抽水蓄能机组故障诊断与状态维修的Petri网模型

魏臻珠, 蒋建东, 王洪亮, 杨海波

(1. 郑州大学 电气工程学院 河南 郑州 450001； 2. 安阳供电公司 河南 安阳 455002； 3.卫辉市电业局 河南 卫辉 453100)

0 引言

抽水蓄能机组运行灵活，具有削峰填谷、调频、调相、备用等多项功能，近些年来得到了迅速发展.由于设计参数复杂、运行工况多、启停频繁、振动部位广泛等方面的原因，抽水蓄能机组出现故障的可能性比常规机组更大一些.目前在工业领域故障诊断与状态维修模型的研究已经取得了较多的成果[1-3]，而对抽水蓄能机组故障诊断与状态维修模型的研究还很少.大多只是针对抽水蓄能机组某方面故障提出一些诊断方法和理论[4-5].文献[6]建立了抽水蓄能机组故障诊断的Petri网模型，但没有建立状态维修的模型，也没有给出Petri网建模过程中 “状态组合爆炸”问题的解决方法.

本文首先介绍了Petri网的推理方法.针对抽水蓄能机组故障部位和故障现象较多及其具有多层次性的特点，提出了抽水蓄能机组故障诊断与状态维修Petri模型的分解与分层方法.解决了Petri网模型随着变迁和库所数量增多复杂度增大，求解速度降低，甚至出现“状态组合爆炸”的问题.在此基础上，给出了知识的提取与知识库的建立方法及故障诊断与状态维修Petri网模型的实现步骤，最后以转子模块为例建立了其故障诊断与状态维修的Petri网模型.

1 Petri网的矩阵表示方法

图1 Petri网结构示意图Fig.1 Petri Nets structure diagram

基本Petri网是由节点和边组成的有向图，如图1所示.节点分为两类：变迁T(transition)和库所P(place).在图中，变迁用画线表示，库所用圆圈表示，边用有向线段表示.变迁表示四通八达的状态改变，库所表示系统发生变化的条件，变迁和库所通过边建立起联系.通过边指向变迁的库所称为输入库所，边指向的库所称为输出库所.

可以用矩阵来更清晰地表示Petri网模型，假定一个Petri网由m个库所，n个变迁构成，则可以定义如下的网络描述矩阵：

设Petri网的初始标识状态为M(m)，则有

(1)

P=V∩R.

(2)

网络中可发射的变迁发射之后,网络新的标识状态M′可用(3)式计算,

(3)

(1)～(3)式中的加、乘、与分别为逻辑加、逻辑乘和逻辑与.

2 抽水蓄能机组故障诊断与状态维修的Petri网建模方法

2.1 模型的分解与分层

抽水蓄能机组故障部位和故障现象较多，利用Petri 网直接进行故障诊断与状态维修建模会出现矩阵维数过高，降低故障诊断和状态维修效率和实时性的问题.为了减少关联矩阵的维数，利用Petri 网的并发特性，根据抽水蓄能机组不同部件的故障往往关联性较小的特点，将抽水蓄能机组按照组件分解为转子、定子、机架结构、推力轴承、过流部件5个模块分别建立并行的Petri网模型.

针对抽水蓄能机组故障诊断与状态维修Petri模型的多层次性，为了便于建模和理解，降低其复杂性和矩阵的维数.将Petri网模型按照功能不同分为2层：第1层为故障诊断层，第2层为状态维修层.

2.2 知识的提取与表示方法

知识的提取是故障诊断与状态维修的重要内容，直接影响着系统的性能.本文通过对抽水蓄能机组故障征兆、故障原因与状态维修方案等信息进行加工、整理、挑选、概括等过程完成知识提取.

Petri网不关心系统变化的过程，仅关心变化的条件及变化发生后对系统的影响，其推理方法可归结为if-then结构的产生式规则.用Petri网的一个变迁的输入库所表示规则的前提部分，输出库所表示规则的结论部分.输入事实或信息与一命题相匹配用库所中的一个令牌来表示.如果一个变迁所有的输入库所都有一个令牌，那么此变迁是可发射的，并将令牌传送到它的所有输出库所.推理输出一个结论就相当于在相应的Petri网中由相关事实或信息得到网络的初始标识状态，并通过一系列变迁的发射将令牌传播到其后的库所中得到网络新的标识状态，与命题相关的Petri网模型输出库所的令牌就是命题的结论.

本文采用从机组故障征兆到设备故障原因，再到状态维修方案的产生式规则来进行知识的表示、知识库的组织与推理的建立.即将每条知识表示成if<故障征兆> ，then<故障原因> ，then<状态维修方案>这种通用形式.例如：if<振动方向为径向and特征频率为基频and轴心轨迹为椭圆or振动随转速增加而增加较明显>，then<转子质量偏心>，then<转子除垢，进行修复，按技术要求对转子进行动平衡>.

根据这种模式对抽水蓄能机组故障征兆、故障原因与状态维修方案进行提取和规则化表示后，形成抽水蓄能机组故障诊断与状态维修知识库.

2.3 故障诊断与状态维修Petri网模型的实现步骤

在完成知识的提取与知识库的建立后，进行故障诊断与状态维修Petri网模型的建立由以下几个步骤完成.

步骤1根据if-then结构规则化处理后的每条故障诊断与状态维修知识分别建立转子、定子、机架结构、推力轴承、过流部件各个模块的Petri网模型结构.

步骤2确定Petri模型中每一层的状态，写出每一个初始库所对应的故障征兆、故障原因或设备状态以及状态维修方案，确定Petri网模型故障诊断层和状态维修层输入和输出库所的初始标识Mn.

步骤3由当前标识Mn根据变迁规则求出变迁点火序列，若有Ti(Ti表示一个或多个变迁)能够点火，则转向步骤4，否则转步骤5.

步骤4变迁Ti点火后，新的标识Mn+1可以按照变迁点火规则求出，转步骤3.

步骤5取最后的标识为系统结果状态，从该标识判断目标库所是否包含令牌，若含有令牌，则说明有故障原因和状态维修方案输出.

下面以转子模块为例，说明抽水蓄能机组故障诊断与状态维修Petri模型的建立方法.

3 转子故障诊断和状态维修Petri模型的建立

根据相关文献整理出转子常见故障原因、故障征兆和维修方案，如表1所示.

表1 转子常见故障原因、征兆和维修方案Tab.1 Normal rotor fault, symptoms and maintenance scheme

根据表1形成规则知识时，首先要对其进行整理和删减.比如矢量区方面的故障征兆，由于对其状态界定比较困难，且不是主要故障征兆.“振动随转速增加而增加”在所有故障征兆中都含有，它对故障诊断的决策不起决定作用，应在故障征兆中予以删除.然后按照知识的逻辑关系分别形成如下几个规则:

规则1

if，then；if，then.

其中,p0为机组当前状态允许进行维修；p1为振动方向为径向；p3为特征频率为基频；p7为轴心轨迹为椭圆；p11为转子质量偏心；p16为转子除垢，进行修复，按技术要求对转子进行动平衡.

规则2

if，then；if，then.

其中,p10为有较大的冲击性振动；p12为转子部件缺损；p17为修复转子，重新动平衡；正确操作.

规则3

if，then；if ，then.

其中,p2为振动方向为轴向；p4为振动信号中含有二倍频；p6为振动波形非正弦；p9为开机时振动较大；p13为转子弓形弯曲；p18为正确存放转子，科学管理校直转子，按技术要求进行动平衡.

规则4

if，then；if ，then.

其中,p14为转子临时弯曲；p19为转子旋转90°后重新启动；按技术要求调整轴系转子对中量，重新对中.

规则5

if，then；if，then.

其中,p5为振动信号中含有三倍基频；p8为轴心轨迹为双环椭圆；p15为转子不对中；p20为转子冷态对中时，考虑到热态不对中变化量；按技术要求调整轴系转子对中量，重新对中.

根据以上规则，形成转子故障诊断与状态维修的Petri网模型，如图2所示.

图2 转子故障诊断与状态维修Petri网模型Fig.2 The Petri nets model for rotor fault diagnosis and maintenance on conditions

在图2中，p1,p2,p3,p4,p5,p6,p7,p8,p9,p10为故障征兆库所集合，每个库所对应一种故障征兆，其中令牌的有无表示是否有该故障征兆，由机组信息决定，对应于故障诊断层的输入；p16,p17,p18,p19,p20为故障原因库所集合，每个库所对应一种给定的故障原因，其中令牌的有无表示是否为该类型的故障，对应于诊断层的输出；p11,p12,p13,p14,p15为元件状态库所集合，对应于元件的目前状态，其中令牌的有无表示是否有具有该状态，由元件维修历史和目前状态确定；p11,p12,p13,p14,p15和p16,p17,p18,p19,p20共同构成状态维修层的输入.p21,p22,p23,p24,p25为状态维修方案库所集合，其中令牌的有无表示是否有该状态维修方案输出，对应于状态维修层的输出.变迁t1,t2,t3,t4,t5用来表示诊断层故障征兆与故障原因间的对应关系；变迁t6,t7,t8,t9,t10用来表示状态维修层故障原因、机组状态与维修方案间的对应关系.

该模型第1层故障诊断层的输出矩阵O1(m,n)、输入矩阵I1(m,n)和第2层状态维修层的输出矩阵O2(m,n)、输入矩阵I2(m,n)分别为：

4 结论

本文介绍了Petri网基本知识，提出了抽水蓄能机组故障诊断与状态维修Petri模型的分解与分层方法，有效地降低了Petri网模型的维数，提高了问题的求解速度，避免了可能出现的“状态组合爆炸”问题.给出了模型的知识提取与表示方法及其实现步骤，完成了抽水蓄能机组故障诊断与状态维修的Petri网建模.该模型利用图形语言实现了抽水蓄能机组故障诊断与状态维修系统的分析与建模，具有简单直观，准确度高的优点.

参考文献：

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[6] 蒋建东, 张松. 抽水蓄能机组故障诊断的Petri 网方法[J]. 微计算机信息, 2009,25(10):146-147,158.