基于Petri网的智能电网故障诊断与分布式自愈控制研究

With the increase of the scale and complexity of smart grid systems, fault diagnosis and distributed self-healing control in smart grid are becoming hotspots of power system automation. The fault real-time diagnosis and processing are key points for the improvement of gird reliability and power supply quality. Petri nets are an important and full-fledged mathematical tool for modeling, analysis and control of smart grid systems. Distributed control technology is the most reliable control mechanism for achieving complicated control requirements. Therefore, it is natural to combine the advantages of Petri nets with the distributed control techniques. The project aims to study some critical issues of fault diagnosis methods and distributed self-healing control of smart grid, and establishes supervisory control theory of smart grid systems using Petri nets. First, Petri net-based fault diagnosis model for smart grid systems is established, and the decomposition of whole models will be studied using the structural analysis technique. Then, the dynamic property of all resulting local net systems is analyzed. By fully exploring the reachability graph of Petri net models, local controller and whole supervisor are designed, and fault diagnosis algorithms are also developed. Last but not least, we consider fault diagnosis technology of smart grid and multiobjective optimization problem of liveness-enforcing supervisors on the condition of uncontrollable and unobservable transitions, reconfigurability and other factors.

随着智能电网系统规模增大和复杂性增加，电网的故障诊断与故障自愈性成为电力系统自动化的研究热点。系统故障的实时诊断与处理成为提高电网可靠性与供电质量的关键点。Petri网是智能电网系统建模、分析与监控的重要数学工具。分布式控制技术是系统实现复杂控制需求最可靠的控制机制。因此，本项目将Petri网的建模与分析优势和分布式控制技术紧密融合，致力于智能电网故障诊断方法和分布式自愈控制的若干关键问题研究，建立Petri网的智能电网系统监督控制理论。首先，建立电网系统的Petri网故障诊断模型，基于Petri网的结构分析技术研究诊断模型的分解技术。其次，针对获得的局部子网系统进行动态特性分析，基于可达图技术设计活性局部控制器和全局监控器，建立故障诊断算法。最后，考虑诊断模型存在部分可控性和可观性、系统模型的可重构性等因素，研究智能电网系统的故障诊断技术和活性监控器器的多目标优化问题。

项目研究是以推动智能电网的可靠安全、经济高效、环境友好为目标的背景下展开的。随着电网规模的不断扩大及耦合程度越来越紧密，电网故障与死锁控制是提高电网可靠性和供电质量不可或缺的机制。Petri网是智能电网建模、分析及控制的一种重要数学工具，广泛应用在故障诊断与自愈控制方面。同时，分布式控制技术是应对目前电网日益复杂性和多样性最有效的控制机制之一。因此，本项目利用Petri网建模与分析技术展开电网故障与死锁的分布式控制方法研究，完善Petri网监督控制理论。经过四年的研究，在以下方面取得了一定的研究成果。主要包含: (1) 针对复杂系统的Petri网模型，提出模型的结构分解方法，并利用结构分析技术建立系统最优活性监控器设计方法。(2) 建立资源配置的最优资源偏序，并结合一般Petri网结构分析技术，提出了网系统全局监控器优化设计方法；此外，针对监控器的目标优化问题，结合最优资源偏序和混合整数规划方法，提出了网系统故障与死锁控制策略。(3) 针对控制器的计算复杂度问题，提出了全局闲置库所及其模型重构方法。结合网系统的动态特性分析，利用Petri网可达图分析技术，建立了若干一般Petri网最优监控器设计方法。(4) 针对监控器的结构复杂性问题，提出了基于向量最小覆盖集的Petri网活性监控器优化策略。 (5) 进行了一般Petri网系统的控制策略分析与综述，研究了部分可观Petri网的在线故障与死锁状态的控制方法。总体来说，本项目的研究是基本成功的，将Petri网技术在系统故障与死锁的分布式控制方面从理论上推向前进。