电网故障类型

2024-09-26

电网故障类型（共7篇）

电网故障类型篇1

0 引言

随着新能源接入电网所占比例的不断提高,电网的动态稳定性问题日益突出,增设储能系统(Energy Storage System, ESS)逐渐成为电力系统提高稳定性的新手段,它能够平滑新能源发电的输出功率并提高它的调峰能力。ESS中的功率转换系统-PCS(Power Conversion System,PCS)是连接储能电池和电网间的桥梁,是实现ESS与电网能量交换的核心。电网故障时,PCS若不能采取相应措施来进行自我保护,则可能烧坏变流器。因此对PCS低电压穿越(Low Voltage Ride-Though, LVRT)研究的重要性也日益突出[1,2,3]。

目前多种PCS控制策略得到成功应用,这些方法均假定电网三相电压完全对称[4,5],但实际上ESS一般通过长距离输电线路与系统相连,易受各种电网状况的影响。不对称故障或不平衡负载所导致的三相电网电压不对称是实际电网中的常见现象[6]。文献[7]针对风力发电系统中的变流器提出了电网正负序电压分别定向的矢量控制策略,该方法可以消除功率波动,稳定直流母线电压,然而电网发生不对称故障时,变流器不具有紧急无功控制能力。文献[8]根据储能电池的非线性特性,设计了双向DC-DC变流器与DC-AC并网变流器结合的能量转换系统,基于反馈线性化理论,设计了PCS的非线性内环控制器。但该方法采用了6 个PI控制器,增加了计算复杂度,且不适用于电网故障情况。文献[9]中储能变流器采用同步旋转d-q坐标下的间接电流控制,通过变流器直流输出计算出网侧有功分量和无功给定值,这种控制方法在电压型逆变器中有一定的借鉴意义,但是采用同步旋转d-q坐标系, 需要进行多次坐标转换,算法复杂电网故障时锁相系统可能不准确而使PCS失去控制,烧坏变流器。文献[10]中指出了光伏PCS实现LVRT的三种方法, 增设无功补偿设备实现LVRT适用于储能PCS,但该方法是进行硬件改造,增加了ESS的安装成本。

针对储能PCS软件控制方法实现LVRT这一缺失,本文分析了电网故障对ESS的影响,建立了PCS正、负序复合型数学模型,通过分析预测电流控制原理建立了 α-β 坐标系中PCS瞬时功率方程, 结合储能环节的特殊结构,以抑制LVRT时的过电流和不对称故障时产生的有功功率二倍频分量为目标,采用不需要锁相环和旋转坐标变换的电网不对称条件下PCS预测电流控制策略, 采用PSCAD/EMTDC仿真证明了该策略的正确性与可行性。

1 储能系统结构及原理

目前储能技术主要分为物理储能、化学储能和电磁储能三大类。物理储能主要包括扬水蓄水储能和压缩空气储能等,化学储能主要包括各类蓄电池, 电磁储能包括超导线圈与超级电容器[11]。图1 为本文的研究对象-84 kW的电池储能系统,该系统通过PCS连接到380 V的电网上,主要包括电网、变压器、交流侧滤波器、PCS、直流侧支撑电容和模拟蓄电池六大部分。PCS工作于储能电池和电网之间,其功能是将电网电能存入储能电池中或将储能电池中的能量回馈到电网,实现储能电池和电网之间能量的有序交换,它不仅要在电网正常时提高电力系统电能质量,还要在电网故障时为关键负荷供电[12]。特别指出本文采用单级式变流器实现并网控制,不仅实现了功率的双向流动,负载可以向电源回馈能量;而且整个系统只需一级功率变换即可完成两级结构的全部功能,降低了变换器的通态损耗和系统的复杂性,提高了系统的效率和可靠性。克服了双级式变流器器件数多,系统可靠性相对较低, 体积重量较大,系统较复杂,成本较高的一些缺点[13]。

在电网正常工作情况下,通过不同的控制方式,可以实现储能电池的恒功率充、放电,恒压放电等模式。当电网三相电压对称跌落时,输送到电网的功率突然减小,若不及时调节储能电池输入功率,则功率不平衡将导致变流器输出电流迅速上升, 危及变流器安全[14,15,16]。储能电池不同于直驱风机和光伏之处在于储能电池直流侧由于大电容钳位的原因,在电网侧电压跌落的情况下直流母线电压不会出现过大的波动。当电网出现不对称的电压跌落时, 如果不采取措施实现负序电流的控制,PCS很容易发生过流而损坏。此外,输出有功功率会发生2 倍电网频率的正弦波动,进而使直流侧电压产生2 倍频波动,危及变流器整体稳定性[17]。综上,ESS应具备一定的耐受电网故障(对称、不对称)的能力, 避免在故障时脱网,引起其他连锁故障。目前,还没有明确提出ESS低电压穿越要求,ESS和光伏PCS的功能和控制方法相似,一般参考光伏电站的电压响应特性曲线[18]。

2 储能PCS的正、负序复合模型

储能PCS拓扑结构如图2 所示,图中ea、eb、 ec为三相电网电压,va、vb、vc(ia、ib、ic)为储能PCS的三相输入电压(电流),Ls和Rs为等效的进线电感和电阻,Cdc为直流侧支撑电容,udc为直流侧母线电压,iload为直流侧负载电流。

根据图2 所示拓扑,由基尔霍夫电压、电流定律得三相静止abc坐标系下PCS变流器的数学模型为

式中,Sa、Sb、Sc分别为三相桥臂开关函数:Sk=1 (k=a,b,c)表示相应桥臂上管导通,下管关断;Sk=0 表示相应桥臂上管关断,下管导通。

三相电源相互耦合,而且电网电压电流均为时变交流量,不利于控制系统的实现。通过坐标转换将三相静止abc坐标系下的数学模型转换到两相静止 α-β 坐标系中,对式(1)进行3s/2s坐标变换可以得到两相静止 α-β 坐标系下PCS变流器的数学模型为

式中:Eαβ是电网侧电压复矢量;Vαβ(Iαβ)是 α-β 坐标系中变流器交流侧电压(电流)复矢量。

当电网不平衡时,Vαβ、Iαβ均含有正序、负序分量,根据已有文献在系统发生不对称故障时采用T/4 正负序分离法提取出系统中的负序量进行控制[19],则

式中,Vαpβ、Vαnβ(Iαpβ、Iαβn)分别为 α-β 坐标系下的变流器交流侧电压(电流)的正、负序矢量。且有

式中:V(i)代表变流器交流侧电压(电流);下标 α、 β 代表所在坐标轴;上标p、n代表正负序分量。将式(3)代入式(2)中可以得到α-β坐标系中储能PCS变流器的正、负序复合模型为

3 预测电流控制与LVRT策略

PCS的LVRT实质是在电压跌落情况下首先防止开关器件过流、过压而损坏,其次是保持并网运行前提下,具备一定的功率控制能力和功能。LVRT的实现方案体现在两个层次:一是电压跌落时电流指令分配与切换;二是电流的有效控制。针对电网对称和不对称两种故障,通过改变功率外环来改变电流指令,分别实现电压跌落时的PCS过电流抑制和不对称故障时负序电流控制与有功功率二倍频脉动抑制,实现储能PCS的LVRT。

采用预测电流控制算法,即通过预测系统下一周期的输出状态而确定当前的动作指令[20]。电网正常情况时调制电压指令为

电网电压不对称时,式(6)可分解为

式中:Vαp*、 Vβp*、Vαn*、 Vβn*( iαp*、 iβp*、iαn*、 iβn*)为 α 轴和 β 轴的电压(电流)正负序指令;ipα、 ipβ、 inα、 inβ(epα、epβ、enα、enβ)为 α 轴和 β 轴的网侧电压(电流)正负序瞬时值。由式(7)可以看到变流器输出电流iα和iβ分别只受变流器输出电压Vα和Vβ的控制,求得电流指令代入式(7),将得到的调制电压输入到SVPWM模块,产生六路脉冲信号触发PCS变流器的功率开关就可以实现LVRT控制。

PCS变流器吸收的复功率为

式中:Edpq、Ednq(Idpq、Idnq)为d-q坐标下电网电压(电流)正负序矢量;p、q为PCS变流器吸收的有功、无功功率;ω 为同步旋转角频率。求解式(8)可以得到

式中:p0、q0为有功、无功功率平均值;pc2、qc2为二次有功余弦、正弦项峰值;ps2、qs2为二次无功余弦、正弦项峰值。因此选择p0、q0、ps2、 pc2作为控制对象,当电网对称故障时,p0*为PCS输入平均有功指令,通过直接改变有功功率达到抑制网侧过电流的目的。网侧变流器要求单位功率因数运行,取q0*=ps2*=pc2*=0。其中p0*为PCS输入平均无功指令,ps2*和pc2*分别为PCS输入有功功率二倍频正弦、余弦分量指令。

当电网不对称故障时含有负序分量,传统控制方式下输出的有功功率会发生2倍于电网频率的正弦波动以及直流侧电压的2 倍频波动,危及变流器整体稳定性。一般希望储能电池在自我保护的同时能够向电网提供一定的无功支撑,系统转入紧急无功支撑模式。采用直接改变功率外环指令实现LVRT,无功功率指令切换到储能装置所能发出的最大无功容量qmax,此时功率指令分别是

功率指令确定以后,即可根据式(9)得出所选4 个功率指令与 α-β 坐标下正负序电流指令的关系。

式中:用ME-1表示逆矩阵。把式(10)代入式(7),可以得到储能PCS在电网故障条件下基于预测电流的LVRT控制策略,如图3 所示。该策略分为两层:一是工况切换及电流指令的计算与限流部分;二是电流的跟踪控制部分。图中Es为网侧电压幅值,E0为额定电压。正常时刻两者是相等的,此时开关位于1 位,当出现对称(不对称)故障时Es小于E0,指令切换开关动作至2 位,转入无功支撑模式。由于对储能PCS的建模是正负序复合模型, 因此当电网出现不对称故障负序分量时该方案依然可以通过对负序量的控制实现不对称LVRT。

4 仿真分析

本文基于PSCAD/EMTDC建立了储能PCS仿真模型及相应的电网模型,对所提控制策略进行了仿真验证。仿真模型参数为:蓄电池组额定功率: 84 kW;电网电压:380 V;电网系统阻抗:0.005 Ω; PCS直流侧电压:714 V;开关频率:3.2 kHz;交流侧滤波电感:0.000 95 mH;交流侧滤波电容:140μF;直流储能电容:5 040 μF。

仿真需要验证本文方法对于对称及不对称性电网故障下的有效性,通过变压器一次侧电阻接地的方式模拟不同类型的故障(表1)。在1 s时发生故障,持续时间为1 s,在2 s时刻恢复正常。综合考虑模型中所采用电力电子器件的最大通态电流为450 A。

4.1 对称故障仿真

图4 为故障时刻未加入LVRT控制策略的波形图,可以看到电流达到1 000 A,已经完全超过变流器的最大允许值(450 A),危害变流器。图5 为故障时刻加入LVRT控制策略,切换功率运行模式, 开关从1 位到2 位,切换功率运行模式开关从1 位到2 位,储能电池转入无功运行模式,按照蓄电池的最大允许值进行无功支撑。可以看到此时交流电流大小得到有效的抑制,幅值限定在300 A左右, 满足变流器的控制要求,实现了储能PCS的对称LVRT。

4.2 不对称故障仿真

图6 为电网发生A相接地时未加入不对称LVRT控制策略的波形图,可以看到故障电流达到600 A,完全超过变流器的最大允许值(450 A),且直流母线电压出现波动,有功功率的2 倍频波动明显,严重影响电网的电能质量和变流器的安全运行。图7 为故障时刻加入不对称LVRT控制策略波形, 与图6 相比可以看到此时交流电流大小抑制在100A,直流母线电压波动减小了,有功和无功功率的倍频分量也得到抑制。但是由于电池系统向电网发出的有功功率减小,因此,直流母线电压有所上升, 但没有超过限值。验证了本文关于电网电压不对称条件下PCS的LVRT控制策略的正确性。

5 实验结果

5.1 对称故障实验工况

在已有控制策略经过仿真验证之后,又将该策略移植到硬件设施中进行实验。采用的实验工况为: 电池储能系统按1 MW为一个单元设计,每1 MW的储能系统由4 个500 kW/0.75 MWh电池储能单元组成,其中每个电池储能单元包含1 台500 kW的PCS, 用以实现储能电池与电网之间的能量双向传递。

全系统由3 个这样的1 MW单元构成,最终每个单元通过隔离升压变,汇流于35 kV电网。500 kW PCS的拓扑由6 个84 kW的标准功率模块组成,每个功率模块的直流侧作为1 组输入。电池系统共分为6 组,分别接到PCS的6 组直流输入上,PCS装置的所有功率模块的交流侧并联在一起,通过内部隔离变压器接入380 V电网,如图8 所示。

5.2 对称故障实验波形

储能PCS三相对称跌落波形说明:在2 s时发生故障,持续时间为1 s,在3 s时刻系统恢复正常, 如图9。故障发生后,PCS往外发出10 kvar无功功率。在电压恢复时,停止发无功,并在故障恢复后100 ms后恢复有功输出。图7 中CH1 为网侧电压, CH9,CH10,CH11 分别为网侧三相电流。从所得的实验波形中可以看到该策略应用到实际装置中依然是可行的,尤其是图10,在故障时刻可以很好地抑制网侧电流防止越限;图11 可以看出,在故障退出时刻可以快速平稳地过渡到稳态工作状况。

可以看到此时交流电流大小得到有效的抑制, 满足变流器的控制要求,实现了储能PCS的对称LVRT。

6 结论

本文建立了基于 α-β 坐标系的电网不对称条件下PCS预测电流的控制策略,使得在电网对称和不对称的低电压情况下ESS都能够实现LVRT。控制策略基于 α-β 坐标无需多重坐标变换,不涉及锁相环,大大减少了算法复杂性。采用直接功率控制来达到抑制倍频分量的影响,实现方便,完全适用于目前研究为较少的不对称LVRT。使PCS能够对电网进行无功支撑,帮助电网电压恢复。且在实现LVRT过程中ESS没有增设硬件装置,不仅提高了储能电池运行的可靠性,还具有很好的经济效益。仿真结果表明,该控制策略能在电网故障情况下能对储能PCS进行有效控制;同时经过实际设备的实验验证,进一步证实了本文中提出的控制策略是一种颇具应用价值的控制方案。

网络故障类型分析篇2

网络建成运行后, 网络发生故障是不可避免的。网络故障诊断是网络管理的重要技术工作。网络中出现的故障多种多样, 往往解决一个复杂的网络故障需要广泛的网络知识与丰富的工作经验。

一家成熟的网络管理机构一般都制定有一整套完整的故障管理日志记录机制, 同时人们也率先把专家系统和人工智能技术引进到网络故障管理中。

网络问题往往很独特, 且有时难以解决。故障检修要对付一些不希望出现的事情, 通常需要的只是掌握概念性的知识, 而不是为配置网络所需的细节的知识。要想正确、顺利地解决问题, 就需要清楚网络故障是那种类型, 然后采取相应措施来解决问题。所以网络故障类型的了解对于检修网络是非常重要的。

根据网络故障的性质把网络故障分为物理故障与逻辑故障, 也可以根据网络故障的对象把网络故障分为线路故障、路由故障和主机故障。

2. 网络故障按性质划分

按照网络故障不同性质而划分的物理故障与逻辑故障分析。

2.1 物理故障

物理故障是指网络中的设备或线路损坏、插头松动、线路受到严重电磁干扰等情况。如网络中某条线路突然中断, 这时网络管理人员从监控界面上发现这条线路流量突然掉下来或系统弹出报警界面, 这时首先用ping检查线路网络中心这端的端口是否连通, 如果不连通, 则检查端口插头是否松动, 如果松动则插紧, 再ping检查, 如果连通则故障解决。

这时, 需要把故障的特征及解决步骤详细记录下来。也有可能是远离网络中心的那端插头松动, 则需要通知对方进行解决。

另一种常见的物理故障是网络插头误接。

这种情况经常是没有搞清网络插头规范或没有弄清网络拓扑规划的情况下导致的。网络插头都有一些规范, 只有搞清网线中每根线的颜色和意义, 才能做出符合规范的插头, 否则会导致网络连接出错。

另一种情况是两个路由直接对接, 这时应该让一台路由器的出口连接另一台路由器的人口, 这台路由器的入口接另一路由器的出口才行, 这时制作的网线就应该满足这一特性, 否则会导致网络误解。不过这种网络连接故障显得隐蔽, 要诊断这种故障没有什么特别好的工具, 只有依靠经验丰富的网络管理人员。

2.2 逻辑故障

逻辑故障中的一种常见情况是配置错误, 即指因为网络设备的配置原因而导致的网络异常或故障。配置错误可能是路由器端口参数设定有误, 或路由器配置错误以至于路由循环或找不到远端地址, 或者是网络掩码设置错误等。如同样是网络中某条线路故障, 发现该线路没有流量, 但又可以ping通线路两端的端口, 这很可能是路由配置错误导致了路由循环。诊断该故障可以用traceroute工具, 可以发现在traceroute的结果中某一段内, 两个IP地址循环出现。

这时, 一般就是线路远端把端口路由又指向了线路的近端, 导致IP包在该线路上来回反复传递;这就需要更改远端路由器端口配置, 把路由设置为正确配置, 就能恢复线路正常了。当然处理该故障的所有动作都要记录在日志中。

逻辑故障的另一类就是一些重要进程或端口关闭, 以及系统的负载过高。如线路中断, 没有流量, 用ping发现线路端口不通, 检查发现该端口处于down的状态, 这就说明该端口已经关闭, 因此导致故障;这时只需重新启动该端口, 就可以恢复线路的连通。

还有一种常见情况是路由器的负载过高, 表现为路由器CPU温度太高、CPU利用率太高, 以及内存剩余太少等, 如果因此影响网络服务质量, 最直接也是最好的办法, 就是更换路由器。

3. 网络故障按对象划分

网络故障根据故障的不同对象也可以划分为:线路故障、路由故障和主机故障。

3.1 线路故障

线路故障最常见的情况就是线路不通, 诊断这种情况首先检查该线路上流量是否还存在, 然后用ping检查线路远端的路由器端口能否响应, 用traceroute检查路由器配置是否正确, 找出问题逐个解决。

3.2 路由器故障

事实上, 线路故障中很多情况都涉及到路由器, 因此也可以把一些线路故障归结为路由器故障。检测这种故障, 需要利用MIB变量浏览器, 用它收集路由器的路由表、端口流量数据、计费数据、路由器CPU的温度、负载以及路由器的内存余量等数据;通常情况下网络管理系统有专门的管理进程不断地检测路由器的关键数据, 并及时给出报警。而路由器CPU利用率过高和路由器内存余量太小都将直接影响到网络服务的质量。

解决这种故障, 只有对路由器进行升级、扩大内存等, 或者重新规划网络拓扑结构。

3.3 主机故障

主机故障常见的现象就是主机的配置不当。像主机配置的IP地址与其他主机冲突, 或IP地址根本就不在子网范围内, 由此导致主机无法连通。

主机的另一故障就是安全故障。如主机没有控制其上的hnser、RPC、rlogin等多余服务。而攻击者可以通过这些多余进程的正常服务或bus攻击该主机, 甚至得到Administrator的权限等。

还有值得注意的一点就是, 不要轻易的共享本机硬盘, 因为这将导致恶意攻击者非法利用该主机的资源。发现主机故障一般比较困难, 特别是别人恶意的攻击。一般可以通过监视主机的流量、或扫描主机端口和服务来防止可能的漏洞。

对于网络故障诊断应该实现确定网络的故障点, 恢复网络的正常运行;发现网络规划和配置中欠佳之处, 改善和优化网络的性能;观察网络的运行状况, 及时预测网络通信质量, 这三方面的目的。

摘要：网络建成运行后, 网络发生故障是不可避免的。网络故障诊断是网络管理的重要技术工作。要想正确、顺利地解决问题, 就需要清楚网络故障是那种类型, 然后采取相应措施来解决问题。

关键词：网络,故障,端口,配置

参考文献

[1]周凯.广域网技术应用, 重庆大学出版社, 2005.

电网故障类型篇3

关键词：电力系统,系统解列,电压可控性,K-Medoids聚类

0 引言

主动解列研究从全局视角出发, 在理论上解决了多机系统发生区间振荡时, 单纯的失步解列操作无法保证孤网功率平衡和静态稳定性等[1,2,3,4,5,6]问题。NP完全问题框架内的主动解列搜索算法能够通过约束下的自动搜索, 筛选出满足要求的解列方案。例如:文献[1-2]利用有序二叉判定图 (OBDD) 算法获取了满足发电机同调性、有功平衡和电气设备容量约束下的解列方案;文献[3]利用宽度优先搜索 (BFS) 算法得到了满足发电机功角动态平衡和孤网有功平衡的解列方案。

不同于以上经典的搜索式思路, 聚类思想下的主动解列分析是一种新的研究趋势:解列操作本身具有按照区域分布进行划分的特质, 可以利用针对这一特质的聚类方法避开逐一搜索的求解模式, 提高解列分析效率。文献[4]对系统构建两阶段的谱分析, 并对状态特征值进行聚类, 得到相应的网络划分, 生成满足约束的解列方案;文献[5]先把网络节点分类凝聚, 以形成功率平衡的小区域, 再按照发电机同调性实时确定解列面;文献[6]利用灵活的距离表达手段, 调整系统节点的分布位置, 应用聚类算法快速完成约束条件下的网络划分。

以上文献都具有很高的参考价值, 但存在共同的问题。大量的仿真研究发现:解列分析中, 即使满足了功角同调性、有功功率平衡等约束条件, 某些解列方案仍不具有可行性, 多表现为电压越限。而以上文献都未曾在主动解列问题的框架下详细讨论过VQ方面的问题, 这可能会使形成的孤网在拓扑结构上不合理, 导致部分区域的节点电压可控性恶化、电压水平偏低, 甚至潮流不收敛。

文献[7-8]表示, 电压可以通过无功功率的就地补偿得以恢复, 在解列研究中不作详细探讨。然而, 由于实际情况中并不是每一个节点都安装有容量充足的无功源, 若解列后的孤网结构不合理, 比如某无功控制区的电压偏低, 但该区域没有无功补偿能力, 此时无论其他弱关联控制区的无功源如何补偿, 也无法将全网电压调整到合理水平[9], 最终导致孤网切负荷, 影响解列效果。这种情况在大量的解列方案中并不少见。文献[10-11]也提到了无功支撑在解列控制中的重要性。所以, 主动解列分析中的节点电压可控性值得探讨。

为了探索以上问题, 本文利用电压控制相关理论在解列分析中引入电压可控性方面的约束, 力求改善孤网节点电压状况。研究主要从无功源与节点电压的关联强度和无功源分布及其容量2个方面保证电压的可控性要求, 结合基于聚类思路的解列方法, 快速分析并获取满足功角同调性、有功功率平衡、节点电压可控性3项约束的解列方案。算例及对比证明了本文方法的有效性。

1 主动解列分析方法的基本思路

主动解列的2项原则[12]为: (1) 根据系统中发电机的摇摆分群信息确定发电机分群方式, 具有相同摇摆分群情况的发电机应划分在同一孤岛中; (2) 解列面的界定应参考系统的潮流情况, 解列后各孤岛内发电与负荷尽可能平衡, 以减少解列后系统切机、切负荷量, 减少停电损失。

传统研究多把第2项原则理解为最小有功不平衡量的约束[5], 但潮流情况还应包括VQ方面的约束。加入相应约束后, 解列分析的3项约束可以简要总结为: (1) 孤网发电机功角同调; (2) 孤网有功功率平衡; (3) 孤网节点电压可控。

其中, 第1项约束是解列方案的基础。对于一个需要解列的系统而言, 保持各孤网发电机稳定性是首要目标, 所以第1项约束在各项条件中占有绝对优先权。而最终的解列面则需要后2项约束配合完成界定。

具体的解列面确定方法, 如引言所述, 主要包括搜索式和聚类式2种思路。搜索式较聚类式的解列方法更受限于网络规模。虽然大量研究 (如文献[13-14]) 从不同的系统特性方面缩减搜索解空间, 但NP完全问题的维数灾现象是固有的。就研究现状而言, 聚类式方法较搜索式方法显得不那么精确, 不一定能得到最佳方案, 但聚类式方法能够更迅速地生成可行方案, 符合解列控制作为最后一道紧急控制防线的基本理念[15]。这里采用一种基于网络拓扑聚类的解列面确定方法, 基本思路如图1所示。

图1中, 实心圆表示源节点, 空心圆表示负荷节点, 实线表示输电线路。假设扰动导致4台发电机摇摆, 且不同调, 即必须执行解列以平息振荡。考虑到孤网有功功率平衡和电压无功可控性方面的要求, 解列方案应尽量保证各个负荷被划分到能够为自己提供有功支撑且能够为自己提供电压支撑的发电机侧。如果能够把以上2个支撑关系量化为电气距离, 就能够按照就近原则调整负荷与相应发电机的空间位置关系, 如图1 (b) 所示, 最后通过适当的聚类算法得到可行的解列面。

可见, 电气距离是聚类算法应用于解列分析的关键。下面介绍2项约束对应的电气距离表达方法。

2 节点间电气距离的表达方法

2.1 VQ方面的电气距离表达方法

区域性的电压控制问题常见于无功控制分区的相关研究:基于特征结构分析[16]、人工智能算法[17]和空间聚类分析[18]等无功分区方法都能把系统划分为几个VQ耦合度较高的VQ控制分区, 从而实现对全网节点电压的有效调控。这些方法大都是基于不同形式的VQ灵敏度指标。该线性化指标虽然无法精确地量化时变的非线性的变量关系, 却可以正确地反映2个电气量的关联强度及其摄动趋势, 具有参考价值。

解列控制中, 由于发电机功角同调性和有功功率平衡约束的存在, 往往不会严格按照无功分区进行网络划分, 但若利用灵敏度提供的VQ耦合强度信息引导解列面, 能够改善孤岛中节点电压状况, 不失为一种有效的约束手段。

考虑牛顿-拉夫逊极坐标形式的潮流方程 (式 (1) ) 中有功功率矩阵P、无功功率矩阵Q与电压相角矩阵θ和幅值矩阵V的关系, 可得式 (2) 。

式中:xij为矩阵X的第i行第j列元素, 表示节点j处注入无功功率发生变化时, PQ节点i处对应的电压增量Δvi和节点j处对应的电压增量Δvj的比值;Qj为节点j处的无功功率。

由于PV节点的电压幅值已知, 式 (1) 中不包含对应方程式, 无法反映摄动对PV节点的电压灵敏度关系。文献[19]采用节点类型转化完成对PV节点电压灵敏度的采集。不过, 节点类型变化之后, 全系统的灵敏度都将发生变化, 变化前后的灵敏度关系不再具有严格的可比性。若要在解列分析中得到可行的解列面, 这种方法不可取。

考虑到灵敏度关系具有一定程度的对称性[20], PQ节点对PV节点的VQ灵敏度关系用相应的PV节点对PQ节点的VQ灵敏度关系代替;另一方面, 由于PV节点相互之间不具有支撑关系, 其VQ电气关联按最小值处理, 具体调整方法见下文。

得到系统中所有节点对应的xij之后, 可由式 (4) 变换[20]得到节点间的VQ灵敏度电气距离γij (或γ (Vi, Vj) , 其中, Vi和Vj分别为节点i和j对应的顶点) 。γij值越大说明节点间的VQ灵敏度关系越弱, 电气距离越远, γij值越小说明节点间的VQ灵敏度关系越强, 电气距离越近。

如此可以生成一个反映全网节点间VQ灵敏度电气距离的n×n阶矩阵C, 如式 (5) 所示, n为系统节点数。

至此, 系统中VQ灵敏度关系得到了量化表达。不过需要注意的是, 这里并没有考虑无功源的调节容量问题。当无功源达到出力上限时, 灵敏度关系将不再有效, 即使灵敏度关系再强, 目标节点的电压都将不再可控。所以, 为了避免解列后过多的无功负荷依赖于同一源节点, 引起无功匮乏, 应该把无功源容量可支撑范围之外的非源节点对应的电气距离尽量拉大。可支撑范围按照无功负荷节点对应的VQ灵敏度电气距离及负荷量进行测算, 如式 (6) 至式 (8) 所示。

式中:QVG, min和QVG, max分别为发电机顶点处无功注入量的最小值和最大值;QVLi为负荷顶点i处的无功注入量;VLi和VLj分别为节点i和j对应的负荷顶点;VG为发电机顶点;Sq为当前无功源节点的可支撑负荷集合;k为Sq中元素的数量。

利用式 (6) 和式 (7) 可以得到Sq, 再利用式 (8) 可以把Sq之外的节点到源节点的电气距离拉大。由于无功源节点之间不具有支撑关系, 其距离按照最大电气距离处理, 如式 (9) 所示。至此, VQ方面的电气距离得到完整的表达。

式中:VGi和VGj分别为节点i和j对应的发电机顶点。

2.2 有功功率平衡方面的电气距离表达方法

有功功率平衡方面, 应该尽量使有功源节点及其附近能够消纳它出力的负荷节点划分到同一孤网中。所以, 应该首先表达出节点间的距离关系, 再按照这样的原则进行调整, 得出相应的电气距离。

把系统转化为带权无向图G={H, E}, 其中, H={V1, V2, …, Vn}, 为n个系统节点对应顶点的集合, E={eij} (或{e (Vi, Vj) }) , 为对应m条电力线路的边集。定义一个对应网络拓扑的权重集合W={wij}, 把wij分配给连接顶点Vi和顶点Vj的边, 初值取1。利用边集E和权重集合W建立一个用于表达该网络结构的邻接权矩阵A= (αij) (或α (Vi, Vj) ) , 式 (10) 为αij的确定方法[6]。

而对于顶点Vu到Vv的任意路径pVu, Vv, 路径权值ω (pVu, Vv) 均等于该路径所经过的邻接边权值之和。所以, 可以利用式 (11) 表示Vu到Vv间的距离β (Vu, Vv) 。

由此可以构建全网的顶点距离矩阵B= (βij) , 其中, βij=β (Vi, Vj) 。对于实施解列前不存在孤岛的系统而言, 初始B中不会出现∞元素。至此, 聚类算法中的顶点拓扑距离关系得到了直接表达。

为了使有功源节点及其附近能够消纳它出力的负荷节点被划分到同一孤网中, 应该缩减这些负荷与对应源节点之间的距离。调整原则为:缩减发电机顶点VG和附近的能够平衡VG功率的负荷顶点VL之间的距离。

设对于某一有功源节点, 需要缩减与其距离的负荷顶点构成的集合为Sp={VL1, VL2, …, VLK}。Sp的求取和调整方法如式 (12) 至式 (14) 所示。

式中:PVLi为负荷顶点i处的有功注入量;PVG为发电机顶点处的有功注入量;wgh为顶点Vg和Vh之间的边权值;pVLi, VG为VLi到VG的路径;r为距离调整系数。

利用式 (12) 和式 (13) 可以得到需要向当前源节点靠近的负荷节点集合Sp。再利用式 (14) 可以把Sp中的节点到源节点的路径权值缩小。由于有功源之间不具有相互支撑关系, 因此, 可按照最大电气距离处理, 如式 (15) 所示。最后重新计算矩阵A和B, 完成有功功率平衡方面的电气距离调整。

2.3 2种电气距离的整合

2种距离表达方法的结果在解列分析中有一定冲突, 原因在于:有功功率平衡考虑的是孤网有功出力和有功负荷总量的平衡, 而无功电压关系具有区域性, 很大程度上受限于网络结构和无功源的分布位置。若独立地考虑2种约束条件会形成2组不同的解列面, 即分析无解。

为了得到可行的解列面, 2种不同的距离需要整合为一个共同的电气距离, 以诠释节点间的电气关系并得到一组可行解列割集。这里主要考虑加权整合和向量整合2种思路。

加权整合包括很多方法, 如层次分析、关联分析、模糊评判等, 但为了获取足够准确的权值分配比例, 需要训练大量样本。这意味着对于具体网络、具体故障位置、具体故障性质等情况都需要做大量的仿真实验, 对于不断发展的大型电网来说, 此类方法的工程可行性较低。而且每次训练究竟多大规模、多具体的样本算是足够也难以判断。

向量整合的思路是把2种电气距离表达为空间向量, 并分析这些向量的共同作用效果。这相比加权整合计算量小很多, 同时更加客观地体现了电气距离间的关系。考虑到2种距离关系在一定程度上的独立性 (表达机理相互独立, 距离调整的参考对象是不同类型的源节点, 调整方式也不同) , 作为初步探讨, 本文选用直观易行的正交整合方法完成距离整合, 如图2所示。

图2中, βij和γij都是无量纲的, 由于计算方法的不同, 在数量级或基数上会存在差异, 需要将任意一方归一化到另一方的距离尺度内, 方可进行有效衡量。这里将电压可控性约束对应的γij值归一化至βij的取值范围内, 如式 (16) 所示。

式中:βmax, γmax, γmin分别为B中的最大值、C中的最大值和最小值;λ为主导系数, 通过调整该系数的大小可以转换2种电气距离的主导关系。

通过式 (17) 可以得到整合后的节点电气距离矩阵D= (δij) (或δ (Vi, Vj) ) 。

由式 (17) 可以看出, D直接受B和C的影响。其中, B对D的影响较难于捕捉, 表现为B的调整操作可能会出现不确定的结果, 原因在于:按就近原则消纳源节点出力时, 若最后一部分有功出力恰好能被多个与源节点等距的负荷节点消纳, 则算法变得没有选择性, 这可能严重影响矩阵D的有效性。所以, 本文选择在调整矩阵B之前生成矩阵D, 并用后者代替前者, 完成式 (12) 至式 (14) 对应的距离调整操作, 最后直接更新D生成最终的电气距离矩阵。由于不同节点间的γij相等是小概率事件, 所以该方法克服了等距节点的问题。

3 改进的K-Medoids聚类算法

电气距离得到统一表达之后, 需要选取合适的聚类方法完成解列分析。常规K-Means聚类算法需要所有节点都有自己的坐标, 并能够计算虚拟的聚类中心, 才能顺利进行迭代。但对于电力网络而言, 由于存在具体的线路连接, 所以节点间电气关系无法直接表达为欧式空间中的距离, 因而也不便于设定节点在欧式空间中的相对位置。

这里采用改进的K-Medoids聚类算法完成网络划分。该算法以“到类内所有顶点距离之和最小”的顶点为聚类中心, 不需要获取虚拟的聚类中心;同时, 由于充分利用了矩阵D的信息, 省去了常规K-Medoids聚类算法中把样本位置转化为样本间距离的步骤, 提高了计算效率;另外, K-Medoids聚类算法本身同时还具有对坏数据不敏感的优点[21]。

改进的K-Medoids聚类算法的输入量为矩阵D, 聚类数取同调群数Kp, 按照式 (18) 更新聚类中心, 直到收敛。收Ms敛判据为μi=μi-1, i为迭代次数。

式中:M和N为第s类聚类中的顶点编号, 取值为[1, Ms]内的整数, Ms为该类中顶点的数量。

由于以边权值作为矩阵D的基本调整单元 (见式 (14) ) , 所以该算法保证了聚类分析中各顶点不会跨越异名顶点找到其隶属的聚类中心, 即算法输出的解列面为有效割集。输出信息包括孤岛拓扑结构和参与解列操作的线路集合, 即最终解列方案。

4 仿真算例

4.1 IEEE 118节点系统算例分析

仿真采用IEEE 118节点网络, 发生故障前的拓扑结构见附录A图A1。发电机采用经典模型[22]。

通过在线的VQ灵敏度分析 (式 (1) 至式 (5) ) , 得到矩阵C, 并按照无功源的调节容量 (式 (6) 至式 (9) ) 调整C中相应的电气距离元素。

0s时刻线路l23-25在近bus25处发生三相接地短路, 0.07s时刻线路l80-99在近bus80处发生三相接地短路, 2处故障分别于0.17s和0.21s被消除。扰动后19条发电机功角曲线见附录A图A2。按照动态稳定性要求, 系统中的发电机被分为3个同调群。通过边界网络搜索[12]可以界定出3个核心子网, 如附录A图A1中虚线所示。

解列面应在边界网络中界定, 所以可以将3个子网转换为虚拟源节点, 见附录A图A3。核心子网以外的节点到虚拟源节点的电压灵敏度关系, 用子网内部对应电气距离最近的γij表示, 以此形成简化网络对应的C。

通过式 (10) 和式 (11) , 对附录A图A3进行分析, 得到网络拓扑关系对应的电气距离矩阵B。再按照式 (16) 和式 (17) 能够计算出正交的复合电气距离矩阵D, 该算例中系数λ取0.2。

利用式 (12) 至式 (15) 可以完成对矩阵D的调整, 处理方法如下:按照δ (VG, VLi) 表达的距离大小排序, 从最近的负荷节点开始消纳目标源节点的出力值, 直到没有出力盈余为止。以bus10为例, 所有VLi按照对应的δ (V10, VLi) 从小到大排序, 前27个VLi能够消纳V10扰动前的有功出力, 若再往后面计算, 有功功率平衡情况将变为负值, 所以调整对象界定为前27个步骤对应的δ值, 见表1。按照式 (14) 完成距离调整, 系数r取0.7。

最终的电气距离矩阵D确定之后, 就可以利用它进行改进的K-Medoids聚类算法分析。以3个虚拟源节点为初始聚类中心, 迭代2次之后得到最终解列方案, 如附录A图A4所示。

4.2 算例对比分析

下面对不同解列方法进行对比分析。通过有功功率平衡、无功源状态、电压水平等指标观察解列后各孤网的差异, 说明方法的有效性。

本文方法相比于其他方法, 更多地考虑了电压可控性约束, 所以首先证明该约束的有效性, 再通过对比其他主动解列方法进一步得出有效性结论。

算例1:去掉式 (6) 至式 (8) 对应的考虑无功容量限制的调整操作, 其他步骤相同。

算例2:去掉式 (1) 至式 (9) 、式 (16) 和式 (17) 对应的分析, 即不考虑电压无功方面的约束, 其他步骤相同。

算例3:面对同样的扰动, 按照文献[3]的方法, 用谱聚类分析, 获取主动解列方案。

算例4和5:面对同样的扰动, 按照文献[1]的方法, 均采用图论化简和OBDD算法分析, 获取主动解列方案。

算例6:面对同样的扰动, 按照文献[12]的方法, 用蛮力搜索, 获取主动解列方案。

表2分别展示了每一种解列分析方法对应的3个孤网的情况 (定义附录A图A4从左至右分别为1, 2, 3号孤网, 对应表2中每个算例由上至下的3种有功平衡情况) 。从本文方法对应的解列结果可以看出:由于电压可控性要求的接入, 有功平衡情况并不均匀, 如果节点有功注入与扰动前相同, 那么解列后1号孤网中会出现约33 MW的有功缺额, 必须及时指导发电机增加有功出力。这也说明了按照有功功率平衡划分网络和按照电压控制分区划分网络, 彼此存在一定冲突, 是一个寻优问题。无功源状态和电压水平方面, 统计数据显示2号孤网中有4个节点电压位于0.94~0.95 (标幺值) 之间, 3号孤网中节点103处的无功源附近无功需求量很大, 但安排的无功裕度很小, 解列后很容易达到无功出力上限。不过这不影响孤网的静态安全, 这是IEEE 118节点系统固有的薄弱位置, 其他解列结果都附带这样的情况, 见表2的统计数据。

从对比数据来看, 由于没有考虑无功源容量的限制, 算例1对应的1号孤网中节点15, 19, 34, 36处的4个无功源达到出力上限, 结果导致节点33, 34, 36的电压偏低, 其中节点34和36的电压不足0.9, 这说明式 (6) 至式 (8) 对应的无功容量方面的操作是有效的。算例2的有功平衡情况很好, 但孤网2中部分节点电压严重偏低, 直接导致潮流不收敛, 这就是不考虑电压可控性的极端后果, 也说明了扰动前的有功功率平衡并不能准确反映解列后的孤网安全情况。算例3由于没有考虑电压无功方面的要求, 3号孤网内节点85处无功源达到出力上限, 导致节点82电压偏低。同样, 算例4和5没有考虑电压可控性约束, 出现更多节点电压偏低、无功源满载的情况, 其中算例4对应的3号孤岛内, 节点85和92达无功出力上限, 导致节点82, 83, 95, 96, 97所在区域电压全部下降。算例6仅考虑有功功率平衡, 取较优的解列方案可以看出有功功率分配非常均匀, 然而2号孤岛出现不合理的多级长程连接 (bus44—bus35) , 导致无功供应出现严重问题, 潮流不收敛。

可见, 本文方法能够有效解决解列后节点电压的可控性问题。更多的算例对比数据见附录A表A1和附录A图A5。

在计算时间方面, 本文提出的聚类算法在实时分析阶段总耗时约为0.14s。其中, 边界网络分析约0.08s, 矩阵D的相关操作约0.05s, 聚类分析不超过0.01 s。仿真环境为:CPU 3.40 GHz, win7 (64bit) , MATLAB 7.6.0。其他主动解列方法的耗时情况是:谱聚类约0.18s;搭配图论化简的OBDD需要数秒;蛮力搜索接近10s。可见, 该算法完全能够满足解列分析的实时性要求, 且计算速度相对于搜索型解列分析方法有明显的优势。

主动解列分析流程中最耗时的步骤是构建矩阵D, 其本质类似NP完全问题中的遍历, 在该算例中耗时长达4s左右, 难以在实时阶段完成。为了提高分析速度和实用性, 可以尝试在该步骤中运用图论降低网络规模。然而为了不占用故障后的宝贵时间, 也避免化简导致可行解丢失, 本文把比较耗时且对仿真结果影响很小的步骤安排在非实时阶段完成:在线定期更新并寄存顶点间路径搜索结果, 即构建矩阵D, 实时分析阶段通过查找的方式把距离更新信息接入矩阵D即可。这就让主动解列分析的实时决策速度大幅提高, 达到了以上数据水平。

4.3 关于2个系数取值范围的讨论

式 (14) 中系数r和式 (16) 中的系数λ都属于经验系数。作为理论探讨, 通过实验仿真给出了2个系数的参考取值范围。

距离调整系数r的取值对实验结果影响较小, 取值范围比较宽松。由于顶点间的初始距离以线路数 (整数) 表示, 因此只要r取值在0到1之间, 就能起到距离调整的效果。据多次仿真结果判断, r设置在0.4~1.0为宜。当主导系数λ的值从0增大到1时, 电压可控性因素在距离表达中逐渐占主导, 取值在区间[0.5, 0.6]附近时系统局部凝聚现象激增, 会严重影响有功功率平衡, 导致解列方案不合理。多次仿真结果表明λ取0.1~0.5较为合适, 能够较好地在有功功率平衡的基础上考虑电压可控性问题。

需要说明的是, 给出的取值范围并不具有严格的普适性。对于不同的电网, 需要经过一定量的计算分析, 才能确定其有效取值范围。但可以以上取值范围为基础来对系数进行赋值, 并结合具体要求进行调整。

5 结语

本文从解列后孤网节点电压偏低的现象入手, 探索了如何在主动解列分析中接入VQ方面的约束, 以引导解列面朝着改善孤网节点电压状况的方向调整。

本文首先研究了如何在基于聚类思想的解列分析方法中接入电压可控性要求, 主要考虑了2个方面: (1) 源节点和负荷节点之间的电压控制关联强度, 这通过VQ灵敏度电气距离进行了表达; (2) 无功源节点的容量限制, 这通过对电气距离的调整实现了无功功率的调配。在此基础上, 结合孤网有功平衡的要求, 构建了一个复合电气距离, 以此进行改进的K-Medoids聚类算法分析, 得到最终的解列方案。算例及对比说明本文方法能够有效兼顾有功功率平衡和节点电压可控性两方面的要求, 得到的解列方案也更为可行。

本文提出的正交电气距离整合方法仅作为理论探讨, 更好的距离整合方式还需继续研究。暂态过程中的电压控制问题也是后续研究内容。

附录见本刊网络版 (http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx) 。

电网故障类型篇4

AspectJ是目前最成熟的AOP工具，它是Java语言的扩展，提供了一套独有的基于Java平台的AOP语法，自然也兼容了Java的异常处理机制。合理地使用异常处理机制可以检测出程序运行的异常状况并使系统恢复到正常状态，从而提高程序的正确性和系统运行的可靠性。虽然使用异常处理的目的是增强程序的健壮性，但是异常处理代码比应用程序的其他部分更容易包含错误。这不仅增加了应用程序控制流的复杂度，也增加了软件测试的难度。

通过对AspectJ的特性进行分析，得出了使用AspectJ编程时会遇到的异常导致控制流变化的故障[1,2]，下面对这些异常故障进行了深入分析。通过了解和熟悉这些故障类型，可以在实际的编程中帮助大家敏锐地察觉和避免这些故障，也可以有效地指导面向方面的测试。

2 基本概念

2.1 advice

AspectJ是Java语言的扩展系统，它定义了一套独有的基于Java平台的面向方面的语法规则，使开发者可以方便地进行面向方面的开发。在它的各个组成部分中，advice是极为重要的一个，它指定了应用程序到达连接点时应执行的代码。通过使用advice，在不改变原始连接点源代码的情况下，也可以添加连接点之前、之后或周围想要执行的操作，甚至改变连接点的参数和目标。利用advice的织入功能，可以从外部有效地改变连接点。这使得程序的模块性和灵活性都有所提高。

2.2 软化异常

Java的异常处理要确保所有的已检查异常或者是被捕获了，或者是在throws语句中被声明了。这虽然可以提醒程序员处理异常，但是在实际运行中，许多异常只是被记录下来或将其包装后再抛出。鉴于此，AspectJ引入了软化异常机制来解决此问题。

declare soft的语法形式如下：

declare soft:ExceptionType:Pointcut;

当一个ExceptionType类型的异常在Pointcut所匹配的连接点处抛出时，都将被捕获并将其包裹在org.aspectj.lang.SoftException中重新被抛出。

软化异常可以应用在一些特殊场合。例如，在DAO层，程序一般会抛出SQLException，如果这涉及到核心处理就可以进行软化，把SQLException软化成未检查异常。

3 故障类型

异常能及时有效地处理程序的运行错误，在异常类中包含了运行错误的信息和处理错误的方法等内容。所以异常处理机制的引入可以很好地保证程序运行的安全性，但是由于异常处理代码的执行依赖于异常的类型和被抛出的位置，因而异常处理代码比应用程序中的其他部分更容易包含软件的错误，从而也增加了应用程序控制流的复杂度。

通过对AspectJ的分析，找出了两种异常导致控制流变化的故障类型。

3.1 advice中的异常引起控制流变化

如果advice中含有可能抛出异常的语句，就可能会对程序控制流造成影响，降低程序的健壮性。这是因为抛出的异常可能会引起方面代码或基础代码中catch语句块的执行，使得应用程序或者直接转去执行异常处理语句块，或者直接跳出当前程序和JVM回到操作系统，从而改变整个程序控制流的执行序列。

例如类Test1:

在after advice中, “System.out.println (b/a) ;”语句将抛出一个异常, 在方面代码中没有相应的catch块进行捕获处理, 然而在基础代码中找到了相应的处理程序, 但是这阻止了保护区中异常引发点后面对方法two () 的调用, 影响了正常控制流的执行。

又如类Test2:

在before advice中抛出了一个IOException异常，并被方面代码中的catch块捕获，然而程序却不能再执行基础代码中之后的操作，使程序的正常控制流受到了阻断。

由此可见，advice内部抛出的异常会对控制流产生影响，使程序控制流变得更加复杂。为了提高系统的健壮性，应该对advice中可能抛出异常的语句做相应的处理，对于未检查异常，可以通过系统打印的堆栈跟踪信息找出错误，对代码进行修改，来避免这种异常的发生。对于已检查异常，可以在可能出现异常处添加try…catch语句块进行处理，用普通的Exception来捕获并处理所抛出的异常;或者在try语句块后面添加含有return语句的finally模块，抑制异常的抛出。从而使程序的正常控制流继续执行，不会受到异常的阻断。

3.2 软化异常引起控制流变化

AspectJ允许advice在任意位置抛出未检查异常，但对已检查异常则要求必须被捕获或放在throws子句中进行声明。有时，为了不在每个可能抛出异常的地方放置catch语句块，而使用advice来集中地处理异常，但是advice体并不适合处理异常，它可能会引起控制流发生变化。此时，需要将advice捕获的已检查异常转化为未检查异常抛出。而AspectJ引入了declare soft结构解决了这一问题。所谓的软化异常就是把已检查异常软化成未检查异常。如下面的程序：

在方法foo () 中发生了SoftException转换，被捕获的异常将被包裹在org.aspectj.lang.SoftException中重新抛出。而方法bar () 中的异常仍然是一个RuntimeException异常。

由于Java不强制调用者对未检查异常进行捕获或往上抛出，所以在应用程序中使用未检查异常调用一些方法时，如果没有相应的catch块，编译也会通过，同时也不需要去了解这个方法到底会抛出什么异常。这似乎是一个不错的选择，因为开发人员就不会因为要处理已检查异常而受到干扰，但是过多的使用未检查异常也会给开发人员带来误导，因为调用者根本不知道需要在什么情况下处理异常。在使用declare软化结构修改系统异常处理机制时，在软化异常的过程中原来的异常会重新出现，因为原来的异常只是被压制并使用declare soft结构把它软化为了未检查异常重新抛出，并没有消失，只是编译器对此不做处理而已，表面上看来好像什么都没有发生一样。所以虽然AspectJ可以利用软化异常回避异常检查，但也可能会在方面代码或基础代码中引入不同的控制分支，增加控制流的复杂度。而且，当程序出现问题时，很难知道是何种异常引起了这一问题，只能看到软化后的异常，难以找到导致软化异常的的根本原因，因此软化异常可能会阻碍对程序进行漏洞检查。

虽然软化异常很有用，但也要根据情况来选择是否使用。对于不可恢复的异常，或者捕获该异常没有任何益处，就需要将它软化为未检查异常;对于可恢复的，可以被调用者正确处理的，需使用已检查异常。由于合适的异常处理策略能改变代码库的离散和紊乱状态，所以在AspectJ处理异常时需要在特殊情况下灵活地选择最适合的异常处理策略。

4 结语

AspectJ编程中的异常故障对应用程序的控制流变化造成了影响，文中对此进行了深入的分析，并给出了避免和处理这些故障的方法。应用异常故障类型能够更快地发现异常代码中存在的错误，以便进行相应的处理。以异常故障类型为基础可以进一步研究异常测试的方法和策略。

参考文献

[1]Michael Mortensen, Alexander Roger T.Adequa te Testing of Aspect-Oriented Programs[C].in:Department of Computer Science, Colorado State University, Fort Collins, Colorado, USA, Technical report CS04-110, 2004.12.

[2]Xie Tao, Zhao Jianjun, Darko Marinov, David Notkin.De-tecting redundant unit tests for aspectJ programs[C].Pro-ceedings of the17th International Symposium on Software Re-liability Engineering, 2006.11:179-190.

[3]Ramnivas L, 刘克科, 编译.通过AspectJ更好地了解AOP[J].程序员2002合订本下, 2002:170-172.

[4]Joseph D.Gradecki, Nicholas Lesiecki著, 吴东升, 王欣轩, 等, 译.精通AspectJ[M].北京:清华大学出版社, 2005.

电机变压器内部故障类型分析篇5

1 电机变压器概述

1.1 电机变压器的组成

电机变压器主要是指根据电磁感应的原理, 来改变交流电压的一种装置。电机变压器大多是由铁芯/磁芯、初级线圈、次级线圈等所组成的, 电机变压器的主要功能包括有:阻抗变换、电流变换、电压变换、安全隔离以及稳压等。变压器种类诸多, 包括电力变压器、组合式变压器、配电变压器、电炉变压器、单相变压器、油浸式变压器等等, 但从我国电力系统的应用现状来看, 其所采用的主变压器多为油浸式变压器[1]。

1.2 电机变压器的重要性

电机主要是指根据电磁原理, 来实现机械能与电能相互转换, 或是电能特性变换的一种机械装置 (其构成如图1所示) 。而在电机当中, 变压器作为重要的组成部分, 其不仅是一种能够改变交流电压的设备, 还可以用来变换阻抗、改变相位、变换交流电流等。变压器作为电力系统中的主要设备之一, 电能的升压与降压均需要由变压器来完成, 且利用变压器还可有效地提高电力系统的电压, 降低送电损失。由此可见, 电机变压器在电力系统中具有十分重要的作用。

2 电机变压器内部故障类型

电机变压器内部故障主要包括有放电故障与过热故障两大类, 变压器内部发生故障, 多是由于内部变压器油以及固体材料受到冷、热、潮湿、氧、电场等因素的作用, 导致变压器内部渐渐分解、老化, 且会不断地产生一氧化碳、二氧化碳、氢等气体并溶解于变压器油中, 当有外界诱因作用时, 则有可能引起各种类型故障的发生。

2.1 变压器内部放电故障

电机变压器内部放电故障可根据放电量的大小, 分为局部放电、火花放电以及电弧放电故障三种:

(1) 局部放电故障。电机变压器内部局部放电故障的发生, 多是指导体间绝缘体仅被局部桥接的电气放电现象, 局部放电故障可以发生于导体附近, 但也有部分不会导体附近发生。电机变压器设备的某个绝缘结构存在绝缘弱点时, 其会在一定程度的外施电压作用下发生局部放电的现象。

(2) 火花放电故障。火花放电故障属于一种间歇性的放电故障形式, 多发生于电机变压器中不同电位的导电体之间, 或是发生于不固定电位的悬浮体、相接触的绝缘体等位置间。变压器内部火花放电故障的特征为:总烃含量比较低, 且故障能量较小。

(3) 电弧放电故障。电弧放电故障可出现于电机变压器的各个位置, 出现电弧放电故障时, 变压器内部分产生大量剧烈的气体, 由于这些故障气体未能及时地溶解于油中, 导致其在不断聚集下, 上升至气体继电器中并引起动作, 从而造成变压器油液异常动作的发生[2]。

2.2 变压器内部过热故障

电机变压器内部的过热性故障也可根据故障部位的不同, 划分为引线过热、绕组过热、漏磁过热、铁芯多点接地过热以及异物引起局部过热故障等几类:

(1) 引线过热故障。引线过热故障多数发生于变压器的套管上, 包括有引线接头发热、引线分流发热、引线断股过热故障等;

(2) 绕组过热故障。变压器绕组过热故障属于变压器内部过热故障中常见的多发性故障, 故障发生后, 主要表现为绕组烫手、绕组导线变色、导线有糊味等;

(3) 漏磁过热故障。电机变压器由原边绕组励磁安匝产生的磁通大多数不会贯穿副边绕组, 而没有穿过副边绕组的部分磁通则可称之为漏磁通, 大型变压器由于漏磁通温度高, 容易产生漏磁过热故障;

(4) 铁芯多点接地过热。电机变压器内部过热故障中的铁芯多点接地过热故障的发生, 会使油纸绝缘渐渐老化, 从而造成铁芯叠片中绝缘层老化脱落, 导致铁芯过热烧毁[3]。

3 导致电机变压器内部故障的原因分析

3.1 导致变压器内部放电故障的原因及诊断方法

由于电机变压器内部放电故障放电量的不同, 其故障原因也不尽相同, 大体可分为以下三类原因:

(1) 局部放电故障的原因及诊断。电机变压器内部局部放电故障的产生, 多是因为高压电气设备的绝缘内部存在气隙而导致的。除此之外, 电机变压器油中若存在微量的水分和杂质, 其在电场的作用下形成小桥, 当泄漏电流由此通过时会使其严重发热, 进而导致油内水份气化形成气泡, 或是使油裂解产生气体。当气泡或气体绝缘强度低于绝缘材料的强度时, 外施电压达到某一数值后, 会导致气隙先发生放电现象, 从而造成局部放电故障的发生。另外, 如果导电体之间的电气连结不良, 产品内部金属接地部件之间的连接不良时, 也有可能导致电机变压器内部局部放电故障的发生。针对局部放电故障, 可采用脉冲电流法、无线电干扰电压法、志测法、化学检测法等方式进行早期、有效的检测与判断。

(2) 火花放电故障的原因及诊断。导致电机变压器内部火花放电故障的原因包括有:沿围屏纸板的夹层或是表面爬电、铁芯接地片或铁芯片之间的接触不良等因素, 均有可能造成火花放电故障。另外, 若是电力系统的电场极度不均匀、畸变时, 也有可能导致火花放电故障的发生。由于火花放电故障的总烃含量低、故障能小, 因此, 可将以上两个特点作为依据进行诊断。

(3) 电弧放电故障的原因诊断。导致电机变压器内部电弧放电故障的原因主要包括有:分接开关触柱间的飞弧 (在似接未接状态下出现的现象) 、由于引线断裂而形成的闪弧、过电压下造成内部绝缘闪络、绕组的匝间绝缘被击穿。以上几类因素均可能造成电弧放电故障的发生, 而此类故障在发生前并没有明显的征象, 因此也难以进行预诊断。若变压器内部出现电弧放电故障时, 应及时对油中气体成分进行分析, 若是油中总烃含量较高时, 则可断定为此类故障, 并以此为根据来判断电弧放电故障的严重程度[4]。

3.2 导致变压器内部过热故障的原因

电机变压器在正常运行过程中, 其结构当中的温升热源大多数来源于铁芯和绕组中的空载及负载损耗, 而以上损耗会转化成为热量, 并使绝缘油、铁芯、绕组等部位出现允许的温升 (允许温升包括有:油温升55K、绕组温升65K) 。但是, 超过其允许温升后, 则可视为变压器内部过热, 若温升不断加大时, 将会导致变压器内部各种类型过热故障的发生。

电机变压器过热故障在变压器故障中占据有较大的比例, 过热性故障的发生不会像内部放电故障那般迫切和严重, 但是, 若早期得不到有效的判断及处理, 则有可能导致温度的升高, 进而由轻度故障渐渐转变为严重故障, 最终造成过热事故的发生。导致变压器内部过热性故障的原因包括有:引线焊接不良、引线漏焊、绕组导线出现股间短路、过负载运行额外过热、套管导管与穿缆引线接触产生分流等[5]。

变压器内部过热性故障多会由低温渐渐转变化为高温, 进而使故障现象严重, 造成电机变压器的损坏, 因此, 针对电机变压器内部过热性故障也需对其重视。相关的检修人员可通过液相色谱法、气相色谱分析法、直流电阻测量法等方法来对电机变压器内部过热性故障进行检测与判断。

综上所述, 电机变压器内部故障的类型诸多, 而不同类型故障发生的原因也不相同。因此, 针对电机变压器内部故障, 相关的检修人员一定要根据电机变压器的实际运行情况, 结合先进、科学的故障检测、诊断技术, 对变压器内部故障类型及原因进行详细的分析, 从而应用针对性的措施进行解决, 以确定电机变压器的正常、稳定、高效运行。

摘要：电机变压器内部故障的类型诸多, 但不论是哪种类型的故障, 一旦发生, 均会给变压器造成影响, 进而给电机乃至整个电力系统的正常工作带来不便。因此, 本文就主要以电机变压器为例, 具体分析变压器内部故障的类型, 并对内部故障产生的原因及诊断措施展开论述, 以期能给相关检修人员提供一些帮助。

关键词：电机,变压器,内部故障,故障类型

参考文献

[1]武琨, 张粉萍.浅析变压器内部故障产生气体与故障类型的关系[J].城市建设理论研究, 2012, 26 (26) :112~113.

[2]邓茂军, 吴起, 陈亮, 李宝伟, 席颖颖.基于电子式互感器的电炉变压器差动保护研究[J].电力系统保护与控制, 2011, 39 (9) :114~116.

[3]张南建.一起通过油色谱分析成功发现的110kV变压器内部故障[J].四川冶金, 2012, 34 (4) :51~54.

[4]焦尚彬, 黄璜, 赵黎明, 张青.基于双曲S变换的变压器励磁涌流和内部故障识别新方法, 2011, 39 (16) :114~117.

电网故障类型篇6

作为城市供配电系统的重要组成部分, 10 k V配电网络涉及面广、影响面大, 是重要的公用基础设施, 直接关系到工农业生产、市政建设及广大人民生活等安全可靠供电的需要。而随着10 k V电力电缆越来越多地运用到配电网络中, 当电力电缆发生故障后, 如何最快地确定故障类型, 迅速、准确定位, 在最短时间内查找出故障点, 保证供电可靠性, 减少故障修复费用, 将停电所带来的不良社会效应和经济损失降到最小, 是一个十分值得研究的课题, 同时也是一个难题。

1 10 k V电力电缆故障产生的原因及类型

1.1 电力电缆产生故障的原因

(1) 机械损伤。机械损伤引起的电缆事故占电缆事故很大的比例, 如:1) 直接受外力损伤, 这方面的损坏主要有施工和交通运输所造成的损坏;2) 安装时的损伤, 在安装时碰伤、拉伤电缆或者因弯曲过度而损伤电缆;3) 自然力造成的损坏, 中间接头和终端接头受自然拉力和内部绝缘胶膨胀的作用所造成的电缆护套裂损等。

(2) 绝缘受潮。中间接头或终端头结构不密封或安装不良而造成绝缘受潮。电缆制造不良在金属护套上留有小孔和裂缝等缺陷或金属护套被外物刺伤也会使电缆受潮。

(3) 过热。电缆绝缘内部气隙游离造成局部过热而使绝缘炭化以及电缆过负荷都会产生过热。安装于电缆密集地区或电缆沟以及电缆隧道等通风不良处的电缆, 还有穿行在干燥管中的电缆以及电缆与热力管道接近的部分等, 都会造成电缆过热从而使绝缘加速损坏。

(4) 过电压。过电压主要是指大气过电压 (雷击) 和电缆内部过电压。实际运行经验表明, 许多户外终端头的故障是由大气过电压引起的。

(5) 设计和安装的问题。中间接头和终端头的防水设计不周密, 选用的材料不当, 电场分布的考虑不周, 工艺要求不严密, 机械强度的裕度不够等是设计中常见的问题。拙劣的接头与不按技术要求敷设电缆或者在潮湿的气候条件下作接头, 使接头混入水气也是形成电缆故障的重要原因。

1.2 电力电缆故障的类型

(1) 按故障现象, 可分为开放性故障和封闭性故障。

(2) 按接地现象, 分为开路故障、相间故障、单相接地、多相接地混合型故障等。其中, 常见的是单相接地和多相接地故障。

(3) 按故障绝缘电阻的大小, 可分为开路故障、低阻故障和高阻故障3种类型:1) 开路故障。若电缆相间或相对地绝缘电阻达到所要求的规范值, 但工作电压不能传输到终端;或虽终端有电压, 但负载能力较差。断线故障即为开路故障的特例。2) 低阻故障。电缆相间或相对地绝缘受损, 其绝缘电阻小到能用低压脉冲法测量的一类故障。当故障点对地电阻为零时, 即为短路故障。3) 高阻故障。电缆相间或相对地绝缘损坏, 其绝缘电阻较大, 不能用低压脉冲法测量的一类故障, 它是相对于低阻故障而言的。包括泄露性高阻故障和闪络性高阻故障2种类型[1]。

2 10 k V电力电缆故障点的现场查找

2.1 故障点查找的步骤

电力电缆故障点查找一般要经过查看故障电缆基本情况、故障性质诊断、故障测距、精确定点和误差分析5个步骤。如图1所示。其中难点在故障粗测, 只要粗测做好了, 就能迅速地查找到故障点的位置。

(1) 查看故障电缆基本情况:电缆基本情况是指完善的电缆资料, 包括长度、路径走向、接头位置、电缆出厂资料等。这些电缆资料的完整齐全能使故障点查找事半功倍。

(2) 故障性质诊断:通过测量电缆的导电性能和绝缘性能来了解故障电缆的有关情况, 初步确定故障的性质, 从而选择适当的测试方法对电缆故障进行具体的诊断。

(3) 粗测距离:在故障电缆芯线上施加测试信号或者在线测量、分析故障信息, 初步确定故障的距离, 为精确定点提供足够精确的信息。这是电缆故障测试过程中最重要的一步。

(4) 精确定点:在粗测距离的基础上, 精确地查找故障点所在实际位置, 以便于立即进行检修。精测定点方法主要有声测定点法、感应定点法、时差定点法以及同步定点法等。

(5) 误差分析:由于电缆的运行环境复杂, 且可能存在电缆对接头较多、运行时间较长等特点, 一次定位可能存在误差, 要注意是否有假信号的窜入。因此, 可能需要多次定位才能测出故障点, 总结查找过程中的误差, 也有利于提高以后的查找水平和速度。

2.2 故障点粗测距离的常用方法

2.2.1 阻抗法

阻抗法通过测量和计算故障点到测量端的阻抗, 然后根据线路参数, 列写求解故障点方程, 求得故障距离。该方法多以线路的集中参数建立模型, 原理简单, 易于实现。在实际的阻抗法故障测距中, 一般都是应用电桥法来实现的。电桥法的优点是比较简单, 精度较高, 但其适用范围小, 一般的高阻和闪络性故障, 由于故障电阻很大, 电桥电流很小, 测距效果很不理想。

2.2.2 行波法

行波测距法, 就是确定行波传播速度后, 通过测量行波的传播时间来确定故障位置。总的来说, 行波离线测距法有4类:

(1) 低压脉冲反射法。一般用于绝缘电阻在40Ω以下的低阻故障, 在被测电缆上发射一脉冲电压, 当发射脉冲在电缆线路上遇到故障点、电缆终端或对接头时, 由于该处阻抗的改变, 而产生向测试端运动的反射脉冲, 利用仪器记录下发射脉冲与反射脉冲的时间差, 从而找到故障点。其优点是简单、直观, 不需要详细的电缆原始资料, 还可以根据反射脉冲的极性分辨故障类型;缺点是不能用于测量高阻及泄露性和闪络性故障。

(2) 脉冲电压法。又称为闪测法, 利用直流高压或脉冲高压信号击穿电缆故障点, 即发生闪络放电, 由放电电压脉冲在观察点与故障点之间往返一次的时间来测距, 适用于高阻和闪络故障。该方法的优点是不必把高阻或闪络性故障永久性烧穿, 利用故障击穿产生的瞬间脉冲信号, 测试速度快、误差小、操作简单等;缺点是安全性差, 易发生高压信号窜入。

(3) 脉冲电流法。采用线性电流耦合器采集电缆中的电流行波信号, 将电缆故障点用高电压击穿, 使用仪器采集并记录下故障点击穿产生的电流行波信号, 通过分析判断电流行波信号在测量端与故障点往返一次所需时间来计算故障距离。与脉冲电压法比较, 脉冲电流法使用线性电流耦合器, 与高压回路无直接电气连接, 安全性更好, 应用更为广泛。

(4) 二 (多) 次脉冲法。其原理是首先对故障电缆发射一个低压脉冲, 脉冲在高阻的故障点由于特性阻抗变化不大, 不会产生反射。脉冲在另一侧终端被反射回来后, 仪器将这个“完好”波形存储起来。然后对故障点电缆发射一个高压脉冲, 故障点被击穿, 击穿瞬间变成低阻故障, 此时仪器触发一个低压脉冲, 低压脉冲在被击穿的故障点处被反射回来。仪器把两次低压脉冲的波形叠加起来, 分叉点的位置就是故障点的位置。

该方法的优点是可以避开故障点闪络时引起强烈的电磁干扰, 低压脉冲宽度可以调节, 较长线路也能记录到清晰的信号波形, 提高测量精度;缺点是使用仪器较多, 如果故障点受潮严重, 故障点击穿过程较长, 测试时间相应增加, 且故障点维持低阻状态的时间不确定, 施加二次脉冲的控制有难度[2,3]。

2.3 故障点精确定位的常用方法

(1) 声测法。其原理是用闪测仪等能使故障点产生规律放电的装置, 使故障点放电, 然后在粗测所得到的故障位置前后, 用接受故障点放电声音的装置来确定故障点的位置。这种方法测出的结果随意性很大, 误差也较大, 在电缆埋设较深时很难准确测量, 但设备要求低。

声磁同步法是声测法的改进方法, 声磁同步法是根据声音信号与磁场信号传播速度不同的原理, 利用仪器探头检测出声音信号和磁场信号的时间差来确定故障点。

(2) 感应法。其原理是当音频电流经过电缆线芯时, 在电缆周围有电磁波存在, 随身携带电磁感应接收器, 沿线路行走时, 可受到电磁波影响。音频电流流到故障点时, 电流突变, 电磁波的音频突变。该方法对寻找断线、相间低阻短路故障很方便, 但不宜于寻找高阻和单相接地故障。

2.4 故障点现场查找过程中的几点建议

(1) 为提高电力电缆故障点查找的效率, 建议运行部门必须完善电力电缆运行基础资料, 如电缆路径图、电缆电路电子地理分布图及其敷设方式、电缆中间接头分布图及其地理坐标图并做好现场标识。

(2) 在查找过程中, 无论使用哪种方法测试故障点波形, 若故障点距离测试端太近, 均会产生盲区, 使得测试波形难以判断识别, 此时可尝试到电缆的另一端进行测试, 建议每次查找电缆故障点时最好电缆两侧各测试一次以作对比, 这样的成功率较高。

(3) 在精确定点时, 设备应在距故障点近的一端, 这样能量沿电缆衰减较小, 便于声磁同步法的定点, 快速查出故障点。要充分利用各种试验设备与身体感官, 在粗测点的范围内反复进行查找, 要仔细分辨故障点处声音与金属屏蔽层上传输声音的差别, 不断比较, 才能发现故障点。

(4) 在使用二次脉冲法粗测时, 若波形不明显, 应该用高压脉冲进行多次充放电, 一般为5~10 min, 在听到清脆放电声后, 立即使用二次脉冲法, 此时的波形一般较为典型, 如还未出现典型波形, 可重复几次[3]。

3 结语

随着电力电缆在10 k V配电网络中应用越来越广泛, 当电力电缆发生故障后, 如何最快地确定故障类型, 迅速、准确定位, 在最短时间内查找出故障点, 及时排除故障, 保证安全可靠地供电就成为了一项必须完成的任务。虽然电力电缆的故障表现形式多种多样, 但万变不离其宗, 只要我们弄清电缆故障性质, 选择合适的故障点查找方法, 熟悉各种测试仪器的操作方法, 就能准确地查找出电缆故障点, 保证供电可靠性。

参考文献

[1]区家辉.10kV电力电缆常见故障处理[J].云南电力技术, 2008 (8) :64～65

[2]欧相林.浅谈10kV电力电缆故障检测[J].电力建设, 2009 (1) :136～137