【正文】 etri網(wǎng)方法在變電站故障診斷應(yīng)用中的可行性和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，確立了基于粗糙集理論和Petri網(wǎng)模型的變電站故障診斷方法。將粗糙集理論和Petri網(wǎng)理論進(jìn)行結(jié)合，不僅僅可以克服粗糙集的查表搜索過程計(jì)算量大的問題，還可以解決Petri網(wǎng)絡(luò)的先驗(yàn)知識(shí)存在冗余性問題。Petri網(wǎng)可以利用簡(jiǎn)單的矩陣運(yùn)算演繹推理的動(dòng)態(tài)過程，求解速度快，可用于變電站的實(shí)時(shí)故障診斷。因?yàn)橐坏┳R(shí)別出了故障元件，就可以利用保護(hù)動(dòng)作的原理結(jié)合邏輯推理對(duì)誤動(dòng)作的斷路器和保護(hù)進(jìn)行識(shí)別。因此采用高級(jí)Petri網(wǎng)進(jìn)行大型復(fù)雜系統(tǒng)的建模勢(shì)在必行。4. Petri網(wǎng)(Petri net)Petri網(wǎng)(Petri net)是在年間由德國(guó)數(shù)學(xué)家提出的一種通用的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)然，在故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用中，ANN也存在以下的幾點(diǎn)問題：(a) ANN不能夠?qū)﹄娋W(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行描述和表示，所以通常只能在一些規(guī)模較小的并且采用固定接線的電網(wǎng)中應(yīng)用；(b) 在應(yīng)用ANN分析處理問題前，需要學(xué)習(xí)足夠多典型的樣本，另外學(xué)習(xí)過程所采用的算法往往收斂的速度不快；(c) ANN不善于分析那些帶有啟發(fā)性的知識(shí)。(4) 由于電力網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和自動(dòng)化裝置的配置不斷變化，作為故障診斷的專家系統(tǒng)，其儲(chǔ)備的知識(shí)庫隨之也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的修改、校核。它也是眾多人工智能技術(shù)中發(fā)展相對(duì)成熟的一種。這種情況下，調(diào)度運(yùn)行人員在很短的時(shí)間內(nèi)要閱讀這么多未經(jīng)任何加工處理的報(bào)警信息，理解其中的含義并抓住報(bào)警信息的實(shí)質(zhì)是相當(dāng)困難的。各類電壓等級(jí)的變電站數(shù)量歷年遞增，導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜。變電站故障診斷就是將故障征兆信息從變電站的某些檢測(cè)量中提取出來，然后通過對(duì)這些信息的分析與處理，判斷出故障的位置和根源。這些二次設(shè)備會(huì)當(dāng)變電站發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生大量諸如斷路器跳閘、保護(hù)裝置告警、保護(hù)動(dòng)作、故障錄波器動(dòng)作等等的報(bào)警信息。由于人工智能技術(shù)可以模仿人類的思維方式和處理問題的過程，并具有類似人類的學(xué)習(xí)能力和經(jīng)驗(yàn)積累，使得這一技術(shù)在故障診斷領(lǐng)域里脫穎而出。(2) 專家系統(tǒng)畢竟不能像人類一樣具有對(duì)新事物的學(xué)習(xí)能力，所以一旦發(fā)生儲(chǔ)備知識(shí)庫里無法搜索到的新故障情況，將導(dǎo)致專家系統(tǒng)的錯(cuò)誤診斷或不診斷。除此之外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還具有以下優(yōu)勢(shì)：(1) 在學(xué)習(xí)的能力方面，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程首先是確定其基本結(jié)構(gòu)，緊接著用算法進(jìn)行樣本的訓(xùn)練，最終完成自身對(duì)知識(shí)的理解和組織。將模糊理論引入到專家系統(tǒng)方法中，推理就由精確向近似轉(zhuǎn)變，專家系統(tǒng)的容錯(cuò)能力也就得到了極大的提高。這個(gè)過程用Petri網(wǎng)絡(luò)描述特別適宜，因?yàn)樗褪窍到y(tǒng)同時(shí)發(fā)生或次序發(fā)生的活動(dòng)。另外，變電站中存在因?yàn)閿嗦菲骷氨Ｗo(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)、通信裝置故障等原因造成的信號(hào)不完備問題。然而，利用粗糙集規(guī)則進(jìn)行推理決策過程中，當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，對(duì)規(guī)則進(jìn)行查表匹配的計(jì)算量將挺大。首先，粗糙集理論不僅可以進(jìn)行知識(shí)的約簡(jiǎn)，還可以進(jìn)行不確定信息的處理，最終可以實(shí)現(xiàn)知識(shí)的屬性優(yōu)選，可以獲得最佳的決策規(guī)則。但利用粗糙集規(guī)則進(jìn)行推理決策過程中，當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，對(duì)規(guī)則進(jìn)行查表匹配的計(jì)算量將特別大。 (5) 對(duì)所建立的故障模型進(jìn)行樣本測(cè)試和方法的分析比較。當(dāng)變電站遇到故障時(shí)，借助SCADA系統(tǒng)能采集到很多的故障信息，其中故障診斷所能利用的信息包括：電網(wǎng)的遙信量信息，如斷路器、隔離開關(guān)等設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息；電網(wǎng)的遙測(cè)量信息，如電壓、電流和有功、武功功率的測(cè)量值；保護(hù)時(shí)間信息，如不同規(guī)約的保護(hù)動(dòng)作和時(shí)間順序記錄（）信息等。通過主站發(fā)出指令控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備。其詳細(xì)的數(shù)據(jù)流程示意圖如圖22，圖的左側(cè)為一次系統(tǒng)，右側(cè)為二次系統(tǒng)。這些狀態(tài)量包括斷路器狀態(tài)、刀閘狀態(tài)的變化、繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作情況等。 電力線路故障電力線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，電能通過它進(jìn)行分配和傳輸。 母線故障母線是變電站中重要的一類元件。引起母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的主要原因有：（1）母線絕緣子因污穢或者大霧天氣等引起的閃絡(luò)；（2）母線電壓互感器發(fā)生故障；（3）連接在母線上的電流互感器發(fā)生故障；（4）斷路器和裝設(shè)在母線側(cè)的隔離開關(guān)的支持絕緣子損壞；（5）由于工作人員的誤操作而產(chǎn)生的母線故障。外部短路① 外部引線之間發(fā)生相間短路；② 絕緣套管破損或閃絡(luò)等引起的引出線經(jīng)外殼單相接地短路。表23 電容器的故障類型及故障原因故障類型故障原因滲油① 外殼焊接處銹蝕② 瓷質(zhì)套管和外殼交界的地方有裂紋；③ 旋緊套管接頭螺栓過程中用力過大造成套管破裂；④ 設(shè)備外殼質(zhì)量不好，有滲漏點(diǎn)。第3章 粗糙集的基本理論粗糙集（Rough Set，RS）理論是由波蘭科學(xué)家Z．Pawlka在1982年提出的一種數(shù)學(xué)方法，該數(shù)學(xué)方法是用來處理不確定信息的方法。而對(duì)于其他傳統(tǒng)方法，比如概率論和模糊理論等方法一般來說需要額外提供數(shù)據(jù)信息，如概率分布和模糊隸屬函數(shù)等，而現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中往往不容易得到或者得不到此類信息。粗糙集理論避免了主觀人為等因素的影響，它可以根據(jù)已存在的分類知識(shí)得出粗糙集的隸屬度。若與來自同一集合，則序偶中的兩個(gè)元素和也都來自同一個(gè)集合。(2)如果，若由必然推出，則稱滿足對(duì)稱性或稱是對(duì)稱的。由上述定義可知，上的一個(gè)等價(jià)關(guān)系可以推出集合的一個(gè)劃分，相反，這個(gè)結(jié)論反過來說也是成立的，即由的一個(gè)劃分也可以推出上的等價(jià)關(guān)系。在粗糙集理論中，知識(shí)被看作是關(guān)于論域的劃分，是一種對(duì)對(duì)象進(jìn)行分類的能力。設(shè)基本等價(jià)類為，由U中得到，它是將U中的不可辯分關(guān)系(P)分成相互之間不可相交的子集，即。U為論域，且,用來表示，A是表示屬性的集合，且,可來表示，V為屬性值域集，是的值域，→V，是一個(gè)信息函數(shù)，它為每個(gè)對(duì)象的每個(gè)屬性賦予一個(gè)信息值，即。 可辨識(shí)函數(shù)可辨識(shí)函數(shù)是由可辨識(shí)矩陣得來的。定義：若存在，如果是獨(dú)立的，滿足，則表示為，并把稱為的一個(gè)約簡(jiǎn)。不可分辨關(guān)系稱為條件類， 稱為決策類。如果是獨(dú)立集，且存在關(guān)系，則稱是的約簡(jiǎn)，從上述得知，的約簡(jiǎn)是條件屬性的最大獨(dú)立集。基于此，通過可辨識(shí)矩陣演繹出不少啟發(fā)式約簡(jiǎn)算法。是能區(qū)分的對(duì)象組合的個(gè)數(shù)。 屬性值約簡(jiǎn)屬性值約簡(jiǎn)是通過對(duì)決策表中所列舉的信息進(jìn)行逐行檢查，將所有冗余信息刪除，其前提是刪去后不得妨礙決策表的規(guī)則表達(dá)，這個(gè)過程就是屬性值的約簡(jiǎn)過程。如果條件屬性不同，即，表示該被刪除的條件屬性是冗余的，用*代替。當(dāng)時(shí)，他運(yùn)用該理論對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)事件之間因果關(guān)系進(jìn)行了描述。庫所描述離散事件系統(tǒng)可能的狀態(tài)，變遷代表離散事件系統(tǒng)中可能事件，局部狀態(tài)與可能事件之間通過有向弧來建立聯(lián)系。只要某個(gè)變遷的全部輸入庫所包含的托肯總數(shù)不小于連接這些庫與該變遷的弧的權(quán)值，該變遷就會(huì)被使能。當(dāng)或者時(shí)，不必畫弧。在圖41中，根據(jù)各個(gè)庫所包含的托肯數(shù)目，可以得出，其中。在Petri網(wǎng)所描述的離散時(shí)間系統(tǒng)內(nèi)，描述事件的發(fā)生是通過使能的變遷的觸發(fā)（點(diǎn)火）來實(shí)現(xiàn)的。這些托肯的消耗與產(chǎn)生都是由的輸入輸出函數(shù)決定的。對(duì)應(yīng)的Petri網(wǎng)中，只有與變遷相連的所有的輸入庫所都獲得托肯，才能使得該變遷使能，變遷觸發(fā)后將會(huì)在與該變遷相連的輸出庫所中產(chǎn)生一個(gè)托肯。邏輯“或”的petri網(wǎng)在變遷或被觸發(fā)后，結(jié)果如圖46所示。在圖48中，變遷、的輸入庫所是相同的，當(dāng)輸入庫所中獲得一個(gè)托肯后，只有其中一個(gè)變遷會(huì)使能，所以變遷、之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。前面那種是圖形分析的方法，后面那種則是數(shù)學(xué)分析的方法。對(duì)于覆蓋性，是這樣定義的。這個(gè)線性代數(shù)方程決定了離散事件系統(tǒng)靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)特性，類似于自動(dòng)控制理論中的狀態(tài)方程的概念。第5章 粗糙集結(jié)合Petri網(wǎng)的變電站故障診斷方法在第一章中，本文曾對(duì)故障診斷的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了了解，學(xué)習(xí)了很多方法，但每種方法都存在著一定的不足，無法滿足現(xiàn)代診斷方法的要求，故要尋求一種可以很好的辦法是當(dāng)今研究的新熱點(diǎn)。，對(duì)于變電站的故障診斷系統(tǒng)，它一般采用的是SCADA系統(tǒng)提供的狀態(tài)量，因?yàn)榱繙y(cè)量以及電氣量在反映變電站故障的暫態(tài)過程上存在不足。詳細(xì)的分區(qū)域故障診斷規(guī)則獲取結(jié)構(gòu)圖如圖51。詳細(xì)流程如圖2。該決策表由22個(gè)條件屬性、5個(gè)決策屬性、15個(gè)樣本組成。如：庫所CB20表示當(dāng)CB2=0時(shí)，該庫所獲得托肯。決策表的核屬性為{SDL3, SDL4, GLL3, GLL4}。下表58為10kV區(qū)域的原始決策表。具體如表56。依此建立的Petri網(wǎng)模型見圖54。表52 110kV區(qū)域的原始決策表樣本KG1KG2KG3KG4KG5KG6KG10KG11CDT1CDT2WST1故障元件WST2GHBT1GHBT2ZHBT1ZHBT2DHBT1DHBT2JLL1JLL2LXL1LXL21L12L13L24L25T16T17T28T29L110L111L212L213MX114T115T2根據(jù)前面提出的RS屬性約簡(jiǎn)算法，對(duì)上面的故障診斷決策表進(jìn)行屬性約簡(jiǎn)，得到了關(guān)于初始決策表的多組約簡(jiǎn)：{KG3, KG4, JLL1, JLL2, LXL1, LXL2}，{KG6, KG10, JLL1, JLL2, LXL1, LXL2}，{KG10, KG11, CDT2, JLL1, JLL2, LXL1, LXL2}等。110kV萬安變電站的主接線圖見圖53。②、對(duì)于兩條母線間連接的設(shè)備按電壓等級(jí)進(jìn)行劃分，變壓設(shè)備歸于高壓側(cè)。這些狀態(tài)信息是通過由（0、1）組成的進(jìn)行表示的。由于變電站發(fā)生故障時(shí)會(huì)有很多的干擾信息，比如說是開關(guān)的拒動(dòng)，故障信息在傳輸過程中的丟失，開關(guān)信息的不確定狀態(tài)都大大的影響了變電站故障診斷的結(jié)果，本文就是在此基礎(chǔ)上來研究在這些不利條件下的變電站故障診斷的新方法。轉(zhuǎn)移控制矢量是表示系統(tǒng)變遷點(diǎn)火（觸發(fā)）序列，其中第個(gè)元素表示變遷被觸發(fā)的次數(shù)。引入符號(hào)，用來表示任意的托肯個(gè)數(shù)，稱為“準(zhǔn)無窮大”。 基于可達(dá)圖與覆蓋樹的分析方法可達(dá)圖是指用一個(gè)圖來表示一個(gè)Petri網(wǎng)模型的所有標(biāo)識(shí)，這些標(biāo)識(shí)用產(chǎn)生這些標(biāo)識(shí)的變遷進(jìn)行連接。圖48 表達(dá)資源競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)在實(shí)際的離散事件系統(tǒng)中，常常會(huì)碰到兩個(gè)及以上的變遷擁有共同的輸入庫所的情況。事件發(fā)生的順序主要有兩種，分別為依次發(fā)生和并列發(fā)生。圖43 邏輯與的Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖44 邏輯與在變遷觸發(fā)后的Petri網(wǎng)邏輯“或”表示在給定的邏輯變量中，只要有一個(gè)邏輯變量為真時(shí)，其邏輯結(jié)果就為真。圖42 示例Petri網(wǎng)觸發(fā)后的標(biāo)識(shí)變化結(jié)果 幾種常見的Petri網(wǎng)模型 表達(dá)邏輯關(guān)系運(yùn)算的Petri網(wǎng)模型在用Petri網(wǎng)進(jìn)行建模時(shí)，通常會(huì)涉及到邏輯關(guān)系運(yùn)算的表達(dá)。與此同時(shí)，該過程還會(huì)使得與該變遷相連的庫所狀態(tài)發(fā)生改變。如果該事件滿足了前提條件后發(fā)生了，則它被使能（）。也就是： （41）以一個(gè)Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)為例，：，；，；，；，；，則該網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖形如圖41所示。Petri網(wǎng)中變遷被使能與狀態(tài)轉(zhuǎn)換都只在局部發(fā)生。在Petri網(wǎng)模型中，用包含在庫所中的實(shí)心圓點(diǎn)（）表示托肯，其作用是描述它所在庫所的動(dòng)態(tài)情況。經(jīng)過一批批的學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)Petri網(wǎng)的研究，Petri網(wǎng)在計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)化、電力等很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用廣泛。具體流程如圖31。 屬性值約簡(jiǎn)算法原始決策表經(jīng)過屬性約簡(jiǎn)后會(huì)得到一個(gè)新的決策表，對(duì)于這個(gè)新的決策表，將其中的一個(gè)樣本對(duì)應(yīng)生產(chǎn)一條決策規(guī)則。在初始化時(shí)，可以將核或者必要的屬性加入，來加速算法的收斂速度?，F(xiàn)今國(guó)內(nèi)國(guó)外有很多優(yōu)秀的啟發(fā)式算法，利用核的概念作為起始點(diǎn)來進(jìn)行約簡(jiǎn)，將其落實(shí)為最小的約簡(jiǎn)。對(duì)于屬性，如果滿足關(guān)系，則稱a為中不可省略的，相反，稱a為中可省略的。若數(shù)據(jù)為連續(xù)型，需先將其變?yōu)殡x散型。在知識(shí)庫中，是一個(gè)非常重要的必不可少的屬性集，中所有約簡(jiǎn)后的且是共同的等價(jià)關(guān)系都包含其中。通過吸收率把可辨識(shí)函數(shù)簡(jiǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)式，此時(shí)，所有質(zhì)蘊(yùn)含式中的屬性涵蓋了信息系統(tǒng)內(nèi)所有約簡(jiǎn)的集合。例如，設(shè)F的論域。令和為兩個(gè)知識(shí)庫，若，也就是說時(shí)，則說明是等價(jià)的，即。在該理論中，可以通過對(duì)象屬性值的不同而將其分為不同的類別。通過驗(yàn)證得到關(guān)系是上的一個(gè)等價(jià)關(guān)系。 如果集合上的關(guān)系滿足以下幾個(gè)性質(zhì)，即，它是可傳遞的、對(duì)稱的、自返的，則稱為等價(jià)關(guān)系，若，則稱和等價(jià)或者稱和是不可分辨的。即。(5) 知識(shí)表達(dá)較為科學(xué)。RS理論具有強(qiáng)大的處理不確定性、不完備或錯(cuò)誤的信息的能力。于此之前的數(shù)學(xué)方法有概率統(tǒng)計(jì)理論、證據(jù)理論、模糊集理論，它們都是用來處理不精