基于模糊Petri网的架空输电线路状态评估

张言攀 黄付顺



基于模糊Petri网的架空输电线路状态评估

张言攀 黄付顺

（国网山东省电力公司菏泽供电公司，山东 菏泽 274000）

为准确、有效地对架空输电线路状态进行评估，进而制定相应运维检修措施，本文提出了一种基于模糊Petri网的架空输电线路状态评估模型。模糊Petri网具有模糊推理功能，可以有效地描述各架空输电线路状态影响因子和架空输电线路状态不确定性、相关性关系。通过实例计算表明了此方法的有效性和合理性。

架空输电线路；状态评估；模糊Petri网

架空输电线路是电能的主要传输通道，是电力系统不可或缺的组成部分。架空输电线路处于室外，受野外环境侵害较为严重[1-3]。此外，覆冰、雷电绕击、鸟类筑巢等外界风险也可能引发线路短路，造成跳闸[4-5]。因此，需要对架空输电线路的运行状态进行有效评估，进而采取相应运维检修措施，保障架空输电线路安全稳定运行[6-7]。

经典Petri网模型是一个三元组（P, T, F）[8]。其中P表示库所集合，涵盖所有的状态元素。T表示变迁集合。F表示流关系。经典Petri网模型可用于明确、量化的推理场景中。架空输电线路状态评估为模糊推理，难以采用经典Petri网模型。模糊Petri网（fuzzy petri nets, FPN）在经典Petri网的基础上，具有了模糊推理特性和良好的容错能力，适用于架空输电线路状态评估。

1 FPN网络结构及算法

本模型采用单层单指向FPN。单层表示FPN没有中间层，仅有输入层和输出层。单指向表示FPN中的所有变迁有且仅有一个输出库所与之对应[9]。

1.1 单层单指向FPN数学模型

单层单指向FPN的数学模型可以用以下定义来描述。

定义1 单层单指向FPN定义为一个九元组，即

其中，

={i1,i2,…,im；o1,o2,…,on}，集合包含两个子集合，分别为输入库所结点子集合{i1,i2,…,im}和输出库所节点子集合{o1,o2,…,on}。

={1,2,…,t}，表示包含个变迁的变迁节点集合。在单指向FPN中，所有变迁有且仅有一个输出库所与之对应，可表示为：i→oi。此处满足=。

={1,2,…,d}，表示模型应用场景命题集合，集合满足：||=||，∩∩=Ø。集合的元素构成由本数学模型的应用场景决定。

：i→，为输入函数，表示输入库所i和变迁之间的映射关系。

：→o，为输出函数，反映变迁和输出库所0之间的映射关系。

：→，∈[0,1]，表示库所结点和其标记值(i)之间的映射关系。其中，(i)表示库所i对应的归一化托肯值。

：→，表示库所和库所对应命题之间的映射关系。

：→[0,1]，表示变迁结点和其触发值之间的映射关系

={1,2,…,w}，是输入库所对应输入弧权重值的集合。输入弧权重值代表输入库所对变迁触发的促进或抑制程度。权重值可为正数，亦可为负数。当权重值取值为正数时，表示输入库所对变迁发生起促进作用；当权重值取值为负数时，表示对变迁发生起抑制作用[10]。

定义2 变迁i触发后，其输入库所的标记值不变。单指向FPN模型中，输出库所oi对应一个唯一的输入变迁i。变迁i触发后，对应输出库所oi的标记值为

式中，表示输出库所oi对应的第个输入库所，w表示对应输入弧上的权重。

1.2 模型推理

设定

(i)表示与变迁i对应的所有输入库所与其输入弧乘积和，表示变迁i发生的概率[11]。当(i)＞(i)时，即变迁i发生的概率大于触发值，变迁i触发；当(i)＜(i)时，即变迁i发生的概率小于触发值，变迁i不能触发。

2 基于模糊Petri网的状态评估模型

2.1 确定输入库所集合

在架空输电线路状态评估中，输入库所对应架空输电线路运行状态的影响因子。此处考虑杆塔、绝缘子、线路金具、导地线、杆塔基础及接地装置、外部风险等6种影响因子，分别对应输入库所i1—i6。参考国家电网公司《110（66）～500kV架空输电线路评价标准（试行）》中划分方法，将架空输电线路状态区分为3种状态，分别为完好状态、较好状态和注意状态，分别对应输出库所o1—o3[12]。最终确定模糊Petri网图形化模型如图1所示。

图1 架空输电线路状态评估模糊Petri网模型

2.2 确定模型参数

运用模糊Petri网进行架空输电线路状态评估时，需确定输入库所托肯值(i)、输入弧权重i、变迁触发值等参数。

1）确定输入库所托肯值

根据国家电网公司《110（66）～500kV架空输电线路评价标准（试行）》中评价标准表，分别统计杆塔、绝缘子、线路金具、导地线、杆塔基础及接地装置（i1—i5）所扣分数，将所扣分数除以100即为i1—i5的归一化托肯值[13]。

针对外部风险i6，可参考表1进行打分，所扣分数除以100即为i6的托肯值。

表1 架空输电线路外部风险评价标准表

2）确定变迁触发值

通过资源整合，广垦旅游集团争取在酒店、旅行社、出租车队三大核心板块上实现效益较大突破，力争在“十三五”期末营业收入达到五亿元。

根据专家打分方法，设定变迁13对应的触发值13，见表2。

表2 变迁对应触发值设定表

根据专家打分方法，设定各输入弧权重见表3。

表3 输入弧权重设定表

本模型中需要通过数据训练拟合方法来确定变迁触发值。

（1）选取100个输电线路样本。设定13对应的触发值13初值均为0.25。

（2）依次针对每个输电线路样本，采用《110（66）～500kV架空输电线路评价标准（试行）》中所用打分表法对输电线路样本运行状态进行判定。

（3）依次针对每个输电线路样本，按照本模型方法进行判定。若本模型判定结果与打分表法判定结果一致，则无需修改。否则，将判定错误的变迁对应触发值±0.01。

表4 变迁对应触发值设定表

2.3 分步进行状态评估

步骤1：选定需要进行状态评估的架空输电线路，按照2.2节中确定的方法对进行打分，进而确定6个输入库所的托肯值。

步骤2：运用式（2）依次计算各个变迁对应的值。

步骤3：将步骤2计算出的值与对应的触发值进行比较。若＜，则该变迁不触发；若＜，则该变迁触发，输出库所托肯值更新。

步骤4：统计托肯值发生更新的输出库所数量。若仅有一个输出库所的托肯值发生更新，则输电线路的状态即为该输出库所表示的状态；若有多个输出库所的托肯值发生更新，则按照如下优先级进行判定：

注意状态＞较好状态＞完好状态

3 算例分析

某供电公司有一条220kV架空输电线路需要进行状态评估。输电运维人员根据2.2节中所列评价标准表对该线路进行打分，并对扣分进行归一化处理，得到输入库所托肯值，见表5。

表5 输入库所托肯值

结合表3所列输入弧权重，根据式（2）求得各个变迁对应的值，见表6。

表6 变迁对应触发值设定表

将求得的值与对应变迁触发值相比较，得知1、3不会被触发，2触发，所以该条架空输电线路处于较好状态。

本算例中，同时采用《110（66）～500kV架空输电线路评价标准（试行）》中所用打分表法，判定该条输电线路处于较好状态。两种方法判定结果 相同。

4 结论

本文提出了一种基于模糊Petri网的架空输电线路状态评估方法。该方法利用了模糊Petri网的模糊推理特性，充分考虑了影响架空输电线路运行状态的内部设备影响因子和外界环境。相对常规打分表法，本方法形象直观，且考虑各影响因素的权重，更加符合实际。实例证明，该方法可以有效地对架空输电线路运行状态进行分类，较为合理、科学。

[1] 付豪, 张东, 董新胜, 等. 输电线路涉鸟故障防范措施研究[J]. 电气技术, 2016, 17(3): 132-135.

[2] 张晓飞, 彭友仙, 史兆元, 等. 基于Visual Basic的输电线路雷击风险评估系统开发[J]. 电气技术, 2016, 17(4): 67-70.

[3] 黄江宁, 郭瑞鹏, 赵舫, 等. 基于故障集分类的电力系统可靠性评估方法[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(16): 112-121.

[4] 罗日成, 李稳, 陆毅, 等. 基于Hilbert-Huang变换的1000kV输电线路雷电绕击与反击识别方法[J]. 电工技术学报, 2015, 30(3): 232-239.

[5] 司马文霞, 杨庆, 李永福, 等. 输电线路雷电绕击评估方法分析及展望[J]. 高电压技术, 2015, 41(8): 2500-2513.

[6] 蒋乐, 刘俊勇, 魏震波, 等. 基于马尔可夫链模型的输电线路运行状态及其风险评估[J]. 电力系统自动化, 2015, 39(13): 51-57, 80.

[7] 代杰杰, 刘亚东, 姜文娟, 等. 基于雷电行波时域特征的输电线路雷击类型辨识方法[J]. 电工技术学报, 2016, 31(6): 242-250.

[8] 吴哲辉. Petri网导论[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006.

[9] 公茂法, 张言攀, 柳岩妮, 等. 基于BP网络算法优化模糊Petri网的电力变压器故障诊断[J]. 电力系统保护与控制, 2015, 43(3): 113-117.

[10] 汪洋, 林闯, 曲扬, 等. 含有否定命题逻辑推理的一致性模糊Petri网模型[J]. 电子学报, 2006, 34(11): 1955-1960.

[11] 鲍培明. 基于BP网络的模糊Petri网的学习能力[J]. 计算机学报, 2004, 327(5): 695-702.

[12] 蒋乐, 刘俊勇, 魏震波, 等. 基于Bayesian网络与复杂网络理论的特/超高压输电线路状态评估模型[J]. 高电压技术, 2015, 41(4): 1278-1284.

[13] 韩富春, 董邦洲, 贾雷亮, 等. 基于贝叶斯网络的架空输电线路运行状态评估[J]. 电力系统及其自动化学报, 2008, 20(1): 101-104.

The condition assessment model of overhead transmission line status based on fuzzy petri nets

Zhang Yanpan Huang Fushun

(Heze Power Supply Company, Shandong Electric Power Corporation, Heze, Shandong 274000)

In order to evaluate the status of overhead transmission line accurately and effectively, and then to develop corresponding operation and maintenance measures, a condition assessment model of overhead transmission line status based on fuzzy Petri net is proposed. Fuzzy Petri nets have the function of fuzzy reasoning, which can effectively describe the relationship between the influence factors of overhead transmission lines and the uncertainties and correlations of overhead transmission lines. The calculation of examples shows the validity and rationality of this method.

overhead transmission line; condition assessment; fuzzy petri nets

2017-12-07

张言攀（1989-），男，硕士，工程师，主要从事输变电设计和电力设备故障诊断工作。