面向電網(wǎng)傳感器故障的容錯(cuò)控制方案設(shè)計(jì)

向婉芹 楊 瓅

重慶電力高等專科學(xué)校

面向電網(wǎng)傳感器故障的容錯(cuò)控制方案設(shè)計(jì)

向婉芹 楊 瓅

重慶電力高等?？茖W(xué)校

本文首先介紹了傳感器在電網(wǎng)中的主要作用，通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出面向電網(wǎng)傳感器故障的容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)方案以及實(shí)驗(yàn)方案。

傳感器；容錯(cuò)控制；電網(wǎng)

1 引言

在電網(wǎng)系統(tǒng)中，從廣義上講，傳感器指從發(fā)電機(jī)組、線路或變壓器到控制端的所有數(shù)字測(cè)量設(shè)備的總和。從狹義上將，針對(duì)線路而言，傳感器包括電壓傳感器、電流傳感器，而傳統(tǒng)意義上互感器到電壓變送器的組合可以視作一種電壓傳感器；針對(duì)發(fā)電機(jī)組，傳感器包括角度傳感器、頻率傳感器、電壓傳感器等。

隨著信息技術(shù)與電力系統(tǒng)的深度融合，電網(wǎng)及控制系統(tǒng)中使用的傳感器數(shù)量和類型日益廣泛，電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也越來(lái)越依賴于其中傳感器的精度與穩(wěn)定性。因?yàn)椋S著傳感器的增多，其發(fā)生故障的概率也隨之提升，并且發(fā)生故障的傳感器會(huì)產(chǎn)生測(cè)量輸出異常，進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)控制系統(tǒng)性能下降、甚至崩潰。因此，為了提高電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)可靠性，亟需對(duì)其中傳感器故障的特性分析，進(jìn)而研究傳感器故障診斷與檢測(cè)算法，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)具有容錯(cuò)性能的電網(wǎng)控制器，使得電網(wǎng)系統(tǒng)能夠在傳感器存在故障的條件下穩(wěn)定工作。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在電網(wǎng)系統(tǒng)故障檢測(cè)及容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)問(wèn)題上，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究情況如下。國(guó)際研究情況如下， 2009年，Scholtz等人研究了針對(duì)電力設(shè)備擾動(dòng)的分布式檢測(cè)器設(shè)計(jì)與波形控制問(wèn)題。2011年，莫依林等人研究針對(duì)電力系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)惡意修改問(wèn)題，同樣的，現(xiàn)有的多數(shù)狀態(tài)估計(jì)方法難以發(fā)現(xiàn)此類傳感器故障。2012年，劉耀等人研究了針對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)中傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)異常，研究表明，目前的大多數(shù)狀態(tài)估計(jì)方法無(wú)法解決傳感器數(shù)據(jù)故障。2013年，Bullo等人針對(duì)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，研究了電網(wǎng)傳感器故障的檢測(cè)問(wèn)題，但其提出的檢測(cè)器僅具備檢測(cè)功能，沒(méi)有提取故障信號(hào)，因而難以完成安全控制器設(shè)計(jì)。2013年，Rodrigues等人研究了風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中傳感器故障的探測(cè)及隔離策略，提出了一種故障信號(hào)的估計(jì)方法，但容錯(cuò)控制器的設(shè)計(jì)沒(méi)有涉及。2014年，Teixeira等人研究了電力系統(tǒng)中針對(duì)傳感器故障的檢測(cè)方法。

國(guó)內(nèi)研究情況如下，2009年，高聰穎等人，研究了基于粗糙集—貝葉斯方法的分布式電網(wǎng)故障診斷問(wèn)題。2010年，栗然等人研究采用粗糙集聯(lián)合規(guī)則挖掘算法的分布式電網(wǎng)故障診斷問(wèn)題。2010年，杜林等人研究了基于網(wǎng)絡(luò)通路的區(qū)域電網(wǎng)故障行波定位方法問(wèn)題。2011年，高翔等人研究了電網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)及其應(yīng)用問(wèn)題。2013年，熊國(guó)江等人，研究了容錯(cuò)Petri網(wǎng)電網(wǎng)故障診斷改進(jìn)模型問(wèn)題。2014年，譚興國(guó)等人研究了容錯(cuò)型三相四開(kāi)關(guān)有源電力濾波器及其控制策略問(wèn)題。

3 設(shè)計(jì)方案

(1) 電網(wǎng)模型。本論文擬采用數(shù)學(xué)建模與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合的形式進(jìn)行研究。我們先從簡(jiǎn)化的電網(wǎng)模型入手，以IEEE 9節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)模型為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

(2)容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)。針對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究情況，我們將對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的傳感器故障檢測(cè)及容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)進(jìn)行整體考慮，并針對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)中的傳感器故障的檢測(cè)與容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)，我們將從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、信號(hào)處理的角度進(jìn)行分析，初步的研究結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 IEEE 9節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)模型框圖

圖2 含有傳感器故障的電網(wǎng)系統(tǒng)容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 針對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)傳感器故障的容錯(cuò)控制器實(shí)驗(yàn)

(3)實(shí)驗(yàn)整體設(shè)計(jì)。我們準(zhǔn)備采用數(shù)學(xué)建模、信號(hào)實(shí)測(cè)、數(shù)字仿真結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方案，具體而言，我們的實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段：第一階段是數(shù)學(xué)建模與理論分析階段，第二階段是結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的仿真驗(yàn)證階段。整體的實(shí)驗(yàn)方案框圖如圖3所示，其中電網(wǎng)系統(tǒng)的建模以數(shù)學(xué)建模為主，并結(jié)合今年來(lái)的各種研究成果，充分考慮電網(wǎng)中的不確定性和非線性；傳感器及其故障采用數(shù)學(xué)建模與測(cè)試信號(hào)結(jié)合的方式進(jìn)行，即充分體現(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的故障特征，又充分表現(xiàn)實(shí)測(cè)中沒(méi)有充分表示但是在理論上合理的故障類型；控制器采用數(shù)學(xué)模型為主；最后，利用數(shù)字仿真工具，將理論分析的結(jié)果呈現(xiàn)出來(lái)。

4 小結(jié)

本文主要分析了國(guó)內(nèi)外容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，以電網(wǎng)9節(jié)點(diǎn)模型為基礎(chǔ)，提出了電網(wǎng)系統(tǒng)的傳感器故障檢測(cè)及容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)方案，以及采用數(shù)學(xué)建模、信號(hào)實(shí)測(cè)、數(shù)字仿真結(jié)合的實(shí)驗(yàn)整體設(shè)計(jì)。

5 致謝

本論文受重慶市教委科研項(xiàng)目“面向電網(wǎng)傳感器故障的容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)與仿真”(項(xiàng)目編號(hào)：C-KJ201501)的支持，在此感謝。