基于Petri网的舰船综合电力系统故障诊断方法

姜 波，李洪义，谢 炜，方 斌，徐正喜

(1.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064;2.海军××工程办公室，北京 100841)

0 引言

舰船综合电力系统的主要任务是在各种复杂情况下保证舰船重要负载和推进电机的连续可靠供电，特别是在出现故障或战损的情况下必须及时可靠的处理故障，防止故障影响的进一步扩大并快速恢复供电中断区域的电能供应。为此，在综合电力系统继电保护的基础上，自动化系统必须在尽可能短的时间内完成综合电力系统的故障检测、故障诊断及故障后恢复。本文主要针对舰船综合电力系统的特点，在具有较完备的故障检测能力的基础上，提出利用Petri网理论进行舰船综合电力系统故障诊断的方法。

1 舰船综合电力系统的特点

综合电力系统除了为舰船日常用电负荷供电之外，还需要根据任务工况为推进电机或高能武器等大功率负荷供电，系统容量远大于常规舰船电力系统，为此综合电力系统必须采用中压供电方式，其中以中压直流为主干的直流区域配电结构是当前的研究热点。综合电力系统主要有如下特点［2－5］:

1)系统一次电网为中压直流，通过电力变换装置变为低压电为各种低压负荷供电;

2)电力推进所需电力与全船所有其他电力负荷相当甚至远大于其他负荷，其容量与中压发电机容量相匹配;

3)中压电源设备与主配电板之间多采用空气断路器进行保护，负载支路多采用快速熔断器进行保护，利用框架式空气断路器的固有动作时间大于快速熔断器的熔断时间实现选择性保护;

4)低压交流电网以各低压配电板构成辐射式供电网络，其结构类似于常规舰船供电系统。

作为捷豹品牌的创始人威廉·里昂斯（William Lyons）爵士参与设计的最后一款捷豹轿车，于1968年巴黎车展首秀的XJ Series I是一款拥有媲美捷豹传奇跑车E-type驾控性能的豪华轿车。此外，XJ Series I还拥有大气沉稳、不失美感的外观造型以及优异的动力性能，为当时的豪华轿车市场注入了全新活力。当然，捷豹XJ自诞生之日起也赢得了众多车主的青睐，其中不乏社会精英、名流政要及皇室成员。

采用中压直流电网的综合电力系统的局部电网如图1所示。

图1 综合电力系统的局部电网图Fig.1 Partial network of IPS

2 基于Petri网的故障诊断方法

2.1 Petri网简介［6－7］

Petri网是以网络理论为基础描述系统中离散事件之间的逻辑关系的一种系统建模工具，并可以代数矩阵运算演绎系统中同时发生的各种动态行为。Petri网结构是一种有向图结构，由库所、变迁以及从库所到变迁或者从变迁到库所的有向弧组成。在Petri网的图形表示中，库所用圆圈表示，变迁用短竖线表示。如果库所s被分配了1个非负整数n，则在库所s中置以n个小黑点，并称这些小黑点为令牌(token)，称库所标识有n个令牌。

若存在从库所s到变迁t的弧，则称库所s为变迁t的输入库所;若存在从变迁t到库所s的弧，则称库所s为该变迁的输出库所。当变迁t的所有输入库所都至少有1个令牌，则称变迁t是激活的，只有激活的变迁才可以被引发，当1个激活的变迁引发后，先从它的每个输入库所取走1个令牌，再给它的每个输出库所放进1个令牌。系统状态的变化是通过变迁的引发和令牌的传递来实现的。

Petri网结构及变迁点火不仅可用图形直观地表示，还可用矩阵计算来描述。Petri网的基本矩阵包括关联矩阵C、网络标识向量M和点火序列U等。

关联矩阵C的行数为库所的个数，列数为变迁的个数，它用于描述Petri的拓扑结构。其元素定义:

其中，w(s，t)为从库所s到变迁t的有向弧的权(通常为1);f(s，t)∈F为从库所s到变迁t存在有向通路;f(t，s)∈F为变迁t到库所s存在有向通路。

网络标识向量M维数为库所的个数，元素的值是相应库所中令牌的数量。点火序列U维数为变迁的个数，用于表示变迁的激活状况，如某个变迁为激活状态，则向量中对应的元素值为1，否则为0。有以下状态变迁方程:

其中:n为变迁引发的次数;M0为初始网络标记状态。变迁依次引发直至Mn+1=Mn，则认为状态稳定，变迁结束，称Mn为最终网络标记向量。

2.2 故障诊断实例

以图1中元件L3出现故障为例，分析故障影响，建立其Petri网模型，如图2所示。

图2 L3点Petri网模型Fig.2 Petri net model for L3

图中库所L3代表L3故障。如L3故障，则FU2会熔断，同时断路器CB1内的保护装置会发出保护信号，但是由于在CB1固有动作时间内故障点被切除，CB1会出现动作返回情况。另外，T1未出现故障，不会给出内部故障信号。以上过程由变迁tb1代表，相应的，库所FU2代表FU2熔断，库所CB1代表CB1动作返回，库所T1代表T1正常。

变迁tm1至tm3表示自动化系统从各个设备采集信号的过程，库所FU2_M，CB1_M，R1_M，T1_M代表了采集得到的数据。

由以上分析可知，Petri网变迁过程所遵循的推理规则是与故障后电力系统继电保护动作和自动化系统信号采集的流程相一致的。

根据L3点故障的Petri网模型结构可写出其关联矩阵:

初始标记向量

根据初始标记情况和网络图，可知点火序列

则根据式(2)，可得到

即库所FU2，CB1，T1被标记，根据网络图，可得到

进行第二次状态变迁，

根据网络图可知，再没有变迁被激活，M2为最终网络标记向量。可看出，库所L3被标记，说明是L3出现故障，诊断过程结束。

2.3 模型分析与说明

船舶电站容量小，电站与用电设备距离近，相互间影响大。因此本文对综合电力系统的故障诊断方法不仅针对配电网络，还包括了发电设备、变电设备和用电设备等。

船舶空间有限，而线路较短，为了减小设备体积，通常只在线路的一端配置断路器或熔断器进行保护，因此往往线路故障和设备故障难以区分，此时应将设备与其连接的电缆作为1个元件进行诊断。但是，对于某些具备自身诊断能力的电气设备，如果其诊断信息可快速发送到自动化系统，则可将其与其连接的电缆分成2个元件进行诊断，在图1所示的局部电网中即假设G1和T1具备自身诊断能力。

本文采用了针对舰船综合电力系统建立的Petri网模型方便直观，符合故障推理逻辑，有利于故障诊断模型的快速开发和维护。同时，其诊断过程可用矩阵运算实现，又保证了诊断运算的快速便捷。从算例中可以看出诊断结果是准确地，说明了Petri网模型适合用于舰船综合电力系统的故障诊断。

因Petri网本身不具备处理不确定信息的能力，本文故障诊断的前提是数据准确完整，无容错设计虽然缩小了故障诊断的应用范围，但有利于保证故障诊断结果的真实可靠。特别是如果舰船综合电力系统采用电网自动重构的故障恢复方案，为防止不必要的误动作，故障诊断结果的准确性往往比全面性更为重要。另一方面，舰船综合电力系统故障点有限，人工排查不是很困难，降低了故障诊断全面性的需求。

本文的Petri网模型之所以要将自动化系统数据采集的过程纳入进来，除了数据表述更清晰以外，更主要的原因是因为某些智能电气设备虽然不参与继电保护，但其数据也有利于进行故障诊断，因此需要将这些数据进行综合考虑。另外，数据采集过程也是实际存在的物理过程，需要传输时间，也可能会出错，将其纳入模型中可为将来基于时间的Petri网研究、Petri网的数据不确定性研究等打下基础。

3 结语

针对舰船综合电力系统的特点，本文介绍了1种基于Petri网模型的电力系统故障诊断方法。Petri网具备建模直观，计算方便，结果指向明确等优点;缺点是依赖于已有知识，不能处理不确定信息，容错性不够。因此，如要提高故障诊断的全面性和容错性，建议采用两级诊断方式。首先用Petri网诊断，如果得不出确定性的诊断结论，再采用其他智能诊断的方式，如模糊 Petri网［8］、专家系统［9］等进行故障诊断，给出可能出现的故障点。

［1］马伟明.舰船动力发展的方向－综合电力系统［J］.海军工程大学学报，2002，14(6):1 －5，9.MA Wei-ming.Integrated power systems-trend of ship power development［J］.Journal of Naval University of Engineering，2002，14(6):1 －5，9.

［2］徐正喜.船舶直流电力系统电网结构与保护研究［D］.武汉:华中科技大学，2006.XU Zhen-xi.Research on the network structure and protect of ship's DC power system［D］.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology，2006.

［3］谢桢，叶志浩，吕昊.基于直流区域配电的舰船综合电力系统智能保护方式研究［J］.船电技术，2009，29(1):56 －60.XIE Zhen，YE Zhi-hao，LV Hao.Analysis on intelligentized protection method of DC-ZEDS-based shipboard integrated power system［J］.Marine Electric ＆ Electronic Engineering，2009，29(1):56 －60.

［4］吴大立，等.船舶直流电力系统选择性保护方法研究［J］.舰船科学技术，2009，31(12):76 －79.WU Da-li，et al.Study on selectivity protection methods of shipboard DC powersystem ［J］.Ship Scienceand Technology.2009，31(12):76 －79.

［5］吕昊，王吉忠.基于面向对象技术的舰船综合电力系统电力网络故障模拟及拓扑跟踪［J］.船电技术，2010，30(4):28－33.LV Hao，WANG Jie-zhong.Malfunction simulation and topology tracking for shipboard integrated power system network based on object-oriented technology［J］.Marine Electric ＆ Electronic Engineering，2010，30(4):28 －33.

［6］侯荣升，周明华，等.电力系统故障诊断的Petri网方法［J］.江西电力职业技术学院学报，2009，22(1):5 －7.HOU Rong-sheng，ZHOU Ming-hua，et al. Petri nets method in the power system fault diagnosis［J］.Journal of Jiangxi Vocational and Technical College of Electricity，2009，22(1):5 －7.

［7］张海艳，夏飞.基于Petri网的船舶电力系统故障诊断［J］.哈尔滨工程大学学报，2008，29(9):933 －937.ZHANG Hai-yan，XIA Fei.Using Petri nets to diagnose the faults of marine electrical power system［J］.Journal of Harbin Engineering University，2008，29(9):933 －937.

［8］SUN Jing，QIN Shi-yin，SONG Yong-hua.Fault diagnosis of electric power systems based on fuzzy Petri nets［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2004，19(4):2053 －2059.

［9］方培培，李永丽，杨晓军.Petri网与专家系统相结合的输电线路故障诊断方法［J］.电力系统及其自动化学报，2005，17(2):26 －30.FANG Pei-pei，LI Yong-li，YANG Xiao-jun.Transmission power system fault diagnosis based on petri nets and expert system［J］.Proceedings of Electric Power System and Automation，2005，17(2):26 －30.