基于Petri網(wǎng)的艦船綜合電力系統(tǒng)故障診斷方法

姜 波，李洪義，謝 煒，方 斌，徐正喜

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064;2.海軍××工程辦公室，北京 100841)

0 引言

艦船綜合電力系統(tǒng)的主要任務(wù)是在各種復(fù)雜情況下保證艦船重要負(fù)載和推進(jìn)電機(jī)的連續(xù)可靠供電，特別是在出現(xiàn)故障或戰(zhàn)損的情況下必須及時(shí)可靠的處理故障，防止故障影響的進(jìn)一步擴(kuò)大并快速恢復(fù)供電中斷區(qū)域的電能供應(yīng)。為此，在綜合電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的基礎(chǔ)上，自動(dòng)化系統(tǒng)必須在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成綜合電力系統(tǒng)的故障檢測(cè)、故障診斷及故障后恢復(fù)。本文主要針對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，在具有較完備的故障檢測(cè)能力的基礎(chǔ)上，提出利用Petri網(wǎng)理論進(jìn)行艦船綜合電力系統(tǒng)故障診斷的方法。

1 艦船綜合電力系統(tǒng)的特點(diǎn)

綜合電力系統(tǒng)除了為艦船日常用電負(fù)荷供電之外，還需要根據(jù)任務(wù)工況為推進(jìn)電機(jī)或高能武器等大功率負(fù)荷供電，系統(tǒng)容量遠(yuǎn)大于常規(guī)艦船電力系統(tǒng)，為此綜合電力系統(tǒng)必須采用中壓供電方式，其中以中壓直流為主干的直流區(qū)域配電結(jié)構(gòu)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。綜合電力系統(tǒng)主要有如下特點(diǎn)［2－5］:

1)系統(tǒng)一次電網(wǎng)為中壓直流，通過(guò)電力變換裝置變?yōu)榈蛪弘姙楦鞣N低壓負(fù)荷供電;

2)電力推進(jìn)所需電力與全船所有其他電力負(fù)荷相當(dāng)甚至遠(yuǎn)大于其他負(fù)荷，其容量與中壓發(fā)電機(jī)容量相匹配;

3)中壓電源設(shè)備與主配電板之間多采用空氣斷路器進(jìn)行保護(hù)，負(fù)載支路多采用快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)，利用框架式空氣斷路器的固有動(dòng)作時(shí)間大于快速熔斷器的熔斷時(shí)間實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù);

4)低壓交流電網(wǎng)以各低壓配電板構(gòu)成輻射式供電網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)類似于常規(guī)艦船供電系統(tǒng)。

作為捷豹品牌的創(chuàng)始人威廉·里昂斯（William Lyons）爵士參與設(shè)計(jì)的最后一款捷豹轎車，于1968年巴黎車展首秀的XJ Series I是一款擁有媲美捷豹傳奇跑車E-type駕控性能的豪華轎車。此外，XJ Series I還擁有大氣沉穩(wěn)、不失美感的外觀造型以及優(yōu)異的動(dòng)力性能，為當(dāng)時(shí)的豪華轎車市場(chǎng)注入了全新活力。當(dāng)然，捷豹XJ自誕生之日起也贏得了眾多車主的青睞，其中不乏社會(huì)精英、名流政要及皇室成員。

采用中壓直流電網(wǎng)的綜合電力系統(tǒng)的局部電網(wǎng)如圖1所示。

圖1 綜合電力系統(tǒng)的局部電網(wǎng)圖Fig.1 Partial network of IPS

2 基于Petri網(wǎng)的故障診斷方法

2.1 Petri網(wǎng)簡(jiǎn)介［6－7］

Petri網(wǎng)是以網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)描述系統(tǒng)中離散事件之間的邏輯關(guān)系的一種系統(tǒng)建模工具，并可以代數(shù)矩陣運(yùn)算演繹系統(tǒng)中同時(shí)發(fā)生的各種動(dòng)態(tài)行為。Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)是一種有向圖結(jié)構(gòu)，由庫(kù)所、變遷以及從庫(kù)所到變遷或者從變遷到庫(kù)所的有向弧組成。在Petri網(wǎng)的圖形表示中，庫(kù)所用圓圈表示，變遷用短豎線表示。如果庫(kù)所s被分配了1個(gè)非負(fù)整數(shù)n，則在庫(kù)所s中置以n個(gè)小黑點(diǎn)，并稱這些小黑點(diǎn)為令牌(token)，稱庫(kù)所標(biāo)識(shí)有n個(gè)令牌。

若存在從庫(kù)所s到變遷t的弧，則稱庫(kù)所s為變遷t的輸入庫(kù)所;若存在從變遷t到庫(kù)所s的弧，則稱庫(kù)所s為該變遷的輸出庫(kù)所。當(dāng)變遷t的所有輸入庫(kù)所都至少有1個(gè)令牌，則稱變遷t是激活的，只有激活的變遷才可以被引發(fā)，當(dāng)1個(gè)激活的變遷引發(fā)后，先從它的每個(gè)輸入庫(kù)所取走1個(gè)令牌，再給它的每個(gè)輸出庫(kù)所放進(jìn)1個(gè)令牌。系統(tǒng)狀態(tài)的變化是通過(guò)變遷的引發(fā)和令牌的傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)及變遷點(diǎn)火不僅可用圖形直觀地表示，還可用矩陣計(jì)算來(lái)描述。Petri網(wǎng)的基本矩陣包括關(guān)聯(lián)矩陣C、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)向量M和點(diǎn)火序列U等。

關(guān)聯(lián)矩陣C的行數(shù)為庫(kù)所的個(gè)數(shù)，列數(shù)為變遷的個(gè)數(shù)，它用于描述Petri的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其元素定義:

其中，w(s，t)為從庫(kù)所s到變遷t的有向弧的權(quán)(通常為1);f(s，t)∈F為從庫(kù)所s到變遷t存在有向通路;f(t，s)∈F為變遷t到庫(kù)所s存在有向通路。

網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)向量M維數(shù)為庫(kù)所的個(gè)數(shù)，元素的值是相應(yīng)庫(kù)所中令牌的數(shù)量。點(diǎn)火序列U維數(shù)為變遷的個(gè)數(shù)，用于表示變遷的激活狀況，如某個(gè)變遷為激活狀態(tài)，則向量中對(duì)應(yīng)的元素值為1，否則為0。有以下狀態(tài)變遷方程:

其中:n為變遷引發(fā)的次數(shù);M0為初始網(wǎng)絡(luò)標(biāo)記狀態(tài)。變遷依次引發(fā)直至Mn+1=Mn，則認(rèn)為狀態(tài)穩(wěn)定，變遷結(jié)束，稱Mn為最終網(wǎng)絡(luò)標(biāo)記向量。

2.2 故障診斷實(shí)例

以圖1中元件L3出現(xiàn)故障為例，分析故障影響，建立其Petri網(wǎng)模型，如圖2所示。

圖2 L3點(diǎn)Petri網(wǎng)模型Fig.2 Petri net model for L3

圖中庫(kù)所L3代表L3故障。如L3故障，則FU2會(huì)熔斷，同時(shí)斷路器CB1內(nèi)的保護(hù)裝置會(huì)發(fā)出保護(hù)信號(hào)，但是由于在CB1固有動(dòng)作時(shí)間內(nèi)故障點(diǎn)被切除，CB1會(huì)出現(xiàn)動(dòng)作返回情況。另外，T1未出現(xiàn)故障，不會(huì)給出內(nèi)部故障信號(hào)。以上過(guò)程由變遷tb1代表，相應(yīng)的，庫(kù)所FU2代表FU2熔斷，庫(kù)所CB1代表CB1動(dòng)作返回，庫(kù)所T1代表T1正常。

變遷tm1至tm3表示自動(dòng)化系統(tǒng)從各個(gè)設(shè)備采集信號(hào)的過(guò)程，庫(kù)所FU2_M，CB1_M，R1_M，T1_M代表了采集得到的數(shù)據(jù)。

由以上分析可知，Petri網(wǎng)變遷過(guò)程所遵循的推理規(guī)則是與故障后電力系統(tǒng)繼電保護(hù)動(dòng)作和自動(dòng)化系統(tǒng)信號(hào)采集的流程相一致的。

根據(jù)L3點(diǎn)故障的Petri網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)可寫出其關(guān)聯(lián)矩陣:

初始標(biāo)記向量

根據(jù)初始標(biāo)記情況和網(wǎng)絡(luò)圖，可知點(diǎn)火序列

則根據(jù)式(2)，可得到

即庫(kù)所FU2，CB1，T1被標(biāo)記，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)圖，可得到

進(jìn)行第二次狀態(tài)變遷，

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)圖可知，再?zèng)]有變遷被激活，M2為最終網(wǎng)絡(luò)標(biāo)記向量。可看出，庫(kù)所L3被標(biāo)記，說(shuō)明是L3出現(xiàn)故障，診斷過(guò)程結(jié)束。

2.3 模型分析與說(shuō)明

船舶電站容量小，電站與用電設(shè)備距離近，相互間影響大。因此本文對(duì)綜合電力系統(tǒng)的故障診斷方法不僅針對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)，還包括了發(fā)電設(shè)備、變電設(shè)備和用電設(shè)備等。

船舶空間有限，而線路較短，為了減小設(shè)備體積，通常只在線路的一端配置斷路器或熔斷器進(jìn)行保護(hù)，因此往往線路故障和設(shè)備故障難以區(qū)分，此時(shí)應(yīng)將設(shè)備與其連接的電纜作為1個(gè)元件進(jìn)行診斷。但是，對(duì)于某些具備自身診斷能力的電氣設(shè)備，如果其診斷信息可快速發(fā)送到自動(dòng)化系統(tǒng)，則可將其與其連接的電纜分成2個(gè)元件進(jìn)行診斷，在圖1所示的局部電網(wǎng)中即假設(shè)G1和T1具備自身診斷能力。

本文采用了針對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)建立的Petri網(wǎng)模型方便直觀，符合故障推理邏輯，有利于故障診斷模型的快速開發(fā)和維護(hù)。同時(shí)，其診斷過(guò)程可用矩陣運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，又保證了診斷運(yùn)算的快速便捷。從算例中可以看出診斷結(jié)果是準(zhǔn)確地，說(shuō)明了Petri網(wǎng)模型適合用于艦船綜合電力系統(tǒng)的故障診斷。

因Petri網(wǎng)本身不具備處理不確定信息的能力，本文故障診斷的前提是數(shù)據(jù)準(zhǔn)確完整，無(wú)容錯(cuò)設(shè)計(jì)雖然縮小了故障診斷的應(yīng)用范圍，但有利于保證故障診斷結(jié)果的真實(shí)可靠。特別是如果艦船綜合電力系統(tǒng)采用電網(wǎng)自動(dòng)重構(gòu)的故障恢復(fù)方案，為防止不必要的誤動(dòng)作，故障診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性往往比全面性更為重要。另一方面，艦船綜合電力系統(tǒng)故障點(diǎn)有限，人工排查不是很困難，降低了故障診斷全面性的需求。

本文的Petri網(wǎng)模型之所以要將自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的過(guò)程納入進(jìn)來(lái)，除了數(shù)據(jù)表述更清晰以外，更主要的原因是因?yàn)槟承┲悄茈姎庠O(shè)備雖然不參與繼電保護(hù)，但其數(shù)據(jù)也有利于進(jìn)行故障診斷，因此需要將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合考慮。另外，數(shù)據(jù)采集過(guò)程也是實(shí)際存在的物理過(guò)程，需要傳輸時(shí)間，也可能會(huì)出錯(cuò)，將其納入模型中可為將來(lái)基于時(shí)間的Petri網(wǎng)研究、Petri網(wǎng)的數(shù)據(jù)不確定性研究等打下基礎(chǔ)。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文介紹了1種基于Petri網(wǎng)模型的電力系統(tǒng)故障診斷方法。Petri網(wǎng)具備建模直觀，計(jì)算方便，結(jié)果指向明確等優(yōu)點(diǎn);缺點(diǎn)是依賴于已有知識(shí)，不能處理不確定信息，容錯(cuò)性不夠。因此，如要提高故障診斷的全面性和容錯(cuò)性，建議采用兩級(jí)診斷方式。首先用Petri網(wǎng)診斷，如果得不出確定性的診斷結(jié)論，再采用其他智能診斷的方式，如模糊 Petri網(wǎng)［8］、專家系統(tǒng)［9］等進(jìn)行故障診斷，給出可能出現(xiàn)的故障點(diǎn)。

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