杜紅梅

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

隨著高等院校理工學(xué)科教學(xué)改革不斷深化，高校教學(xué)中的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)改革成為重點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)各高校均采用減少學(xué)生課時(shí)的方式來(lái)降低學(xué)生學(xué)習(xí)壓力，但這種改革方式往往導(dǎo)致許多高校刪減了實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)時(shí)。這直接影響了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。因此，如何做到“學(xué)時(shí)減，課程含金量不減”成為教學(xué)改革的重點(diǎn)［1］。我國(guó)高校教學(xué)實(shí)踐實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)主要存在的以下問(wèn)題:

1）實(shí)驗(yàn)課程中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)居多，難以激發(fā)參與實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)與積極性；

2）實(shí)驗(yàn)課程按照不同課程單獨(dú)設(shè)置。其中有些課程相互聯(lián)系緊密，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)，分開(kāi)設(shè)置后會(huì)影響學(xué)生對(duì)整個(gè)學(xué)科知識(shí)體系的認(rèn)識(shí)與掌握；

3）實(shí)驗(yàn)室缺乏能夠?qū)⒍嚅T(mén)專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容融合在同一個(gè)平臺(tái)下的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵是在實(shí)驗(yàn)室增加能夠融合多門(mén)專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。目前，這類實(shí)驗(yàn)設(shè)備造價(jià)高，大多并不適用于學(xué)生數(shù)量眾多的本科階段教育需要。最經(jīng)濟(jì)的方法是利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)一個(gè)綜合平臺(tái)將相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備集成為一體。因此，如何保證綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行可靠性成為關(guān)鍵。本文結(jié)合電氣專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程需求設(shè)計(jì)了一種適合于電氣工程及自動(dòng)化、自動(dòng)化等專業(yè)實(shí)驗(yàn)需求的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用Petri網(wǎng)構(gòu)建模型保證綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行可靠性。

1 綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由原動(dòng)機(jī)調(diào)速模塊、同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁及并網(wǎng)控制模塊、現(xiàn)場(chǎng)及上位機(jī)監(jiān)控模塊、、線路保護(hù)模塊、負(fù)荷變壓器控制模塊、變電站微機(jī)控制模塊、故障診斷模塊七大模塊組成（圖1）。

圖1 綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

原動(dòng)機(jī)調(diào)速模塊、同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁及并網(wǎng)控制模塊、現(xiàn)場(chǎng)及上位機(jī)監(jiān)控模塊、線路保護(hù)模塊、負(fù)荷變壓器控制模塊以及變電站微機(jī)控制模塊按照發(fā)電環(huán)節(jié)至輸配電環(huán)節(jié)順序連接，故障診斷模塊對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行監(jiān)控并及時(shí)進(jìn)行故障診斷，保證每一個(gè)模塊以及其相互間協(xié)同工作能夠正常運(yùn)行。另外，綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)融合了電力系統(tǒng)分析、電力系統(tǒng)自動(dòng)化、電力工程、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、電機(jī)學(xué)、電氣控制設(shè)備及PLC、過(guò)程控制及檢測(cè)技術(shù)、電力電子技術(shù)等多門(mén)課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。每個(gè)模塊將多門(mén)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備集成在一起，學(xué)生通過(guò)在該模塊上進(jìn)行操作不但掌握了單獨(dú)課程實(shí)驗(yàn)的方法，還可以了解課程知識(shí)在整個(gè)電力系統(tǒng)中的作用。這些課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備既可以單獨(dú)使用，也可以相互協(xié)同運(yùn)行。因此，在多種實(shí)驗(yàn)設(shè)備協(xié)同運(yùn)行時(shí)需要故障診斷模塊對(duì)協(xié)同運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行保護(hù)，以提高其可靠性。

2 基于Petri網(wǎng)的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊聯(lián)動(dòng)控制模型

2.1 概率Petri網(wǎng)

傳統(tǒng)Petri網(wǎng)由一個(gè)五元組PN＝（P，T，F(xiàn)，W，M0）組成。其中，P表示庫(kù)所的有限集，T表示變遷的有限集，F(xiàn)表示庫(kù)所到變遷或變遷到庫(kù)所的有向弧集合，三者組成了Petri網(wǎng)的基網(wǎng)。W表示各有向弧的權(quán)重，M0表示各庫(kù)所中令牌數(shù)的初始狀態(tài)集。當(dāng)庫(kù)所中令牌個(gè)數(shù)達(dá)到從庫(kù)所到變遷的有向弧的權(quán)重要求時(shí)，該有向弧就可以觸發(fā)；當(dāng)某變遷所有輸入的有向弧都滿足觸發(fā)條件時(shí)，變遷即被觸發(fā)，同時(shí)令牌發(fā)生轉(zhuǎn)移，為后續(xù)的狀態(tài)觸發(fā)創(chuàng)造條件。因此，Petri網(wǎng)可以描述因果推理關(guān)系［2］。

Petri網(wǎng)的庫(kù)所狀態(tài)的變化及變遷的觸發(fā)可以通過(guò)矩陣運(yùn)算描述

Mk為所有庫(kù)所在k時(shí)刻的狀態(tài)集合向量，Mk－1為所有庫(kù)所在k－1時(shí)刻的狀態(tài)集合向量，AT為該P(yáng)etri網(wǎng)的關(guān)聯(lián)矩陣，uk為k時(shí)刻變遷的觸發(fā)向量。庫(kù)所狀態(tài)集合中的非零元素值表示對(duì)應(yīng)的庫(kù)所存在令牌。

對(duì)于由r個(gè)變遷、q個(gè)庫(kù)所組成的Petri網(wǎng)，其關(guān)聯(lián)矩陣為r×q矩陣，其中任一元素

式中:bmn＋為從變遷m到它的輸出庫(kù)所n的有向弧權(quán)重；bmn－為從庫(kù)所n到變遷m的有向弧權(quán)重。

2.2 基于Petri網(wǎng)的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)故障診斷模型

綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)故障診斷Petri網(wǎng)模型對(duì)原動(dòng)機(jī)調(diào)速模塊、同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁及并網(wǎng)控制模塊、現(xiàn)場(chǎng)及上位機(jī)監(jiān)控模塊、線路保護(hù)模塊、負(fù)荷變壓器控制模塊、變電站微機(jī)控制模塊6個(gè)模塊分別建模。每個(gè)模塊Petri模型根據(jù)每個(gè)模塊在協(xié)同運(yùn)行時(shí)之間存在的故障與故障征兆關(guān)系，建立Petri網(wǎng)故障診斷模型。每個(gè)模塊按照上述Petri網(wǎng)理論進(jìn)行構(gòu)建，其結(jié)構(gòu)按照5元組PN＝（P，T，F(xiàn)，W，M0）的要求構(gòu)建。圖2至圖7為6個(gè)模塊的Petri網(wǎng)故障診斷模型，其中每個(gè)模塊的Petri網(wǎng)故障診斷模型均由5元組中的元素組成，在模型中都有特殊意義:

P代表對(duì)應(yīng)控制量或者相應(yīng)事件，其中輸入庫(kù)所代表故障征兆，輸出庫(kù)所代表產(chǎn)生故障征兆的故障事件；T代表故障征兆與故障的因果聯(lián)系；M0表示各庫(kù)所中被觸發(fā)的事件初始狀態(tài)集；在基于Petri網(wǎng)的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)故障診斷模型中，庫(kù)所代表相應(yīng)的故障征兆以及對(duì)應(yīng)故障，其具體含義見(jiàn)表1［3－4］。

圖2 原動(dòng)機(jī)調(diào)速模塊Petri網(wǎng)

圖3 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁及并網(wǎng)控制模塊Petri網(wǎng)

圖5 線路保護(hù)模塊Petri網(wǎng)

圖6 負(fù)荷變壓器控制模塊Petri網(wǎng)

圖7 變電站微機(jī)控制模塊Petri網(wǎng)

表1

模型故障診斷過(guò)程如下:

1）確定初始狀態(tài)PN ＝ （P，T，F(xiàn)，W，M0）；

2）以系統(tǒng)掃描周期為周期，以M0為初始值，每隔一個(gè)掃描周期由式Mk＝Mk－1＋AT·uk推算Mk值，并由此確定Mk中各故障發(fā)生的概率；

3）根據(jù)Mk中各故障發(fā)生的概率確定診斷結(jié)果（即通過(guò)獲得故障發(fā)生概率判斷故障發(fā)生的可能性）并將診斷結(jié)果傳給綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)診斷結(jié)果來(lái)安排故障處理措施；

4）循環(huán)步驟3），直至綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)停止工作。

3 算例分析

以圖4現(xiàn)場(chǎng)及上位機(jī)監(jiān)控模塊Petri網(wǎng)為例，假設(shè)系統(tǒng)處于第k個(gè)掃描周期，系統(tǒng)根據(jù)前一個(gè)周期即第k－1個(gè)掃描周期的狀態(tài)值帶入公式（2）計(jì)算并根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定第k個(gè)掃描周期中有故障發(fā)生。若系統(tǒng)檢測(cè)出P13、P16、P17事件已經(jīng)在k－1周期發(fā)生，即P13、P16、P17的有向弧token均為1。則有:

由圖4知P38獲得token即P38已經(jīng)觸發(fā)，系統(tǒng)檢測(cè)裝置發(fā)生故障。

4 結(jié)論

綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用模塊化結(jié)構(gòu)，其中故障診斷模塊成為整個(gè)系統(tǒng)最重要的組成部分。故障診斷模塊對(duì)其余六大模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并按照系統(tǒng)掃描周期對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行故障診斷以保證它們之間能夠協(xié)同工作。故障診斷模塊利用Petri網(wǎng)建立診斷模型，利用邏輯推理求得診斷結(jié)果。算例分析證明了模型的有效性。

［1］ 徐洪華，方 明，張梟悍，等.移動(dòng)學(xué)習(xí)與高校實(shí)驗(yàn)課程整合研究［J］.重慶與世界（學(xué)術(shù)版），2014，31（01）:69-71.

［2］ 趙熙臨，周建中，劉 輝.基于規(guī)則獲取的Petri網(wǎng)診斷模型設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29（05）:1 222-1 225.

［3］ 張 勵(lì).電力線路的常見(jiàn)故障和繼電保護(hù)配置［J］.科技信息，2013，19:110-111.

［4］ 何其新.淺談變電站微機(jī)保護(hù)故障處理［J］.中國(guó)電業(yè)（技術(shù)版），2012（04）:17-19.