利用Petri網(wǎng)建模進(jìn)行電網(wǎng)故障檢測的一般步驟綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u17205利用Petri網(wǎng)建模進(jìn)行電網(wǎng)故障檢測的一般步驟綜述 1167961.1Petri網(wǎng)理論簡介 175991.2Petri網(wǎng)基本知識(shí)及運(yùn)行規(guī)則 164181.1.1Petri網(wǎng)的定義 2306601.1.2Petri網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)則 2107641.1.3Petri網(wǎng)求解方法及推理規(guī)則 295481.1.4Petri網(wǎng)的電網(wǎng)故障檢測的特點(diǎn) 4178441.3模糊Petri網(wǎng)的原理與知識(shí)表達(dá) 552961.3.1模糊Petri網(wǎng)原理 589821.3.2模糊Petri網(wǎng)知識(shí)表達(dá) 587101.3.3模糊Petri網(wǎng)求解方法及推理規(guī)則 846651.4小結(jié) 8Petri網(wǎng)以簡單明了的圖形及連線描述實(shí)際系統(tǒng)動(dòng)態(tài)或靜態(tài)的重要信息，并對(duì)其進(jìn)行分析和研究，從而得到結(jié)論。利用Petri網(wǎng)方法進(jìn)行電網(wǎng)故障檢測，需要對(duì)對(duì)象網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)的Petri網(wǎng)建模，然后對(duì)所建模型應(yīng)用相關(guān)算法進(jìn)行分析，這樣一來可以清晰的描述從已知知識(shí)到診斷結(jié)果的推理過程,并可通過簡單的矩陣運(yùn)算快速、準(zhǔn)確地獲得診斷結(jié)果[30]。經(jīng)過前人對(duì)Petri網(wǎng)的研究，模糊Petri網(wǎng)在電網(wǎng)故障檢測中顯示出其獨(dú)到的特性和優(yōu)勢。1.1Petri網(wǎng)理論簡介Petri網(wǎng)理論是1962年聯(lián)邦德國的CarlAdamPetri博士提出的一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的信息流模型，其主要用于模擬通信系統(tǒng)，后來演化為一個(gè)科學(xué)分支[31]。Petri網(wǎng)與傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、分析工具相比，它用圖形表示系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，還能用關(guān)聯(lián)矩陣、可達(dá)樹等來計(jì)算、描述推理過程[32]。1.2Petri網(wǎng)基本知識(shí)及運(yùn)行規(guī)則目前，對(duì)Petri網(wǎng)進(jìn)行的研究通常針對(duì)單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)。在研究中，通常將Petri網(wǎng)分解為庫所、變遷和弧等幾個(gè)部分，進(jìn)行分別研究[33]。1.1.1Petri網(wǎng)的定義定義(基網(wǎng)）三元組滿足以下條件稱為基網(wǎng)或簡稱為網(wǎng)：其中代表的庫所集，代表的變遷集。表示空集，表示兩個(gè)集合的笛卡兒乘積運(yùn)算。為流關(guān)系，即為由一個(gè)中的元素和一個(gè)中的元素組成的有序偶。X＝P∪T稱為的元素集。定義(Petri網(wǎng)）六元組構(gòu)成一個(gè)Petri網(wǎng)的充要條件是：為的基網(wǎng)。稱為的容量函數(shù)，表示位置的最大容量，表示正整數(shù)集。稱為的權(quán)函數(shù)，表示從到的弧的權(quán)函數(shù)值。稱為的一個(gè)初始標(biāo)識(shí)，對(duì)表示中的的托肯數(shù)，表示非負(fù)正整數(shù)。1.1.2Petri網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)則在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，對(duì)任一事件必須在所有前提條件(狀態(tài))均滿足(實(shí)現(xiàn))的情況下才有可能發(fā)生。變遷的使能規(guī)則定義為：一個(gè)變遷在標(biāo)識(shí)下使能，當(dāng)且僅當(dāng)：。所產(chǎn)生的結(jié)果狀態(tài)及其次數(shù)由輸出函數(shù)確定，并用輸出庫所中增加的托肯表示[34]。由此，PN的標(biāo)識(shí)發(fā)生變化。1.1.3Petri網(wǎng)求解方法及推理規(guī)則利用Petri網(wǎng)進(jìn)行故障檢測，首先要確定各參數(shù)及其實(shí)際意義[35]，在圖1.1的例子中，假設(shè)輸電線路的故障由主保護(hù)切除，那么初始標(biāo)識(shí)向量庫所中都將得到一個(gè)托肯。圖1.1簡單的電力系統(tǒng)結(jié)線圖初始標(biāo)識(shí)向量如下：其中為“1”表示該庫所存在資源。根據(jù)故障檢測的Petri網(wǎng)模型，系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)矩陣C為：“1”表示輸出，“-1”表示輸入，整個(gè)關(guān)聯(lián)矩陣表示Petri網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)表示系統(tǒng)的分析推理步驟。變遷的輸入庫所存在托肯，具備了點(diǎn)火條件，點(diǎn)火向量為：此系統(tǒng)要繼續(xù)進(jìn)行下一步推理，推理之后的庫所里的托肯分配為：此時(shí)，庫所中得到托肯，此時(shí)可以點(diǎn)火，點(diǎn)火向量為：重復(fù)上述推理過程，可得到故障檢測的最后總結(jié)過為：由上述推理過程可知，故障。根據(jù)上述推理規(guī)則和算法可知，在主保護(hù)發(fā)生拒動(dòng)的情況下，后備保護(hù)會(huì)使系統(tǒng)斷開斷路器，這種情況下，對(duì)應(yīng)的主保護(hù)中的托肯不分配，而發(fā)生動(dòng)作的后備保護(hù)中會(huì)得到一個(gè)托肯，此時(shí)系統(tǒng)的初始標(biāo)識(shí)向量矩陣和變遷點(diǎn)火矩陣與主保護(hù)動(dòng)作時(shí)不同，比如，當(dāng)線路的端主保護(hù)發(fā)生拒動(dòng)的情況下，其近后備保護(hù)將動(dòng)作，最后斷開斷路器將切除故障。這時(shí)的初始標(biāo)識(shí)向量矩陣為：此時(shí)點(diǎn)火矩陣變?yōu)椋宏P(guān)聯(lián)矩陣此時(shí)并未發(fā)生變化，因而在采用上述的推理方法進(jìn)行推理運(yùn)算之后，仍可以得到線路故障。在故障檢測過程中，盡管存在一定的誤報(bào)率，但從SCADA傳來的信息大部分還是是正確的。但仍會(huì)存在一定的不確定信息，比如動(dòng)作的同時(shí)，檢測到也發(fā)生動(dòng)作，依據(jù)推理規(guī)則可知，變遷和都具備點(diǎn)火條件，和都將得到一個(gè)托肯，同時(shí)中也得到一個(gè)托肯，因此都具備點(diǎn)火條件，最終中可能會(huì)得到兩個(gè)托肯。雖然從推理過程上來說是可行的，但是就其實(shí)際意義來說，仍不能確定究竟是哪種保護(hù)動(dòng)作斷開了斷路器，這就為調(diào)度員的決策過程帶來了一定的麻煩。1.1.4Petri網(wǎng)的電網(wǎng)故障檢測的特點(diǎn)基于上述原則建立的Petri網(wǎng)模型具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)故障檢測的模型簡單，物理意義清晰。(2)Petri網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、變遷的激發(fā)過程和診斷結(jié)果可以在圖形上直觀的表示出來，便于理解。(3)利用關(guān)聯(lián)矩陣結(jié)構(gòu)代替了知識(shí)庫，使系統(tǒng)的構(gòu)建和維護(hù)更加簡單易行。(4)故障檢測推理的過程用矩陣運(yùn)算代替，過程簡單，不需要在龐大的規(guī)則庫或解空間搜索匹配的規(guī)則或最優(yōu)解。(5)模型的適應(yīng)性較好，魯棒性較高。對(duì)于電網(wǎng)及其運(yùn)行方式的改變只需修改少許關(guān)聯(lián)矩陣庫即可應(yīng)用。(6)運(yùn)算速度較規(guī)則搜索快，適于電力系統(tǒng)在線應(yīng)用。1.3模糊Petri網(wǎng)的原理與知識(shí)表達(dá)1965年扎德教授提出了關(guān)于模糊集合的理論，模糊Petri網(wǎng)是在基本Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)上擴(kuò)充得來的，模糊理論是通過事物的模糊性用模糊集合和隸屬函數(shù)通過模糊關(guān)系表達(dá)的[36]。模糊Petri的庫所對(duì)應(yīng)區(qū)間[0，l]中的一個(gè)值，變遷對(duì)應(yīng)一個(gè)確定因子CF(CertainFactor)，并且定義了輸入輸出矩陣。1.3.1模糊Petri網(wǎng)原理模糊Petri網(wǎng)是PN與知識(shí)表達(dá)的結(jié)合，模糊Petri網(wǎng)的庫所是指其包含的托肯是一個(gè)0到1之間的真實(shí)值的關(guān)聯(lián)[37]；而變遷與一個(gè)0到1之間的規(guī)則的確定性因子(CF)相關(guān)聯(lián)；變遷的使能及激發(fā)規(guī)則也在Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)上做出了修改。產(chǎn)生模糊Petri網(wǎng)的主要規(guī)則是非常值得研究的，研究的主要方式是模型研究。廣義的模糊Petri網(wǎng)(FPN)是在PN的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而來的。FPN屬于有向圖的一種，圖中的主要節(jié)點(diǎn)包括庫和變遷。模糊Petri網(wǎng)與普通Petri網(wǎng)相比有不同之處，主要如下表所示：表1.1模糊Petri網(wǎng)與普通Petri網(wǎng)比較名稱普通petri網(wǎng)模糊petri網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)不可運(yùn)行可運(yùn)行轉(zhuǎn)移結(jié)點(diǎn)只有兩種狀態(tài)非負(fù)實(shí)數(shù)值位置結(jié)點(diǎn)只有兩種狀態(tài)任意正實(shí)數(shù)輸入輸出類型只有兩種狀態(tài)無向離散可以定義輸入輸出量可以有向連續(xù)1.3.2模糊Petri網(wǎng)知識(shí)表達(dá)最簡單的模糊型概率Petri網(wǎng)模型如圖1.2所示：圖1.2模糊Petri網(wǎng)的知識(shí)表達(dá)進(jìn)行較復(fù)雜的電力系統(tǒng)故障檢測時(shí),采集到的信息網(wǎng)經(jīng)常帶有不確定性，例如故障發(fā)生的隨機(jī)性、征兆的模糊性、診斷經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的不確定性、不一致性和不完備性等，為了能準(zhǔn)確地表述這些診斷信息,模糊產(chǎn)生式規(guī)則就被用于診斷知識(shí)的表示[38],用來描述兩個(gè)命題之間的模糊關(guān)系，令R為一組含有n個(gè)模糊產(chǎn)生式規(guī)則的集合,,則第i條模糊產(chǎn)生式規(guī)則的通用形式為：：IFThen（）(1)和是可以包含模糊變量的命題,如:“很優(yōu)秀”、“較為嚴(yán)重”等不易用準(zhǔn)確值表示的命題，每個(gè)命題的真值是一個(gè)在0和1之間的實(shí)數(shù)值,這個(gè)值越高,命題的真實(shí)度就越高;(2)是置信度CF的值,，置信度是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)一個(gè)事物或現(xiàn)象為真的相信程度,這個(gè)值越高其規(guī)則的可信程度越高。當(dāng)產(chǎn)生式規(guī)則的內(nèi)容中采用邏輯符號(hào)，如and，or.等的時(shí)候，稱之為合成產(chǎn)生式規(guī)則，根據(jù)MYCIN專家系統(tǒng)中的基于置信度的不確定推理方法進(jìn)行計(jì)算，如模糊命題的合取式的真值計(jì)算的時(shí)候，需要選擇各個(gè)子式真值的最小值；而析取式取各子式真值的最大值則進(jìn)行分類型處理：類型1：IFandandandThen（CF=）該模型規(guī)則標(biāo)記FPN建模及推理過程如圖1.3到1.5所示。圖1.3模糊Petri網(wǎng)And規(guī)則1類型2：IFThenandandand（）圖1.4模糊Petri網(wǎng)And規(guī)則2類型3：IFORORORThen（）圖1.5模糊Petri網(wǎng)OR規(guī)則在實(shí)際的故障檢測推理過程中,經(jīng)常會(huì)用此類規(guī)則來描述由多個(gè)故障原因共同引起一個(gè)故障的情況。在上述模糊Petri網(wǎng)模型規(guī)則中,此類規(guī)則的變遷點(diǎn)火條件要求每一個(gè)輸入庫所的置信度值都大于閥值,其輸出庫所的推理結(jié)論值采用Min操作來求出。而事實(shí)上,多因一果的故障模式不能僅簡單采用這種推理運(yùn)算方式,因?yàn)榧幢闶嵌喾N原因?qū)е乱环N故障,各故障原因之間對(duì)故障的重要程度是不一樣，對(duì)應(yīng)在加權(quán)模糊Petri網(wǎng)里，也就是他們的權(quán)值是不同的。由此可見,僅僅根據(jù)上述復(fù)合規(guī)則而建立的簡單的FPN模型難以完全充分表達(dá)故障檢測中出現(xiàn)的程度問題。加權(quán)模糊產(chǎn)生式規(guī)則包含三種：類型1：IFTHEN（），類型2：IFANDANDANDTHEN（）類型3：IFORORORTHEN（CF=），，其中，，跟上一節(jié)定義相同，即包含模糊變量的命題，其真值在0到1之間；為置信度CF的真值。規(guī)則可應(yīng)用的閥值采用；表示的是輸入命題的權(quán)值，輸入庫所的多少與權(quán)值的多少對(duì)應(yīng)。上述三種加權(quán)模糊產(chǎn)生式規(guī)則具體分析如下：(1)對(duì)于類型1，由于只有一個(gè)輸入命題，所以他的權(quán)值系數(shù)就是1，而對(duì)于輸出命題的CF，我們做如下解釋，現(xiàn)定義為命題的實(shí)際值，那么，當(dāng)且僅當(dāng)輸入即輸入命題置信度比規(guī)則激發(fā)閥值打大的時(shí)候，規(guī)則才被激發(fā)，得到的輸出命題置信度。(2)對(duì)于類型2，它有多個(gè)必須輸入命題，也就是只有所有的輸入命題通知滿足時(shí)才會(huì)產(chǎn)生結(jié)果，但需要說明的是，由于多個(gè)輸入命題對(duì)輸出結(jié)果發(fā)生的影響不用，即它們的重要程度不同，所以必須給他們賦予不同的加權(quán)因子來表達(dá)，對(duì)結(jié)論成立越重要的命題其全職系數(shù)越大。且必須滿足，；對(duì)于規(guī)則的激活，同樣是當(dāng)滿足時(shí)才可以，但這里。(3)類型3，在此類型中，多個(gè)輸入命題均可導(dǎo)致相同結(jié)果的產(chǎn)生，與類型2不同的是，不需要個(gè)輸入命題同時(shí)發(fā)生，只要滿足至少一個(gè)命題發(fā)生就可以使結(jié)果產(chǎn)生。但產(chǎn)生故障的可能程度不同，所以它們的權(quán)值系數(shù)不同，即輸入命題的置信度不同，這里我們采用極大求值法，即1.3.3模糊Petri網(wǎng)求解方法及推理規(guī)則我們廣義上講的模糊推理規(guī)則一般是用來描述兩個(gè)命題之間相互關(guān)系的規(guī)則。當(dāng)模糊推理規(guī)則的集合采用進(jìn)行說明，這里就有。通常情況下，第條模糊推理退則都是用如下形式來描述：上式中和都是包含模糊量的命題，如上面提到過的“溫度比較高”，“分?jǐn)?shù)比較低