面向电网传感器故障的容错控制方案设计

向婉芹 杨 瓅

重庆电力高等专科学校

面向电网传感器故障的容错控制方案设计

向婉芹 杨 瓅

重庆电力高等专科学校

本文首先介绍了传感器在电网中的主要作用，通过分析国内外研究现状，提出面向电网传感器故障的容错控制设计方案以及实验方案。

传感器；容错控制；电网

1 引言

在电网系统中，从广义上讲，传感器指从发电机组、线路或变压器到控制端的所有数字测量设备的总和。从狭义上将，针对线路而言，传感器包括电压传感器、电流传感器，而传统意义上互感器到电压变送器的组合可以视作一种电压传感器；针对发电机组，传感器包括角度传感器、频率传感器、电压传感器等。

随着信息技术与电力系统的深度融合，电网及控制系统中使用的传感器数量和类型日益广泛，电网系统的稳定性也越来越依赖于其中传感器的精度与稳定性。因为，随着传感器的增多，其发生故障的概率也随之提升，并且发生故障的传感器会产生测量输出异常，进而导致电网控制系统性能下降、甚至崩溃。因此，为了提高电网系统的安全稳定性和经济可靠性，亟需对其中传感器故障的特性分析，进而研究传感器故障诊断与检测算法，并在此基础上设计具有容错性能的电网控制器，使得电网系统能够在传感器存在故障的条件下稳定工作。

2 国内外研究现状

在电网系统故障检测及容错控制器设计问题上，近年来国内外的研究情况如下。国际研究情况如下， 2009年，Scholtz等人研究了针对电力设备扰动的分布式检测器设计与波形控制问题。2011年，莫依林等人研究针对电力系统的传感器数据恶意修改问题，同样的，现有的多数状态估计方法难以发现此类传感器故障。2012年，刘耀等人研究了针对电网系统中传感设备的数据异常，研究表明，目前的大多数状态估计方法无法解决传感器数据故障。2013年，Bullo等人针对电网的结构，研究了电网传感器故障的检测问题，但其提出的检测器仅具备检测功能，没有提取故障信号，因而难以完成安全控制器设计。2013年，Rodrigues等人研究了风力发电设备中传感器故障的探测及隔离策略，提出了一种故障信号的估计方法，但容错控制器的设计没有涉及。2014年，Teixeira等人研究了电力系统中针对传感器故障的检测方法。

国内研究情况如下，2009年，高聪颖等人，研究了基于粗糙集—贝叶斯方法的分布式电网故障诊断问题。2010年，栗然等人研究采用粗糙集联合规则挖掘算法的分布式电网故障诊断问题。2010年，杜林等人研究了基于网络通路的区域电网故障行波定位方法问题。2011年，高翔等人研究了电网动态监控系统及其应用问题。2013年，熊国江等人，研究了容错Petri网电网故障诊断改进模型问题。2014年，谭兴国等人研究了容错型三相四开关有源电力滤波器及其控制策略问题。

3 设计方案

(1) 电网模型。本论文拟采用数学建模与实测数据结合的形式进行研究。我们先从简化的电网模型入手，以IEEE 9节点电网模型为例，其结构如图1所示：

(2)容错控制器设计。针对国内外的研究情况，我们将对电网系统的传感器故障检测及容错控制器设计进行整体考虑，并针对电网系统中的传感器故障的检测与容错控制器设计，我们将从系统结构、信号处理的角度进行分析，初步的研究结构如图2所示。

图1 IEEE 9节点电网模型框图

图2 含有传感器故障的电网系统容错控制器设计结构框图

图3 针对电网系统传感器故障的容错控制器实验

(3)实验整体设计。我们准备采用数学建模、信号实测、数字仿真结合的实验方案，具体而言，我们的实验分为两个阶段：第一阶段是数学建模与理论分析阶段，第二阶段是结合实测数据的仿真验证阶段。整体的实验方案框图如图3所示，其中电网系统的建模以数学建模为主，并结合今年来的各种研究成果，充分考虑电网中的不确定性和非线性；传感器及其故障采用数学建模与测试信号结合的方式进行，即充分体现实测数据中的故障特征，又充分表现实测中没有充分表示但是在理论上合理的故障类型；控制器采用数学模型为主；最后，利用数字仿真工具，将理论分析的结果呈现出来。

4 小结

本文主要分析了国内外容错控制设计现状，以电网9节点模型为基础，提出了电网系统的传感器故障检测及容错控制器设计方案，以及采用数学建模、信号实测、数字仿真结合的实验整体设计。

5 致谢

本论文受重庆市教委科研项目“面向电网传感器故障的容错控制设计与仿真”(项目编号：C-KJ201501)的支持，在此感谢。