抽水蓄能機組故障診斷與狀態維修的Petri網模型

魏臻珠, 蔣建東, 王洪亮, 楊海波

(1. 鄭州大學 電氣工程學院 河南 鄭州 450001； 2. 安陽供電公司 河南 安陽 455002； 3.衛輝市電業局 河南 衛輝 453100)

0 引言

抽水蓄能機組運行靈活，具有削峰填谷、調頻、調相、備用等多項功能，近些年來得到了迅速發展.由于設計參數復雜、運行工況多、啟停頻繁、振動部位廣泛等方面的原因，抽水蓄能機組出現故障的可能性比常規機組更大一些.目前在工業領域故障診斷與狀態維修模型的研究已經取得了較多的成果[1-3]，而對抽水蓄能機組故障診斷與狀態維修模型的研究還很少.大多只是針對抽水蓄能機組某方面故障提出一些診斷方法和理論[4-5].文獻[6]建立了抽水蓄能機組故障診斷的Petri網模型，但沒有建立狀態維修的模型，也沒有給出Petri網建模過程中 “狀態組合爆炸”問題的解決方法.

本文首先介紹了Petri網的推理方法.針對抽水蓄能機組故障部位和故障現象較多及其具有多層次性的特點，提出了抽水蓄能機組故障診斷與狀態維修Petri模型的分解與分層方法.解決了Petri網模型隨著變遷和庫所數量增多復雜度增大，求解速度降低，甚至出現“狀態組合爆炸”的問題.在此基礎上，給出了知識的提取與知識庫的建立方法及故障診斷與狀態維修Petri網模型的實現步驟，最后以轉子模塊為例建立了其故障診斷與狀態維修的Petri網模型.

1 Petri網的矩陣表示方法

圖1 Petri網結構示意圖Fig.1 Petri Nets structure diagram

基本Petri網是由節點和邊組成的有向圖，如圖1所示.節點分為兩類：變遷T(transition)和庫所P(place).在圖中，變遷用畫線表示，庫所用圓圈表示，邊用有向線段表示.變遷表示四通八達的狀態改變，庫所表示系統發生變化的條件，變遷和庫所通過邊建立起聯系.通過邊指向變遷的庫所稱為輸入庫所，邊指向的庫所稱為輸出庫所.

可以用矩陣來更清晰地表示Petri網模型，假定一個Petri網由m個庫所，n個變遷構成，則可以定義如下的網絡描述矩陣：

設Petri網的初始標識狀態為M(m)，則有

(1)

P=V∩R.

(2)

網絡中可發射的變遷發射之后,網絡新的標識狀態M′可用(3)式計算,

(3)

(1)～(3)式中的加、乘、與分別為邏輯加、邏輯乘和邏輯與.

2 抽水蓄能機組故障診斷與狀態維修的Petri網建模方法

2.1 模型的分解與分層

抽水蓄能機組故障部位和故障現象較多，利用Petri 網直接進行故障診斷與狀態維修建模會出現矩陣維數過高，降低故障診斷和狀態維修效率和實時性的問題.為了減少關聯矩陣的維數，利用Petri 網的并發特性，根據抽水蓄能機組不同部件的故障往往關聯性較小的特點，將抽水蓄能機組按照組件分解為轉子、定子、機架結構、推力軸承、過流部件5個模塊分別建立并行的Petri網模型.

針對抽水蓄能機組故障診斷與狀態維修Petri模型的多層次性，為了便于建模和理解，降低其復雜性和矩陣的維數.將Petri網模型按照功能不同分為2層：第1層為故障診斷層，第2層為狀態維修層.

2.2 知識的提取與表示方法

知識的提取是故障診斷與狀態維修的重要內容，直接影響著系統的性能.本文通過對抽水蓄能機組故障征兆、故障原因與狀態維修方案等信息進行加工、整理、挑選、概括等過程完成知識提取.

Petri網不關心系統變化的過程，僅關心變化的條件及變化發生后對系統的影響，其推理方法可歸結為if-then結構的產生式規則.用Petri網的一個變遷的輸入庫所表示規則的前提部分，輸出庫所表示規則的結論部分.輸入事實或信息與一命題相匹配用庫所中的一個令牌來表示.如果一個變遷所有的輸入庫所都有一個令牌，那么此變遷是可發射的，并將令牌傳送到它的所有輸出庫所.推理輸出一個結論就相當于在相應的Petri網中由相關事實或信息得到網絡的初始標識狀態，并通過一系列變遷的發射將令牌傳播到其后的庫所中得到網絡新的標識狀態，與命題相關的Petri網模型輸出庫所的令牌就是命題的結論.

本文采用從機組故障征兆到設備故障原因，再到狀態維修方案的產生式規則來進行知識的表示、知識庫的組織與推理的建立.即將每條知識表示成if<故障征兆> ，then<故障原因> ，then<狀態維修方案>這種通用形式.例如：if<振動方向為徑向and特征頻率為基頻and軸心軌跡為橢圓or振動隨轉速增加而增加較明顯>，then<轉子質量偏心>，then<轉子除垢，進行修復，按技術要求對轉子進行動平衡>.

根據這種模式對抽水蓄能機組故障征兆、故障原因與狀態維修方案進行提取和規則化表示后，形成抽水蓄能機組故障診斷與狀態維修知識庫.

2.3 故障診斷與狀態維修Petri網模型的實現步驟

在完成知識的提取與知識庫的建立后，進行故障診斷與狀態維修Petri網模型的建立由以下幾個步驟完成.

步驟1根據if-then結構規則化處理后的每條故障診斷與狀態維修知識分別建立轉子、定子、機架結構、推力軸承、過流部件各個模塊的Petri網模型結構.

步驟2確定Petri模型中每一層的狀態，寫出每一個初始庫所對應的故障征兆、故障原因或設備狀態以及狀態維修方案，確定Petri網模型故障診斷層和狀態維修層輸入和輸出庫所的初始標識Mn.

步驟3由當前標識Mn根據變遷規則求出變遷點火序列，若有Ti(Ti表示一個或多個變遷)能夠點火，則轉向步驟4，否則轉步驟5.

步驟4變遷Ti點火后，新的標識Mn+1可以按照變遷點火規則求出，轉步驟3.

步驟5取最后的標識為系統結果狀態，從該標識判斷目標庫所是否包含令牌，若含有令牌，則說明有故障原因和狀態維修方案輸出.

下面以轉子模塊為例，說明抽水蓄能機組故障診斷與狀態維修Petri模型的建立方法.

3 轉子故障診斷和狀態維修Petri模型的建立

根據相關文獻整理出轉子常見故障原因、故障征兆和維修方案，如表1所示.

表1 轉子常見故障原因、征兆和維修方案Tab.1 Normal rotor fault, symptoms and maintenance scheme

根據表1形成規則知識時，首先要對其進行整理和刪減.比如矢量區方面的故障征兆，由于對其狀態界定比較困難，且不是主要故障征兆.“振動隨轉速增加而增加”在所有故障征兆中都含有，它對故障診斷的決策不起決定作用，應在故障征兆中予以刪除.然后按照知識的邏輯關系分別形成如下幾個規則:

規則1

if，then；if，then.

其中,p0為機組當前狀態允許進行維修；p1為振動方向為徑向；p3為特征頻率為基頻；p7為軸心軌跡為橢圓；p11為轉子質量偏心；p16為轉子除垢，進行修復，按技術要求對轉子進行動平衡.

規則2

if，then；if，then.

其中,p10為有較大的沖擊性振動；p12為轉子部件缺損；p17為修復轉子，重新動平衡；正確操作.

規則3

if，then；if ，then.

其中,p2為振動方向為軸向；p4為振動信號中含有二倍頻；p6為振動波形非正弦；p9為開機時振動較大；p13為轉子弓形彎曲；p18為正確存放轉子，科學管理校直轉子，按技術要求進行動平衡.

規則4

if，then；if ，then.

其中,p14為轉子臨時彎曲；p19為轉子旋轉90°后重新啟動；按技術要求調整軸系轉子對中量，重新對中.

規則5

if，then；if，then.

其中,p5為振動信號中含有三倍基頻；p8為軸心軌跡為雙環橢圓；p15為轉子不對中；p20為轉子冷態對中時，考慮到熱態不對中變化量；按技術要求調整軸系轉子對中量，重新對中.

根據以上規則，形成轉子故障診斷與狀態維修的Petri網模型，如圖2所示.

圖2 轉子故障診斷與狀態維修Petri網模型Fig.2 The Petri nets model for rotor fault diagnosis and maintenance on conditions

在圖2中，p1,p2,p3,p4,p5,p6,p7,p8,p9,p10為故障征兆庫所集合，每個庫所對應一種故障征兆，其中令牌的有無表示是否有該故障征兆，由機組信息決定，對應于故障診斷層的輸入；p16,p17,p18,p19,p20為故障原因庫所集合，每個庫所對應一種給定的故障原因，其中令牌的有無表示是否為該類型的故障，對應于診斷層的輸出；p11,p12,p13,p14,p15為元件狀態庫所集合，對應于元件的目前狀態，其中令牌的有無表示是否有具有該狀態，由元件維修歷史和目前狀態確定；p11,p12,p13,p14,p15和p16,p17,p18,p19,p20共同構成狀態維修層的輸入.p21,p22,p23,p24,p25為狀態維修方案庫所集合，其中令牌的有無表示是否有該狀態維修方案輸出，對應于狀態維修層的輸出.變遷t1,t2,t3,t4,t5用來表示診斷層故障征兆與故障原因間的對應關系；變遷t6,t7,t8,t9,t10用來表示狀態維修層故障原因、機組狀態與維修方案間的對應關系.

該模型第1層故障診斷層的輸出矩陣O1(m,n)、輸入矩陣I1(m,n)和第2層狀態維修層的輸出矩陣O2(m,n)、輸入矩陣I2(m,n)分別為：

4 結論

本文介紹了Petri網基本知識，提出了抽水蓄能機組故障診斷與狀態維修Petri模型的分解與分層方法，有效地降低了Petri網模型的維數，提高了問題的求解速度，避免了可能出現的“狀態組合爆炸”問題.給出了模型的知識提取與表示方法及其實現步驟，完成了抽水蓄能機組故障診斷與狀態維修的Petri網建模.該模型利用圖形語言實現了抽水蓄能機組故障診斷與狀態維修系統的分析與建模，具有簡單直觀，準確度高的優點.

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