艦船電力系統(tǒng)量子遺傳算法的故障診斷方法研究

侯新國，王家林

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艦船電力系統(tǒng)量子遺傳算法的故障診斷方法研究

侯新國，王家林

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

為能準(zhǔn)確的確定故障元件，建立了考慮保護(hù)或斷路器拒動(dòng)情況下適合艦船電力系統(tǒng)故障診斷的數(shù)學(xué)模型，利用量子遺傳算法對故障診斷數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，并利用典型艦船電力系統(tǒng)故障算例對所提方法進(jìn)行了驗(yàn)證，算例結(jié)果說明了該故障診斷模型的合理性和診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。

艦船電力系統(tǒng) 故障診斷 量子遺傳算法 目標(biāo)函數(shù)

0 引言

艦船電力系統(tǒng)為獨(dú)立電力系統(tǒng)，艦船所處環(huán)境惡劣，電力系統(tǒng)極易因戰(zhàn)斗損傷或操作不當(dāng)在某一集中的地方產(chǎn)生多個(gè)故障而導(dǎo)致負(fù)載失電[1]。隨著艦船電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式日趨復(fù)雜、電壓等級提高、設(shè)備趨向大容量化，艦船綜合電力系統(tǒng)對供電的要求越來越高，艦船電力系統(tǒng)故障診斷的研究顯得越來越重要[2]。目前，陸地電力系統(tǒng)的故障診斷方法相對比較成熟，主要通過利用有關(guān)電力系統(tǒng)及其保護(hù)裝置和斷路器等的信息，采用專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、Petri網(wǎng)絡(luò)、基于優(yōu)化技術(shù)的等方法識別故障元件位置(區(qū)域) 、類型和誤動(dòng)作的裝置[3-4]。這些方法為艦船電力系統(tǒng)故障診斷方法研究提供了很好的思路。本文在深入分析艦船電力系統(tǒng)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和保護(hù)配置特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立適合艦船電力系統(tǒng)故障診斷的數(shù)學(xué)模型，利用量子遺傳算法對模型進(jìn)行求解。并對故障診斷模型的合理性和診斷的準(zhǔn)確性進(jìn)行了仿真。

1 艦船電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和保護(hù)配置

本文研究的典型的艦船電力系統(tǒng)[5]如圖1所示，發(fā)電機(jī)電源之間利用縱橫向跨接線或母線將主配電板連接起來形成回路，這樣既有從主配電板到分配電板到負(fù)載的縱向連接又有各主配電板之間的橫向接線方式，形成環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，各電站通過主配電板以環(huán)形聯(lián)結(jié)，每個(gè)主配電板上都設(shè)有發(fā)電機(jī)之間的隔離開關(guān)，必要時(shí)所有發(fā)電機(jī)組均可單獨(dú)工作，實(shí)行分區(qū)供電，提高供電的靈活性。配電網(wǎng)絡(luò)采用輻射式結(jié)構(gòu)，重要負(fù)載直接接在主配電板上，其它負(fù)載由區(qū)域配電板即負(fù)載中心供電，這種供電模式，提高了供電的可靠性和生命力，是艦船電力系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向。電站1及其輻射式配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中G表示發(fā)電機(jī)，T表示變壓器，L表示線路，B表示母線，CB表示開關(guān)(CB8，CB25為常開開關(guān))。

目前在艦船電力系統(tǒng)中，保護(hù)分為瞬時(shí)脫扣，短延時(shí)脫扣和長延時(shí)脫扣，它們相互配合組成整個(gè)艦船電力系統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)，這三種保護(hù)的功能與陸地電力系統(tǒng)主保護(hù)、近后備保護(hù)和遠(yuǎn)后備保護(hù)實(shí)現(xiàn)的功能特點(diǎn)是一致的。為表述方便，將艦船電力系統(tǒng)保護(hù)統(tǒng)一按主保護(hù)，近后備保護(hù)和遠(yuǎn)后備來進(jìn)行說明和定義[6]。

艦船電力系統(tǒng)因艦船的特殊需要造成其保護(hù)和陸地電力系統(tǒng)相比具有顯著的不同，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：(1)線路和設(shè)備密集，供配電線路短，與陸地電力系統(tǒng)線路分為受端和送端保護(hù)不同，艦船電力系統(tǒng)線路故障時(shí)，保護(hù)控制兩端斷路器跳閘；(2)開關(guān)和保護(hù)裝置一體化設(shè)計(jì)，一般不設(shè)置斷路器失靈保護(hù)功能；(3)以主母線為中心可將電力系統(tǒng)劃分為幾個(gè)相對獨(dú)立的單側(cè)電源輻射狀結(jié)構(gòu)的輸配電區(qū)域，元件故障時(shí)，由主保護(hù)或近后備保護(hù)動(dòng)作，相關(guān)斷路器跳閘切除故障；若本元件保護(hù)未能切除故障，則由靠近電源側(cè)的關(guān)聯(lián)元件(上級關(guān)聯(lián)元件)保護(hù)作為遠(yuǎn)后備保護(hù)動(dòng)作，相關(guān)斷路器跳閘切除故障；而陸地電力系統(tǒng)是多源系統(tǒng)，將所有關(guān)聯(lián)元件保護(hù)作為遠(yuǎn)后備保護(hù)；(4)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的最底層元件與負(fù)載設(shè)備直接相連，負(fù)載設(shè)備發(fā)生故障時(shí)由其自身的保護(hù)將設(shè)備隔離出電網(wǎng)，故網(wǎng)絡(luò)的最底層元件如圖中：L3，L4，L5等元件只設(shè)有主保護(hù)和近后備保護(hù)，不設(shè)有遠(yuǎn)后備保護(hù)。

2 艦船電力系統(tǒng)故障診斷模型

艦船電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，最終都會(huì)由相關(guān)的保護(hù)和斷路器動(dòng)作，形成失電區(qū)域。通過對故障前后的電力系統(tǒng)拓?fù)浞治龅玫焦收虾蟮臒o源網(wǎng)絡(luò)，故障元件肯定在無源網(wǎng)絡(luò)中，這些無源區(qū)域就是故障失電區(qū)域，故障元件的識別就可以局限于故障失電區(qū)域中所包含的元件。

文獻(xiàn)[7]提出的故障診斷模型如式（1）所示，

文獻(xiàn)[8]指出了文獻(xiàn)[7]中的故障診斷模型存在多解的問題，提出了計(jì)及主、后備保護(hù)之間狀態(tài)關(guān)系對目標(biāo)函數(shù)的共同影響的改進(jìn)電力系統(tǒng)故障診斷優(yōu)化模型如式(2)所示：

圖1 典型的艦船電力系統(tǒng)

圖2 電站1及其輻射式配電網(wǎng)絡(luò)

3 采用量子遺傳算法的故障診斷模型的求解

量子遺傳算法融合了量子理論和經(jīng)典遺傳算法的優(yōu)點(diǎn)，具有比普通遺傳算法更好的種群多樣性、更快的收斂速度和全局尋優(yōu)的能力，本文根據(jù)艦船電力系統(tǒng)故障診斷問題的特點(diǎn)，給出量子編碼方案，并采用量子遺傳算法來求解故障診斷問題[9-10]。

4 仿真算例

為驗(yàn)證所采用方法的正確性，在如圖2所示的測試系統(tǒng)中對兩個(gè)故障算例進(jìn)行測試。該測試系統(tǒng)共有20個(gè)元件、33個(gè)斷路器和50個(gè)保護(hù)。

20個(gè)元件依次編號為(S1~ S20)：B1,…,B6；T1,…,T4；L1,…,L10；

33個(gè)斷路器依次編號為（C1~ C33）：CB1，CB2，…，CB33；

50個(gè)保護(hù)中，20個(gè)為主保護(hù)，20個(gè)為近后備保護(hù)，10個(gè)為遠(yuǎn)后備保護(hù)。主保護(hù)依次編號為（r1~ r20）：B1m，…，B6m；T1m，…，T4m；L1m，…，L10m；近后備保護(hù)依次編號為（r21~ r40）：B1p，…，B6p；T1p，…，T4p；L1p，…，L10p；遠(yuǎn)后備保護(hù)依次編號為（r41~ r50）：B1s，…，B6s；T1s，T2s；L1s，L2s。其中m，p，s分別表示主保護(hù)、近后備保護(hù)和遠(yuǎn)后備保護(hù)。

4.1 故障算例

測試系統(tǒng)發(fā)生故障，警報(bào)信號：保護(hù)T1P， B1s，T2m，L5p動(dòng)作，斷路器CB5，CB3，CB1，CB6，CB7，CB13跳閘。

通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥R別得到故障區(qū)域需要進(jìn)行故障診斷的元件為：B1，B3，B4，T1，T2，L3，L4，L5，L6。對應(yīng)的元件狀態(tài)向量為S=[s1, s2,…s9]；斷路器實(shí)際狀態(tài)向量C=[c1, c2,…c14]=[1,1,0,1, 1,1, 0,0, 0,0,1,0,0,0]，分別對應(yīng)斷路器CB1，CB3，CB4，CB5，CB6，CB7， CB9，CB10，CB11，CB12，CB13，CB14，CB15，CB16。保護(hù)的實(shí)際狀態(tài)向量R=[r1, r2,…r23]= [0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,1,0,1,0,0, 0,0,0,0,0, 1, 0,0]分別對應(yīng)B1m，B1p，B1s，B3m，B3p，B3s，B4m，B4p，B4s，T1m，T1p，T1s，T2m，T2p，T2s，L3m，L3p， L4m，L4p，L5m，L5p， L6m，L6p。

表1為保護(hù)和斷路器的期望狀態(tài)。

表1 保護(hù)和斷路器的期望狀態(tài)

由此，根據(jù)式(3)形成目標(biāo)函數(shù)

S=[s1, s2,…s9] =[0,0,0,1,1,0,0,1,0]，對應(yīng)的故障元件為變壓器T1，T2，線路L5。

根據(jù)保護(hù)和斷路器的報(bào)警信號以及診斷結(jié)果，可以分析得知：變壓器T1故障，主保護(hù)拒動(dòng)，由近后備保護(hù)動(dòng)作，斷路器CB5跳閘，斷路器CB4拒動(dòng)，由母線B1的遠(yuǎn)后備保護(hù)動(dòng)作，斷路器CB3，CB1，CB6跳閘；變壓器T2故障，主保護(hù)動(dòng)作，斷路器CB6,CB7跳閘；線路L5故障，主保護(hù)拒動(dòng)，由近后備保護(hù)動(dòng)作，斷路器CB13,CB14跳閘，其中斷路器CB14跳閘信息漏報(bào)。這是一個(gè)存在主保護(hù)拒動(dòng)、斷路器拒動(dòng)和斷路器信息存在漏報(bào)的多元件故障，使用本文所述模型可以準(zhǔn)確的診斷出故障元件。

對本文采用的故障診斷模型的幾點(diǎn)分析：

（1）對于存在保護(hù)拒動(dòng)、斷路器拒動(dòng)和單個(gè)斷路器誤動(dòng)或信息漏報(bào)的多元件故障，該故障診斷模型可以得到準(zhǔn)確的診斷結(jié)果；

（2）斷路器告警信息在該故障診斷模型中表現(xiàn)為相關(guān)保護(hù)信息的狀態(tài)，若出現(xiàn)保護(hù)信息漏報(bào)或誤報(bào)，使用該故障診斷模型會(huì)出現(xiàn)漏診斷或誤診斷。

5 小結(jié)

本文在分析艦船電力系統(tǒng)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和保護(hù)配置特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立考慮保護(hù)或斷路器拒動(dòng)情況下計(jì)及主、后備保護(hù)之間狀態(tài)關(guān)系對目標(biāo)函數(shù)的共同影響的適合艦船電力系統(tǒng)故障診斷的數(shù)學(xué)模型，并采用了量子遺傳算法對模型進(jìn)行了求解。故障算例說明在存在主保護(hù)拒動(dòng)、斷路器拒動(dòng)、誤動(dòng)和斷路器信息存在漏報(bào)的多元件故障情況下，該模型能得到正確的唯一的診斷結(jié)果。但當(dāng)故障保護(hù)動(dòng)作信息缺失或誤報(bào)時(shí)，該模型會(huì)出現(xiàn)漏診和誤診的問題，需要進(jìn)一步研究。

[1] 馬偉明. 艦船動(dòng)力發(fā)展的方向-綜合電力系統(tǒng)[J]. 海軍工程大學(xué)報(bào), 2002, 14(12): 53-59.

[2] Jayabalan R, Fahimi B. Naval shipboard power system[C]//IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. New York: IEEE, 2005:86-90.

[3] 王家林, 夏立, 吳正國, 等. 電力系統(tǒng)故障診斷研究現(xiàn)狀與展望 [J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2010, 38(18): 210-216.

[4] 廖志偉, 孫雅明, 葉青華. 人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)故障診斷中應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2003, 15(6): 71-78.

[5] 王琦, 馬偉明, 付立軍等. 艦船綜合電力系統(tǒng)繼電保護(hù)策略[J]. 高電壓技術(shù), 2007, 30(10): 157-161.

[6] 康軍. 艦船綜合電力系統(tǒng)潮流算法研究與狀態(tài)估計(jì)探討[D]. 武漢:海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院, 2009.

[7] 文福拴, 韓禎祥, 田磊, 等. 基于遺傳算法的電力系統(tǒng)故障診斷的解析模型與力法[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào), 1998, 10(3): 1-7.

[8] 翁漢琍, 毛鵬, 林湘寧. 一種改進(jìn)的電網(wǎng)故障診斷優(yōu)化模型 [J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2007, 31(7): 66-70.

[9] 王家林, 夏立, 吳正國,等. 采用量子遺傳算法的電力系統(tǒng)PMU最優(yōu)配置 [J]. 高電壓技術(shù), 2010, 36(11): 2838-2842.

[10] 楊俊安, 莊鎮(zhèn)泉. 量子遺傳算法研究現(xiàn)狀 [J]. 計(jì)算機(jī)科學(xué), 2003, 30(11): 13-15.

Fault Diagnosis Method of the Shipboard Power System

Hou Xinguo, Wang Jialin

(College of Electronic and Information Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM711 TP18

A

1003-4862（2013）12-0001-04

2013-03-16

侯新國（1972-），男，博士，副教授。研究方向：電力系統(tǒng)故障診斷，網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備故障診斷。