基于Petri網的綜合教學實驗平臺研究

杜紅梅

（湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢430068）

隨著高等院校理工學科教學改革不斷深化，高校教學中的實踐實訓環節改革成為重點。目前國內各高校均采用減少學生課時的方式來降低學生學習壓力，但這種改革方式往往導致許多高校刪減了實驗課程的學時。這直接影響了教學質量和教學效率。因此，如何做到“學時減，課程含金量不減”成為教學改革的重點［1］。我國高校教學實踐實訓環節主要存在的以下問題:

1）實驗課程中驗證性實驗居多，難以激發參與實驗課程的學生創新意識與積極性；

2）實驗課程按照不同課程單獨設置。其中有些課程相互聯系緊密，實驗內容相關，分開設置后會影響學生對整個學科知識體系的認識與掌握；

3）實驗室缺乏能夠將多門專業課程實驗內容融合在同一個平臺下的實驗設備。

解決上述問題的關鍵是在實驗室增加能夠融合多門專業課程實驗內容的綜合實驗平臺。目前，這類實驗設備造價高，大多并不適用于學生數量眾多的本科階段教育需要。最經濟的方法是利用現有的實驗設備，設計一個綜合平臺將相關課程實驗設備集成為一體。因此，如何保證綜合實驗平臺運行可靠性成為關鍵。本文結合電氣專業實驗課程需求設計了一種適合于電氣工程及自動化、自動化等專業實驗需求的綜合實驗平臺，利用Petri網構建模型保證綜合實驗平臺運行可靠性。

1 綜合實驗平臺結構設計

綜合實驗平臺由原動機調速模塊、同步發電機勵磁及并網控制模塊、現場及上位機監控模塊、、線路保護模塊、負荷變壓器控制模塊、變電站微機控制模塊、故障診斷模塊七大模塊組成（圖1）。

圖1 綜合實驗平臺結構圖

原動機調速模塊、同步發電機勵磁及并網控制模塊、現場及上位機監控模塊、線路保護模塊、負荷變壓器控制模塊以及變電站微機控制模塊按照發電環節至輸配電環節順序連接，故障診斷模塊對每個模塊進行監控并及時進行故障診斷，保證每一個模塊以及其相互間協同工作能夠正常運行。另外，綜合實驗平臺融合了電力系統分析、電力系統自動化、電力工程、電力系統繼電保護、電機學、電氣控制設備及PLC、過程控制及檢測技術、電力電子技術等多門課程實驗內容。每個模塊將多門課程實驗設備集成在一起，學生通過在該模塊上進行操作不但掌握了單獨課程實驗的方法，還可以了解課程知識在整個電力系統中的作用。這些課程實驗設備既可以單獨使用，也可以相互協同運行。因此，在多種實驗設備協同運行時需要故障診斷模塊對協同運行機制進行保護，以提高其可靠性。

2 基于Petri網的綜合實驗平臺模塊聯動控制模型

2.1 概率Petri網

傳統Petri網由一個五元組PN＝（P，T，F，W，M0）組成。其中，P表示庫所的有限集，T表示變遷的有限集，F表示庫所到變遷或變遷到庫所的有向弧集合，三者組成了Petri網的基網。W表示各有向弧的權重，M0表示各庫所中令牌數的初始狀態集。當庫所中令牌個數達到從庫所到變遷的有向弧的權重要求時，該有向弧就可以觸發；當某變遷所有輸入的有向弧都滿足觸發條件時，變遷即被觸發，同時令牌發生轉移，為后續的狀態觸發創造條件。因此，Petri網可以描述因果推理關系［2］。

Petri網的庫所狀態的變化及變遷的觸發可以通過矩陣運算描述

Mk為所有庫所在k時刻的狀態集合向量，Mk－1為所有庫所在k－1時刻的狀態集合向量，AT為該Petri網的關聯矩陣，uk為k時刻變遷的觸發向量。庫所狀態集合中的非零元素值表示對應的庫所存在令牌。

對于由r個變遷、q個庫所組成的Petri網，其關聯矩陣為r×q矩陣，其中任一元素

式中:bmn＋為從變遷m到它的輸出庫所n的有向弧權重；bmn－為從庫所n到變遷m的有向弧權重。

2.2 基于Petri網的綜合實驗平臺故障診斷模型

綜合實驗平臺故障診斷Petri網模型對原動機調速模塊、同步發電機勵磁及并網控制模塊、現場及上位機監控模塊、線路保護模塊、負荷變壓器控制模塊、變電站微機控制模塊6個模塊分別建模。每個模塊Petri模型根據每個模塊在協同運行時之間存在的故障與故障征兆關系，建立Petri網故障診斷模型。每個模塊按照上述Petri網理論進行構建，其結構按照5元組PN＝（P，T，F，W，M0）的要求構建。圖2至圖7為6個模塊的Petri網故障診斷模型，其中每個模塊的Petri網故障診斷模型均由5元組中的元素組成，在模型中都有特殊意義:

P代表對應控制量或者相應事件，其中輸入庫所代表故障征兆，輸出庫所代表產生故障征兆的故障事件；T代表故障征兆與故障的因果聯系；M0表示各庫所中被觸發的事件初始狀態集；在基于Petri網的綜合實驗平臺故障診斷模型中，庫所代表相應的故障征兆以及對應故障，其具體含義見表1［3－4］。

圖2 原動機調速模塊Petri網

圖3 同步發電機勵磁及并網控制模塊Petri網

圖5 線路保護模塊Petri網

圖6 負荷變壓器控制模塊Petri網

圖7 變電站微機控制模塊Petri網

表1

模型故障診斷過程如下:

1）確定初始狀態PN ＝ （P，T，F，W，M0）；

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

3）根據Mk中各故障發生的概率確定診斷結果（即通過獲得故障發生概率判斷故障發生的可能性）并將診斷結果傳給綜合實驗平臺系統。系統根據診斷結果來安排故障處理措施；

4）循環步驟3），直至綜合實驗平臺系統停止工作。

3 算例分析

以圖4現場及上位機監控模塊Petri網為例，假設系統處于第k個掃描周期，系統根據前一個周期即第k－1個掃描周期的狀態值帶入公式（2）計算并根據計算結果確定第k個掃描周期中有故障發生。若系統檢測出P13、P16、P17事件已經在k－1周期發生，即P13、P16、P17的有向弧token均為1。則有:

由圖4知P38獲得token即P38已經觸發，系統檢測裝置發生故障。

4 結論

綜合實驗平臺采用模塊化結構，其中故障診斷模塊成為整個系統最重要的組成部分。故障診斷模塊對其余六大模塊進行實時監控并按照系統掃描周期對各個模塊進行故障診斷以保證它們之間能夠協同工作。故障診斷模塊利用Petri網建立診斷模型，利用邏輯推理求得診斷結果。算例分析證明了模型的有效性。

［1］ 徐洪華，方 明，張梟悍，等.移動學習與高校實驗課程整合研究［J］.重慶與世界（學術版），2014，31（01）:69-71.

［2］ 趙熙臨，周建中，劉 輝.基于規則獲取的Petri網診斷模型設計［J］.計算機工程與設計，2008，29（05）:1 222-1 225.

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

［4］ 何其新.淺談變電站微機保護故障處理［J］.中國電業（技術版），2012（04）:17-19.