容错控制在电力系统中的应用研究综述_李江.docx

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1、第 38 卷第 3期 2010 年 2月 1 日 电力系俛係护矣控喇 Power System Protection and Control Vol.38No.3 Feb.1,2010 容错控制在电力系统中的应用研究综述 李江 u， 李国庆 2 (1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206; 2.东北电力大学电气工程学院，吉林吉林 132012 ) 摘要： 对容错控制在电力系统中的应用研究进行了综述，简要回顾了容错控制的发展历程，阐述了电力系统中容错控制研究 的意义和价值，分析了电力系统中应用容错控制的特点，较全面地介绍了其在励磁系统 .调速系统、高压直流输电系统、监 控系统、 F

2、ACTS 装置和继电保护装置中的应用研究现状。根据电力系统的特点和要求，指出了容错控制研究目前存在的问题 和未来发展方向。 关键词 ：电力系统；故障诊断；容错控制；可靠性 A survey on application of fault tolerant control in power system LI Jiang1,2, LI Guo-qing2 (1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. Scho

3、ol of Electrical Engineering， Northeast Dianli University， Jilin 132012, China) Abstract: This paper introduces the academic research of fault tolerant control(FTC) applied to power systems. Firstly, the survey of birth and development of FTC is stated. Then the works found in the literatures about

4、FTC used in power systems are summarized, which is studied in excitation systems, governor systems, high voltage direct current (HVDC) transmission systems, supervisory and control systems, flexible AC transmission system (FACTS) devices and relay protection devices. Finally, considering the charact

5、eristics of complexity and requirements of power systems, both some existing problems and several important aspects needing further research are presented. Key words: power system; fault diagnosis; fault tolerant control; reliability 文章编号： 1674-3415(2010)03-0140-07 中图分类号： TM764.2 文献标识码 ： A 引言 容错控制是具

6、有冗余能力的控制，即某些部件 发生故障后，系统仍能按原定性能指标或性能指标 略有降 低 的 情 况 下 安 全 地 完 成 任 务 1 。 1971 年， Niederlinski 提出完整性控制的概念标志着容错控 制思想的产生。 1986 年，在美国 Santa Clara 大学召 开的自动控制国际会议上， 50 多位知名专家在 “ 关 于控制的挑战 ” 的集体研究报告中，容错控制被列 为当今和未来的七个挑战性课题之一。容错控制作 为一门新兴交叉学科，和故障检测与诊断、鲁棒控 制、自适应控制、智能技术、计算机技术、通信技 术等有关。经过 30 多年的发展，容错控制在航空、 航天、化工、核 能

7、等领域的应用研究中取得了丰硕 成果關 。 随着电力系统规模的不断扩大，各种新设备的 不断投入与使用，使得系统的复杂程度明显增加。 为提高电力系统运行的安全性与可靠性，自 90 年代 中期以来，容错控制逐渐成为电力系统中重要的研 究内容。 电力系统中所有的设备是相互关联的一个整 体，传感器、执行器、通信网络以及电网自身都可 能发生故障，这些故障若不加以正确处理将可能导 致更严重故障的发生，甚至危及整个系统。因此， 在这样一个广域系统中对各环节采用必要的容错控 制技术将是提高整个电力系统可靠性的有效途径。 1 电力系 统中容错控制的特点 研究容错控制必然涉及到故障诊断，这是因为 故障诊断是容错控制

8、的基础。目前，这两个方面都 已成为了引人入胜的研究热点 2。 电力系统是一个复杂的广域系统，时间及空间 分布广泛，其故障诊断和容错控制具有与其他独立 控制系统不同的特点： (1) 故障的范畴宽 传统的电力系统故障诊断指通过利用有关电力 系统及其保护装置的知识和信息来识别故障的位置 和类型，其中故障元件的识别是关键问题 5。文献 5总结了电力系统故障的智能诊断方法，文中的 故障只涉及传统意义上的电网故障。而随着计算机 技术和网络技术的广泛应用，计算软件和网络传输 故障引起电网故障的漏判和错判现象也时有发 生 6_7。针对这种情况，文献 8研究了在电力系 统状态估计过程中，可能会出现的计算机硬件故

9、障 (暂时和永久故障）和软件故障（缓冲器溢出等） 引起的错误，提出将容错算法 （ Algorithm Based Fault Tolerant, ABFT)应用于高斯消去法的系数矩 阵中，通过误差分析推出舍入误差的上界，校正计 算过程中的不变量，避免软件故障引起误报警。文 献 9将容 错算法应用在电力系统潮流计算的 LU 分解算法中，用累加和方法检测潮流计算中出现的 软件故障。潮流计算和状态估计是电力系统稳定和 控制的重要基础性数据，这类软件故障必须予以考 虑，否则后果严重。因此，考虑到系统的复杂性， 容错控制研究的故障应该包括硬件故障和软件故 障，这扩展了传统电力系统故障的范畴。从这个意 义

10、上说，容错控制所研究的故障主要有：传感器故 障、操作机构故障、电网故障、计算机故障和软件 故障等。 (2) 控制对象间的相互影响复杂 电力系统是一个开放的复杂系统，具有结构上 多层、空间上高维及运动方式上层间 交互作用的特 点1()。电网中的故障一般始于局部而作用于整体， 这使得控制对象不仅仅是局部还必须考虑整个系 统。这种复杂性、非线性、时变性和不确定性使得 某些机理至今还不能被人们所了解。因此，获得系 统全部信息，达到安全稳定控制几乎是不可能的， 这也是电力系统同其它独立小系统 （ 如飞机、机器 人等）的显著区别。 2 电力系统中容错控制的研究现状 目前，容错控制基本形成了两类方法：被动容

11、 错控制和主动容错控制。被动容错控制在设计控制 器时预先考虑了一些部件故障情况，不需要在线故 障诊断信息，主要是利用鲁棒控制技术使得闭环控 制系统对某些故障不敏感，不需要在线调整控制律 和控制器参数。与被动容错控制系统不冋，主动容 错控制系统在故障发生后，能够主动对故障做出反 应，通过对控制器参数的调整，改变控制器结构等 对控制律进行重构，从而维持整个系统的性能。控 制律重构的目标是使重构后的系统在性能上尽量接 近原系统，其基本要求是原系统本身要具有一定的 冗余性 2。由于主动容错系统比被动容错控制系统 更具设计弹性且更有应用价值，因此前者研究较 多 12，后者研究较少 13。 以下将分六部

12、分对容错控制在电力系统中的 研究现状进行介绍。 (1) 励磁系统的容错控制 现代大型同步发电机组励磁控制的主要目标包 括：调节机端电压，提供振荡阻尼，提高系统稳定 性和调节无功功率等。从励磁系统的发展来看，从 50年代的自动电压调节器 (Automatic Voltage Regulator, AVR) 励 磁 控 制 方 式 到 60 年代的 “ AVR+PSS” 励磁控制方式，到 70 年代末的线性 最优励磁控制，再到 80 年代基于微分儿何理论的非 线性最优励磁控制方法的提出和成功应用，使得励 磁控制研究随着自动控制理论的发展而发展，而容 错控制则是这些控制方法的进一步深入。 励磁控制设

13、计一般包括两方面 :一是励磁电压 控制设计，二是 PSS 设计。其中，励磁电压控制是 电力系统暂态稳定控制中最有效、最经济的手段， 长期以来都是各种控制理论和方法在电力系统中应 用的“ 试金石 ” 。容错控制在励磁控制方面也取得了 一些成果，文献 11采用容错冗余技术设计双微机 励磁系统提高励磁控制器的可靠性；文献 14从保 证脉冲的可靠触发和提高抗干扰能力等方面着手， 介绍了在单机励磁系统的硬件电路中采取的一些技 术措施与效果；文献 15提出引入附加反馈量 Pt、 和 R 归并到原励磁模型中，利用硬件冗余技术实 现最优容错控制；文献 16通过分析测量信号的传 感器故障对励磁系统稳定性的分析，

14、提出增加和 a 传感器的容错控制策略；文献 17则系统地提出 了一种模型参考自适应控制器 （ MRAC)和传统的电 力系统稳定器 （ PSS)并行的容错控制方法。 (2) 调速系统的容错控制 原动机水 /汽门开度控制又称为调速控制，其主 要任务是：当电力系统内各发电机组的转速出现偏 差时，通过水 /汽门开度调节器相应地改变原动机的 输出功率，使原动机与发电机之间的力矩达到平衡， 以维持发电机转速 (或频 率 )在一定安全范围内。 调速器对电力系统频率稳定和安全运行都具有 重要作用。调速器的研究经历了从模拟式到微机式 的转变， 80 年代初设计的微机式调速器还只是考虑 了控制性能设计，到 80

15、年代中后期，调速器的容错 性设计被逐渐采用。文献 18采用一种可用于微机 调速器的容错频率测量方法；文献 19将冗余、故 障检测、故障定位、故障隔离、自修复和系统重构 技术成功的应用于水电站的微机调速器中，大大提 高了调速器的可靠性；文献 20采用硬件冗余和控 制重构相融合的方法确保了水轮机调速器无位置反 馈信号时能实现控制器无扰切换和稳定运行。 (3) 高压直流输电 （ HVDC)的容错控制 高压直流输电由于具有稳定性强、损耗小、长 距离线路成本低等优点已被许多国家采用。文献 21 综合比较了高压直流输电与高压交流输电的多项性 能指标，综述了其在各国的应用情况。文献 22运 用神经网络方法对

16、高压直流输电各种系统故障的检 测和分类方法进行了仿真研究；文献 23报告了美 国新墨西哥州的一条 200 丽的背靠背高压直流输电 线路模块化容错控制系统的应用情况；文献 24则 对高压直流输电系统可靠性的评估方法进行了综 述。 (4) 监控系统的容错控制 大型发电厂在电力系统稳定运行中具有重要 作用，由于电厂现场环境复杂，很容易发生信号通 道的断路、短路或传感器失效等故障，因此电厂的 监控系统都要求具有一定的容错控制功能。文献 25 对水电站 2N 和 (N+M)容错模型的可靠性和经济性进 行了综合比较，指出 （ N+M)模型的优越性，最后给 出了确定控制器数目的优化方法；文献 26介绍西 门

17、子公司生产的一套具有容错功能的发电厂计算机 监控系统；文献 27在热控设计中引入容错逻辑方 法提高了热控保护系统的可靠性；文献 28基于 多模型自适应滤波技术和线性二次型最优控制提 出电厂锅炉汽机协调控制系统的故障诊断和容错 控制方案；针对发电厂高可靠性的要求，国内外 学者还应用容错技术开发出了高可靠性的工业微 机系统 29_31。实践表明，大量的事故其实也是可 以通过容错技术避免的 27,32，当大量信号涌入系 统中，将容错控制策略应用于监控系统的各个层 面，可以提高电厂运行的可靠性。 从整体来看，电力系统除了一个庞大的电网络 系统之外，还有一个复杂的通信网络控制系统，它 对系统性能的影响

18、也举足轻重。这是因为，调度部 门的控制指令（如自动发电控制系统）必须依赖通 信网络传递，从而形成了网络控制系统。目前网络 控制系统的研究包括两个部分：一是先进控制策略 的设计与性能分析 ;二是设计有效的网络调度策略。 先进控制策略就是需要发展适用于异步的、基于信 包的控制系统的控制理论与技术，保证系统良好， 而有效的网络调度策略能够提高通信质量，减少网 络延迟、数据丢包、误码以及错序等现象对网络控 制系统的影响，从而进一步提高控制系统的性能。 在设计网络化控制策略方面，文献 33将网络 化控制系统基于数学模 型的故障诊断问题转化为一 类特定的时延系统故障诊断问题；文献 34利用策 略表和表决机

19、制保证控制系统的容错性；文献 35-36则对负荷频率控制的容错控制进行了深入 研究。 在设计网络调度策略方面，文献 37建议采用 SCADA 的热备用方式提高通信系统的可靠性；文献 38建立了广义的电力系统多代理信息模型，通过 “ 信息群发和转发 ” 将多代理系统自治、智能、交 互的特点和信息学理论相融合，以实现后紧急控制 系统容错功能，通过信息量损失最小决策原理对信 息进行辨识决策以满足信息容错的要求，同时通过 各个代理之间的交互协议内容的定制和解析以满足 信道容错的要求 ;文献 39通过分析 1979年北美电 力可靠性委员会报道的 162 次扰动事件，为克服现 有通信网络的缺点提出了多通道

20、的网络体系；文献 40针对美加电网的通信网络提出了具有容错功能 的网络拓扑结构。 (5) FACTS 装置的容错控制 FACTS 装置包括： SVC、 STATCOM、 SSSC、TCSC 和 UPFC 装置等 41。经过多年发展，这些装置已经 在提高系统暂态稳定性方面发挥了重要作用。文献 42采用层叠式多级逆变器结构实现 STATCOM的 容错 控制策略；文献 43提出当静止串联补偿器的 一个或多个传感器信号中断时，结合粒子群算法和 PQ 解耦方法实现容错控制，文献 44-45则将神经 网络和粒子群相结合实现容错控制；文献 46研究 了故障条件下 UPFC 的特性，文献 47进一步仿真 了

21、UPFC 在故障恢复模式中的容错控制策略和控制 效果；还有一些学者对有源滤波器和桥电路重构的 容错控制进行了深入研究 48_49。 (6) 继电保护装置的容错控制 装设继电保护装置的目的就是当系统发生故障 时，切除故障部分，并满足选择性、灵敏性、快速性 和可靠性的 “ 四性 ” 要求。但是，继电保护装置本身 不可避免的也会发生误动和拒动现象。针对这种情 况，文献 50采用容错控制技术，设计了一个基于 故障检测与诊断的容错控制系统，将基于联邦卡尔 曼滤波器的故障检测与诊断系统和智能容错控制相 结合，实现微机保护传感器故障的容错控制。其主 要思想是：当传感器出现故障时，容错控制器根据 检测到的故障

22、类型，采用不同的控制策略进行信号 重构，利用重构后的信号代替故障传感器的测量值 , 输入给保护部分，从而使系统在传感器发生故障时 仍能保持一定控制性能。国外学者在继电保护的容 错控制方面也取得了一些类似的研究成果 51_52。 值得一提的是，一些大的停电事故表明局部故 障常会导致许多继电保护装置相继动作，继而引起 一系列线路和电源的连锁反应跳闸，并最终发展为 系统的解列、频率或电压崩溃 1。而利用智能容错 控制方法对故障正确诊断与隔离，避免大量继电保 护装置连锁故障将是防止大停电事故的重要措施。 3 电力系统的容错控制研究存在的问题和 发展方向 3.1 目前存在的问题 虽然容错控制已经有 30

23、 多年的发展历史，但 在电力系统的应用研究中仍存在很多问题需要解 决，主要包括： 1) 异类故障解耦研究不足 目前，对于故障诊断的研究，传感器与执行器 是分开考虑的。传感器故障诊断的前提是假设执行 器和电网处于完好的状态，但实际运行中，这种假 设有很大的局限性。传感器、执行器和电网故障如 何解耦有待于深入研究。 2) 智能化水平不均衡 目前，对于电力系统故障诊断的研究比较充 分，而对于传感器和执行器故障诊断的研究不足。 故障诊断是容错控制的前提，现有的电力系统一次 故障的诊断技术 /方法主要有专家系统、人工神经网 络、优化技术、 Petri 网络 、模糊集理论、粗糙集 理论、多代理技术等 5。

24、而针对传感器和执行器的 故障诊断方法从目前的资料来看只有人工神经网络 和专家系统，在智能方法使用的广度和深度上远不 及电力系统一次故障诊断的研究。而多类型故障的 故障诊断方法研究不足限制了容错控制的应用。 3) 协调控制水平不高 局部故障需要电网支援的资源越多越好，但目 前电网的协调控制研究不足，限制了容错控制的发 展。有理由相信，电网各部分装置若利用智能方法 协调控制将有效减少装置的误动和连锁事故的发 生，从而阻止发生大面积停电事故。 4) 优化算法的应用受到限制 电力系统作为一个复杂的非线性被控对象，故 障诊断需要复杂的智能算法，这占用了计算机的大 量资源，留给容错控制算法的资源不多，而计

25、算精 度与优化的容错控制存在着巨大矛盾，这需要多学 科交叉共同予以解决。 5) 网络化控制策略研究不足 在对广域系统实施网络化控制中，必须要考虑 到容错控制方法的应用，否则可能产生严重后 果文献54-55研究了数据包丢失，网络延时， 采样不同步等诸多网络容错控制方法，但距离实际 应用还有一段距离。 3.2 未来的发展方向 目前，电力系统的容错控制研究尚处于起步阶 段，未来的发展主要有以 下几个方面： 1) 电力系统作为一个复杂的大系统，针对不 同类型故障采用不同智能方法是提高故障诊断和容 错控制水平的有效手段。 2) 研究基于容错控制的继电保护装置和协调 控制策略将减少发生连锁性事故的机率。

26、3) 软件算法越来越复杂，算法的可靠性应该 成为能否实际应用的重要指标 56。 4) 通信网络在带来方便的同时也会带来新问 题，建立可靠的网络结构以及与之适应的网络化控 制策略将是亟待解决的现实问题。 4 结 束 语 电力系统是一个复杂的大系统，传感器、执行 器、通信网络和电网本身都可能发生故障，对故障 进行检测、诊断和隔离，实施容错控制是提高电力 系统可靠性的有效途径。目前，电力系统的容错控 制研究已经取得了一些成果，也遇到了许多理论性 问题，距离实际应用还有许多工作要做，有些问题 可以借鉴其他领域的方法予以解决 57_58，有些问题 还需要进一步深入研究。有理由相信，随着研究的 深入，容错

27、控制这种智能方法将会被大量应用到电 力系统中，为建设更具弹性的坚强电网发挥重要作 用。 参考文献 1 齐俊桐，韩建达 .旋翼飞行机器人故障诊断与容错控 制技术综述 J.智能系统学报， 2007, 2(2): 31-39. QI Jun-tong, HAN Jian-da. Fault Diagnosis and Fault-tolerant Control of Rotorcraft Flying Robots: a Survey J. CAAI Trans on Intelligent Systems, 2007,2(2): 31-39. 2 胡寿松，刘亚 .复杂工程系统的可靠控制 J.华北

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