智能电网中电能传输系统的故障诊断与监督控制研究

发布时间：2019-08-07 07:50

【摘要】：电能作为一种动力能源被广泛地应用在工农业生产中,对电能的利用是第二次工业革命的主要标志。电能是由发电站将其它形式的自然能源转换而成。为了能够将电能从遥远的发电站传输到相对集中的城市和工厂,电能传输系统应运而生。传统的电能传输系统主要由大量的变电站通过电能传输线连接而成。然而,电能传输线路经常因为自然灾害或设备损坏等因素的影响而引起大面积停电事故。但是,要避免输电线路损坏比较困难。理想而可行的办法是在输电线路损坏时,电能传输系统能够自动诊断故障并修复故障。因此,研究人员提出了新一代的智能电网。智能电网是由传统电能传输系统和分布式控制系统结合而成。自动故障诊断与修复是智能电网的重要特征。为了使智能电网不仅具有自动故障诊断与修复的特征还应具有较高的稳定性和可靠性,这就要求其分布式控制系统必须稳定可靠。监督控制理论被广泛地应用于离散事件系统中,分布式控制系统是典型的离散事件系统。很多学者基于监督控制理论提出了大量的分布式控制系统及其监督控制协议以实现电能传输系统的自动故障诊断与恢复。评价这些控制系统和协议的性能指标主要考虑其结构复杂度和通信复杂度等。大部分智能电网的分布式控制系统结构比较复杂且存在较高的通信线路冗余,针对控制系统结构和通信线路进行优化的研究较少。分布式控制系统中消息的交换量是评价监督控制协议性能的一个重要指标。当前对智能电网的研究很少考虑对系统的消息交换量进行优化,尤其缺乏对系统的形式化模拟及监督控制协议的正确性验证。Petri网由于具有规范的表述形式及严谨的数学验证方法,在离散事件系统的建模、分析和验证中得到广泛的应用。因此,Petri网可以用来对智能电网中的分布式控制系统及其监督控制协议进行建模、分析和验证。本论文以Petri网理论为基础,研究智能电网中电能传输系统的自动故障诊断与恢复策略,考虑对分布式控制中系统结构、通信线路和消息交换量等方面的优化问题,主要研究工作及取得的成果如下：(1)提出基于Petri网的传统电能传输系统及其传输线路故障的形式化定义。首先,通过对传统电能传输系统的结构进行分析,采用分层优化技术对系统结构进行优化使得系统结构组成简单且易于形式化建模。其次,提出基于Petri网的传统电能传输系统的形式化模型。通过分析模型结构及模型中的故障状态,提出传输线路故障状态的形式化定义。此外,提出具有手动故障诊断与恢复特征的半智能化电能传输系统结构并采用Petri网对其建模。提出的这类半智能化电能传输系统是在传统电能传输系统基础之上,通过在变电站之间增加备用电能传输线路及备用线路控制系统所构成。当变电站的输入线路发生故障时,系统可以通过备用线路继续对变电站临时供电。这是实现电能传输系统中自动故障恢复的前提与基础。(2)提出一类分层分布式控制系统设计方案。首先,分析半智能化电能传输系统的结构,在其手动故障诊断与恢复基础之上结合监督控制理论提出一类分层分布式控制系统的设计方案。该方案使用监督控制器对电能传输系统中的各个变电站进行监督控制,通过对电能传输线路的监控以实现系统的自动故障诊断与恢复。其次,基于结构优化理论对提出的分布式控制系统中的通信线路进行优化,使得系统既能充分保证其通信的需要又能尽量减少其通信线路,从而进一步降低系统的结构复杂度和系统的实施及维护成本。另外,电能传输系统在其故障恢复期间由于电能传输中断将导致大面积停电事故。该方案把电能存储系统应用到半智能化电能传输系统中,通过分布式控制系统对电能存储系统进行控制,使得在故障恢复期间电能存储系统能够继续为电能传输系统供电以有效地避免大面积停电事故。(3)提出两类故障恢复监督控制协议。通过对半智能化电能传输系统中备用电能传输线路结构的研究,提出一类可对故障恢复方案进行优化的监督控制协议。该协议能从多个方案中计算出一个最优方案并执行,从而对诊断出的故障进行恢复控制。通过计算最优方案可以提高电能传输系统中可用电能的最大利用率。因此,也能进一步地避免可能出现的更为严重的大面积停电事故。另外,基于可重构技术提出一类可对分布式控制系统中消息交换量进行优化的监督控制协议。该协议动态地分析故障恢复过程中的消息数据,通过对消息数据进行动态重构以减少系统总的消息交换数,同时也减轻了分布式控制系统的通信负担。(4)系统的形式化建模与模型的正确性验证是对系统行为及系统可靠性与安全性进行分析的重要分析方法。本论文使用Petri网及时间自动机对提出的分层分布式控制系统及监督控制协议进行建模、仿真与正确性验证。首先,采用Petri网结合监督控制协议对控制系统建模。通过在模型中注入电能传输线路故障信息,对故障诊断与恢复过程进行演算。利用Petri网的数学验证技术对恢复过程及演算结果进行正确性验证。其次,为了便于研究人员能够正确地理解本文提出的分布式控制系统和监督控制协议,采用时间自动机结合监督控制协议对控制系统建模。利用基于时间自动机的模拟与验证工具(UPPAAL)对模型的故障诊断与恢复过程进行仿真与验证。研究人员可以通过UPPAAL直观地理解并分析系统故障的恢复过程。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM76

【参考文献】