基于高级 petri 网的电网故障诊断

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　　基于高级Petri网的电网故障诊断第一章绪论1.1选题背景和研究意义随着新型电工技术的提出，我国电力工业在能源部门颁布的相关政策的扶持下快速发展，电力系统的规模不断增大，从小型的电力系统逐渐演变至大区域互联的现代电力系统。现代电网主要由500kV电网构成主网架、各省网间联系较强且配置高度自动化的监控系统，而特高压电网的成功建设也将使我国新增多条能源输送大通道，优化了资源配置，加快了国内经济转轨。区域电网的互联一方面实现了能源的有效利用，加强了环境保护，并且改善了电能质量，提高了设备利用率。另一方面，联合电力系统的出现也带来了一些潜在的危险：管理体制的松散、局部故障的处理不当及自然灾害的发生等可能引起一系列的连锁反应，造成电网大面积停电。例如：在2003年8月14日，由于监控人员未能及时发现故障、隔离故障，延误了事故处理的最佳时机，导致美国、加拿大两国部分地区遭遇了大面积停电事故，两国经济受到重创；印度北部和东部地区于2012年7月底连续两次遭遇了大面积停电，全国一半人口的生活直接受到影响，其造成的破坏不可估量。因此，在电网结构日趋复杂、电网互联规模扩大的背景下，深入探讨大面积停电事故的原因、汲取相关经验教训，基于实际国情研究容错性好、准确性高的电网故障诊断方法，将有助于我国电网的安全稳定运行。此外，由国务院国有资产监督管理委员会管理的相关电力企业在2010年左右正式提出建设坚强智能电网的概念，描绘了一幅20年后中国能源行业的美好蓝图。智能电网是指将现代电网与先进的网络技术、超导技术、超级电容器储能技术、传感与测量技术、控制仿真决策技术及数据挖掘技术等多项技术深度融合，构建成的电能质量高、安全稳定、能耗低的智能自动化电网。我国坚强智能电网的建设将依次经历统一规划、试点先行、示范推广、重点突破及全面建设、提高完善三个阶段。发展坚强智能电网将带来以下变化：家庭用电系统的智能化使居民的生活更方便、更经济；提升能源资源大范围优化配置能力；实现水能、风能、太阳能及生物能等清洁能源机组大规模并网，加快低碳经济的发展。自愈性是智能电网最重要的特征，意指能超实时分析电网运行状况，在实时采集相关信息的基础上及时发现故障并快速诊断以恢复电网的正常运行。而合理高效的电网故障诊断方法是实现智能电网自愈性的必要条件，因此，该领域吸引了越来越多国内外研究学者的关注。...... 1.2国内外电网故障诊断研究现状目前在国内，调度运行人员一般会率先与事故现场的工作人员取得联系以了解设备故障情况，依据其汇报内容并考虑电网调度中心所采集的报警信息、线路电压、系统频率及各时间断面的潮流等信息，经过仔细分析判断后以确定处理方案。图1-2所示为电网事故处理流程图，从图中可知，对继电保护信息和故障录波信息的合理分析是能否准确识别故障元件的关键。而基于合理的电网故障诊断方法则能更好地完成对上述信息的综合分析，以便迅速排除故障，恢复系统正常运行方式。目前，国内外研究学者在电网故障诊断领域已经得到了许多有工程应用价值的结论，提出了基于专家系统、人工神经网络、优化技术、Petri网、故障录波信息、贝叶斯网络、信息融合技术等的电网故障诊断方法。专家系统属于人工智能学科且广泛应用于工程领域，其本质上是一个通过独立模块间的交互作用来模拟生物思维过程处理复杂问题的先进计算机程序系统。考虑到基于调度运行人员工作经验和专业知识的传统电网故障诊断方法与专家系统的运行机制相似，研究学者将专家系统引入电网故障诊断中，并取得了一定的研究成果。文[3]基于保护装置动作进而发出信号引起断路器跳闸这一过程建立了产生式推理规则，故障发生时，按一定策略推理辅助调度运行人员准确识别故障元件。文[4]同时构建了专家系统的事例库和规则库，提出了一种具备学习能力且能处理较复杂故障情况的改进变电站故障诊断方法，具有较好的学习借鉴价值。文[5]利用BP神经网络和专家系统开发了变电站实时故障处理系统，克服了传统专家系统容错性差的缺点，使故障诊断方法更为完善。文[6]介绍了协同式专家系统，且引入多智能体技术重点考虑了区域间的协同诊断推理，提高了电网故障诊断的效率和准确性。.......第二章Petri网的基本理论及其扩展2.1引言联邦德国的科学家佩特里于1962年在他的博士学位论文中以通俗易懂的方式首次提出了Petri网的概念，Petri教授在论文中用Petri网描述了计算机通信系统中相关事件间的因果联系。后经Petri教授本人及欧美许多学者的努力，由此逐渐发展成为一类可描述事件之间的并发、依赖及因果等关系的数学模型，被研究学者称之为Petri 网。Petri网理论最初主要应用于分布式系统的设计、协议的认证、计算机的并行处理及软件系统的建模和分析等计算机科学技术领域。然而历经50多年的研究发展，Petri网理论日益完善，被广泛应用于实践之中，逐步成为研究离散事件动态系统、嵌入式系统、混杂系统及柔性制造等复杂系统的有力工具。Petri网的模型依概念抽象程度的不同可分为基本网系统、库所/变迁系统、高级网系统等不同层次模型，每类模型有自己的层次结构。实际生活中接触最多的是基本网系统和库所/变迁系统这两个最底层的模拟对象，而高级网系统是对库所/变迁系统的进一步抽象。高级网系统的一个库所中可以包含多种资源，一个变迁亦可对应着因资源差异而发生的不同变化，使得系统中网元素个数减少、系统规模降低。高级网系统大致包括谓词/变迁系统、自控网系统、面向对象Petri网、赋时Petri网、模糊Petri网、有色网系统、微分Petri网、随机Petri网、混杂Petri网等。在1992年，有印度学者利用Petri网建模工具区别于其他仿真技术的优势，首次将其应用于模拟电网故障诊断过程[25]，引来许多该领域专家的关注。经过多年的发展，现Petri网理论已广泛应用于电力系统故障诊断[26]、机组最优组合[27]、电力系统故障恢复[28]、及混杂系统分析[29]等电气工程领域。.......2.2有向网与网系统Petri网一方面可用于描述系统的拓扑结构，另一方面可模拟系统的有序运行。其中，描述系统结构的部分称为网。2.2小节中简单介绍了有向网与网系统的相关概念，在实际研究过程中，为了使Petri网模型能够包含更丰富的信息以便描述更加复杂的系统，高级Petri网系统应运而生。为了以有向图的形式直观描述故障区域的识别过程，本文结合有色网系统和自控网系统这两类较成熟的高级网系统各自的优势，提出了一种新的高级Petri网系统：有色自控Petri网。本章介绍了有向网与网系统、CSPN及IDAFPN的一些基本原理。Petri网能采用可视化的有向图刻画系统的静态结构，并利用形式化的计算方法合理描述系统的动态变化，能清晰明了反映电网中元件故障、保护装置动作及其对应断路器跳闸等事件之间的逻辑关系，进而辅助调度运行人员找出发生故障的元件。同时，基于关联矩阵的运算方式能够迅速获得Petri网的运行结果，恰好符合电网故障诊断的实时性要求。因此，本文利用Petri网独特的优势，将其应用于电网故障诊断领域是合适的。...... 第三章基于有色自控Petri网的电网故障区域识别............163.1引言.......163.2故障区域搜索的有色自控Petri网模型............163.3故障区域搜索过程..........193.4仿真验证........213.5本章小结........25第四章改进动态自适应模糊Petri.........274.1引言.......274.2基于改进动态自适应模糊Petri.........274.3算法的适应性与容错性分析............364.3.1算法的适应性分析.........364.3.2信息不完备情况下的容错性分析............374.4仿真验证........374.5本章小结........40第四章改进动态自适应模糊Petri网在电网故障诊断中的应用4.1引言Petri网作为一种新兴的建模工具，近些年被许多研究学者广泛应用于电网故障诊断领域中，取得了较多有推广价值的研究成果。利用Petri网的独特建模优势，仅通过简单的矩阵运算便可较准确地找出故障元件，且推理过程简单明了。然而，目前已有的利用Petri网理论进行电网故障诊断分析的方法还存在一些不足，仍有待改进：1）基于模糊Petri网的电网故障诊断方法通常是以元件为基础形成各自的模型，建立各自的故障诊断推理矩阵，计算效率较低；且所构建的元件模型并不能较好地适应电网拓扑结构的变化时，往往需要重新建立元件的模型。2）现已有研究学者利用Petri网理论构建了用于电网故障诊断的元件模型，但Petri网模型中的相关参数，例如：权值、确信度和阈值等，主要依赖调度运行人员的工作经验给出，参数取值的依据还不够强，使得电网故障诊断结果在一定程度上会受到人为主观因素的影响。基于此，本章提出一种基于IDAFPN与BP算法的电网故障诊断方法。通过引入一种新的高级Petri网对原有模糊Petri网作进一步抽象，使得所建立的Petri网模型更为合理，且包含更丰富的信息量。另外，利用BP神经网络算法对构建的Petri 网模型中的相关参数进行训练，使之具有一定的自我学习能力以减小电网故障诊断过程中人为主观因素造成的误差。通过相关算例的仿真验证结果及与现有的方法对比分析可知：本章所提算法在单重故障、多重故障及复杂故障的情况下均能给出较准确的诊断结果，具有良好的容错性和适应性。......结论电网发生故障时，继电保护装置会检测到故障征兆而动作于断路器跳闸，电网调度运行人员会在短时间内获取众多涉及电网事故的相关信息，如：事故遥信、系统电压、频率波动、现场调度运行人员的汇报、重要线路潮流越限等。基于上述信息，电网调度运行人员需及时对故障情况进行分析判断，并根据相关调度规程采取有效措施恢复电力系统的正常运行。然而当电网多处故障且调度中心采集到的事故信息不完备时，电网调度运行人员很难在短时间内准确分析以隔离故障元件，此时电网的安全情况薄弱，电网的安全稳定运行状态受到威胁。因此，研究一种高效的电网故障诊断方法以便协助调度监控人员进行事故处理就显得尤为重要。本文以电网故障诊断过程为研究对象，首先，利用断路器的实时信息提出了一种基于CSPN的电网故障区域识别方法，有效地把可疑故障元件限制在某个或多个无源区域中。然后，在现有的电网故障诊断方法的基础上，提出了一种基于IDAFPN与BP算法的电网故障诊断方法。最后，用某8节点测试系统和吉林四平实际电网故障算例对所构建的故障诊断Petri网模型的准确性、容错性及相应求解方法的有效性作了验证。对所做工作进行总结，得出以下结论：Petri网是一种具有严格的数学定义且能有效描述系统中各部分间的关联性的新兴数学模型，它能用有向图形象直观地描述系统各事件之间的逻辑关系。电力系统中保护装置及其断路器反应于故障而动作，有选择性的快速准确隔离故障元件的过程恰好属于系统同时发生或次序发生的活动的范畴，因此，用Petri网对该过程进行分析判断是合适的。............