基于Petri網(wǎng)和雙層判據(jù)的配電網(wǎng)故障定位方法

高正中，　許煥奇，　雷倩，　李世光，　王慶禮

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院， 山東 青島　266590)

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基于Petri網(wǎng)和雙層判據(jù)的配電網(wǎng)故障定位方法

高正中，許煥奇，雷倩，李世光，王慶禮

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院， 山東 青島266590)

摘要：為了提高配電網(wǎng)故障定位系統(tǒng)的運算速度和容錯性能，提出了一種基于Petri網(wǎng)和雙層判據(jù)的配電網(wǎng)故障定位方法：依據(jù)電流判據(jù)和電壓判據(jù)進行故障診斷，并通過雙層判據(jù)和概率信息實現(xiàn)冗余信息糾錯。首先介紹了結(jié)合概率信息的Petri網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和定義；然后建立了故障定位的通用Petri網(wǎng)模型；最后對配電網(wǎng)2種標準接線方式的故障定位過程進行建模仿真，仿真結(jié)果驗證了本文方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)； 故障定位； Petri網(wǎng)； 雙層判據(jù)； 饋線終端

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160803.1003.010.html

0　引言

隨著智能配電網(wǎng)的發(fā)展，大量自動化終端設(shè)備如饋線終端(Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU)被應(yīng)用于配電網(wǎng)，以此為基礎(chǔ)的配電網(wǎng)故障定位方法也大量涌現(xiàn)。這些方法具有實現(xiàn)簡捷、原理簡單的優(yōu)點，主要分為直接法和間接法[1]。直接法又稱矩陣法[2-3]，具有診斷速度快的優(yōu)點，但對故障信息要求高，容錯性能差。間接法利用人工智能技術(shù)[4-8]來實現(xiàn)故障定位，主要包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粒子群法、遺傳算法、專家系統(tǒng)等。間接法相對于矩陣法容錯性大大提高，但面臨著模型構(gòu)建相對復(fù)雜、在線定位時間長的問題。因此，找到一種既具有人工智能算法的智能性和高容錯性優(yōu)點，又具有模型構(gòu)建簡單、診斷速度快等優(yōu)點的新方法是當前配電網(wǎng)故障定位研究的重點。

Petri網(wǎng)以其獨特的并行推理功能和快速求解特點得到了各領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注，對基于Petri網(wǎng)建模的電力系統(tǒng)故障定位方法的研究也有了一些成果[9-12]。參考文獻[9-10]基于輸電網(wǎng)保護和斷路器的動作信息建立了故障定位的Petri網(wǎng)模型，由于配電網(wǎng)的保護配置和斷路器設(shè)備安裝與輸電網(wǎng)差別很大，故該模型不適用于配電網(wǎng)。參考文獻[12]提出基于SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控)匯集的故障信息建立針對配電網(wǎng)故障定位的Petri網(wǎng)模型，填補了將Petri網(wǎng)用于配電系統(tǒng)故障定位的空白。但該方法首先需要利用故障后的電壓分布變化鎖定單一FTU(Feeder Terminal Unit,饋線終端單元)，再對鎖定的FTU建立Petri網(wǎng)并進行故障診斷，快速性較差，容錯性較低。

本文提出了一種基于Petri網(wǎng)、過流信息及故障后饋線電壓分布特征的配電網(wǎng)故障定位方法。該方法具有如下優(yōu)點：① 對2種故障特征信息進行分析，兩者互為糾錯判據(jù)，輔以概率信息，解決了由于信息畸變和丟失引起的誤判，具有較高的容錯性。② 根據(jù)各終端上傳的故障過流信息和故障后電壓幅值的分布特點建立2層配電網(wǎng)故障定位的判據(jù)，并統(tǒng)一到配電網(wǎng)故障定位Petri網(wǎng)模型中，提高了故障定位的快速性。③ 構(gòu)建配電網(wǎng)故障定位通用Petri網(wǎng)模型單元，滿足配電網(wǎng)運行模式多變、拓撲結(jié)構(gòu)變化頻繁的通用性要求，能對任意具有復(fù)雜拓撲結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)進行故障診斷。

1　Petri網(wǎng)

定義1四元組Σ=(P，T，F(xiàn),M)構(gòu)成一個標識網(wǎng)，其中N=(P，T，F(xiàn))表示一個基網(wǎng)，用來描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；映射M:P→{0，1，2，…}稱為網(wǎng)N的一個標識，用來描述系統(tǒng)的狀態(tài)；基網(wǎng)和標識組成了標識網(wǎng)。

標識網(wǎng)中P為有限非空庫所集合，P={p1，p2，…，pn}(n≥0)；T為有限非空變遷集合，T={t1，t2，…，tm}(m≥0)；F為流關(guān)系，F(xiàn)?(P×T)∪(T×P)，表示庫所到變遷和變遷到庫所的有向弧；對p∈P，若M(p)=k，則表示庫所p中有k個托肯。

定義2八元組Σ=(P，T，F(xiàn)，I，W，M，Pp，Pt)構(gòu)成帶抑止弧的具有概率信息測度的Petri網(wǎng)，其中：N=(P，T，F(xiàn))是基網(wǎng)；W為Σ上的權(quán)函數(shù)，W(x,y)表示弧(x,y)的權(quán)值，若弧(x,y)?F，定義W(x,y)=0，若沒有標明具體值，則W(x，y)=1；I?P×T,為抑止弧集，對t∈T，如果?p∈P:(p，t)∈I→M(p)=0，則t在標識M下有發(fā)生權(quán)；Pp和Pt分別為變遷發(fā)生概率和庫所狀態(tài)概率的集合，Pp=[p(p1)，p(p2)，…，p(pn)]，Pt=[p(t1)，p(t2)，…，p(tm)]。

變遷ti的發(fā)生概率與ti的前集(記為·t)中位置的狀態(tài)概率密切相關(guān)，在此定義變遷發(fā)生概率的計算公式為式(1)，位置pi的概率可用式(2)計算。

(1)

(2)

式中：x為ti前集中的位置元素個數(shù)；·p表示pj的前集。

定義3給定一個網(wǎng)∑和初始標識向量M0，稱t∈T在M0下使能，若滿足?p∈·t，且M(p)≥W(p,t)，則此變遷可以觸發(fā)，記M0[t>；變遷t發(fā)生后產(chǎn)生新的標識M1，記M0[t>M1，其中：

(3)

式中t·表示變遷發(fā)生后的后集。

圖1　簡單Petri網(wǎng)模型

2　配電網(wǎng)故障定位的Petri網(wǎng)模型

故障發(fā)生后，配電網(wǎng) SCADA系統(tǒng)要匯集各FTU節(jié)點所監(jiān)視饋線的電流越限報警信息、流過各節(jié)點的實際電流幅值和各節(jié)點實際電壓幅值。故配電網(wǎng)的故障定位數(shù)據(jù)庫是以FTU為目標構(gòu)造系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)關(guān)聯(lián)性的數(shù)據(jù)庫。

2.1配電網(wǎng)故障定位判據(jù)

判據(jù)1對于輻射狀網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和處于開環(huán)的環(huán)狀網(wǎng)，若線路某處發(fā)生故障，故障區(qū)段應(yīng)該是從電源側(cè)到負荷方向最后一個經(jīng)歷了故障電流和第1個沒有經(jīng)歷故障電流的終端之間[13]。

判據(jù)2故障發(fā)生后，電壓幅值從電源點到故障區(qū)段入端呈現(xiàn)漸降分布的特征[14]，故障區(qū)段入端及以后各節(jié)點的電壓近似相等。

2種判據(jù)互為補充。在電壓幅值信息丟失或電壓發(fā)生畸變時，不再為所有電壓判據(jù)(判據(jù)2)對應(yīng)的庫所分配托肯，電壓判據(jù)失效，但仍可通過電流判據(jù)(判據(jù)1)來進行故障定位；在電流越限信號畸變或丟失的情況下，可通過電壓判據(jù)準確定位故障區(qū)段。

2.2故障定位通用Petri網(wǎng)模型

根據(jù)配電網(wǎng)故障定位的電流判據(jù)和電壓判據(jù)，可對配電網(wǎng)各區(qū)段構(gòu)建基于Petri網(wǎng)的故障定位模型，每一區(qū)段的Petri網(wǎng)模型都是原理相同、結(jié)構(gòu)類似的，稱為配電網(wǎng)故障定位通用Petri網(wǎng)模型。對于任一結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分段眾多的配電網(wǎng)，其故障定位Petri網(wǎng)模型總可以通過每一區(qū)段的通用Petri網(wǎng)模型有機疊加得到。

某多饋線系統(tǒng)如圖2所示，對圖2中饋線n的區(qū)段i構(gòu)建通用Petri網(wǎng)模型，如圖3所示，模型中庫所序列{CBn，Ln，Ri，Si-1，Si，Sui，li}的物理含義見表1。

圖2　某多饋線系統(tǒng)

圖3　故障定位通用Petri網(wǎng)模型

考慮到故障后斷路器動作可靠性較高及上傳的數(shù)字量信息畸變率遠低于狀態(tài)量的實際情況，規(guī)定斷路器動作的可靠性概率為0.95，上傳的電壓幅值和電流越限信號的可靠性概率分別為0.95和0.9。

若區(qū)段i發(fā)生故障，利用圖3中通用Petri網(wǎng)模型進行故障定位的步驟：首先根據(jù)控制中心收到的報警信息確定托肯的初始分布，得到初始標識向量M0=[1，0，0，1，0，1，0]T；托肯初始分布完成后，滿足條件的變遷將被觸發(fā)點火，初始標識下變遷t0滿足點火條件，第1次點火完成后庫所CBn中托肯轉(zhuǎn)移到下一庫所Ln中，即M0[t>M1，M1=[0，1，0，1，0，1，0]T；此時變遷t1滿足點火條件，進行第2次點火，M1[t>M2，M2=[0，0，1，1，0，1，0]T，至此可推出饋線Ln內(nèi)發(fā)生了故障，為進一步確定具體故障區(qū)段做好了準備；在標識M2下，變遷t2和t3滿足點火條件，t2的點火條件的物理含義為區(qū)段i有故障電流流入且沒有故障電流流出，t3的點火條件的物理含義為滿足電壓判據(jù)，點火過程為M2[t>M3，M3=[0，0，0，0，0，0，1]T。至此網(wǎng)絡(luò)達到最終穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)Petri網(wǎng)的庫所li中存在托肯，故故障定位結(jié)果為饋線Ln的區(qū)段i發(fā)生故障。利用式(1)和式(2)計算診斷過程中各庫所和變遷的概率值，結(jié)果見表2。

表1　通用Petri網(wǎng)模型中庫所的物理含義

表2　庫所和變遷的概率值

分析表2可知，由電壓判據(jù)得出的診斷結(jié)果可靠性更高，因此，當由電流判據(jù)和電壓判據(jù)得出的定位結(jié)果不同時，優(yōu)先選取電壓判據(jù)的定位結(jié)果作為最終結(jié)果。同時,考慮到小概率事件也有可能發(fā)生，故電流判據(jù)的診斷結(jié)果留作備用。當電壓判據(jù)診斷錯誤時，選取電流判據(jù)的診斷結(jié)果作為最終結(jié)果。

3　不同拓撲結(jié)構(gòu)配電系統(tǒng)的算例仿真

3.1雙電源環(huán)網(wǎng)開環(huán)運行配電網(wǎng)

雙電源環(huán)網(wǎng)接線方式如圖4所示，其中CB1和CB2為電源斷路器；S1—S3，S4—S6為分段開關(guān)；SL為聯(lián)絡(luò)開關(guān)。以配電開關(guān)為界，圖4中的配電網(wǎng)絡(luò)被分成了6個不同區(qū)段，分別標記為l0—l5。在正常運行模式下(除聯(lián)絡(luò)開關(guān)SL斷開外，其他開關(guān)都閉合)，區(qū)段l2發(fā)生故障。

草莓應(yīng)適時采收，鮮食草莓在果實著色80%以上時采收；用于加工的草莓可適當提前，著色75%左右時便可采收，便于外運銷售加工。盛果期每天應(yīng)采摘1次，輕摘輕放，防止草莓破損，降低草莓商品性。

圖4　雙電源單環(huán)網(wǎng)接線方式

根據(jù)圖4中配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)，建立雙電源環(huán)網(wǎng)開環(huán)運行配電網(wǎng)故障定位Petri網(wǎng)模型，如圖5所示。將故障定位通用Petri網(wǎng)模型進行有機疊加，疊加時需要增加由表示下一區(qū)段故障的庫所指向電流越限信號定位上一相鄰區(qū)段故障的變遷的抑止弧，原因是含有托肯的庫所在托肯轉(zhuǎn)移后失去抑止作用，所加抑止弧是為了保持被抑止的變遷不發(fā)生。

圖5　雙電源單環(huán)網(wǎng)故障定位Petri網(wǎng)模型

區(qū)段l2發(fā)生故障后，由圖4可得，CB1，S1和S2都有故障電流流過，對應(yīng)FTU會上傳電流越限信號到SCADA；同時各終端將故障后的電壓幅值上傳，并得出故障后的電壓分布信息。SCADA匯集的故障信息見表3。故障信息正常情況下的故障定位：根據(jù)電流越限信號JCB1，JS1，JS2和電壓判據(jù)UCB1>US1>US2≈US3，可得初始標識向量為M0=[1，0，0，1，0，0，1，0，0，1，0，0，0，0]T。經(jīng)過一系列點火后，托肯將在對應(yīng)庫所中再次分配，最終達到?jīng)]有任何變遷能被觸發(fā)點火的穩(wěn)定狀態(tài)。本例中經(jīng)過3次點火得到最終標識向量M3=[0，0，1，1，0，1，0，0，0，0，0，0，0，1]T，利用式(1)和式(2)計算點火過程中各變遷和庫所狀態(tài)的概率值，可得故障定位結(jié)果為區(qū)段l2發(fā)生故障，根據(jù)電流判據(jù)得到的定位結(jié)果的可靠性為0.917，根據(jù)電壓判據(jù)得到的定位結(jié)果的可靠性為0.95。

配電網(wǎng)的節(jié)點多、分散性大、信息采集數(shù)量大，且終端多安裝于環(huán)境惡劣的室外，F(xiàn)TU在檢測和上傳信息的過程中容易發(fā)生信號畸變或丟失，因此，保證配電系統(tǒng)故障診斷算法具有高容錯性是非常必要的。從表3可見，區(qū)段l2故障后,S2對應(yīng)的FTU上傳的電流越限報警信息發(fā)生畸變，庫所序列{CB1，L1，R0，S1，Su0，R1，S2，Su1，S3，Su2，R2，l0，l1，l2}的初始托肯分布變?yōu)镸0=[1，0，0，1，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0]T。利用發(fā)生畸變后的故障信息進行故障診斷：M0[t>M1，M1=[0，1，0，1，0，0，0，0，0，1，0，0，0，0]T；M1[t>Μ2，M2=[0，0，1，1，0，1，0，0，0，1，1，0，0，0]T；M2[t>M3，M3=[0，0，1，1，0，0，0，0，0，0，0，0，1，1]T。

表3　區(qū)段l2故障時仿真模式的開關(guān)和報警信息

注：“#”表示信息丟失或發(fā)生畸變

最終的標識向量中庫所l1,l2中都存在托肯，現(xiàn)計算兩者對應(yīng)的概率值：

(4)

(5)

由計算結(jié)果可知，結(jié)果為l1故障的可靠性為0.925，結(jié)果為l2故障的可靠性為0.95。故在故障信息JS2發(fā)生畸變的情況下，故障定位結(jié)果為區(qū)段l2發(fā)生故障。

以上分析證明所建模型具有良好的容錯性，在電流越限信號丟失或發(fā)生畸變的情況下仍可通過電壓判據(jù)得出正確的故障定位結(jié)果。同理，當電壓判據(jù)丟失或發(fā)生畸變時，可通過電流判據(jù)進行故障定位。

3.2多電源和多聯(lián)絡(luò)輻射配電網(wǎng)

圖6　三電源環(huán)網(wǎng)開環(huán)運行配電網(wǎng)

為了說明本文提出的方法能很好地適應(yīng)配電網(wǎng)運行模式多變的特點，故障實例1和故障實例2將在2種不同運行模式下進行故障定位。

故障實例1：圖6中配電網(wǎng)處于正常運行模式(除聯(lián)絡(luò)開關(guān)SL1,SL2和SL3斷開外，其他開關(guān)都閉合)，l3處故障。構(gòu)建饋線L1的故障定位Petri網(wǎng)模型，如圖7所示。當區(qū)段l3發(fā)生故障時，終端CB1，S1，S2和S3上傳電流越限信號，同時各終端上傳對應(yīng)節(jié)點的電壓幅值，利用電流判據(jù)和電壓判據(jù)分配托肯得到初始標識向量，滿足點火條件的變遷經(jīng)3次點火后得出定位結(jié)果：區(qū)段l3發(fā)生故障，診斷結(jié)果的可靠性為0.95。

故障實例2：在正常運行模式下，圖6系統(tǒng)中饋線L3的區(qū)段l15，l18發(fā)生同相別的復(fù)故障。

對于雙重故障，可利用Petri網(wǎng)模型進行2次定位來完成。首先利用饋線L3的故障定位Petri網(wǎng)模型診斷出區(qū)段l15故障。配電網(wǎng)故障處理原則：隔離故障區(qū)段，并最大范圍恢復(fù)非故障區(qū)段的供電。根據(jù)該原則，為了隔離故障區(qū)段，斷開分段開關(guān)S13，S14和S15，為恢復(fù)非故障區(qū)段供電，將聯(lián)絡(luò)開關(guān)SL3閉合，此時S15成為聯(lián)絡(luò)開關(guān)，由電源SA1為區(qū)段l7,l19和l18供電(第1次故障定位還未診斷出l18故障，故按照非故障區(qū)段處理)。

運行模式改變后，電源SA1重合到故障l18上，隨即再次利用饋線L1的故障定位Petri網(wǎng)模型進行故障定位。對于饋線L1來說，區(qū)段l7，l19和l18屬于新增區(qū)段，只需要在原來模型的基礎(chǔ)上疊加新增區(qū)段的通用Petri網(wǎng)模型即可。故障實例2的定位結(jié)果：區(qū)段l15，l18發(fā)生故障，故障定位結(jié)果的可靠性為0.95。

圖7　多電源多聯(lián)絡(luò)輻射網(wǎng)的Petri網(wǎng)模型

對于2處不同相別接地構(gòu)成的相間短路故障，由參考文獻[14]可知，故障后的電壓分布情況同樣滿足電壓判據(jù)的條件，因此，可按照故障實例2的步驟進行故障定位。

4　結(jié)語

提出了一種基于Petri網(wǎng)和雙層判據(jù)的配電網(wǎng)故障定位方法，建立了基于雙層判據(jù)并行推理的配電系統(tǒng)故障定位Petri網(wǎng)模型。Petri網(wǎng)獨特的圖形描述和并行推理功能保證了該模型的快速性，滿足了配電網(wǎng)故障診斷在線運行的要求。算例仿真結(jié)果證明該模型正確有效，在信息丟失或發(fā)生畸變的情況下仍能準確定位故障區(qū)段，具有較高容錯性。提出的故障定位方法以配電網(wǎng)的區(qū)段為基本單位，面向各FTU建立故障定位的通用Petri網(wǎng)模型，為配電網(wǎng)運行方式改變時快速修正模型提供了可能，滿足了配電網(wǎng)故障診斷的通用性要求。

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收稿日期：2016-01-22；修回日期：2016-06-23；責任編輯：胡嫻。

基金項目：中國博士后科學基金項目(2015T80729)。

作者簡介：高正中(1971-)，男，山東濟寧人，副教授，博士，碩士研究生導師，主要研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化、檢測技術(shù)與自動化裝置，E-mail：skdgzz@163.com。

文章編號：1671-251X(2016)08-0037-06

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.08.010

中圖分類號：TD611

文獻標志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-08-03 10:03

Fault location method for distribution network based on Petri net and double criterions

GAO Zhengzhong，XU Huanqi，LEI Qian，LI Shiguang，WANG Qingli

(College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590, China)

Abstract:In order to improve operation speed and fault tolerance capability of fault location system of distribution network, a fault location method for distribution network based on Petri net and double criterion was proposed. Fault diagnosis was done according to voltage criterion and current criterion, and error correction of redundancy information was achieved through double criterions and probability information. Structure and the definition of Petri net combined with probabilistic information was introduced firstly, and then general Petri net model of fault location was established, finally, validity and feasibility of the proposed method were validated by simulation of fault localization procedure of distribution network with two standard wiring modes.

Key words:distribution network; fault location; Petri net; double criterions; feeder terminal unit

高正中，許煥奇，雷倩,等.基于Petri網(wǎng)和雙層判據(jù)的配電網(wǎng)故障定位方法[J].工礦自動化，2016,42(8)：37-42.