基于Petri網(wǎng)的電力系統(tǒng)故障診斷綜述

閆麗梅，徐偉麗

(東北石油大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

在電網(wǎng)發(fā)生故障后，快速且精確地進(jìn)行故障診斷和定位是保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，也是電網(wǎng)在線監(jiān)管運(yùn)行的關(guān)注重點(diǎn)?；仡櫼酝鶉?guó)內(nèi)外發(fā)生的大停電事故以及近年來(lái)美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞、阿根廷等國(guó)家先后發(fā)生的大停電事故[1-4]，提高電力系統(tǒng)故障診斷水平顯得尤為重要。

電力系統(tǒng)故障包括發(fā)電機(jī)組故障、輸電線路故障、變壓器故障、配電網(wǎng)故障等。傳統(tǒng)故障診斷方法主要根據(jù)故障電流或故障電壓等故障量的特點(diǎn)進(jìn)行故障診斷，這些故障量都是連續(xù)型信號(hào)。國(guó)外研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)，電力系統(tǒng)故障會(huì)引發(fā)保護(hù)動(dòng)作及斷路器跳閘，由此產(chǎn)生的離散信號(hào)也可以用來(lái)進(jìn)行電力系統(tǒng)故障診斷，并通過(guò)Petri網(wǎng)建立故障診斷模型。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外眾多研究人員針對(duì)電網(wǎng)故障提出了多種故障診斷的技術(shù)和措施，其中Petri網(wǎng)法通過(guò)代數(shù)矩陣運(yùn)算，體現(xiàn)系統(tǒng)中同時(shí)發(fā)生、次序發(fā)生或者循環(huán)發(fā)生的多種動(dòng)態(tài)活動(dòng)，進(jìn)而表征系統(tǒng)中離散隨機(jī)事件。Petri網(wǎng)因其簡(jiǎn)潔高效的形式化語(yǔ)言以及計(jì)算及建模方式簡(jiǎn)單直觀的特點(diǎn)，普遍應(yīng)用于電力系統(tǒng)故障診斷中[5-6]。

本文簡(jiǎn)要介紹Petri網(wǎng)的基本概念、分類(lèi)、優(yōu)缺點(diǎn)，分類(lèi)介紹國(guó)內(nèi)外關(guān)于Petri網(wǎng)和改進(jìn)Petri網(wǎng)在發(fā)電機(jī)組故障、輸電線路故障、變壓器故障、配電網(wǎng)故障、電力系統(tǒng)故障等不同類(lèi)型故障診斷中的建模及應(yīng)用研究，并分析總結(jié)基于Petri網(wǎng)的電網(wǎng)故障診斷技術(shù)的發(fā)展方向。

1 Petri網(wǎng)介紹

Petri網(wǎng)因?yàn)槠淇梢暬瘓D形語(yǔ)言以及能夠處理離散信息而廣泛應(yīng)用于離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模，是非常有效的建模工具。

1.1 Petri網(wǎng)基本概念

1962年，聯(lián)邦德國(guó)的Carl Adam Petri第一次提出運(yùn)用網(wǎng)狀機(jī)構(gòu)的圖形來(lái)表示通信系統(tǒng)，這種系統(tǒng)模型后來(lái)被稱(chēng)為Petri網(wǎng)?，F(xiàn)在Petri網(wǎng)一詞有2種含義，既表示Petri網(wǎng)模型，又表示以Petri網(wǎng)模型為基礎(chǔ)的理論[7-8]。

1.2 Petri網(wǎng)分類(lèi)

Petri網(wǎng)系統(tǒng)分為基本網(wǎng)系統(tǒng)、庫(kù)所/變遷系統(tǒng)和高級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)。

基本網(wǎng)系統(tǒng)可以用條件、事件及狀態(tài)流來(lái)描述。條件表示該系統(tǒng)的狀態(tài)元素，事件表示該系統(tǒng)的變遷元素。事情的發(fā)生與否決定系統(tǒng)的狀態(tài)是否為真，而事件的發(fā)生也會(huì)引起信息在基本網(wǎng)系統(tǒng)中的流動(dòng)。通常用由條件和事件組成的三元組(B，E；F)表示有向網(wǎng)，其中B代表?xiàng)l件集，E代表事件集，F(xiàn)代表狀態(tài)流。

庫(kù)所/變遷系統(tǒng)又稱(chēng)為P/T_系統(tǒng)，P代表庫(kù)所，T代表變遷。定義P/T_系統(tǒng)為一個(gè)六元組∑=(S，T；F，K，W，M0)，其中(S，T；F)為∑的基本網(wǎng)系統(tǒng)，K、W、M0分別為∑的容量函數(shù)、權(quán)函數(shù)、初始標(biāo)識(shí)。

高級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)有謂詞/變遷系統(tǒng)、有色網(wǎng)系統(tǒng)和自控網(wǎng)系統(tǒng)3種類(lèi)型。

1.3 Petri網(wǎng)優(yōu)缺點(diǎn)

Petri網(wǎng)模型簡(jiǎn)單，建模語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、高效，可塑性強(qiáng)。正是由于Petri網(wǎng)的圖形化表示方式及高效處理離散信息的特點(diǎn)，它可以對(duì)電力系統(tǒng)中同時(shí)發(fā)生、次序發(fā)生或者循環(huán)發(fā)生的故障進(jìn)行定時(shí)或定量的分析，在電力系統(tǒng)故障診斷方面有著巨大的應(yīng)用潛力。但是該方法也存在以下不足：

a)電力系統(tǒng)故障時(shí)，調(diào)度中心接收到的離散信息數(shù)量龐大且真假性難辨，往往存在保護(hù)或斷路器誤動(dòng)或拒動(dòng)等不確定信息，此時(shí)Petri網(wǎng)法對(duì)錯(cuò)誤信息的識(shí)別能力較差，在保護(hù)或斷路器誤動(dòng)、拒動(dòng)的情況下往往會(huì)得到錯(cuò)誤的故障診斷結(jié)果。

b)對(duì)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易變且節(jié)點(diǎn)數(shù)目繁多的電網(wǎng)，建立的Petri網(wǎng)故障診斷模型的適用性較低，過(guò)多依靠專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，且故障診斷時(shí)效性較差，如果診斷維數(shù)較多，甚至?xí)l(fā)生狀態(tài)空間爆炸。

2 Petri網(wǎng)在電力系統(tǒng)元件故障診斷中的應(yīng)用研究

K.L.Lo等人根據(jù)Petri網(wǎng)能夠處理離散信息的特點(diǎn)，提出基于Petri網(wǎng)理論的分布故障診斷[9]，并提出將Petri網(wǎng)模型應(yīng)用于電網(wǎng)故障定位[10]。首先以電網(wǎng)元件為單位形成故障清除過(guò)程的Petri網(wǎng)模型，而后經(jīng)過(guò)反向推理得到故障診斷的Petri網(wǎng)模型，最終將二者進(jìn)行整合，可以得出整個(gè)電力系統(tǒng)Petri網(wǎng)故障診斷模型。與傳統(tǒng)利用模式識(shí)別和假設(shè)檢驗(yàn)故障診斷模式相比，該方法更適用于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化的電力網(wǎng)絡(luò)。但若存在故障時(shí)保護(hù)或斷路器誤動(dòng)、拒動(dòng)等不確定信息時(shí)，這種以簡(jiǎn)單Petri網(wǎng)模型為基礎(chǔ)的故障診斷方法準(zhǔn)確率較低，往往得不到理想的故障診斷結(jié)果。因此，有研究學(xué)者提出多種改進(jìn)Petri網(wǎng)的故障診斷模型，并應(yīng)用于電網(wǎng)故障診斷。

電網(wǎng)承擔(dān)著電能輸送的重任，任意一個(gè)環(huán)節(jié)故障都會(huì)造成電能傳輸受阻?？紤]各個(gè)環(huán)節(jié)及電網(wǎng)中的重要元件，將電網(wǎng)中的故障進(jìn)行簡(jiǎn)單分類(lèi)，見(jiàn)表1。

表1 基于不同故障類(lèi)型的Petri網(wǎng)模型Tab.1 Petri net models based on different fault types

2.1 基于Petri網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組故障診斷模型

電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組是生產(chǎn)電能的重要設(shè)備，也是電力系統(tǒng)中故障發(fā)生頻率較高的一項(xiàng)單元，發(fā)電機(jī)包括燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)等。針對(duì)發(fā)電機(jī)組的故障診斷方法很多，而Petri網(wǎng)法常常是發(fā)電機(jī)組故障診斷眾多方法中的輔助方法，用來(lái)提高發(fā)電機(jī)組故障診斷準(zhǔn)確率。

文獻(xiàn)[23]提出將Petri網(wǎng)法用于異步電機(jī)故障診斷，且將Petri網(wǎng)法與智能案例推理方法相結(jié)合，簡(jiǎn)化異步電機(jī)故障診斷過(guò)程，實(shí)現(xiàn)故障診斷的可視化。另外，新能源發(fā)電是歷年來(lái)研討的熱點(diǎn)，其中風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展較為成熟。然而針對(duì)風(fēng)力發(fā)電中的發(fā)電機(jī)組故障，故障診斷技術(shù)依然有待提升。汽輪機(jī)組振動(dòng)故障發(fā)生時(shí)，傳統(tǒng)故障診斷方法過(guò)程繁雜且計(jì)算量較大。為解決這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[24]總結(jié)汽輪發(fā)電機(jī)組故障特征，并將其與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)故障類(lèi)型進(jìn)行對(duì)比，運(yùn)用Petri網(wǎng)理論對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障進(jìn)行建模分析。但是該方法對(duì)于復(fù)雜故障的診斷效率較低且準(zhǔn)確率不高，尤其在對(duì)飛機(jī)交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行故障診斷的過(guò)程中，診斷程序繁雜且效率較低。文獻(xiàn)[25]針對(duì)這一問(wèn)題，提出將Petri網(wǎng)理論應(yīng)用到飛機(jī)交流發(fā)電機(jī)故障診斷中，并得到較好的診斷效果。文獻(xiàn)[26]在分析風(fēng)力機(jī)液壓變槳距系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，提出一種新的Petri網(wǎng)模型和可靠性評(píng)價(jià)措施。利用Petri網(wǎng)理論對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組液壓變槳系統(tǒng)運(yùn)行的各種離散狀態(tài)進(jìn)行建模，同時(shí)構(gòu)建故障Petri網(wǎng)模型，不僅用圖形語(yǔ)言表述液壓俯仰系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性能和操作，并且能清楚地表示故障之間的邏輯關(guān)系，為后續(xù)研究提供新思路。然而當(dāng)存在不確定信息時(shí)，采用以上故障診斷方法所得故障診斷結(jié)果確信度較低，尤其是燃?xì)廨啓C(jī)，其故障診斷過(guò)程中存在大量不確定信息，使得燃?xì)廨啓C(jī)的故障診斷過(guò)程變得不再簡(jiǎn)單。文獻(xiàn)[27]提出將直覺(jué)模糊集與模糊Petri網(wǎng)相結(jié)合，建立直覺(jué)模糊故障Petri網(wǎng)模型，該模型對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)故障發(fā)生時(shí)的不確定信息有較高的容錯(cuò)性，但是對(duì)于偶發(fā)性因素沒(méi)有較好的解決方案。為解決此類(lèi)問(wèn)題，文獻(xiàn)[16]在加權(quán)模糊Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)上，提出加強(qiáng)的加權(quán)模糊Petri網(wǎng)及其推理算法，考慮燃?xì)廨啓C(jī)故障發(fā)生時(shí)的偶發(fā)性因素，具有較高的容錯(cuò)性和診斷準(zhǔn)確率。以上基于Petri網(wǎng)及改進(jìn)Petri網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組故障診斷只考慮離散信號(hào)，而沒(méi)有考慮故障發(fā)生時(shí)的電氣量變化，在故障診斷前的信息處理方面仍有不足。

2.2 基于Petri網(wǎng)的輸電線路故障診斷模型

輸電線路是電力傳輸過(guò)程的重要環(huán)節(jié)?？蓪⑤旊娋€路故障類(lèi)型分為簡(jiǎn)單故障和復(fù)雜故障，任何一種類(lèi)型的故障都會(huì)影響電能的傳輸。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)輸電線路故障診斷進(jìn)行了諸多研究[28-30]。輸電線路故障時(shí)，多個(gè)斷路器會(huì)啟動(dòng)以隔離故障，避免對(duì)電力系統(tǒng)其余元件造成損害。而斷路器開(kāi)合是一種離散信號(hào)，為此國(guó)內(nèi)外眾多研究學(xué)者提出將Petri網(wǎng)應(yīng)用于輸電線路故障診斷。

文獻(xiàn)[31]提出一種基于超高壓輸電線路保護(hù)繼電保護(hù)方案的Petri網(wǎng)模型，該模型包括3種類(lèi)型的繼電保護(hù)方案和1種自動(dòng)重合閘裝置；文獻(xiàn)[32]提出用Petri網(wǎng)對(duì)傳輸網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行建模，明確模型的3個(gè)重要部分，即有色總線、子網(wǎng)模型和中繼方案，為以后將Petri網(wǎng)應(yīng)用于輸電線路故障診斷奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但是在對(duì)電網(wǎng)輸電線路進(jìn)行故障診斷的過(guò)程中，原有基于Petri網(wǎng)的診斷方法都是在輸電線路發(fā)生故障后才進(jìn)行故障診斷，并且在故障發(fā)生后的短時(shí)間內(nèi)會(huì)有大量不確定報(bào)警信息涌入調(diào)度中心，使電力系統(tǒng)故障診斷的時(shí)效性與準(zhǔn)確度有所降低。除此之外，輸電高峰期間，輸電線路一旦發(fā)生故障，將有極大概率造成大面積停電，嚴(yán)重危害電網(wǎng)安全。文獻(xiàn)[33]提出采用同步Petri網(wǎng)建模的分布式控制系統(tǒng)和協(xié)調(diào)協(xié)議，不僅可以檢測(cè)和恢復(fù)輸電系統(tǒng)的故障，而且可以提高輸電系統(tǒng)中可用負(fù)荷的利用率，很好地解決用電高峰期輸電線路遇到的問(wèn)題。傳統(tǒng)的電力傳輸系統(tǒng)由許多變電站和輸電線路組成，當(dāng)變電站發(fā)生故障時(shí)，變電站的輸出可能中斷。文獻(xiàn)[34]在文獻(xiàn)[19]的基礎(chǔ)上，提出利用Petri網(wǎng)對(duì)電力傳輸系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行形式化混合，并通過(guò)案例驗(yàn)證故障檢測(cè)的正確率及故障恢復(fù)的時(shí)效性。但是以上2種方式均需要經(jīng)驗(yàn)豐富的監(jiān)督員選擇合適的故障恢復(fù)方式，在一定程度上依然依賴(lài)于人工經(jīng)驗(yàn)。

2.3 基于Petri網(wǎng)的變壓器故障診斷模型

變壓器故障繁雜，其故障診斷和維修是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。變壓器故障診斷的方法種類(lèi)繁多[35-40]，其中基于Petri網(wǎng)的變壓器故障診斷也有相應(yīng)的發(fā)展。

文獻(xiàn)[41]利用Petri網(wǎng)對(duì)變壓器故障診斷過(guò)程進(jìn)行仿真，并定義變壓器維修后的動(dòng)作，目的是識(shí)別故障類(lèi)型并估計(jì)維修時(shí)間。文獻(xiàn)[42]針對(duì)饋線故障、過(guò)載、過(guò)平衡問(wèn)題和主變壓器故障、過(guò)載問(wèn)題，提出一種Petri網(wǎng)算法，該算法與一種新型恢復(fù)方法相結(jié)合，用于處理系統(tǒng)中的分布式偶發(fā)事件；系統(tǒng)在過(guò)載情況下安全運(yùn)行，在故障情況下斷開(kāi)故障區(qū)域的一切開(kāi)關(guān)，而后閉合適當(dāng)?shù)拈_(kāi)關(guān)，復(fù)原隔離區(qū)域，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證該方法能夠有效解決配電系統(tǒng)多種偶發(fā)問(wèn)題，其中包括變壓器故障。雖然利用Petri網(wǎng)模型進(jìn)行變壓器故障診斷減少了故障發(fā)生時(shí)的分布式偶發(fā)問(wèn)題的影響，但是對(duì)于存在不確定信息的變壓器故障，診斷結(jié)果的確信度有待提高。文獻(xiàn)[38]提出利用先進(jìn)廣義隨機(jī)Petri網(wǎng)技術(shù)，解決電力變壓器保護(hù)繼電器報(bào)警信息不完全、不確定的電力變壓器故障診斷問(wèn)題，通過(guò)對(duì)變壓器常見(jiàn)故障類(lèi)型(如短路、絕緣失效、漏油和過(guò)載)進(jìn)行仿真，得到較為理想的結(jié)果，而且該措施能夠應(yīng)用于不同的電力系統(tǒng)元件；但是診斷模型中參數(shù)的設(shè)定往往依據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)，受人為主觀因素影響較大。文獻(xiàn)[43]提出綜合變壓器故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合多Agent系統(tǒng)與模糊Petri網(wǎng)理論，在故障信息不完全的情況下也可以得到較準(zhǔn)確的診斷結(jié)論；但是利用多Agent系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷的前提是需要大量的樣本數(shù)據(jù)，而有關(guān)變壓器故障診斷大部分研究工作的樣本非常小，因而該方法應(yīng)用并不廣泛。

3 Petri網(wǎng)在配電網(wǎng)故障診斷中的應(yīng)用研究

在基于Petri網(wǎng)的配電網(wǎng)故障診斷過(guò)程中，可以將其看成一個(gè)小型電力系統(tǒng)。配電網(wǎng)運(yùn)行方式復(fù)雜多樣，一旦發(fā)生故障，不僅影響人們的生產(chǎn)與生活，如果處理不當(dāng)還會(huì)影響工業(yè)領(lǐng)域的可靠性和安全性。目前，有一系列文獻(xiàn)介紹了關(guān)于配電網(wǎng)故障診斷的方法[44-48]，其中基于Petri網(wǎng)的配電網(wǎng)故障診斷具有很好的處理復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷的能力。有關(guān)Petri網(wǎng)的配電網(wǎng)故障診斷模型分類(lèi)及其優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 基于Petri網(wǎng)的配電網(wǎng)故障診斷模型Tab.2 Distribution network fault diagnosis model based on Petri net

配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障發(fā)生時(shí)的一系列偶發(fā)問(wèn)題是對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行故障診斷的難點(diǎn)。文獻(xiàn)[42]提出的一種與新型恢復(fù)方法相結(jié)合的Petri網(wǎng)算法，將其應(yīng)用于變壓器與配電網(wǎng)故障診斷，并以臺(tái)灣電力配電網(wǎng)為例，驗(yàn)證了該方法能有效地解決配電系統(tǒng)的多種偶發(fā)問(wèn)題。文獻(xiàn)[53]針對(duì)配電系統(tǒng)的負(fù)載均衡問(wèn)題，提出基于規(guī)則的有色Petri網(wǎng)專(zhuān)家系統(tǒng)，對(duì)于夏季用電高峰時(shí)期發(fā)生的過(guò)載事故可以很好地進(jìn)行負(fù)載平衡，預(yù)防故障發(fā)生。配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，各種保護(hù)及斷路器之間相互配合且關(guān)系復(fù)雜，專(zhuān)家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)也隨著配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜而逐漸復(fù)雜化，因此以專(zhuān)家系統(tǒng)為主的配電網(wǎng)故障診斷模型的適用性較低。

現(xiàn)今新能源發(fā)電受到國(guó)內(nèi)外的青睞，分布式發(fā)電技術(shù)也愈趨成熟，但分布式電源的連接本質(zhì)上改變了配電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行，可能導(dǎo)致重合閘故障、健康饋線斷開(kāi)或保護(hù)運(yùn)行失效。文獻(xiàn)[54-55]對(duì)改進(jìn)量子行為粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行改進(jìn)，使其適用于含離散信息的分布式配電網(wǎng)故障診斷。文獻(xiàn)[56]提出一種基于Petri網(wǎng)的、以集中式監(jiān)控架構(gòu)為支撐的輻射配電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)故障監(jiān)控方法，該方法易于識(shí)別故障線路和錯(cuò)誤的保護(hù)裝置操作，對(duì)于未發(fā)生故障卻停止服務(wù)的區(qū)域，也能夠盡可能多地恢復(fù)該區(qū)域內(nèi)的服務(wù)，由此避免配電系統(tǒng)中元件的過(guò)載；但是對(duì)于可能由于通信等原因?qū)е碌腻e(cuò)誤信息，研究并未給出具體方案。在以上研究的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[52，57]考慮時(shí)間因素，將時(shí)間序列層次模糊Petri網(wǎng)應(yīng)用于配電網(wǎng)故障診斷中，所提措施能夠高效利用故障發(fā)生時(shí)出現(xiàn)的大量告警信息，并在原有基礎(chǔ)上加入時(shí)序特性，且在推理的最后引入高斯函數(shù)優(yōu)化故障概率，提升配電網(wǎng)故障診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。但是對(duì)于規(guī)模龐大的配電網(wǎng)，時(shí)間序列層次模糊Petri網(wǎng)的故障診斷模型往往生成規(guī)模較大的矩陣，診斷的時(shí)效性有待提高。

4 Petri網(wǎng)在電力系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用研究

文獻(xiàn)[58-60]針對(duì)電力系統(tǒng)故障診斷方法進(jìn)行了多方面研究。電力系統(tǒng)故障診斷過(guò)程需得到來(lái)自數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(supervisory control and data acquisition，SCADA)系統(tǒng)的信息，當(dāng)信息到達(dá)控制中心時(shí)，操作員分析數(shù)據(jù)并進(jìn)行故障診斷。診斷過(guò)程的準(zhǔn)確性和速度完全取決于操作人員的經(jīng)驗(yàn)。隨著電力系統(tǒng)的復(fù)雜性增強(qiáng)，特別是在保護(hù)裝置發(fā)生多次故障或不正確操作的情況下，操作人員需要處理的信息量可能非常龐大，以至于無(wú)法正確及時(shí)地對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷。為此，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者將計(jì)算機(jī)與電力系統(tǒng)故障診斷相結(jié)合，提出基于大數(shù)據(jù)及Petri網(wǎng)理論的電力系統(tǒng)故障診斷模型，用于復(fù)雜電力系統(tǒng)的故障診斷?，F(xiàn)有的基于Petri網(wǎng)的電力系統(tǒng)故障診斷研究方向可以綜合為圖1所示的3個(gè)方面：算法優(yōu)化、模型結(jié)構(gòu)改進(jìn)和時(shí)序信息處理。

圖1 基于Petri網(wǎng)的電力系統(tǒng)故障診斷方法Fig.1 Power system fault diagnosis method based on Petri net

文獻(xiàn)[10]提出運(yùn)用Petri網(wǎng)模型檢測(cè)電網(wǎng)故障發(fā)生位置的新方法，對(duì)于復(fù)雜電網(wǎng)故障診斷具有較強(qiáng)的適用性，面對(duì)大量報(bào)警信息能夠減少故障診斷時(shí)間，提高準(zhǔn)確率；但是，對(duì)于大型分布式系統(tǒng)中的報(bào)警關(guān)聯(lián)問(wèn)題考慮并不全面。文獻(xiàn)[61]針對(duì)電力系統(tǒng)中保護(hù)繼電器以及斷路器不完全、不確定的報(bào)警信息，以模糊Petri網(wǎng)為建模工具，建立電力系

統(tǒng)故障診斷模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行可行性驗(yàn)證，當(dāng)系統(tǒng)中有大量不確定的報(bào)警信息的情況下，也能獲得滿意的結(jié)果。文獻(xiàn)[62]提出一種基于模糊定時(shí)Petri網(wǎng)的電力系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)：模糊定時(shí)與庫(kù)所/變遷相關(guān)聯(lián)，以處理繼電器和斷路器的不確定信息；繼電器和斷路器接收到的延遲時(shí)間信息映射到模糊時(shí)間戳，作為后向模糊定時(shí)Petri網(wǎng)的初始標(biāo)記；實(shí)例仿真結(jié)果表明，該方法比傳統(tǒng)故障診斷方法耗時(shí)短，且適用于不同的電網(wǎng)。模糊推理Petri網(wǎng)在不確定和不完全信息處理方面有明顯優(yōu)勢(shì)，也是處理復(fù)雜電力系統(tǒng)故障段預(yù)估問(wèn)題的一種有效技術(shù)手段。但簡(jiǎn)單模糊化處理并未改進(jìn)故障診斷模型的結(jié)構(gòu)，在電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，模型的適用性不高。而且所建立模型中參數(shù)的設(shè)定往往依據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，受人為主觀因素影響較為明顯，且對(duì)新型電力系統(tǒng)適用性較差。為此，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者在模糊Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)上，提出多種改良模糊Petri網(wǎng)電力系統(tǒng)故障診斷模型，旨在進(jìn)一步提高故障診斷的準(zhǔn)確率。文獻(xiàn)[63]提出基于信息優(yōu)化的動(dòng)態(tài)Petri網(wǎng)電網(wǎng)故障診斷模型，在常規(guī)Petri網(wǎng)的故障診斷模型基礎(chǔ)上引入動(dòng)態(tài)抑制弧元素，改進(jìn)基本Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使其適用于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的電力系統(tǒng)。文獻(xiàn)[64]將參數(shù)優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與改良動(dòng)態(tài)自適應(yīng)模糊Petri網(wǎng)相結(jié)合，該故障診斷措施推理簡(jiǎn)單，在報(bào)警信息不完備的情況下仍然能給出較精確的診斷結(jié)果，且不受人主觀因素的影響，具備良好的容錯(cuò)性；但是傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中缺乏學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，過(guò)于簡(jiǎn)單的尋優(yōu)過(guò)程難免會(huì)使尋優(yōu)結(jié)果陷入局部最優(yōu)解。文獻(xiàn)[59，65-67]將時(shí)間約束引入模糊Petri網(wǎng)進(jìn)行故障診斷，該模型具備模塊化結(jié)構(gòu)，易于適應(yīng)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且適用于現(xiàn)代保護(hù)方案。文獻(xiàn)[58，68]將直覺(jué)模糊Petri網(wǎng)理論應(yīng)用于電力系統(tǒng)故障診斷，所提模型充分利用拓?fù)浞治龊透鞣N電氣設(shè)備、主保護(hù)及后備保護(hù)動(dòng)作與斷路器跳閘之間的邏輯關(guān)系，具有較高的故障診斷準(zhǔn)確率。上述基于Petri網(wǎng)及改進(jìn)Petri網(wǎng)的故障診斷方法并未考慮電網(wǎng)故障時(shí)的電氣量信息，在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速的條件下，應(yīng)通過(guò)有效的信息融合尋找適用于現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)的故障診斷方法，建立更為合適的故障診斷模型。

5 基于Petri網(wǎng)的電網(wǎng)故障診斷技術(shù)的發(fā)展方向

通過(guò)對(duì)Petri網(wǎng)及改進(jìn)Petri網(wǎng)在電網(wǎng)故障診斷方面的研究與分析，總結(jié)了與不同故障類(lèi)型相適應(yīng)的故障診斷模型。后續(xù)針對(duì)Petri網(wǎng)在電網(wǎng)診斷方面的研究可從以下幾個(gè)方面入手：

a)將電氣量信號(hào)與保護(hù)及斷路器的動(dòng)作信息等離散信號(hào)相結(jié)合，提高故障診斷的時(shí)效性。在發(fā)電機(jī)組中有關(guān)燃?xì)廨啓C(jī)故障診斷過(guò)程中，利用模糊Petri網(wǎng)以及廣義隨機(jī)Petri網(wǎng)構(gòu)建故障診斷模型，輸入信息均為離散隨機(jī)信號(hào)，忽視了故障發(fā)生時(shí)的故障電流等連續(xù)型信號(hào)，缺少與電氣信息的融合，當(dāng)故障信息缺失時(shí)，故障診斷結(jié)果的確信度較低。輸電線路故障診斷過(guò)程與之類(lèi)似，將保護(hù)及斷路器動(dòng)作信息作為模型的輸入，盡管加入了模糊規(guī)則，故障診斷結(jié)果的確信度依然有待提高。因此，應(yīng)考慮故障發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的連續(xù)型電氣信息，以提升故障診斷結(jié)果的確信度。

b)采用多種算法相結(jié)合的人工智能優(yōu)化算法優(yōu)化模型參數(shù)。油浸式變壓器故障時(shí)，通常根據(jù)變壓器內(nèi)部所產(chǎn)生的各種氣體形成故障特征值，判斷變壓器所發(fā)生的故障類(lèi)型?；赑etri網(wǎng)的變壓器故障診斷利用所提取的故障特征作為模型的輸入，但是模型中的參數(shù)卻根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，受人為主觀因素影響較大。雖然有學(xué)者采用遺傳算法或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法優(yōu)化模型參數(shù)，在一定程度上減小人為主觀因素的影響，但是仍存在不足：基于遺傳算法優(yōu)化過(guò)程耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，效率較低；基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法優(yōu)化缺乏學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，易使待優(yōu)化參數(shù)陷入局部最優(yōu)值。因此，需要選擇更為合適的人工智能優(yōu)化算法，為后期故障診斷打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

c)研究新能源并網(wǎng)過(guò)程中分布式系統(tǒng)的在線故障診斷器的設(shè)計(jì)。如何根據(jù)相應(yīng)的控制策略及分布式能源并網(wǎng)控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)在線故障診斷器的設(shè)計(jì)，是值得研究的一項(xiàng)內(nèi)容。有學(xué)者設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單Petri網(wǎng)的配電網(wǎng)故障診斷的人機(jī)交互系統(tǒng)，但是對(duì)于含有新能源發(fā)電的配電網(wǎng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，需要進(jìn)一步研究。

6 結(jié)束語(yǔ)

在電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變動(dòng)及故障發(fā)生后大批報(bào)警信息涌入調(diào)度中心時(shí)，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)故障診斷的準(zhǔn)確率和時(shí)效性并不高。學(xué)界對(duì)電力系統(tǒng)故障診斷進(jìn)行了多方面的研究，本文針對(duì)基于Petri網(wǎng)的電力系統(tǒng)故障診斷進(jìn)行了總結(jié)和分析，目前完成的工作主要包括以下幾個(gè)方面：

a)針對(duì)發(fā)電機(jī)組故障，介紹了基于Petri網(wǎng)及改良Petri網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組故障診斷模型。Petri網(wǎng)用于發(fā)電機(jī)故障診斷時(shí)通常作為傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)故障診斷方法中的輔助方法，利用故障發(fā)生時(shí)的離散信息來(lái)提高發(fā)電機(jī)故障診斷的效率和準(zhǔn)確性，通過(guò)加權(quán)、模糊等規(guī)則優(yōu)化Petri網(wǎng)模型，在信息不完備情況下仍能得到較為準(zhǔn)確的故障診斷結(jié)果，提高故障診斷結(jié)果的容錯(cuò)性。

b)針對(duì)輸電線路故障，介紹了基于Petri網(wǎng)的輸電線路故障診斷模型。將Petri網(wǎng)應(yīng)用于輸電線路故障診斷，打破了原有利用故障電流進(jìn)行故障類(lèi)型判斷的局限，且Petri網(wǎng)的圖形化表示方法使故障診斷模型更加直觀。但是簡(jiǎn)單Petri網(wǎng)模型對(duì)于不確定信息的容錯(cuò)性較低，為此，將模糊推理和Petri網(wǎng)理論相結(jié)合，提出基于模糊Petri網(wǎng)的輸電線路故障診斷模型，驗(yàn)證結(jié)果表明該模型可以有效提高輸電線故障診斷的容錯(cuò)性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)，以往模型并不能適應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變后的輸電線路，而基于有色Petri網(wǎng)的輸電線路故障診斷模型可以很好地解決這一問(wèn)題，但是對(duì)于輸電線路的在線故障診斷和故障預(yù)測(cè)仍需要進(jìn)一步改進(jìn)。

c)針對(duì)變壓器故障，介紹了基于Petri網(wǎng)和改良Petri網(wǎng)的變壓器故障診斷模型。其中基于Petri網(wǎng)的變壓器故障診斷模型主要用于變壓器故障的識(shí)別和故障診斷時(shí)間的估計(jì)。對(duì)于不確定、不全面的報(bào)警信息，可以使用廣義隨機(jī)Petri網(wǎng)模型，但針對(duì)變壓器故障診斷的實(shí)際樣本依然較少，對(duì)變壓器故障的診斷仍然以傳統(tǒng)方法為主。

d)針對(duì)配電網(wǎng)故障，介紹了將Petri網(wǎng)理論應(yīng)用于配電網(wǎng)故障診斷的建模過(guò)程。針對(duì)配電網(wǎng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，基于Petri網(wǎng)的配電網(wǎng)故障診斷可以有效解決配電網(wǎng)故障發(fā)生時(shí)的一系列偶發(fā)問(wèn)題。另外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出基于時(shí)間序列層次模糊Petri網(wǎng)的配電網(wǎng)故障診斷模型，驗(yàn)證結(jié)果表明所提模型可以解決不確定報(bào)警信息引起的診斷結(jié)果確信度較低的問(wèn)題。

e)針對(duì)電力系統(tǒng)故障，介紹了Petri網(wǎng)理論在電力系統(tǒng)故障診斷過(guò)程中的應(yīng)用。通過(guò)引入模糊規(guī)則、時(shí)序信息等，解決存在不確定報(bào)警信息時(shí)故障診斷結(jié)果可信度較低的問(wèn)題；國(guó)內(nèi)外學(xué)者所提的改進(jìn)Petri網(wǎng)模型可以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化的電力系統(tǒng)，然而在大型電力系統(tǒng)連鎖故障診斷和在線故障診斷方面，應(yīng)用并不普遍。