转移至保护库所R1，R2，R3中，表明保护R1，R2，R3均感受到了故障电流；

图3 涉及后备保护的Petri网模型

(3) П淝t1，t2和t3均满足发生条件，但由于t2和t3是延时触发的，因此只有t1发生；

(4) t1发生使得其输入库所中的托肯转移至断路器库所CB1中，表明主保护装置动作将故障切除。

(5) 如果主保护R1拒动，则t1不发生，经一定延时后，变迁t2，t3发生，Ы其输入库所中的托肯转移至输出库所CB2,CB3中，表明是后备保护动作将故障切除。

将图6中模拟故障的Petri网模型的矢量弧反向，然后去掉变迁t1与其输入库所R2，R3之间的矢量弧，即得到涉及后备保护的Petri网故障诊断模型。

假设元件的主保护系统有两个开关，每个开关均有两个后备开关。其考虑了后备保护的Petri网模型如图4所示。它是一个基本模型，如果元件主开关(主保护设备对应的开关)和后备开关的数目有所不同，只需增减相应的库所集。开关保护组CB1,R1和CB4，R4为主保护系统，CB2,CB3为CB1的后备开关，CB5,CB6为CB4的后备开关。

图4 基于Petri网的复杂故障诊断的模型

3 诊断及推理规则

这里进行了大量的仿真实验的基础上，总结了诊断规则如下：

(1) 节点i是故障节点的必要条件：节点i的Petri网模型中所有可能触发的变迁均发生达到稳态后，主保护库所中不存在托肯。

(2) 如果不满足上述必要条件，则直接判定节点没有故障；当满足节点故障的必要条件时，说明节点可能故障，进入以下3条规则的判断。

规则1：当节点i的主保护系统开关(主开关)全部正确动作时，如果节点i的后备开关组中，至少有1个主开关的后备开关组(对应于1个主开关的所有后备开关称为1组)是正确未动的，则判定节点i故障；

规则2：当节点i的主保护系统的开关存在拒动时，如果此时所有拒动的主开关的后备开关组均正确动作，则判定节点i故障；

规则3：如果节点i对于规则1，2均不满足，则判定节点i没有故障。

在图4给出的例子中，首先根据得到的稳态Petri网的标识M1向量中各库所的最终状态(0或1)，应用标准模板可以得出CB2，CB3拒动。进而结合以上提出的故障节点判定规则，可以诊断出故障节点：线路L1满足节点故障的必要条件，即节点L1的Petri网模型中所有满足条件的变迁均发生后，主保护库所R2，R3中没有托肯。然后根据规则2，线路L1存在拒动的主开关CB2，CB3，且CB2，CB3的后备开关组CB1与CB4，CB5均正确动作，因此可以判定线路L1故障。

4 模型应用与分析

下面以镇江电网某局部网络图(如图5所示)为例，具体阐述Petri网模型的建立及其推理过程。这是┮桓霭含7条母线、8条连接线路、16组开关保护设备的局部电力系统网络。

图5 镇江电网某局部输电网络图

首先根据网络图建立元件与保护设备连接关系的属性表,如表1所示。

假设故障情况为：线路L1，L2同时发生故障，保护R1,R3,R4,R8动作，跳开断路器CB1,CB3,CB4,CB8。下面用Petri网建立诊断模型进行分析：

(1) 元件L1，L2的Petri网故障诊断模型见图6，图7。

下面详细分析模型结构较复杂的L2的故障诊断过程。

根据收到的报警信息，按照初始托肯布入规则可以得到L2的初始Petri网如图8所示。

图8 L2的Petri网故障诊断模型的初始状态

从上述可得该网络模型的初始标识向量M0(见┦(3))。

根据2.3节所述变迁触发规则可知，此时变迁t1,t2满足触发条件而发生，将其输入库所中的托肯转移至输出库所R1,R2中，进而变迁T满足条件发生，最终托肯转移至L2中。

诊断结果显示，在元件L2的稳态Petri网模型中，其元件类库所L2中存在一个托肯，根据判定规则，可以判定线路L2发生故障。L1的故障诊断过程同理，可以得到元件L1的稳态Petri网模型，其稳态Petri网模型的L1库所中存在托肯，可以判定线路L1故障。

故障诊断结论：线路L1，L2故障，保护设备均正确动作。

5 结 论

本文所提出的基于Petri网的电网故障诊断模型及其故障推理规则已编程实现，形成了完整的故障诊断系统，可以实现电力系统输电网络的故障诊断。

利用Petri网对电网故障进行建模既方便又有效，由于矩阵计算速度快，可以很好地解决诊断的速度和效率问题，并且以图形方式显示事件之间的关系直观、明了。除了表达故障传播过程，上述模型还可以将报警信息体现出来，以助于操作人员了解系统工作状态并进行报警识别和故障诊断。

参考文献

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作者简介：

吴劲夫 男，1968年出生，湖北人，工程师。主要研究方向为建筑智能电器与交通信息技术。

茹 媛 女，1973年出生，陕西人，讲师。主要研究方向为计算机与智能控制。

孟 珍 女，1983年出生，山东人，硕士，工程师。主要研究方向为自动化与交通信息技术。

李曙光 男，1975年出生，安徽人，博士，副教授。长期从事智能交通信息技术研究。

茹 锋 男，1969年出生，陕西人，博士，教授。长期从事自动化与交通信息技术研究。

巨永锋 男，1962年出生，陕西人，教授，博士生导师。长期从事自动化与交通信息技术研究。