基于模糊Petri網的架空輸電線路狀態評估

張言攀 黃付順

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基于模糊Petri網的架空輸電線路狀態評估

張言攀 黃付順

（國網山東省電力公司菏澤供電公司，山東 菏澤 274000）

為準確、有效地對架空輸電線路狀態進行評估，進而制定相應運維檢修措施，本文提出了一種基于模糊Petri網的架空輸電線路狀態評估模型。模糊Petri網具有模糊推理功能，可以有效地描述各架空輸電線路狀態影響因子和架空輸電線路狀態不確定性、相關性關系。通過實例計算表明了此方法的有效性和合理性。

架空輸電線路；狀態評估；模糊Petri網

架空輸電線路是電能的主要傳輸通道，是電力系統不可或缺的組成部分。架空輸電線路處于室外，受野外環境侵害較為嚴重[1-3]。此外，覆冰、雷電繞擊、鳥類筑巢等外界風險也可能引發線路短路，造成跳閘[4-5]。因此，需要對架空輸電線路的運行狀態進行有效評估，進而采取相應運維檢修措施，保障架空輸電線路安全穩定運行[6-7]。

經典Petri網模型是一個三元組（P, T, F）[8]。其中P表示庫所集合，涵蓋所有的狀態元素。T表示變遷集合。F表示流關系。經典Petri網模型可用于明確、量化的推理場景中。架空輸電線路狀態評估為模糊推理，難以采用經典Petri網模型。模糊Petri網（fuzzy petri nets, FPN）在經典Petri網的基礎上，具有了模糊推理特性和良好的容錯能力，適用于架空輸電線路狀態評估。

1 FPN網絡結構及算法

本模型采用單層單指向FPN。單層表示FPN沒有中間層，僅有輸入層和輸出層。單指向表示FPN中的所有變遷有且僅有一個輸出庫所與之對應[9]。

1.1 單層單指向FPN數學模型

單層單指向FPN的數學模型可以用以下定義來描述。

定義1 單層單指向FPN定義為一個九元組，即

其中，

={i1,i2,…,im；o1,o2,…,on}，集合包含兩個子集合，分別為輸入庫所結點子集合{i1,i2,…,im}和輸出庫所節點子集合{o1,o2,…,on}。

={1,2,…,t}，表示包含個變遷的變遷節點集合。在單指向FPN中，所有變遷有且僅有一個輸出庫所與之對應，可表示為：i→oi。此處滿足=。

={1,2,…,d}，表示模型應用場景命題集合，集合滿足：||=||，∩∩=?。集合的元素構成由本數學模型的應用場景決定。

：i→，為輸入函數，表示輸入庫所i和變遷之間的映射關系。

：→o，為輸出函數，反映變遷和輸出庫所0之間的映射關系。

：→，∈[0,1]，表示庫所結點和其標記值(i)之間的映射關系。其中，(i)表示庫所i對應的歸一化托肯值。

：→，表示庫所和庫所對應命題之間的映射關系。

：→[0,1]，表示變遷結點和其觸發值之間的映射關系

={1,2,…,w}，是輸入庫所對應輸入弧權重值的集合。輸入弧權重值代表輸入庫所對變遷觸發的促進或抑制程度。權重值可為正數，亦可為負數。當權重值取值為正數時，表示輸入庫所對變遷發生起促進作用；當權重值取值為負數時，表示對變遷發生起抑制作用[10]。

定義2 變遷i觸發后，其輸入庫所的標記值不變。單指向FPN模型中，輸出庫所oi對應一個唯一的輸入變遷i。變遷i觸發后，對應輸出庫所oi的標記值為

式中，表示輸出庫所oi對應的第個輸入庫所，w表示對應輸入弧上的權重。

1.2 模型推理

設定

(i)表示與變遷i對應的所有輸入庫所與其輸入弧乘積和，表示變遷i發生的概率[11]。當(i)＞(i)時，即變遷i發生的概率大于觸發值，變遷i觸發；當(i)＜(i)時，即變遷i發生的概率小于觸發值，變遷i不能觸發。

2 基于模糊Petri網的狀態評估模型

2.1 確定輸入庫所集合

在架空輸電線路狀態評估中，輸入庫所對應架空輸電線路運行狀態的影響因子。此處考慮桿塔、絕緣子、線路金具、導地線、桿塔基礎及接地裝置、外部風險等6種影響因子，分別對應輸入庫所i1—i6。參考國家電網公司《110（66）～500kV架空輸電線路評價標準（試行）》中劃分方法，將架空輸電線路狀態區分為3種狀態，分別為完好狀態、較好狀態和注意狀態，分別對應輸出庫所o1—o3[12]。最終確定模糊Petri網圖形化模型如圖1所示。

圖1 架空輸電線路狀態評估模糊Petri網模型

2.2 確定模型參數

運用模糊Petri網進行架空輸電線路狀態評估時，需確定輸入庫所托肯值(i)、輸入弧權重i、變遷觸發值等參數。

1）確定輸入庫所托肯值

根據國家電網公司《110（66）～500kV架空輸電線路評價標準（試行）》中評價標準表，分別統計桿塔、絕緣子、線路金具、導地線、桿塔基礎及接地裝置（i1—i5）所扣分數，將所扣分數除以100即為i1—i5的歸一化托肯值[13]。

針對外部風險i6，可參考表1進行打分，所扣分數除以100即為i6的托肯值。

表1 架空輸電線路外部風險評價標準表

2）確定變遷觸發值

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根據專家打分方法，設定變遷13對應的觸發值13，見表2。

表2 變遷對應觸發值設定表

根據專家打分方法，設定各輸入弧權重見表3。

表3 輸入弧權重設定表

本模型中需要通過數據訓練擬合方法來確定變遷觸發值。

（1）選取100個輸電線路樣本。設定13對應的觸發值13初值均為0.25。

（2）依次針對每個輸電線路樣本，采用《110（66）～500kV架空輸電線路評價標準（試行）》中所用打分表法對輸電線路樣本運行狀態進行判定。

（3）依次針對每個輸電線路樣本，按照本模型方法進行判定。若本模型判定結果與打分表法判定結果一致，則無需修改。否則，將判定錯誤的變遷對應觸發值±0.01。

表4 變遷對應觸發值設定表

2.3 分步進行狀態評估

步驟1：選定需要進行狀態評估的架空輸電線路，按照2.2節中確定的方法對進行打分，進而確定6個輸入庫所的托肯值。

步驟2：運用式（2）依次計算各個變遷對應的值。

步驟3：將步驟2計算出的值與對應的觸發值進行比較。若＜，則該變遷不觸發；若＜，則該變遷觸發，輸出庫所托肯值更新。

步驟4：統計托肯值發生更新的輸出庫所數量。若僅有一個輸出庫所的托肯值發生更新，則輸電線路的狀態即為該輸出庫所表示的狀態；若有多個輸出庫所的托肯值發生更新，則按照如下優先級進行判定：

注意狀態＞較好狀態＞完好狀態

3 算例分析

某供電公司有一條220kV架空輸電線路需要進行狀態評估。輸電運維人員根據2.2節中所列評價標準表對該線路進行打分，并對扣分進行歸一化處理，得到輸入庫所托肯值，見表5。

表5 輸入庫所托肯值

結合表3所列輸入弧權重，根據式（2）求得各個變遷對應的值，見表6。

表6 變遷對應觸發值設定表

將求得的值與對應變遷觸發值相比較，得知1、3不會被觸發，2觸發，所以該條架空輸電線路處于較好狀態。

本算例中，同時采用《110（66）～500kV架空輸電線路評價標準（試行）》中所用打分表法，判定該條輸電線路處于較好狀態。兩種方法判定結果 相同。

4 結論

本文提出了一種基于模糊Petri網的架空輸電線路狀態評估方法。該方法利用了模糊Petri網的模糊推理特性，充分考慮了影響架空輸電線路運行狀態的內部設備影響因子和外界環境。相對常規打分表法，本方法形象直觀，且考慮各影響因素的權重，更加符合實際。實例證明，該方法可以有效地對架空輸電線路運行狀態進行分類，較為合理、科學。

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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

張言攀（1989-），男，碩士，工程師，主要從事輸變電設計和電力設備故障診斷工作。