面向電網傳感器故障的容錯控制方案設計

向婉芹 楊 瓅

重慶電力高等專科學校

面向電網傳感器故障的容錯控制方案設計

向婉芹 楊 瓅

重慶電力高等專科學校

本文首先介紹了傳感器在電網中的主要作用，通過分析國內外研究現狀，提出面向電網傳感器故障的容錯控制設計方案以及實驗方案。

傳感器；容錯控制；電網

1 引言

在電網系統中，從廣義上講，傳感器指從發電機組、線路或變壓器到控制端的所有數字測量設備的總和。從狹義上將，針對線路而言，傳感器包括電壓傳感器、電流傳感器，而傳統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；針對發電機組，傳感器包括角度傳感器、頻率傳感器、電壓傳感器等。

隨著信息技術與電力系統的深度融合，電網及控制系統中使用的傳感器數量和類型日益廣泛，電網系統的穩定性也越來越依賴于其中傳感器的精度與穩定性。因為，隨著傳感器的增多，其發生故障的概率也隨之提升，并且發生故障的傳感器會產生測量輸出異常，進而導致電網控制系統性能下降、甚至崩潰。因此，為了提高電網系統的安全穩定性和經濟可靠性，亟需對其中傳感器故障的特性分析，進而研究傳感器故障診斷與檢測算法，并在此基礎上設計具有容錯性能的電網控制器，使得電網系統能夠在傳感器存在故障的條件下穩定工作。

2 國內外研究現狀

在電網系統故障檢測及容錯控制器設計問題上，近年來國內外的研究情況如下。國際研究情況如下， 2009年，Scholtz等人研究了針對電力設備擾動的分布式檢測器設計與波形控制問題。2011年，莫依林等人研究針對電力系統的傳感器數據惡意修改問題，同樣的，現有的多數狀態估計方法難以發現此類傳感器故障。2012年，劉耀等人研究了針對電網系統中傳感設備的數據異常，研究表明，目前的大多數狀態估計方法無法解決傳感器數據故障。2013年，Bullo等人針對電網的結構，研究了電網傳感器故障的檢測問題，但其提出的檢測器僅具備檢測功能，沒有提取故障信號，因而難以完成安全控制器設計。2013年，Rodrigues等人研究了風力發電設備中傳感器故障的探測及隔離策略，提出了一種故障信號的估計方法，但容錯控制器的設計沒有涉及。2014年，Teixeira等人研究了電力系統中針對傳感器故障的檢測方法。

國內研究情況如下，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故障診斷問題。2010年，栗然等人研究采用粗糙集聯合規則挖掘算法的分布式電網故障診斷問題。2010年，杜林等人研究了基于網絡通路的區域電網故障行波定位方法問題。2011年，高翔等人研究了電網動態監控系統及其應用問題。2013年，熊國江等人，研究了容錯Petri網電網故障診斷改進模型問題。2014年，譚興國等人研究了容錯型三相四開關有源電力濾波器及其控制策略問題。

3 設計方案

(1) 電網模型。本論文擬采用數學建模與實測數據結合的形式進行研究。我們先從簡化的電網模型入手，以IEEE 9節點電網模型為例，其結構如圖1所示：

(2)容錯控制器設計。針對國內外的研究情況，我們將對電網系統的傳感器故障檢測及容錯控制器設計進行整體考慮，并針對電網系統中的傳感器故障的檢測與容錯控制器設計，我們將從系統結構、信號處理的角度進行分析，初步的研究結構如圖2所示。

圖1 IEEE 9節點電網模型框圖

圖2 含有傳感器故障的電網系統容錯控制器設計結構框圖

圖3 針對電網系統傳感器故障的容錯控制器實驗

(3)實驗整體設計。我們準備采用數學建模、信號實測、數字仿真結合的實驗方案，具體而言，我們的實驗分為兩個階段：第一階段是數學建模與理論分析階段，第二階段是結合實測數據的仿真驗證階段。整體的實驗方案框圖如圖3所示，其中電網系統的建模以數學建模為主，并結合今年來的各種研究成果，充分考慮電網中的不確定性和非線性；傳感器及其故障采用數學建模與測試信號結合的方式進行，即充分體現實測數據中的故障特征，又充分表現實測中沒有充分表示但是在理論上合理的故障類型；控制器采用數學模型為主；最后，利用數字仿真工具，將理論分析的結果呈現出來。

4 小結

本文主要分析了國內外容錯控制設計現狀，以電網9節點模型為基礎，提出了電網系統的傳感器故障檢測及容錯控制器設計方案，以及采用數學建模、信號實測、數字仿真結合的實驗整體設計。

5 致謝

本論文受重慶市教委科研項目“面向電網傳感器故障的容錯控制設計與仿真”(項目編號：C-KJ201501)的支持，在此感謝。