【摘要】：電能作為一種動(dòng)力能源被廣泛地應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,對(duì)電能的利用是第二次工業(yè)革命的主要標(biāo)志。電能是由發(fā)電站將其它形式的自然能源轉(zhuǎn)換而成。為了能夠?qū)㈦娔軓倪b遠(yuǎn)的發(fā)電站傳輸?shù)较鄬?duì)集中的城市和工廠,電能傳輸系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)的電能傳輸系統(tǒng)主要由大量的變電站通過電能傳輸線連接而成。然而,電能傳輸線路經(jīng)常因?yàn)樽匀粸?zāi)害或設(shè)備損壞等因素的影響而引起大面積停電事故。但是,要避免輸電線路損壞比較困難。理想而可行的辦法是在輸電線路損壞時(shí),電能傳輸系統(tǒng)能夠自動(dòng)診斷故障并修復(fù)故障。因此,研究人員提出了新一代的智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)是由傳統(tǒng)電能傳輸系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)結(jié)合而成。自動(dòng)故障診斷與修復(fù)是智能電網(wǎng)的重要特征。為了使智能電網(wǎng)不僅具有自動(dòng)故障診斷與修復(fù)的特征還應(yīng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性,這就要求其分布式控制系統(tǒng)必須穩(wěn)定可靠。監(jiān)督控制理論被廣泛地應(yīng)用于離散事件系統(tǒng)中,分布式控制系統(tǒng)是典型的離散事件系統(tǒng)。很多學(xué)者基于監(jiān)督控制理論提出了大量的分布式控制系統(tǒng)及其監(jiān)督控制協(xié)議以實(shí)現(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)的自動(dòng)故障診斷與恢復(fù)。評(píng)價(jià)這些控制系統(tǒng)和協(xié)議的性能指標(biāo)主要考慮其結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和通信復(fù)雜度等。大部分智能電網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且存在較高的通信線路冗余,針對(duì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通信線路進(jìn)行優(yōu)化的研究較少。分布式控制系統(tǒng)中消息的交換量是評(píng)價(jià)監(jiān)督控制協(xié)議性能的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)前對(duì)智能電網(wǎng)的研究很少考慮對(duì)系統(tǒng)的消息交換量進(jìn)行優(yōu)化,尤其缺乏對(duì)系統(tǒng)的形式化模擬及監(jiān)督控制協(xié)議的正確性驗(yàn)證。Petri網(wǎng)由于具有規(guī)范的表述形式及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)驗(yàn)證方法,在離散事件系統(tǒng)的建模、分析和驗(yàn)證中得到廣泛的應(yīng)用。因此,Petri網(wǎng)可以用來對(duì)智能電網(wǎng)中的分布式控制系統(tǒng)及其監(jiān)督控制協(xié)議進(jìn)行建模、分析和驗(yàn)證。本論文以Petri網(wǎng)理論為基礎(chǔ),研究智能電網(wǎng)中電能傳輸系統(tǒng)的自動(dòng)故障診斷與恢復(fù)策略,考慮對(duì)分布式控制中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、通信線路和消息交換量等方面的優(yōu)化問題,主要研究工作及取得的成果如下：(1)提出基于Petri網(wǎng)的傳統(tǒng)電能傳輸系統(tǒng)及其傳輸線路故障的形式化定義。首先,通過對(duì)傳統(tǒng)電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,采用分層優(yōu)化技術(shù)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單且易于形式化建模。其次,提出基于Petri網(wǎng)的傳統(tǒng)電能傳輸系統(tǒng)的形式化模型。通過分析模型結(jié)構(gòu)及模型中的故障狀態(tài),提出傳輸線路故障狀態(tài)的形式化定義。此外,提出具有手動(dòng)故障診斷與恢復(fù)特征的半智能化電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并采用Petri網(wǎng)對(duì)其建模。提出的這類半智能化電能傳輸系統(tǒng)是在傳統(tǒng)電能傳輸系統(tǒng)基礎(chǔ)之上,通過在變電站之間增加備用電能傳輸線路及備用線路控制系統(tǒng)所構(gòu)成。當(dāng)變電站的輸入線路發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)可以通過備用線路繼續(xù)對(duì)變電站臨時(shí)供電。這是實(shí)現(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)中自動(dòng)故障恢復(fù)的前提與基礎(chǔ)。(2)提出一類分層分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。首先,分析半智能化電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),在其手動(dòng)故障診斷與恢復(fù)基礎(chǔ)之上結(jié)合監(jiān)督控制理論提出一類分層分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案使用監(jiān)督控制器對(duì)電能傳輸系統(tǒng)中的各個(gè)變電站進(jìn)行監(jiān)督控制,通過對(duì)電能傳輸線路的監(jiān)控以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)故障診斷與恢復(fù)。其次,基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論對(duì)提出的分布式控制系統(tǒng)中的通信線路進(jìn)行優(yōu)化,使得系統(tǒng)既能充分保證其通信的需要又能盡量減少其通信線路,從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和系統(tǒng)的實(shí)施及維護(hù)成本。另外,電能傳輸系統(tǒng)在其故障恢復(fù)期間由于電能傳輸中斷將導(dǎo)致大面積停電事故。該方案把電能存儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)用到半智能化電能傳輸系統(tǒng)中,通過分布式控制系統(tǒng)對(duì)電能存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行控制,使得在故障恢復(fù)期間電能存儲(chǔ)系統(tǒng)能夠繼續(xù)為電能傳輸系統(tǒng)供電以有效地避免大面積停電事故。(3)提出兩類故障恢復(fù)監(jiān)督控制協(xié)議。通過對(duì)半智能化電能傳輸系統(tǒng)中備用電能傳輸線路結(jié)構(gòu)的研究,提出一類可對(duì)故障恢復(fù)方案進(jìn)行優(yōu)化的監(jiān)督控制協(xié)議。該協(xié)議能從多個(gè)方案中計(jì)算出一個(gè)最優(yōu)方案并執(zhí)行,從而對(duì)診斷出的故障進(jìn)行恢復(fù)控制。通過計(jì)算最優(yōu)方案可以提高電能傳輸系統(tǒng)中可用電能的最大利用率。因此,也能進(jìn)一步地避免可能出現(xiàn)的更為嚴(yán)重的大面積停電事故。另外,基于可重構(gòu)技術(shù)提出一類可對(duì)分布式控制系統(tǒng)中消息交換量進(jìn)行優(yōu)化的監(jiān)督控制協(xié)議。該協(xié)議動(dòng)態(tài)地分析故障恢復(fù)過程中的消息數(shù)據(jù),通過對(duì)消息數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)以減少系統(tǒng)總的消息交換數(shù),同時(shí)也減輕了分布式控制系統(tǒng)的通信負(fù)擔(dān)。(4)系統(tǒng)的形式化建模與模型的正確性驗(yàn)證是對(duì)系統(tǒng)行為及系統(tǒng)可靠性與安全性進(jìn)行分析的重要分析方法。本論文使用Petri網(wǎng)及時(shí)間自動(dòng)機(jī)對(duì)提出的分層分布式控制系統(tǒng)及監(jiān)督控制協(xié)議進(jìn)行建模、仿真與正確性驗(yàn)證。首先,采用Petri網(wǎng)結(jié)合監(jiān)督控制協(xié)議對(duì)控制系統(tǒng)建模。通過在模型中注入電能傳輸線路故障信息,對(duì)故障診斷與恢復(fù)過程進(jìn)行演算。利用Petri網(wǎng)的數(shù)學(xué)驗(yàn)證技術(shù)對(duì)恢復(fù)過程及演算結(jié)果進(jìn)行正確性驗(yàn)證。其次,為了便于研究人員能夠正確地理解本文提出的分布式控制系統(tǒng)和監(jiān)督控制協(xié)議,采用時(shí)間自動(dòng)機(jī)結(jié)合監(jiān)督控制協(xié)議對(duì)控制系統(tǒng)建模。利用基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的模擬與驗(yàn)證工具(UPPAAL)對(duì)模型的故障診斷與恢復(fù)過程進(jìn)行仿真與驗(yàn)證。研究人員可以通過UPPAAL直觀地理解并分析系統(tǒng)故障的恢復(fù)過程。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM76

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2523818