一種基于Petri網(wǎng)技術(shù)的牽引供電系統(tǒng)故障診斷方法

1、一種基于Petri 網(wǎng)技術(shù)的牽引供電系統(tǒng)故障診斷方法摘要介紹一種基于Petri 網(wǎng)的牽引供電系統(tǒng)故障診斷方法,可用于檢測節(jié)點(diǎn)是否發(fā)生故障和判斷信號是否準(zhǔn)確。給出了應(yīng)用實(shí)例。與傳統(tǒng)方法相比,該方法提高了效率和準(zhǔn)確性,更適合于在線檢測。關(guān)鍵詞牽引變電所, Petri 網(wǎng), 故障診斷城市軌道交通采用直流供電制式,供電電壓在5501 500 V 之間,對于直接從系統(tǒng)高壓電網(wǎng)獲得電力的城市軌道交通供電系統(tǒng),往往需要再設(shè)置一級主降壓變電站,將輸電電壓如110220 kV 降低到10 35 kV 以適應(yīng)直流牽引變電所的需要 1 。Petri 的博士論文中提出的,它實(shí)際上是一個(gè)有向圖。其基本原理是通過三個(gè)基本

2、的結(jié)構(gòu)元素:位置(place) 、變遷(transtion) 和弧(arc) ,來描述一個(gè)系統(tǒng)之間各元素的有機(jī)關(guān)系。Petri 網(wǎng)最初用于計(jì)算機(jī)的并行處理。隨著Petri 網(wǎng)研究的不斷深入,它已成為研究離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的一種有力工具。兩個(gè)成功的應(yīng)用領(lǐng)域是性能評價(jià)和通信協(xié)議,其他有前途的應(yīng)用領(lǐng)域包括分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、故障診斷等。 一個(gè)Petri 網(wǎng)中位置集用于描述可能的系統(tǒng)局部狀態(tài),變遷用于描述修改系統(tǒng)狀態(tài)的事件,弧是局部狀態(tài)和事件之間的關(guān)系。在Petri 網(wǎng)模型中,標(biāo)記(token) 包含在位置中,他們在位置中的狀態(tài)變化表示系統(tǒng)的不同狀態(tài)。如果一個(gè)位置描述一個(gè)條件, 它能包含一個(gè)標(biāo)記或不包含標(biāo)

3、記。當(dāng)一個(gè)標(biāo)記表現(xiàn)在這個(gè)位置中,條件為真,否則為假。如果一個(gè)變遷的所有輸入位置(這些位置連接到這個(gè)變遷,弧的方向從位置到變遷) 至少包含一個(gè)標(biāo)記,那么這個(gè)變遷可能實(shí)施(相聯(lián)系的事件可能發(fā)生) 。定義1 3 : 一個(gè)三元組N = (S, T; F)是一個(gè)Petri 網(wǎng),當(dāng)且僅當(dāng): (1) S T= <(網(wǎng)非空), (2) S T= <(二元性), (3) F (S ×T) (T ×S) ( 流關(guān)系僅存在S 與T元素之間), (4) dom ( F) cod ( F) = S T(沒有孤立元素) 。在圖形上,S 元素用一個(gè)圓圈來表示, T 元素用一段

4、豎黑線來表示,S 與T之間的流關(guān)系F用帶箭頭的弧表示。 定義2 : 對于任何給定的Petri 網(wǎng),它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可用一個(gè)矩陣來表示。這個(gè)矩陣被稱為關(guān)聯(lián)矩陣,它有s 行,t 列,定義為: 直流牽引變電所將三相高壓交流電變成適合軌道交通車輛應(yīng)用的低壓直流電,是動(dòng)車正常運(yùn)行的重要保證。但是由于牽引供電系統(tǒng)的復(fù)雜性,大量的故障信息需要處理,人力難以克服,基于人工智能和模式識別的計(jì)算機(jī)輔助診斷需要驚人的計(jì)算量和啟發(fā)性原則。本文提出從基于微機(jī)的繼電保護(hù)系統(tǒng)獲得信號,將Petri 網(wǎng)理論應(yīng)用于牽引供電系統(tǒng)故障診斷,提高了故障診斷的準(zhǔn)確性和效率。故障和故障診斷的定義參見文獻(xiàn) 2 。1 Petri 網(wǎng)理論 Pet

5、ri 網(wǎng)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 , 其他情況其中W (s, t)是從s 到t 的弧的權(quán)值,稱為弧權(quán)函數(shù);(s,t) F意味著存在一個(gè)從s 到t 的流關(guān)系。2 應(yīng)用實(shí)例2. 1 實(shí)例模型 圖1 為一個(gè)有斷路器保護(hù)的節(jié)點(diǎn)模型4 。模型中:N1 代表網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),R1 代表繼電器,CB1 代表斷路器, tn 是繼電器感測到故障電流的過程, tr1 是斷路器CB1 排除故障的過程。標(biāo)記(token) 在N1 處代表系統(tǒng)故障出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)N1 處;標(biāo)記(token) 在R1 處

6、代表繼電器感測到故障電流, R1 隨即觸發(fā)CB1 ,即實(shí)施變遷tr1 。標(biāo)記(token) 在CB1 處意味著故障清除。圖1 有斷路器保護(hù)的節(jié)點(diǎn)模型用Petri 網(wǎng)模型模擬牽引變電所主接線關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),適合用于各種類型的變電所故障診斷(見圖2) ?？紤]母線N1 ,它處于斷路器CB1 ,CB3 保護(hù)中,Dm 是一個(gè)虛擬位置,建立Petri 網(wǎng)模型如圖3 。圖2 牽引變電所單母線分段接線 2. 2 故障診斷 故障診斷的過程是故障清除過程的逆過程,為此我們把弧的箭頭指針反向就可以得到故障診斷的模型4 ,見圖4 。2. 3 仿真過程 仿真過程就是說明怎么樣把收到的信息映射到Petri 網(wǎng)模型中,

7、并且分析在某個(gè)節(jié)點(diǎn)是否存在故障。假設(shè)從基于微機(jī)的繼電保護(hù)系統(tǒng)獲得收到以下的信息:CB1= 11 ,CB3 =11 , tr1= 0. 5 s , tr3= 0. 6 s , 在這里11 代表裝置動(dòng)作。圖3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)N1 的Petri 網(wǎng)模型圖4 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)故障診斷模型 給出公式M1= M0+ CU5 ,其中M1 為位置集最終標(biāo)識, M0 為位置集初始標(biāo)識(有標(biāo)記置1), C為Petri 網(wǎng)關(guān)聯(lián)矩陣。tr1 ,tr3 存在時(shí)間段,所以U = 1 1 1 T,第一個(gè)元素在任何情況都置為14 。分析結(jié)果,可以看出,N1 位置中有標(biāo)記(token) ,這意味N1 有故障; R1 ,R3 中有標(biāo)記(t

8、oken) 這意味繼電器動(dòng)作;如果節(jié)點(diǎn)中有標(biāo)記且其關(guān)聯(lián)的所有的繼電器均動(dòng)作,則可以得出此節(jié)點(diǎn)有故障的結(jié)論。 如果CB1 = 11 是唯一接收到的信息,則M1= 1 -1 0 1 0 0 T 。在此例中R1 ,R3 中沒有標(biāo)記(to2 ken) ,這意味繼電器沒有動(dòng)作,這樣即使節(jié)點(diǎn)N1 位置中有標(biāo)記(token) 也不能說明N1 有故障,因?yàn)椴⒉皇菑睦^電保護(hù)系統(tǒng)接收到的信號都是正確的。3 結(jié)語 本文提出用Petri 網(wǎng)模型檢測牽引供電網(wǎng)絡(luò)故障位置,并同時(shí)檢查并驗(yàn)證從基于微機(jī)的繼電保護(hù)系統(tǒng)接收到的信號是否正確。整個(gè)過程只需要建立Petri 網(wǎng)模型和進(jìn)行簡單的矩陣運(yùn)算就可以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果,節(jié)省了故障

9、診斷的時(shí)間,提高了效率,尤其適合實(shí)時(shí)在線診斷。Petri 網(wǎng)模型在電力系統(tǒng)故障診斷中有十分廣闊的前景。參考文獻(xiàn)1 鄭瞳熾,張明銳. 城市軌道交通牽引供電系統(tǒng). 北京:中國鐵道出版社,2000. 50 2 郭其一,張偉. 供變電系統(tǒng)的故障檢測與診斷技術(shù). 上海市電機(jī)工程學(xué)會(huì):上海市電工技術(shù)學(xué)會(huì)2001 年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集(第五分冊) ,2001. 9093 3 林闖. 隨機(jī)Petri 網(wǎng)和系統(tǒng)性能評價(jià). 北京: 清華大學(xué)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):231236 5 Lo K L ,Ng H S , Grant D M , Trec