一种基于Petri网的电网故障诊断方法

潘明九　王颖　兰洲　王蕾

摘要：电力系统发生故障时，其相应的保护以及断路器动作跳闸，根据这些动作信息，通过广度优先搜索法找出故障发生区域，然后对该区域内的可疑元件进行Petri网建模，再利用Visual Object Net ++软件进行故障诊断。实验表明，该方法能够通过保护和断路器的状态准确找出故障元件。

Abstract： When the power system fails， its corresponding protection and circuit breaker will trip. According to these action information， the fault occurrence area is found by the breadth-first search method， and then the suspected components in the area are modeled. Then Visual Object Net++ software is used for troubleshooting. Experiments show that the method can accurately identify the faulty component through the state of protection and circuit breaker.

关键词：故障诊断；广度优先搜索法；Petri网；Visual Object Net ++软件

Key words： fault diagnosis；breadth-first search method；Petri net；Visual Object Net ++ software

中图分类号：TM711 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）32-0177-02

0 引言

故障诊断一般根据保护以及断路器的状态来定位故障元件从而实现隔离。对于电力系统的故障诊断通常都是运行人员在调度中心进行，保护和断路器的相应报警信息由电网故障数据采集监控系统提供，调度人员通过长时间所积累的经验结合保护的动作逻辑来定位故障元件。然而，随着电网自动化水平不断提高，在电网故障瞬间，海量故障报警信息会通过数据采集监控系统进入调度端，在这样的情况下，要调度人员根据以往的经验提取出故障的有用信息来确定故障的位置是非常困难。如何快速准确地定位故障组件，帮助操作员在第一时间排除故障，使电力系统迅速恢复到正常运行状态，愈加重要[1-3]。

Petri网在建模的过程中将电网系统图形化，它以电网系统间各要素的逻辑关系为纽带，将电网的动态变化用矩阵计算以及有向图形状态变化表示，最后可以把系统的逻辑推理过程用具有特殊含义的图形来体现[4-6]，并可以将该过程用数学推理的过程来验证。由于故障诊断是基于动作的产生逻辑，故障源是根据检测到的各类信息来定位的，所以Petri网能清楚地表述该过程。所以，本文结合故障诊断和Petri网特点，利用Petri网体现故障诊断整个动态过程，实现故障分析。

1 Petri模型

在进行故障诊断的Petri网建模时，由于需要对电网中的元件、断路器以及保护之间的关系进行描述[7]，所以要进行四种库所类型的定义：

①保护库所，用于存储监控装置收集到的保护信息；②断路器库所，用于存储监控装置收集的断路器信息；③虚拟库所，一种临时产生的中间过渡库所，在动态演变时产生，并无实际物理意义；④元件库所，是最终的输出库所，用于判断元件的故障与否。在进行Petri网故障诊断时，若最终元件库所中有令牌因子存在，那么证明这一元件发生故障；若元件中无托肯，则表明该元件正常。

下面以图1为例阐述原理。

1.1 故障诊断前的Petri网模型

在图2所示的局部电力系统当中，若线路L1发生故障，在只考虑主保护的情况下对L1进行Petri网的建模分析。若监测系统检测到保护L1Sm、L1Rm动作，断路器CB1、CB3跳闸，依照上述条件可搭建如图2所示的诊断前Petri網模型[8-10]。

1.2 故障诊断后的Petri网模型

在该模型当中，P1（L1Sm）、P3（L1Rm）是上述①中介绍的线路L1两个的主保护库所；P2（CB1）、P4（CB2）是上述②中所介绍的断路器库所；P5、P6则为上述③中所介绍的虚拟库所；P7（L1）为上述④中介绍的电网元件库所。

库所中的实心小黑点则表示托肯，在图3的模型当中，由于保护L1Sm、L1Rm动作，断路器CB1、CB3跳闸，所以对相应的库所赋予了托肯，表示有动作信息产生。将库中的所有托肯信息以矩阵形式写出，以获得Petri网初始标记M0，在本例中可得的初始标记M0=[1 1 1 1 0 0 0]T，其中第1列到第7列分别表示P1到P7，内部含有托肯的库所记为1，内部无托肯的则记为0。

将该模型下的Petri网进行动态演变，进行故障诊断后的Petri网模型如图3所示。

2 实验验证

以某电网局部网络图为例来验证Petri网应用于电网故障诊断。如图4所示，该网络中含有7条母线、8条输电线路以及16个断路器开关。

在四种案例下对Petri网的故障诊断模型进行仿真分析。

案例1：假设在线监测系统检测到保护L1Rm、L3Rs动作，断路器CB3、CB5跳闸。

案例2：假设在线监测系统检测到保护L1Rs、L3Rs动作，断路器CB3、CB5跳闸。

案例3：保护L2Sm、L2Rm动作，断路器CB4、CB8动作跳闸。

案例4：保护L1Rm动作、断路器CB2、CB3动作跳闸。

3 结果与分析

通过四个案例在不同保护和断路器的动作信息下利用Petri网对可疑故障元件建模仿真后，能准确地找出故障元件的所在，同时用数学推理对仿真进行了验证，证明了方法的准确性。最后结合故障信息对各类保护动作进行了评价，找出了拒动的保护和断路器。

4 结论

将电网故障诊断与数学上的Petri网理论结合到一起，提出一种基于Petri网的电网故障诊断方法。首先根据保护和断路器的动作信息，结合广度优先搜索法找到故障发生的区域，然后对故障区域内的可疑元件进行Petri网的建模，本文还利用了一种可用来对建立的Petri网进行仿真的软件，Visual Object Net ++，通过该软件可直接仿真得到诊断结果。本文还通过严密的数学推理方式对仿真的结果推理验证，证明了Petri网用于故障诊断具有非常高的可行性。

参考文献：

[1]梁志峰，葛睿，董昱，陈刚.印度“7.30”、“7.31”大停电事故分析及对我国电网调度运行工作的启示[J].电网技术，2013（07）：1841-1848.

[2]王同文，谢民，孙月琴.基于专家系统的继电保护故障信息综合分析技术[J].电力系统保护与控制，2013（12）：131-135.

[3]刘相锋.智能调度系统中的故障分析与研究[D].山东大学， 2011.

[4]方培培，李永丽，杨晓军.Petri网与专家系统结合的输电网络故障诊断方法[J].电力系统及其自动化学报，2005，17（2）：26-30.

[5]Murata T. Petri nets： Properties， analysis and applications[J]. Proceedings of the IEEE， 1989， 77（4）：541-580.

[6]张林.基于模糊Petri网的电力系统故障诊断[D].南昌大学，2007.

[7]王世荣，王蔚，王玉华.选择电网继电保护方式的几个问题[J].长春工业大学学报，2004，25（1）：49-51.

[8]楊春发.基于Petri网的电网故障诊断方法的研究[D].华北电力大学（北京），2005.

[9]郑逸.基于加权模糊Petri网的电网故障诊断研究[D].浙江工业大学，2015.

[10]Gong L， Ma R， Yang H J， et al. The substation fault diagnosis method based on the time constraint probability Petri net[C]// International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies. IEEE， 2016.