基于Petri网的综合教学实验平台研究

杜红梅

（湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北 武汉430068）

随着高等院校理工学科教学改革不断深化，高校教学中的实践实训环节改革成为重点。目前国内各高校均采用减少学生课时的方式来降低学生学习压力，但这种改革方式往往导致许多高校删减了实验课程的学时。这直接影响了教学质量和教学效率。因此，如何做到“学时减，课程含金量不减”成为教学改革的重点［1］。我国高校教学实践实训环节主要存在的以下问题:

1）实验课程中验证性实验居多，难以激发参与实验课程的学生创新意识与积极性；

2）实验课程按照不同课程单独设置。其中有些课程相互联系紧密，实验内容相关，分开设置后会影响学生对整个学科知识体系的认识与掌握；

3）实验室缺乏能够将多门专业课程实验内容融合在同一个平台下的实验设备。

解决上述问题的关键是在实验室增加能够融合多门专业课程实验内容的综合实验平台。目前，这类实验设备造价高，大多并不适用于学生数量众多的本科阶段教育需要。最经济的方法是利用现有的实验设备，设计一个综合平台将相关课程实验设备集成为一体。因此，如何保证综合实验平台运行可靠性成为关键。本文结合电气专业实验课程需求设计了一种适合于电气工程及自动化、自动化等专业实验需求的综合实验平台，利用Petri网构建模型保证综合实验平台运行可靠性。

1 综合实验平台结构设计

综合实验平台由原动机调速模块、同步发电机励磁及并网控制模块、现场及上位机监控模块、、线路保护模块、负荷变压器控制模块、变电站微机控制模块、故障诊断模块七大模块组成（图1）。

图1 综合实验平台结构图

原动机调速模块、同步发电机励磁及并网控制模块、现场及上位机监控模块、线路保护模块、负荷变压器控制模块以及变电站微机控制模块按照发电环节至输配电环节顺序连接，故障诊断模块对每个模块进行监控并及时进行故障诊断，保证每一个模块以及其相互间协同工作能够正常运行。另外，综合实验平台融合了电力系统分析、电力系统自动化、电力工程、电力系统继电保护、电机学、电气控制设备及PLC、过程控制及检测技术、电力电子技术等多门课程实验内容。每个模块将多门课程实验设备集成在一起，学生通过在该模块上进行操作不但掌握了单独课程实验的方法，还可以了解课程知识在整个电力系统中的作用。这些课程实验设备既可以单独使用，也可以相互协同运行。因此，在多种实验设备协同运行时需要故障诊断模块对协同运行机制进行保护，以提高其可靠性。

2 基于Petri网的综合实验平台模块联动控制模型

2.1 概率Petri网

传统Petri网由一个五元组PN＝（P，T，F，W，M0）组成。其中，P表示库所的有限集，T表示变迁的有限集，F表示库所到变迁或变迁到库所的有向弧集合，三者组成了Petri网的基网。W表示各有向弧的权重，M0表示各库所中令牌数的初始状态集。当库所中令牌个数达到从库所到变迁的有向弧的权重要求时，该有向弧就可以触发；当某变迁所有输入的有向弧都满足触发条件时，变迁即被触发，同时令牌发生转移，为后续的状态触发创造条件。因此，Petri网可以描述因果推理关系［2］。

Petri网的库所状态的变化及变迁的触发可以通过矩阵运算描述

Mk为所有库所在k时刻的状态集合向量，Mk－1为所有库所在k－1时刻的状态集合向量，AT为该Petri网的关联矩阵，uk为k时刻变迁的触发向量。库所状态集合中的非零元素值表示对应的库所存在令牌。

对于由r个变迁、q个库所组成的Petri网，其关联矩阵为r×q矩阵，其中任一元素

式中:bmn＋为从变迁m到它的输出库所n的有向弧权重；bmn－为从库所n到变迁m的有向弧权重。

2.2 基于Petri网的综合实验平台故障诊断模型

综合实验平台故障诊断Petri网模型对原动机调速模块、同步发电机励磁及并网控制模块、现场及上位机监控模块、线路保护模块、负荷变压器控制模块、变电站微机控制模块6个模块分别建模。每个模块Petri模型根据每个模块在协同运行时之间存在的故障与故障征兆关系，建立Petri网故障诊断模型。每个模块按照上述Petri网理论进行构建，其结构按照5元组PN＝（P，T，F，W，M0）的要求构建。图2至图7为6个模块的Petri网故障诊断模型，其中每个模块的Petri网故障诊断模型均由5元组中的元素组成，在模型中都有特殊意义:

P代表对应控制量或者相应事件，其中输入库所代表故障征兆，输出库所代表产生故障征兆的故障事件；T代表故障征兆与故障的因果联系；M0表示各库所中被触发的事件初始状态集；在基于Petri网的综合实验平台故障诊断模型中，库所代表相应的故障征兆以及对应故障，其具体含义见表1［3－4］。

图2 原动机调速模块Petri网

图3 同步发电机励磁及并网控制模块Petri网

图5 线路保护模块Petri网

图6 负荷变压器控制模块Petri网

图7 变电站微机控制模块Petri网

表1

模型故障诊断过程如下:

1）确定初始状态PN ＝ （P，T，F，W，M0）；

2）以系统扫描周期为周期，以M0为初始值，每隔一个扫描周期由式Mk＝Mk－1＋AT·uk推算Mk值，并由此确定Mk中各故障发生的概率；

3）根据Mk中各故障发生的概率确定诊断结果（即通过获得故障发生概率判断故障发生的可能性）并将诊断结果传给综合实验平台系统。系统根据诊断结果来安排故障处理措施；

4）循环步骤3），直至综合实验平台系统停止工作。

3 算例分析

以图4现场及上位机监控模块Petri网为例，假设系统处于第k个扫描周期，系统根据前一个周期即第k－1个扫描周期的状态值带入公式（2）计算并根据计算结果确定第k个扫描周期中有故障发生。若系统检测出P13、P16、P17事件已经在k－1周期发生，即P13、P16、P17的有向弧token均为1。则有:

由图4知P38获得token即P38已经触发，系统检测装置发生故障。

4 结论

综合实验平台采用模块化结构，其中故障诊断模块成为整个系统最重要的组成部分。故障诊断模块对其余六大模块进行实时监控并按照系统扫描周期对各个模块进行故障诊断以保证它们之间能够协同工作。故障诊断模块利用Petri网建立诊断模型，利用逻辑推理求得诊断结果。算例分析证明了模型的有效性。

［1］ 徐洪华，方 明，张枭悍，等.移动学习与高校实验课程整合研究［J］.重庆与世界（学术版），2014，31（01）:69-71.

［2］ 赵熙临，周建中，刘 辉.基于规则获取的Petri网诊断模型设计［J］.计算机工程与设计，2008，29（05）:1 222-1 225.

［3］ 张 励.电力线路的常见故障和继电保护配置［J］.科技信息，2013，19:110-111.

［4］ 何其新.浅谈变电站微机保护故障处理［J］.中国电业（技术版），2012（04）:17-19.