Petri網(wǎng)絡(luò)在變壓器故障診斷中的應(yīng)用

1、Petri網(wǎng)絡(luò)在變壓器故障診斷中的應(yīng)用             Petri網(wǎng)絡(luò)在變壓器故障診斷中的應(yīng)用王建元，紀(jì)延超 (哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江省 哈爾濱市 150001）    摘  要：Petri網(wǎng)絡(luò)理論以網(wǎng)絡(luò)理論、代數(shù)理論等為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，以圖形化的方法直觀地描述了離散事件系統(tǒng)的各種關(guān)系和行為，適用于描述異步并發(fā)現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模型和對(duì)并行及并發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行行為分析，在人工智能領(lǐng)域中正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。作者提出一種基于Petr

2、i網(wǎng)絡(luò)的變壓器故障診斷模型。論述了利用Petri網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行知識(shí)表示及推理的矩陣運(yùn)算算法，描述了故障征兆與故障的關(guān)系，使用了比傳統(tǒng)專家系統(tǒng)更深的知識(shí)，簡(jiǎn)單、明確。與傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)相比，利用此理論及方法僅僅使用簡(jiǎn)單的矩陣計(jì)算，可以減少診斷時(shí)間，提高準(zhǔn)確度。通過(guò)實(shí)例對(duì)此模型進(jìn)行的測(cè)試表明該模型方法是快速、準(zhǔn)確的。    關(guān)鍵詞：電力變壓器； 故障診斷； Petri網(wǎng)絡(luò)1 引言    電力變壓器是電力系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一，大型電力變壓器故障率為0.085次/年，因此及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障并查明故障原因是采取相應(yīng)措施排除故障的保證。變壓器故障診斷

3、一直受到工程技術(shù)研究人員的普遍關(guān)注。國(guó)內(nèi)外在變壓器故障診斷方面已經(jīng)提出了包括氣相色譜法1，2在內(nèi)的多種故障診斷方法，并得到了廣泛的應(yīng)用。局部放電技術(shù)作為一項(xiàng)準(zhǔn)確的檢測(cè)手段也已被深入研究，但這些技術(shù)具有局限性，所以運(yùn)用人工專家系統(tǒng)、模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并利用它們的結(jié)果進(jìn)行綜合分析以便進(jìn)行精確的診斷得到了廣泛的研究3-6，但在診斷能力、通用性、開(kāi)發(fā)周期、實(shí)時(shí)性和知識(shí)獲取方面還不盡如人意，因?yàn)檫@些方法不僅需要進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，還需要大量的啟發(fā)性規(guī)則。隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身及其算法的不斷完善，將它與其它方法相結(jié)合，有望成為一個(gè)有前途的方法3-6，研究、工程技術(shù)人員還嘗試?yán)闷渌恍┬录夹g(shù)進(jìn)行電網(wǎng)故障診斷7。&#

4、160;   Petri網(wǎng)能夠解釋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為的重要信息，圖形化地表達(dá)系統(tǒng)的模型，基于Petri網(wǎng)的故障診斷方法可將知識(shí)表示和診斷推力融為一體，完成描述性知識(shí)和過(guò)程性的診斷推理,通過(guò)簡(jiǎn)單的矩陣計(jì)算即可快速獲得診斷結(jié)果。為此，本文應(yīng)用Petri網(wǎng)絡(luò)理論提出了一種快速變壓器故障診斷模型，對(duì)收集到的實(shí)例所進(jìn)行的分析表明該模型是正確的，為變壓器故障快速診斷提供了一種新的工具。2 基于Petri網(wǎng)絡(luò)的知識(shí)表示及推理機(jī)    Petri網(wǎng)概念自1962年首次在C .A.Petri的博士論文“自動(dòng)機(jī)通信”中出現(xiàn)后，經(jīng)Peterson和Hac

5、k等人的不斷研究，發(fā)展成為一種可并發(fā)的狀態(tài)變遷模型，已經(jīng)在許多領(lǐng)域展開(kāi)了廣泛的研究，并在上世紀(jì)80年代后期得到了大量的應(yīng)用?；赑etri網(wǎng)知識(shí)表示和診斷推理的研究也不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)在此方面的研究起步較晚，并且大量的研究局限于FMS系統(tǒng)的故障診斷。2.1  Petri網(wǎng)絡(luò)的定義定義1  一個(gè)基本Petri網(wǎng)的結(jié)構(gòu)N是一個(gè)七元組N = (P，T，K，I，O)。此表達(dá)式中，P = P1，P2，Pn(n0)是庫(kù)所節(jié)點(diǎn)的有限集合；T = T1，T2，Tm(m0)是轉(zhuǎn)移節(jié)點(diǎn)的有限集合；K = K1，K2，Km是庫(kù)所初始托肯(Token)(m0)的有限集合；(P ×T)和(T&

6、#215;P)表示庫(kù)所到遷移和遷移到庫(kù)所的有向??；It和Ot是遷移Tt的輸入庫(kù)所和輸出庫(kù)所的有限集合8。定義2  當(dāng)一個(gè)遷移有大于等于兩個(gè)輸入庫(kù)所時(shí)稱該遷移是連接的，否則稱該遷移是非連接的。2.2  產(chǎn)生式規(guī)則的Petri網(wǎng)絡(luò)表示    典型的產(chǎn)生式規(guī)則表示為:if-then結(jié)構(gòu)也即為規(guī)則前提規(guī)則的結(jié)論表示方式。使用Petri網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)遷移的輸入庫(kù)所表示規(guī)則的前提部分，輸出庫(kù)所表示規(guī)則的結(jié)論部分，所以一個(gè)Petri網(wǎng)絡(luò)模型可以表示一條基本的產(chǎn)生式規(guī)則。    輸入事實(shí)或信息與一命題相匹配用庫(kù)所中的一個(gè)托肯來(lái)表示。對(duì)

7、于一個(gè)連接的遷移，如果其所有的輸入庫(kù)所都有一個(gè)托肯，那么此遷移是可點(diǎn)火的(Fire)并將托肯傳送到它的所有輸出庫(kù)所。推理輸出一個(gè)結(jié)論就相當(dāng)于在相應(yīng)的Petri網(wǎng)絡(luò)中由相關(guān)事實(shí)或信息得到的網(wǎng)絡(luò)初始托肯，并通過(guò)一系列遷移的點(diǎn)火將托肯傳播到其后的庫(kù)所中，與命題相關(guān)的Petri網(wǎng)絡(luò)模型輸出庫(kù)所的托肯就是本命題的結(jié)論。2.3  基于Petri網(wǎng)絡(luò)矩陣表示的推理機(jī)    對(duì)于一個(gè)具有m個(gè)庫(kù)所n個(gè)遷移的Petri網(wǎng)絡(luò)模型， Petri網(wǎng)絡(luò)模型的矩陣表示的定義如下9：定義3  輸出映射矩陣(Output incidence matrix，OIM)為D+ =Bm

8、×n而Bm×n是一個(gè)m行n列的二進(jìn)制矩陣。矩陣D+中元素表示一條有向弧從遷移Tj到它其中的一個(gè)輸出庫(kù)所Pi。遷移Tj間是否存在一條有向弧。定義5  連接輸入映射矩陣(Conjunctive input inci-dence matrix，CIIM)為而Bm×n是一個(gè)m行n列的二進(jìn)制矩陣,它表示Petri網(wǎng)絡(luò)中各連接遷移。連接輸入映射矩陣就是將輸入映射矩陣的各列相應(yīng)的非連接遷移元素用0替換而成。定義6 非連接輸入映射矩陣(Disjunctive input inn-cidence matrix，DIIM)為而Bm×n是一個(gè)m行n列的二進(jìn)制矩陣，它

9、表示Petri網(wǎng)絡(luò)中各非連接遷移。非連接輸入映射矩陣就是將輸入映射矩陣的各列相應(yīng)的連接遷移元素用0替換而成。定義7  非連接鄰接矩陣(Disjunctive adjacency ma-trix，DAM),被定義為    Ddw是一個(gè)m行n列矩陣D+與一個(gè)m行n列矩陣Dd-轉(zhuǎn)置的乘積，其元素(ddw)ij =0表示沒(méi)有一條經(jīng)過(guò)遷移從庫(kù)所Pj到Pi的通路，相應(yīng)地，(ddw)ij =1表示有一條經(jīng)過(guò)遷移從庫(kù)所Pj到Pi的通路。DAM用來(lái)表示從某一庫(kù)所經(jīng)過(guò)遷移到某一庫(kù)所是否存在一條通路。    通過(guò)以上的一系列定義知一個(gè)PNs可以用

10、簡(jiǎn)單的二進(jìn)制矩陣來(lái)描述。2.4  基于Petri網(wǎng)絡(luò)矩陣運(yùn)算推理機(jī)    做為PNs推理處理的第一步，依據(jù)系統(tǒng)中的相關(guān)事實(shí)或信息獲得PNs的初始托肯矩陣。令i表示第i步的前向推理處理，Hi表示經(jīng)過(guò)i步后系統(tǒng)各庫(kù)所的表示狀態(tài)。用公式(2)反復(fù)迭代，也即經(jīng)過(guò)一系列的點(diǎn)火直到該P(yáng)Ns不是活動(dòng)的，沒(méi)有遷移可以被點(diǎn)火。最后在Hi中托肯的變化即為所獲得的結(jié)論。3  基于Petri網(wǎng)絡(luò)的變壓器故障診斷模型    為了形成可以診斷用的PNs診斷模型，必須得收集到足夠的樣本供參考學(xué)習(xí)。為了使形成的PNs模型具有通用性和實(shí)用性，收集到

11、的樣本應(yīng)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)并盡可能地覆蓋所有的故障樣本空間。不同的變壓器對(duì)故障的表現(xiàn)形式有差異，同一變壓器在不同的運(yùn)行狀態(tài)下(輕、重載的)表現(xiàn)也不盡相同，所以，樣本應(yīng)盡量采自更多的變壓器和足夠多的運(yùn)行狀態(tài)。    在收集有關(guān)文獻(xiàn)資料基礎(chǔ)上給出了表1所列的變壓器典型故障樣本集7，依此樣本集提出了一種變壓器故障診斷PNs模型，見(jiàn)圖1。    當(dāng)然也可以隨時(shí)將所獲得的知識(shí)方便地加入以上模型中。4  算例    算例1 某發(fā)電廠主變，總烴增高，運(yùn)行觀察與所帶的負(fù)荷有關(guān)，負(fù)荷越大總烴越高。油色譜分析其中主要成分是C

12、H4，C2H4。    診斷：根據(jù)氣體主要成分是CH4，C2H4，只有模型3獲得初始托肯，即可判定為鐵芯螺絲分接頭等裸金屬過(guò)熱。    實(shí)際情況是拉板與連接螺栓過(guò)熱，屬裸金屬過(guò)熱范疇。    算例2  某電廠主變的DGA結(jié)果：三比值編碼022，介質(zhì)損耗測(cè)試正常，檢查鐵芯接地線無(wú)電流，在變壓器鐵芯層間電阻的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，某兩層之間的電阻為0。    由2節(jié)中的形成各矩陣及推理矩陣運(yùn)算得：    診斷給出為鐵芯段間短路。實(shí)際情況為鐵芯段間短路

13、。    算例3  某500kV變壓器，500kV側(cè)發(fā)生線圈對(duì)地閃絡(luò)，油色譜分析，三比值編碼(101)，故障前的例行檢查曾發(fā)現(xiàn)相直流電阻不平衡。    診斷給出為鐵芯匝間短路。實(shí)際情況為鐵芯匝間短路。5  結(jié)論    本文論述了運(yùn)用PNs進(jìn)行專家系統(tǒng)知識(shí)表示及推理的方法，探索了Petri網(wǎng)絡(luò)在電力變壓器故障診斷中的應(yīng)用，并提出了一種基于PNs變壓器故障診斷模型，此模型運(yùn)用圖形化的知識(shí)表示及推理，適用性強(qiáng)，易于知識(shí)庫(kù)的擴(kuò)充及維護(hù)。最后通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該模型的正確性及快速性。參考文獻(xiàn)1 杜洋

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