一种基于Petri 网技术的牵引供电系统故障诊断方法
摘 要 介绍一种基于Petri 网的牵引供电系统故障诊断方法,可用于检测节点是否发生故障和判断信号是否准确。给出了应用实例。与传统方法相比,该方法提高了效率和准确性,更适合于在线检测。
关键词 牵引变电所, Petri 网, 故障诊断
城市轨道交通采用直流供电制式,供电电压在550～1 500 V 之间,对于直接从系统高压电网获得电力的城市轨道交通供电系统,往往需要再设置一级主降压变电站,将输电电压如110～220 kV 降低到10 ～ 35 kV 以适应直流牵引变电所的需要[ 1 ] 。Petri 的博士论文中提出的,它实际上是一个有向图。其基本原理是通过三个基本的结构元素:位置(place) 、变迁(transtion) 和弧(arc) ,来描述一个系统之间各元素的有机关系。Petri 网最初用于计算机的并行处理。随着Petri 网研究的不断深入,它已成为研究离散事件动态系统的一种有力工具。两个成功的应用领域是性能评价和通信协议,其他有前途的应用领域包括分布式数据库系统、故障诊断等。
一个Petri 网中位置集用于描述可能的系统局部状态,变迁用于描述修改系统状态的事件,弧是局部状态和事件之间的关系。在Petri 网模型中,标记(token) 包含在位置中,他们在位置中的状态变化表示系统的不同状态。如果一个位置描述一个条件, 它能包含一个标记或不包含标记。当一个标记表现在这个位置中,条件为真,否则为假。如果一个变迁的所有输入位置(这些位置连接到这个变迁,弧的方向从位置到变迁) 至少包含一个标记,那么这个变迁可能实施(相联系的事件可能发生) 。
定义1[ 3 ] :
一个三元组N = (S, T; F)是一个Petri 网,当且仅当:
(1) S ∪T= <(网非空),
(2) S ∩T= <(二元性),
(3) FΑ (S ×T) ∪(T ×S) ( 流关系仅存在S 与T元素之间),
(4) dom ( F) ∪cod ( F) = S ∪ T(没有孤立元素) 。在图形上,S 元素用一个圆圈来表示, T 元素用一段竖黑线来表示,S 与T之间的流关系F用带箭头的弧表示。
定义2 : 对于任何给定的Petri 网,它的拓扑结构可用一个矩阵来表示。这个矩阵被称为关联矩阵,它有s 行,t 列,定义为: 直流牵引变电所将三相高压交流电变成适合轨道交通车辆应用的低压直流电,是动车正常运行的重要保证。但是由于牵引供电系统的复杂性,大量的故障信息需要处理,人力难以克服,基于人工智能和模式识别的计算机辅助诊断需要惊人的计算量和启发性原则。本文提出从基于微机的继电保护系统获得信号,将Petri 网理论应用于牵引供电系统故障诊断,提高了故障诊断的准确性和效率。故障和故障诊断的定义参见文献[ 2 ] 。
1 Petri 网理论
Petri 网的概念最初是在1962 年Carl Adam -W(s,t) , iff (s,t) ∈ F C(s, t) = + W(s,t) , iff (t,s) ∈ F 0 , 其他情况其中W (s, t)是从s 到t 的弧的权值,称为弧权函数;(s,t) ∈F意味着存在一个从s 到t 的流关系。
2 应用实例
2. 1 实例模型
图1 为一个有断路器保护的节点模型[4 ] 。模型中:N1 代表网络节点,R1 代表继电器,CB1 代表断路器, tn 是继电器感测到故障电流的过程, tr1 是断路器CB1 排除故障的过程。标记(token) 在N1 处代表系统故障出现在节点N1 处;标记(token) 在R1 处代表继电器感测到故障电流, R1 随即触发CB1 ,即实施变迁tr1 。标记(token) 在CB1 处意味着故障清除。
图1 有断路器保护的节点模型
用Petri 网模型模拟牵引变电所主接线关键节点的拓扑结构,适合用于各种类型的变电所故障诊断(见图2) 。考虑母线N1 ,它处于断路器CB1 ,CB3 保护中,Dm 是一个虚拟位置,建立Petri 网模型如图3 。
图2 牵引变电所单母线分段接线
2. 2 故障诊断
故障诊断的过程是故障清除过程的逆过程,为此我们把弧的箭头指针反向就可以得到故障诊断的模型[4 ] ,见图4 。
2. 3 仿真过程
仿真过程就是说明怎么样把收到的信息映射到Petri 网模型中,并且分析在某个节点是否存在故障。假设从基于微机的继电保护系统获得收到以下的信息:CB1= 11 ,CB3 =11 , tr1= 0. 5 s , tr3= 0. 6 s , 在这里11 代表装置动作。
图3 网络节点N1 的Petri 网模型
图4 网络节点的网故障诊断模型
给出公式M1= M0+ CU[5 ],其中M1 为位置集最终标识, M0 为位置集初始标识(有标记置1), C为Petri 网关联矩阵。tr1 ,tr3 存在时间段,所以U = [1 1 1 ]T,第一个元素在任何情况都置为1[4 ] 。分析结果,可以看出,N1 位置中有标记(token) ,这意味N1 有故障; R1 ,R3 中有标记(token) 这意味继电器动作;如果节点中有标记且其关联的所有的继电器均动作,则可以得出此节点有故障的结论。
如果CB1 = 11 是唯一接收到的信息,则M1= [1 -1 0 1 0 0 ]T 。在此例中R1 ,R3 中没有标记(to2 ken) ,这意味继电器没有动作,这样即使节点N1 位置中有标记(token) 也不能说明N1 有故障,因为并不是从继电保护系统接收到的信号都是正确的。
3 结语
本文提出用Petri 网模型检测牵引供电网络故障位置,并同时检查并验证从基于微机的继电保护系统接收到的信号是否正确。整个过程只需要建立Petri 网模型和进行简单的矩阵运算就可以获得准确的结果,节省了故障诊断的时间,提高了效率,尤其适合实时在线诊断。Petri 网模型在电力系统故障诊断中有十分广阔的前景。
参考文献
1 郑瞳炽,张明锐. 城市轨道交通牵引供电系统. 北京:中国铁道出版社,2000. 50
2 郭其一,张伟. 供变电系统的故障检测与诊断技术. 上海市电机工程学会:上海市电工技术学会2001 年学术年会论文集(第五分册) ,2001. 90～93
3 林闯. 随机Petri 网和系统性能评价. 北京: 清华大学出版社, 2000. 6
4 Lo K L ,Ng H S , Trecat J . Power systems fault diagnosis using Petri nets. IEE Proc -Gener Transm Distrib ,1997 ,144(3):231～236
5 Lo K L ,Ng H S , Grant D M , Trecat J . Extended Petri net modles for fault diagnosis for substation automation. IEE Proc2Gener Transm Distrib ,1999 ,146(3) :229～234
