基于混沌载波优化及行波多分辨理论的输电网故障诊断

论文摘要

电力系统用户对电能可靠性的要求越来越高,然而由于运行、维护、老化等原因,电网发生故障是不可避免的。快速地诊断和消除故障,加快事故后的检修和恢复速度,能加强系统运行的安全稳定性,增强供电可靠性,对国民经济效益的积极作用也是不可估量的。因此,IEEE PES 2004会议明确提出智能型故障诊断的概念,对于实际工作而言,如何利用电网控制中心采集的故障报警及电气量信息,快速判断故障元件、故障类型及故障位置,构建一个优质的故障诊断决策系统,为值班人员提供故障诊断,这对于系统恢复运行、提高供电可靠性是一个非常重要的课题。本论文概念上是从输电网故障的“诊”和“断”两个方面开展工作,主要内容可具体分为三大部分。首先是如何利用保护、断路器或其它电气量信息快速定位故障元件,首次引入自定义混沌优化算法;其次是确定具体故障类型,即故障选相,重点区别于传统工频量方法构造了选相的模极大值特征量;最后是故障测距,主要是针对性地提出行波故障测距若干问题的新对策。具体开展的工作总结如下:1.将输电网故障的区域诊件过程建模成一个0-1整数规划优化问题,引入混沌优化的概念,并首次提出自定义载波映射使连续变量的混沌优化适用于0-1整数规划。实验表明,自定义混沌载波优化算法弥补了传统进化算法易陷入局部最优、迭代次数多的缺陷,更易实现在线应用。2.从能量的观点对输电线路故障后的行波过程进行了阐述,提出采用实际非对称数值解耦的方法完全消除不平衡三相线路之间的耦合影响。在此基础上分析了行波在故障点、母线等阻抗不连续处的反射和折射情况,进而给出了实际故障行波分析需要面对的问题,并推导了多导线母线节点的行波传输等值规则。3.就工程的角度阐述了多分辨分析理论的具体内涵,提出了“平均”与“细节”的概念,用以描述暂态信号中的低频与高频成分;进而给出了暂态信号分析的小波解决方案,并对当前一些研究文献中小波函数的盲目选取作法提出了商榷。4.分析了相模解耦后各模在各相上以及各相上各模的传播规律,基于凯伦布尔变换建立了故障行波特征判据量,给出了故障选相软件程序设计框图。5.在输电线路行波故障测距方法中,首次提出利用线模与零模传播速度上的差异构造半程阀值判据,鉴别近区与远区的故障,明确继故障初始行波波头之后到达的是故障点反射波头还是对端母线反射经故障点透射过来的波头。6.首次提出不换位或不完全换位输电线路情况下采用实际非对称解耦获得实际模量波速进行故障测距,这是因为对称解耦方法并不能完全消除不对称三相之间的耦合,各个模量之间的耦合也给行波波头的检测带来了困难,不能保证测距结果的准确性。7.藉助先验线模速度,首次提出构造模极大值陷波点的概念,消除相邻非故障线路对端母线反射波的折射影响,杜绝了由于相对简单的极性判断而造成的波头误判;并在综合考虑近区、远区故障时故障点反射波、对端母线反射波以及非故障线路的透射波传播时限的基础上,提出暂态行波信号分析的优化界定范围,大大减少了运算次数,还避免了不必要的模极大值混淆。8.论文的最后总结了所进行的研究工作,提出基于移动Agent技术处理故障诊断问题的构想,展望了后续的工作。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 本课题研究的目的和意义
• 1.1.2 电网故障诊断在调度自动化系统中的地位
• 1.2 国内外输电网故障研究背景
• 1.2.1 “诊”的研究方法
• 1.2.2 “断”的研究方法
• 1.3 本论文的研究思路
• 1.3.1 区域诊件
• 1.3.2 故障选相
• 1.3.3 故障测距
• 1.4 章节安排
• 1.5 本章小结
• 第二章 基于自定义混沌载波优化的电网故障诊断
• 2.1 故障诊断实施的棘手之处
• 2.1.1 工程在线应用适应性有待增强
• 2.1.2 亟需克服实际多变的运行方式造成的困难
• 2.2 基于优化技术的对策
• 2.2.1 诊断问题的数学模型
• 2.2.2 故障区域的识别
• 2.2.3 0-1 整数规划
• 2.2.4 分层分布式的思维
• 2.3 混沌优化的思想
• 2.3.1 混沌的概念及性质
• 2.3.2 虫口方程
• 2.3.3 混沌优化算法
• 2.3.4 自定义混沌载波优化
• 2.4 算例分析
• 2.4.1 简单故障的情形
• 2.4.2 复杂故障的情形
• 2.4.3 与遗传算法的性能比较
• 2.5 本章小结
• 第三章 输电网故障特征行波分析
• 3.1 从能量的角度看行波过程
• 3.2 相模解耦及模量波速
• 3.2.1 传统的对称解耦
• 3.2.2 实际非对称数值解耦
• 3.2.3 实际模量波速
• 3.3 行波传输特征
• 3.3.1 反射与折射
• 3.3.2 母线接线方式对行波传输的影响
• 3.3.3 实际故障行波分析需要面对的问题
• 3.4 本章小结
• 第四章 利用多分辨奇异分析探究电力系统故障暂态信号
• 4.1 高压输电线路故障信号特征
• 4.2 多分辨分析理论
• 4.2.1 从工程的角度看多分辨分析
• 4.2.2 小波分析理论
• 4.3 信号突变点的奇异检测
• 4.3.1 李氏指数的概念
• 4.3.2 小波变换模极大值同信号突变点的关系
• 4.3.3 B样条小波
• 4.4 利用多分辨方法分析故障暂态数字信号
• 4.4.1 小波变换解决方案
• 4.4.2 当前已构造的小波特性
• 4.4.3 暂态信号分析对小波函数选取的要求
• 4.5 本章小结
• 第五章 行波故障选相研究
• 5.1 故障行波分析等效原理图
• 5.2 相模变换对行波传播特征的影响
• 5.2.1 凯伦布尔变换
• 5.2.2 克拉克变换
• 5.3 故障类型对行波传播特征的影响
• 5.3.1 单相接地
• 5.3.2 两相短路
• 5.3.3 两相接地
• 5.3.4 三相短路
• 5.4 故障选相原则
• 5.4.1 故障特征判据量的构造
• 5.4.2 基于小波变换模极大值的选相判据
• 5.4.3 选相软件框图
• 5.5 选相仿真
• 5.6 本章小结
• 第六章 输电线路暂态行波测距
• 6.1 行波故障测距方法
• 6.1.1 单端法行波故障测距
• 6.1.2 双端法行波故障测距
• 6.1.3 发展的趋势及方向
• 6.1.4 一个值得商榷的分析误区
• 6.2 故障行波波形探究
• 6.2.1 三相耦合行波与解耦后的波形差异
• 6.2.2 多分辨分析方法识别突变波头
• 6.2.3 相邻线路折射模值观察
• 6.3 单端故障测距系列问题对策
• 6.3.1 利用线模零模波速差预判断故障发生区段
• 6.3.2 消除相邻非故障线路折射的误判
• 6.3.3 不对称输电线路模量波速的实际选取
• 6.3.4 模量方法失效的情况
• 6.3.5 程序设计的优化建议
• 6.3.6 最后一点发现的说明
• 6.4 仿真结果
• 6.4.1 相模解耦
• 6.4.2 故障区段预判断处理
• 6.4.3 消除非故障线路折射影响
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文主要的研究工作
• 7.2 后继工作的展望
• 7.2.1 有待继续改进的工作
• 7.2.2 基于移动Agent 技术架设诊断体系的构想
• 参考文献
• 附录一 SIMULINK仿真模块图
• 附录二 作者在攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢