复杂电力网络

复杂电力网络（精选7篇）

复杂电力网络 篇1

1、引言

自然界中存在的大量复杂系统都可以通过数学工具加以建模, 并通过形形色色的网络加以描述。网络最初属于图论的研究范畴, 早期的图论主要涉及一些可以利用简单规则网络来研究的问题, 如数学上经典的"一笔画问题"、"旅行售货员问题"。自上世纪50年代以来, 人们开始研究一些大规模复杂系统的统计性质, 用随机网络模型来描述。1998年Watts和Strogatz发现的小世界性质 (small-world property) , 引发了复杂网络的研究热潮, 标志着复杂网络研究的开端。目前, 复杂网络的研究受到学术界和工程各个领域研究人员的广泛关注, 已经成为研究热点之一。

在中国, 2008年初的大范围雪灾, 波及个20省 (区) , 受灾人数过亿。而这场雪灾的最大破坏力正体现在对电力网络的中断上, 交通依赖电力, 电力又依赖能源, 能源又依赖交通, 而经济又依赖上述三者的循环。一场由电力网络受损造成多个网络的崩溃, 本文结合复杂网络的统计特征, 分析其在电力网络上的应用。

2、复杂网络

2.1 复杂网络中的一些基本概念

(1) 度和分布 (degree&degree-distribution)

度是一个节点的重要特性之一, 节点度k就是该点所连接的边数。节点的连接度分布是指网络中连接度为k的节点数目的概率p (k) 随节点连接度的变化规律。

(2) 簇系数 (clustering coefficient)

在人际关系网络中, 经常会遇到这样的情况, 你朋友的朋友还是你的朋友, 或者说你的两位朋友之间也是朋友。这种特性称为聚类特性。簇系数就是用来度量网络的这种特性的。确切地说, 聚类系数可以定义为:假设节点i连接着ki个其它的节点, 这些节点都是节点i的邻接点。那么最多存在条边在这些邻接点之间, 而实际在这些节点之间存在着的边的数。节点i的簇系数ci就定义为它所有相邻节点之间连边的数目占可能的最大连边数目的比例, 即整个网络的簇系数c定义为网络中所有节点的聚类系数的均值,

(3) 最短路径和平均路径长度 (average path length)

网络中, 两个节点i和j之间的距离di, j定义为连接i和j的最短路径所包含的边的数目。网络中任意两点间的距离被定义为连接两点的最短路径所包含的边的数目, 把所有节点对的距离求平均, 就得到了网络的平均路径长度L。

2.2 网络的模型及特性

(1) 规则网络:如果系统中节点及其与边的关系是固定的, 每个节点都有相同的连接度数, 就可以用规则图来表示这个系统, 规则网络的统计特征是具有大的簇系数和大的平均距离。

(2) 随机网络:ER随机图论则假设网络有N个节点, 以概率p来连接一对随机选定的节点。这样就生成了一个具有N个节点和大约条边的随机图。随机网络的统计特征是具有小的簇系数和小的平均距离。

(3) 复杂网络:复杂网络中最重要的统计特征就是小世界 (small-world) 效应和尺度无关 (scale-free) 特性。

小世界特性就是在一个很大的网络中, 顶点具有较大的簇系数和较小的平均路径。例如互联网、电力网络、演员合作网络都有表现。无标度特性是指网络中的节点服从幂律分布。这种特性对网络中局部环境受到攻击, 表现出较强的鲁棒性, 但遇到网络中枢纽点的攻击, 就比较脆弱。但是在解决如交通杜塞, 预防电力网络全线崩溃等等有着重大应用。

3、复杂网络在电力网络中的应用

3.1 电力网络的特征描述

电力网络是电力系统中由电厂、变电所、各级电压等级的输配电电线路及升降压变电所组成的复杂系统。如果把电厂看作节点, 连接电厂和电厂之间、电厂和变电所之间, 以及变电所和各终端用电设备的输电线看作边。电厂的电容量看作点权, 输电线上的电压看作边权, 这样就可以把电力网络抽象为一个复杂加权网络。电力网络除了具有大多数复杂加权网络的共性特征外, 还有自己的特征:

1) 网络的规模大, 不同作用的节点根据其作用不同 (电厂节点个数少, 变电所较多, 终端用电设备多) , 起关键作用的节点个数反而少。

2) 网络是加权的, 且点权和边权有严格的容量限制。

3) 有些节点连接的边是双向的 (电厂和电厂之间的边) , 有些节点连接的边是单向的 (电厂和变电所之间、变电所和终端用电设备之间) 。 (以电流流动方向/电压高低)

4) 网络的结构具有相对的时空稳定性和复杂性, 这是因为电力网络的节点有开关闭合、串并连技术。一段电网出现问题, 只要通过开关将该段网络隔离就能解决问题。

5) 电力网络中的枢纽节点 (电厂节点) 受地理位置和天然资源的影响, 比如:火电站和水电站的在建设过程中的选址问题。

3.2 利用复杂网络理论研究电力网络的意义

在电力网络领域内的许多问题, 如:

1) 电厂节点的选址是电力网络设计的重点和难点。

2) 地方电力网络和区域电力网络的组建问题。利用其无标度特性, 达到成本上的节约和效率上的提高。

3) 开式电力网和闭式电力网的选择问题。

而上述问题都可以依靠复杂网络的相关理论来解决。在此基础上, 将电力网模型与复杂网络特性相结合进行研究, 探讨未来电力网络的一般演化规律, 最终目标是形成描述电力网络演化一般规律的数学刻画, 为电力网络的发展提供决策上的支持。这就证明了利用复杂网络理论研究电力网络是可行的。

3.3 复杂网络理论在电力网络中的应用研究

近年来, 随着复杂网络在社会关系网络, 城市交通网络等各领域的深入研究, 复杂网络正在向电力网络领域渗透, 针对目前国内外的研究成果, 主要集中在以下几个方面:

1) 探寻电力网络连锁故障发生的机理。

Dobson等人对电力网络进行了抽象和简化, 建立OPA, CASCADE等模型。通过对北美电力网络的分析, Dobson等人研究得到一个重要结论是:当前北美电力网络是一个自组织临界系统, 在临界负荷附近, 系统故障规模的增长表现出幂律分布。许多国家的电网, 尽管各种小规模停电事故的发生频率要远大于北美电网, 但却很少发生类似于北美电网的大规模连锁事故。他们认为正式这些频繁的小规模停电事故缓解了整个电网日渐增加的某种大规模停电事故的压力, 而不至于引发大范围停电。

2) 电力网络的抗毁性和级联效应

对于电力网络的抗毁性研究中表明, 网络遭受突发故障 (随机选择移除一些节点) 和蓄意攻击 (选择移除部分度大的节点) 后拓扑结构的变化是不一样的。研究结果表明服从幂律分布的网络 (无标度网络) 对于突发故障是鲁棒的, 但对于蓄意攻击是脆弱的。在加上考虑级联效应的攻击, 对于基于最大度或最大负载的蓄意攻击是更加脆弱的。所谓的级联攻击, 是指每个时间步攻击负载最大的10个节点, 然后下个时间步重新计算各点的负载, 那么故障级联是大规模停电事故发生的罪魁祸首之一。Albert等人的研究从电站出现故障, 其上负载被其他电站分担而产生级联这一基本思想出发, 证明了这一结论。

4、结束语和展望

结合复杂网络的统计特征, 从网络的结构特征方面、网络的演化模型方面以及网络的鲁棒性和可靠性方面进一步深化理论研究, 并将研究成果尽快地应用于电力网络中去, 这是该领域深入研究的迫切要求之一, 也是复杂网络研究进一步发展的动力所在。

摘要：本文从复杂网络的统计特征分析电力网络瘫痪的内在原因, 并通过复杂网络的动力学特征, 研究电力网络的鲁棒性和抗毁性。

关键词：复杂网络,电力网络,小世界效应,尺度无关特性

参考文献

[1]Cassel W R.Distribution Management System, Functions andPayback.IEEE/SM PWRS, Seattle, WA, 1992.

[2]刘健, 倪建立.配电网自动化新技术.北京:中国水利水电出版社, 2004.

[3]余贻鑫, 王成山等.城网规划计算机辅助决策系统.电力系统自动化, 2000, 24 (15) :59～62.

[4]周涛, 柏文杰, 汪秉宏, 等, 复杂网络研究概论[J].物理, 2005, 34 (1) :31-36

[5]Watts D J, Strogatz S H.Collective dynamics of small world net-works[J].Nature, 1998, 393:440-442

[6]Barabasi A L, Albert R.Emergence of scaling in random networks[J].Science, 1999, 286:509-512

[7]张伯明.高等电力网路分析[M].北京:清华大学出版社, 2000

复杂电力网络 篇2

电力通信网是电力系统的第2张实体网络,承载着电网公司生产调度、经营管理和企业信息化管理等业务需求,其安全可靠性直接影响着电网的安全稳定运行[1]。因此研究电力通信网的可靠性定量评估具有重要意义。

目前,对于电力通信网的可靠性研究在可靠性指标建立[2]、通信网络拓扑优化[3]和网络结构本身的可靠性[4]等方面取得了一定的成果。使用的可靠性评估方法主要有故障树分析法、层次框图分析法和可靠性框图法(Reliability Block Diagram,RBD)[5,6,7]。这些传统方法在计算单条通道或小规模通信网络可靠性时能达到很好的效果。

然而在电力系统通信网中,一个业务经常走多个通道,通道之间经过共有设备形成复用[8],此时评估单条通道的可靠性已经意义不大,只有同时计算整个区域甚至全网的各业务可靠性,才能对运行管理人员的决策起到帮助作用。此时,前面提到的传统可靠性评估方法已经无法实现精确评估,而针对全网业务通道可靠性的评估问题,目前尚未有很好的解决办法。本文对传统的RBD方法进行改进,提出了一种基于链路搜索的适用于大规模复杂通信网业务通道的可靠性评估方法,并以华中电网局部区域的保护业务通信实例作为验证,取得了很好的效果。

1 传统RBD算法分析

1.1 RBD算法的基本原理

可靠性框图是从一种可靠性角度出发研究部件与系统之间的逻辑图,是系统单元及其可靠性意义下连接关系的图形表达。可靠性框图与系统的工作原理图相协调,工作原理图表示系统各单元的物理关系,而可靠性框图表示系统中各单元之间的功能逻辑关系,即可靠性框图可直接从系统原理图按照一定的规则“翻译”过来。

研究系统的可靠性,一方面要研究每个部分的组合方式,另一方面要研究每一部分的可靠性和整个系统可靠性的关系,即可靠性逻辑关系。RBD就是表示这些逻辑关系的工具。

1.2 RBD可靠性计算模型

传统的RBD计算方法是将复杂模型简化为串联系统和并联系统以及它们的组合形式,逐次分解计算各个部件再综合计算整体可靠性[9]。

对于图1,由元件X1,X2…Xn串联而成的系统,若用SXi代表元件Xi的可靠性,则系统的可靠性为:

对于图2所示并联模型,系统可靠性为:

对于可靠性网络(见图3),RBD分析方法是解析框图内的各部件的串并联关系,通过逐步简化得到最终结果,其计算过程可以表示为:

1.3 RBD算法分析

从式(3)的计算过程可知,此方法的难点在于各个部件之间的关系用计算机图论算法分析起来颇为复杂。其分析算法是个典型的NP难题。尤其对于具有大量元件以及复杂连接关系(如桥连的网络),很多情况下不能拆解成简单的串并联组合,难以适用于大型网络的可靠性计算[10]。

2 基于逻辑门后移原则的的改进RBD模型

2.1 RBD的逻辑表示

电力系统可靠性网络由实际系统相对应的故障部件(光纤、SDH等)和相应表示部件间逻辑关系的逻辑门(或门)构成,传统的RBD方法通过分析各个部件间的关系以及对应的逻辑运算推导出可靠性表达式,如图4所示。

图4中的S1、S3互为备用,该系统整体可靠性Sar可表示为:

2.2 基于逻辑门后移原则的改进RBD

本文所提到新的RBD计算是基于逻辑门的后移规则。很容易发现,图4中从起点到终点共有2条路径(S1→S2→S4,S1→S3→S4),若将逻辑门移到S4之后,并将所有起始点到终止点的路径全部用链表表示,可靠性框图变为如图5形式。此时,系统整体可靠性SSN可表示为:

图5中存在多条路径复用1个元件的情况,而任何元件与自己本身是不会独立的,从而得到了路径之间也不是完全独立的,为了得到正确结果,就要消除共有器件之间对独立性的影响。具体的方法是定义自乘运算:

式中:X为可靠性框图中的元件。当器件的可靠性与自身相乘时,所得结果应还是本身的可靠性值。根据此规则可将式(5)转换为:

由式(4)和式(7)可知SSN=SSR,利用逻辑门后移并且进行自乘运算,可得到与传统RBD计算相同的结果,而且计算过程消除了复杂的分解RBD的过程,只需要计算链路连乘即可,大大简化了计算过程。

3 基于深度搜索的网络链路可靠性计算模型

3.1 业务通路搜索

改进的RBD框图算法关键是搜索业务通路,之后进行的就是链路的可靠性计算。业务通路搜索的过程如图6所示。

(1)对于每个业务的起末点,搜索所有通信路径,形成T矩阵。该步骤主要完成对某个通信业务所有可能通信路径的搜索,搜索步骤如图6所示,其结果为一个n×m的矩阵,n为所搜索到的路径数量,m为网络中的节点数量。如果第i条路径经过第j个节点,则对应的T(i,j)=1,否则T(i,j)=0。

(2)计算所有链路的逻辑或的表达式。对于有n条路径的通信业务来说,其总体可靠性值即为每一条可靠性值取概率或运算后的值,即:

3.2 基于深度搜索的链路可靠性算法

对于图3所示的复杂可靠性网络,通过深度优先搜索算法可以得到从起点到终点的可能链路如图7所示。

从图7可知,从起点到终点,共有4条可能通路,通路内部没有再分支,所以内部均为连乘的关系。通路与通路之间为“或”的关系。

由式(8)可知,总关系可表示为:

由式(9)计算得到的结果与传统解析法式(3)计算结果相同,表明此方法的可行性。

3.3 算法流程

本算法流程如图8所示。

4 算例分析

本文采用华中电网某区域通信网络为例进行分析,通信拓扑图如图9所示,该网络中共有5条保护业务,共涉及23个设备图9中各点之间的地理距离如表1所示。

通过通道搜索算法可以得到5条保护业务的通道。采用通道计算方法可以得到各个通道的静态可靠性值如表2所示

当系统中某设备故障后,所涉及保护通道的可靠性也随之降低,当某设备故障后,系统中5条业务的可靠性变化值如图10所示。

5 结论

在电力通信网中,计算单条通道的可靠性意义不大,只有计算区域或者全网络的业务可靠性才能给运维管理部门提供决策参考。当网络规模增大时,传统的RBD方法由于分解复杂计算网络可靠性已经不再适用。本文提出的基于链路搜索的改进RBD方法,利用逻辑门后移原则跳过RBD的复杂分解过程,通过业务通路搜索,能够同时快速计算复杂通信网络中各业务的可靠性。通过华中电网局部区域的环网业务进行实例验证,取得了很好的效果,证明了本文方法的实用性。

摘要：在基本可靠性框图RBD的基础上,介绍了一种新的电力系统通信可靠性计算方法,其具有扩展性强、计算效率高、仿真精度高、建模方便的优点,可用以解决目前大电网可靠性分析方法 的计算过程复杂、工作量巨大、计算速度慢、分析结果 不够准确的问题,具有重要的推广应用价值。

关键词：电力通信,可靠性评估,改进RBD

参考文献

[1]蔡伟,杨洪,熊飞,等. 考虑电力通信网可靠性的业务路由优化分配方法[J]. 电网技术,2013,37(12):244-248.

[2]邢宁哲,闫海峰. 电力通信系统可靠性研究[J]. 电力系统通信,2007,28(6):30-34+42.

[3]周静,赵子岩,陈希,等. 基于电力光缆线路资源共享度的网络优化方法[J]. 电网技术,2011,35(5):199-203.

[4]周静,熊素琴,苏斌,等. 一种电力通信网络运行质量量化评估方法及应用[J]. 电网技术,2012,36(9):168-173.

[5]韩小涛,尹项根,张哲. 故障树分析法在变电站通信系统可靠性分析中的应用[J]. 电网技术,2004,28(1):56-59.

[6]沈阳武,彭晓涛,施通勤,等. 基于最优组合权重的电能质量灰色综合评价方法[J]. 电力系统自动化,2012,36(10):67-73.

[7]陈志诚,齐欢,魏军,等. 基于可靠性框图的可靠性建模研究[J]. 工程设计学报,2011,18(6):407-411.

[8]高会生. 电力通信网可靠性研究[D]. 保定:华北电力大学,2009.

[9]曾声奎,赵廷弟,张建国,等. 系统可靠性设计分析教程[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2001.

复杂电力网络 篇3

用电管理系统智能化是用电管理现代化发展的一个必然趋势,电力电子技术的大力发展,使得用电负载出现了很多革命性的变化。起初最普遍的是电阻性负载一类的线性负载,而现在则出现了非线性负载、电磁兼容性负载、自动化供电负载和电容性负载等等这样的新型负载。新型负载的出现给供电和用电带来了许多新问题,导致了这两者之间的矛盾的日益突出,从而新型的负载识别和管理系统的建立,成为了当前解决供用电矛盾的迫切需要。非线性负载、电磁兼容性负载等这一类出现的新型负载统称为现代负载。相对于现代负载,电阻负载、电感负载等这一类的负载则称为传统负载。传统负载的识别方法对于新型负载来说已经不再适用了,新型负载需要一种更为先进的识别与管理方法,本文所讨论的就是新型负载的识别与管理方法。[1]

我国高校和大型集贸市场的用电管理相对来说比较落后,电力资源浪费严重,安全隐患也日益突出。由于热得快、电炉子等大功率用电设备大量接入公寓和市场,而学生公寓又是人口密集、用电负载类型多样的场所。当使用以上大功率的电器设备时,很容易引起火灾等事故,直接威胁同学们的人身安全和学校的财产。供电与用电之间的矛盾日益突出,传统的负载识别和管理系统远远不能满足高校后勤管理的要求,建立新型智能管理系统,是当今管理的迫切需要。

1 基于监测负载功率变化规律的负载识别

当用电器接入电网的时候,电力系统的总功率会发生相应的变化。但是对于不同的用电器,功率的变化规律是不一样的[2]。比如,当接入热得快等大功率用电器的时候,系统总功率的变化会非常大,增加的数值可达800W甚至1000W左右,最少的也要增加250W左右。而对于电脑等非线性负载,电灯等感性负载,它们接入电力系统之后总功率的变化幅度则不如纯电阻负载大,一般来说系统功率会增加30W到100W左右,也即是说,接入不同类型的负载时,系统功率增大的幅度是有很大差别的。

除了功率会增加之外,负载识别的另外一个重要依据就是功率因数。一般的大功率器件都是电阻性负载,所以其功率因数趋近于1。而对于非线性负载或者混合负载,功率因数都明显小于1,所以我们可以同时根据功率因数的大小来判断负载的类型并作相应处理。

根据上述理论,我们可以建立一个实时的时域上的矩阵,这个矩阵总共包括10行,记录的信息包括了每隔2s采集的系统的功率值、电流值、电压值和功率因数,也即20s内的系统的各个特征值。本系统的设计要求是采集16路的电信号进入到单片机中,16路的电信号包括1路电压信号和15路的电流信号,所以时域矩阵的每一行总共包含有18个量值。构造的时域矩阵如:

然后单片机会首先对采集的功率值进行对比监测,如果发现后面采集到的功率值较前面一次采集的功率值增加的幅度超过250W,并且从这一次采集的数据开始,后面的3组数据的增长幅度较第一次功率增加的值的前面的一次对比都超过了250W,则初步判定可能有大功率电器接入电网中。其次单片机会在对功率因数进行检测,判断在这6s之内功率因数的数值的大小,若功率因数接近于1,则证明确实是有大功率电器接入到电网中,下一步就要进行断电操作;若功率因数明显小于1,则证明接入的可能是混合负载,则要进行下一步的负载识别,即基于FFT的负载识别,从而对混合负载中的负载种类作进一步的判断,然后再作相应的负载管理操作。本设计中采用的负载管理方法是触发继电器操作,使违规电器被迫退出电力系统。

2基于快速傅里叶变换的负载识别

当基于监测负载功率变化规律的负载识别无法判别出接入电网的负载是否符合要求的时候,就要利用基于快速傅里叶变换的负载识别[3]。快速傅里叶变换是经典的信号分析方法,它具备正交、完备等诸多优点,在负载识别、电能质量分析等领域已经有了非常广泛的应用。但是,要应用这种方法必须要具备以下两个条件:

(1)满足采样定理的要求,即采样频率是最高信号频率的两倍以上;

(2)被分析的波形必须是稳态的、随时间周期变化的。

因此,当采样频率或者信号不能满足以上条件的时候,快速傅里叶变换的分析会产生“频谱泄露”现象,这是会给分析带来误差的[4]。

本系统中的基于快速傅里叶变换的负载识别的关键就在于负载特征矩阵。负载特征矩阵的实质就是事先采集好的一个特征参数数据库。部分采集好的特征参数如下所示:

以上特征参数原始数据表转换为特征参数矩阵即如下图所示:

以上的负载特征参数矩阵是以数组的形式存放在外扩芯片Intel6264中的。当有实时的数据经过采集电路进入到芯片,并且经过快速傅里叶变换变为频域上的数据之后,就要经过多次的迭代运算来判断采集的数据最接近矩阵中的哪一组。这种方法类似于电力系统分析中的牛顿-拉夫逊法。

设Intel6264中的特征矩阵中的参数为标准信号,其模型的离散波形为:

实时采集的信号经过FFT之后得到的模型的离散波形为:

为了验证接入的负载是哪种类型的负载,也即检验采集的信号经过FFT之后最为符合特征矩阵中的哪一行,我们还需要引入另一个函数,即均方差函数E,形式如下所示:

这个函数方程的作用就是用来验证m(n)和s(n)是否一致。过程就是要求出两者之间的误差并使其达到最小,同时还要设定一个阈值δs,通过比较误差和阈值来判断所采集的信号数据最接近于特征矩阵中的哪一行,从而也就判断出到底是哪一类负载。

验证过程的实质其实是一个参数修正过程。我们把实际采样的数据s(n)分成两组,一组为训练组s(n),另一组为测试组T(n),即s(n)=S(n)+T(n)。其中,选定s(n)的长度为M1,T(n)的长度为M-M1,其中M为数据的总长度。

我们还需要定义两个均方差函数,一个是训练组均方差函数,形式为:

在运用算法使得Es最小化得到一些修正参数之后,利用这些参数形成的测试组的均方差函数为:

根据设定的误差限值δs,若得到的ET≤δs,则证明接入的负载符合特征矩阵中的某一行数据,从而就可以识别出接入的负载的类型,能够进行下一步的负载控制与管理;若得到的ET>δs,则需要调整计算的谐波次数,调整过后再进行下一步的参数修正过程。在规定的计算次数p之内仍无法识别出负载的话,则结束此次识别过程,进入下一次的负载识别。这个过程是不断在进行的,矩阵中的每一行都在循环往复不断重复着这个过程。当有违规负载识别出来之后,通过相应的中断程序执行继电器动作,从而完成整个负载识别和控制管理过程。

参数修正的过程流程图如3所示,其中,p表示迭代次数,p是每循环一次就加1,pM代表最大迭代次数,N代表谐波的次数,N每循环一次就减1,本系统设定N为15。判断一次循环结束的条件有三个:(1)ET≤δs;(2)N=1;(3)N=1且ET未达到收敛标准。

3 基于FFT的负载识别

在日常生活中,我们经常碰到的负载类型有很多种:阻性负载、感性负载、非线性负载等等,当然还有它们的混合负载[5]。为了达到安全用电,预防各类事故发生的目的,我们要对负载的类型进行相应的识别。具体的思路就是:采集用户使用的负载的电压和电流信号,并对其进行快速傅里叶变换,最后根据频域上的特征参数矩阵进行识别管理。

3.1 FFT负载识别的基本思路

典型负载的波形分为两种,一种是在标准正弦电压下的波形,还有一种是在非标准正弦电压下的波形。下面将讨论标准正弦电压下的典型负载的波形。我们将以DELL OPTIPLEX330+1达硕主机加上一个750W热水壶和一个1个100W电灯的混合负载为例,画出标准正弦电压下的负载信号的波形及幅频响应图。如下图所示,其中采样频率为6400Hz,采样点个数为128个。图中将同时给出电压和电流的波形。

3.1.1标准正弦电压下的负载的频谱图

通过比较以上各种类型的负载的负载电压和电流的波形图以及电流的幅频响应图,我们可以得到以下结论:

(1)对于纯阻性负载,电压和电流是同相位的。

(2)50Hz的电压信号仅在电流上产生50Hz、150Hz、250Hz等奇次谐波,并且它们的幅值衰减速率是很快的。但是只有50Hz的电流分量才产生功率,其他频率的电流分量产生的功率可以忽略不计。

(3)当仅有计算机负载时,从时域上分析,其电流波形是区别于其他负载的电流波形的,波形有两个尖峰,这已经完全不同于正弦信号;而其他的负载的波形仍然是具有正弦信号的特点的。

(4)含有计算机负载的混合负载和仅有计算机的负载相比,快速傅里叶变换后的幅频响应图中,基波分量所占比重明显增大,而高次谐波分量所占的比重明显降低。

(5)仅有计算机负载时,电流信号50Hz与150Hz的幅值比为1.2,相位差为-0.5。

3.1.2非线性负载的识别

由于线性负载可以在第一种识别方法中识别出来,所以快速傅里叶变换主要针对的是非线性负载的识别[6]。通过分析仅含有非线性负载的电流和电压幅频响应可以看到,电压信号只有50 Hz分量很大,而其他奇次频率的分量非常小,可以忽略其他频率分量产生的功率,因此可以用电流电压50Hz分量来计算负载功率。

在对采样得到的混合负载电流信号进行FFT后,得到的50 Hz分量是混合负载的电流,我们无法直接算出非线性分量所占比重,而根据频谱分析图,我们可以认为150 Hz分量等此类的奇次分量只有非线性负载产生,而其他类型的负载所包含的150Hz等奇次分量是可以忽略不计的。电流信号中的150Hz分量来源于两个部分,一个部分是电压信号中的50 Hz分量所产生的电流信号中的150 Hz分量;另一部分是电压信号中的150 Hz分量所产生的电流信号中150 Hz分量。在上一章节中,我们得到过如下结论:非线性负载的电流幅频响应中50Hz与150 Hz幅值比为1.2。

根据以上关系,就可以确定出电压信号中的50 Hz分量所产生的电流信号50 Hz分量的值,再根据相应的公式就能够计算出非线性负载的功率。

4 基于C8051F040的电力系统复杂负载识别管理系统硬件设计

本系统的设计主要是针对学生公寓、集贸市场等人口密集并且用电量比较大、用电负载类比较多的场所而设计的。有以下主要功能:

(1)负载识别。根据采样信号的特征值识别负载类型;

(2)断电处理。当用户接入空调、电视机、计算机等负载时,整个区域将正常供电。

但是当接入热得快、电磁炉等大功率电器时,将对用户进行断电处理,防止由于功率过大而发生事故。

本系统主要包括了主控制板、片外存储器、锁存和分频器、液晶显示模块、电源模块、采样电路和继电器执行模块等7个部分。系统框图如下所示。

5 基于C8051F040的电力系统复杂负载识别管理系统软件设计

本系统的软件程序包括以下几个主要部分:数据的采集,功率突变检测,快速傅里叶变换(FFT),迭代验证,外部器件的控制等。

程序流程图如图12所示:

6 结束语

本文主要是针对学生公寓、集贸市场等人群密集大型场所,为了实现其安全用电,解除用电隐患而设计的了一种集中供电复杂电力负载识别与控制。采用了比较实用的软件算法进行负载识别和控制管理。一种是功率参数突变检测算法,另一种就是比较常用的快速傅里叶变换(FFT)算法。通过这两种算法的有机融合,提高了负载识别的可靠性。负载识别与控制管理是一个常谈常新的话题,现代技术的发展虽然很快,但在一些特殊场合,普通的负载识别器仍然是无法满足所要求的,这从侧面反映出它的发展前景仍然是十分广阔的。

参考文献

[1]陈建章,严仰光.无差拍控制逆变换器负载性质识别及参数估算方法[J].电力电子技术,1997(2):61-63.

[2]郑宇,姚加飞.基于谐波分离的学生公寓负载特征识别[J].检测技术,2007,26(8):113-116.

[3]D.Boulahbal,M.Farid Golnaraghi.F.Ismail.Amplitude and phase wavelet maps for the detection of cracks in geared systems[J].Mechanical systems and signal processing,1999,13(3):423-436.

[4]刘宁宁,高蒙,亢海伟.基于FFT的学生公寓典型负荷特性研究[J].石家庄铁道学院学报,2007-3.

[5]张英梅,傅仕杰.STM32的智能温室控制系统[J].软件,2010,31(12):5-8.

复杂电力系统的安全风险评估分析 篇4

1 复杂电力系统的安全风险因素

1.1 自然外力破坏

通常情况下, 电力系统在设计规划时已经考虑到了环境和气候因素, 但环境和气候等自然因素的破坏具有不确定性和突发性, 容易造成电力系统故障。例如, 恶劣的气候环境易造成电力系统设备故障, 导致架空线路闪络, 雷电、冻雾、凝露易造成绝缘闪络, 覆冰导致电力系统线路发生短路、舞动或者断路故障;另外, 一些极端的恶劣天气, 例如洪水、地毡、冰灾、台风等, 容易造成电力系统故障, 发生大面积停电事故。

1.2 电力设备故障

电力设备是电力系统的重要组成部分, 在长期运行过程中, 电力设备的机械性能和电气性能可能出现失效或故障, 会直接影响电力系统的安全、稳定运行。近年来, 国内外很多电力系统故障都是由于电力设备的负荷大面积转移、保护拒动、误动等造成保护连锁动作, 特别是电力系统中的继电保护装置误动, 会导致电力系统发生振荡。

1.3 供需平衡遭破坏

电力系统的发电容量或负荷突变会导致电力系统无功功率的不平衡, 容易引发大面积停电事故。导致发电容量或负荷突变的原因有以下几个: (1) 电力系统解列损失过多的发电容量或负荷; (2) 输电线路故障; (3) 电力系统的重要输电、通电运行故障; (4) 气候原因导致电力系统中的负荷突然减小或增大。

1.4 人为蓄意破坏

随着电力系统逐渐扩大, 人为失误的情况时常出现在电力系统维护保养、系统运行、设备生产、规划设计等各个环节, 这说明电力企业在事故处理、电力调度系统维护、可靠性标准执行、输电系统维护等工作中存在很多问题。一些人为了追求自身的经济利益, 进行挖掘光缆线、偷窃高精度电力设备等蓄意破坏行为, 这将严重影响电力系统的安全、稳定运行。

2 安全风险评估的主要内容

2.1 结构风险评估

评估复杂电力系统的电源布局与结构, 分析电力系统容量、机组类型和一次能源结构对供电质量和供电安全的影响, 分析电网结构和电源结构的适用性, 从而探究电力系统故障的主要因素。分析电力系统动态稳定、无功电压、元件过载、供电方案等可能存在的安全风险, 评估复杂电力系统的运行状态。通过对电力系统的故障恢复、电网运行、电网与电源结构等方面进行安全风险评估, 分析复杂电力系统中存在的问题, 提出有建设性的意见和针对性的对策。

2.2 技术风险评估

结合电力系统运行和结构的特点, 针对超高压线路主保护装置对通道影响、大负荷转移的连锁保护动作和输电线路继电保护问题等方面的安全风险评估和分析, 提出有效对策和建议。同时, 围绕电力系统的自动化安全保护装置和安全控制系统的安全风险进行评估和分析, 分析直流偏磁对电力系统变压器的影响, 科学地评估当前复杂电力系统的安全技术标准, 给出改进的对策和建议。

2.3 设备风险评估

分析影响电力系统安全、稳定运行的一次、二次设备, 对电力设备进行安全风险评估;分析电力设备不稳定的原因, 以及极端气候和自然灾害等引起的电力设备故障, 评估电力设备安全风险的影响程度。结合电力系统的运行和结构特点, 研究大型装置和主设备保护设备的安全风险, 针对如何降低电力系统一次、二次设备的安全风险, 提出有效对策。

3 复杂电力系统的评估流程

根据电力系统的安全风险因素, 构建完善的电力安全风险评估体系;增加电力安全风险评估的实用性, 综合多种因素, 依据电力系统的规范性文件、部门规章、行政法规和国家法律等, 科学地评估复杂电力系统的安全风险。复杂电力系统的安全风险评估的流程如下。

3.1 成立评估工作小组

评估工作小组要根据电力系统前一次的风险评估结果, 分析复杂电力系统的安全风险, 检查电力系统的故障问题, 评估电力系统降低安全风险的相应措施是否切实具有可行性, 评估工作小组要根据前一次电力系统风险评估的情况, 确定本次电力系统安全风险评估的内容。

3.2 收集资料

在对复杂电力系统进行安全风险评估之前, 电力企业要结合评估体系的内容和实际需求广泛搜集资料, 然后利用电力系统安全风险评估体系对复杂电力系统的设备安全风险、技术安全风险和结构安全风险进行评估, 根据评估结果, 及时采取相应的安全管理措施, 提高电力系统的安全性、稳定性。

3.3 提出有针对性的建议

复杂电力系统的安全风险评估完成后, 要结合复杂电力系统的实际运行情况, 提出有针对性的建议和改进措施, 加强电力系统的安全监管, 最后编写复杂电力系统的安全风险评估报告, 为下一次安全风险评估奠定基础。

4 结束语

综上所述, 通过对复杂电力系统进行安全风险评估, 分析电力系统存在的问题, 提出有针对性的改进意见和有效对策, 进一步完善和优化电力系统, 提高复杂电力系统的安全性、稳定性, 最大程度地减少电力系统故障的发生。

摘要：近年来, 随着我国各地区加大了电网建设的力度, 电力系统的电气设备越来越多, 线路也越来越复杂, 电力系统发生故障的频率也逐年上升。大面积停电事故不仅给人们的日常生活带来诸多不便, 而且会影响很多生产企业的正常运作。因此, 要完善复杂电力系统的安全风险评估分析, 提高电力系统的安全性、稳定性。

关键词：复杂电力系统,安全风险,评估,电力事故

参考文献

复杂电力网络 篇5

在复杂厂区电力系统中, 难免发生短路故障和不正常的工作状态, 其中最危险的故障是短路故障。其中以单相短路故障为最多, 三相短路故障很少, 对于电机和变压器, 还可能发生绕组的匝间短路。电力系统中最常见的不正常工作状态是过负荷, 如果负荷电流长时间超过电气设备的额定电流, 将会加速电气设备的老化, 甚至烧坏电气设备。为了可靠的供电和保护电气设备, 必须尽快的将故障点从系统中切除, 在电力系统中必须建立与采用具有保护作用的自动装置, 保护电力系统及其元件, 以免造成严重后果。

1 双重保护装置同一性

从保护配置的角度看, 如果每套保护都是独立且完整的, 都能反映所有的故障和异常, 也就是说, 保护是理想的、完善的, 则两套保护显然没有必要必须是不同原理的、不同厂家生产的。而且, 选用同一厂家生产的产品, 更有利于组屏设计、安装调试、运行维护, 可明显降低产品成本。但是, 现在的保护可称之完善吗?两套保护是否是各自独立的且完整的?保护的独立性主要体现在回路设计上, 从交流电压、电流输入回路, 到直流母线、直流熔断器的选取, 再到各开关量的输入、输出, 以及纵联保护的通道各环节是否可能存在公用节点, 这些环节均影响到保护的独立性, 虽然按照双重化的设计原则说, 两套保护的各环节相关性均应为零, 但实际应用中, 难度较大, 而且, 还存在一些正常运行时似乎表现的是彼此独立, 但一旦某元件损坏或在某些操作时, 两套保护却表现出相互牵连的情况。

保护的完整性主要体现在保护装置对各类故障和异常的反应能力上, 无论线路、变压器、母线保护, 在既定的运行方式和定值下, 现在的微机装置都能正常反映区内的第一次故障, 但是对复杂故障形态以及非既定方式, 如区外转区内故障、故障点在开关与TA间的特殊故障、连续性故障、运行方式突变等, 目前的许多保护都不能保证可靠、选择、灵敏和快速动作。例如目前很被推崇的线路光纤纵差保护, 在开关与TA间发生故障时, 母差保护动作但不能切除故障, 对侧纵联方向保护靠母差停信可以选相跳闸, 而光纤纵差保护则无此功能。

2 线路保护

对线路保护, 纵联通道的组织需要特别注意。双重化配置的两套主保护应采用相互独立的、高可靠性通道。鉴于光纤通道的优越性, 应优先采用光纤通道, 条件允许时, 优先采用专用光芯传输保护信号。如果两套主保护均采用光纤通道, 这两个路由不能出现公用环节, 也即传输两套保护信号的通信设备 (光缆、光端机、PCM接口等) 及其直流电源应相互独立。因此, 通道设备按照保护的要求进行双重化配置和改造, 应该成为专业人员的共识, 在相关的标准和规程中, 应该对一条通道传输保护信号的路数有所限制。

3 母线及失灵保护

在二十五项反措继电保护实施细则中, 己明确规定了母差保护双重化的原则, 同时也明确规定了失灵保护单配置的原则。使用微机型母线保护装置时, 由该装置实现失灵保护功能, 不再单独配置失灵保护装置。考虑设备失效的不同时性, 可认为这样的配置方式不降低失灵保护的可靠性。变压器开关起动失灵的问题, 争议颇多。但在按近后备方式配置保护的厂站, 若变压器开关真的拒动, 其它设备的保护可能不动作, 变压器有可能损坏。这显然不符合/所有运行设备都必须由两套交、直流输入和输出回路相互独立, 并分别控制不同断路器的继电保护装置进行保护这一基本原则。但变压器开关起动失灵时, 必须解决好电流起动的灵敏度、电压闭锁的灵敏度、电流接点的粘连、变压器保护的及时返回等问题。微机失灵保护的使用可能可以解决一些问题, 微机失灵保护指的是电流以判别元件、时间元件、闭锁元件及逻辑出口元件均在同一微机型装置中的失灵保护, 保护动作作为该装置的开入量, 仅电流判别或仅时间及逻辑元件使用微机型装置, 其它元件另有装置的, 不属微机失灵保护。对变压器保护不能快速返回的问题, 属于变压器保护软件因素的, 制造厂家必须解决;因变压器中低压侧有电源等原因造成的, 只能依赖微机失灵保护的电流判别元件可靠返回。

4 变压器保护

变压器作为联接高、低压系统的“接口”设备, 在系统中“承上启下”, 历史的经验和教训不断告诉我们, 变压器保护反复在扮演防止事故扩大或直接扩大事故两种截然不同的角色。在主网的线路、母线、变压器保护双重化配置后, 必须明确, 应当大力简化变压器后备保护的配置, 变压器后备保护不需要作为双重化配置保护元件的后备, 只应当作为按远后备原则配置保护的母线、线路的后备。对未配置母线保护的低压母线, 只应当作为按远后备原则配置保护的母线、线路的后备。对未配置母线保护的低压母线, 变压器保护中还应当配置相应保护段作为低压母线的主保护, 跳变压器低压侧开关, 另配置后备段跳其它开关。为保证变压器的运行安全, 考虑变压器内部故障时电气量的不确定性以及外部故障切除时间的不确定性, 变压器还应当配置按其热稳定性整定的保护。为此, 变压器制造厂应提供变压器绕组流过故障电流大小与允许时间的关系曲线, 类似于发电机允许承受负序的A值要求。变压器保护配置与整定时, 应根据此曲线配置与之相适应的保护。这段保护不是电网的短路后备保护, 应该是保证变压器运行安全的主保护之一。

5 旁路开关及其保护

旁路开关的保护如何配置, 实际上应该取决于它所要带路的设备的保护配置。考虑转带线路开关, 线路保护又为双重化配置时, 旁路保护也应该按双重化的原则配置;如果各线路保护都未考虑双重化配置, 旁路保护自然也可仅单套配置。考虑转带变压器开关, 变压器保护如能切换至旁路开关的TA, 旁路保护就不需要双重化配置。

6 保护的检验

保护的检验问题目前是比较突出的一个难点。检验时机、检验项目、检验时间矛盾重重, 不少人寄希望于双重化的保护配置, 认为这就可以解决保护的检验问题了, 但从前面的分析可见, 双重化的保护配置不是为了检验, 而是保护系统正常运行的要求。换句话说, 需要配置双重化保护的, 停运任意一套, 都应视为不正常运行状态, 需要尽快恢复, 除非那些本就对双重化无要求的厂站。因此, 双重化保护的检验是需要停运相应的一次设备来进行的, 若用旁路开关转带, 其保护也应双重化。为解决检验时间与检验质量的矛盾, 必须非常重视新安装设备检验及其投运验收, 应有合理的标准、合同、法规等规范新安装设备检验及其后续的考核。新安装设备检验的时间一般比较充裕, 所以应进行全面检查, 力求全面完整, 不应为追求工程进度而压缩保护安装调试的时间, 进而导致调试质量的降低。保护装置正式运行后, 进行定期检验, 可结合一次设备每年的预试进行, 只进行少量针对性试验, 如接线端子、保护插件等接触不良问题, 同时应大力推广自动检验技术的使用。对母差保护, 应以安排合理的运行方式、采取临时保护措施、检修人员精心准备等手段来缓和矛盾。

7 结束语

总之, 复杂厂区电网规模越来越大, 可靠性要求越来越高。那么复杂厂区电网继电保护智能化与可靠性的研究就显得尤为重要。

参考文献

[1]王维俭.电力系统继电保护基本原理[M].北京:清华大学出版社, 1991.

复杂电力网络 篇6

关键词：整流桥,仿真,实验电路,故障诊断

1 引言

电力电子装置已经和当今工业生产及日常生活密不可分, 电力电子整流、逆变、变频调速的质量直接关系着电力和电器产品的质量。因此, 对电力电子的电路拓扑、性能及故障状态进行研究, 具有重要的实际意义。

本文以电力电子中的大功率整流电路为研究背景, 选取相控整流中应用较广泛、结构较为复杂、性能良好的双桥串联12脉波电路为研究对象。通过对其进行理论分析、仿真分析来掌握电路的结构, 通过在DJDK-1型实验平台上的创新型设计来完成电路的实验, 并提取到相关的实验波形和数据。最后通过仿真和实验对其故障模式进行了概要分析, 提出了避免故障和诊断故障的方法。

2 电路分析

图1所为双桥串联12脉波电路图。该电路主要包括三相交流电源、整流变压器、两组串联的全控晶闸管整流桥及其脉冲触发装置、负载等。变压器一次侧接Y形绕组, 二次侧绕组a1、b1、c1和a2、b2、c2分别采用Y形和△形联结, 构成相位差30°的两组电压。整流电路负载两端输出的直流电压ud, 晶闸管在图1中按各自导通的顺序进行排列。在每个交流电源周期时间内脉动12次, 形成12脉波的整流电路。而变压器二次绕组△联结的绕组匝数为Y联结绕组绕组匝数的倍, 这就使得两组整流桥的输入端线电压相等[1]。

根据电路结构, 直流输出电压平均值为

其中α为控制晶闸管导通的触发脉冲移向角。输入电流谐波次数为12k±1, 其幅值与次数成反比降低[2]。输出电压谐波次数为12k, (k=0, 1, 2…) 。

3 电路仿真

在Matlab软件的Simulink仿真平台中对电路进行仿真, 仿真电路图如图2所示。

根据实验需要设置三相交流电压源参数:三相交流电压源的相电压幅值设为220V, 经过整流变压器降压之后供给整流桥58V的三相线电压。频率50Hz, 相位分别为0°、120°、240°;晶闸管参数使用默认值;RLC负载参数设置:R取200Ω, L取0H, C取inf;触发脉冲频率为50Hz, 脉冲的宽度取25 degrees, 本设计采用宽触发脉冲[3]。模型中Scope1、Scope2分别用于测量ud、id波形;Scope3、Scope4用于测量并比较晶闸管的波形。图3所示为当移向角分别取0°和30°时电路仿真的输出电压波形。

4 实验方案设计

DJDK-1实验平台是用于电力电子技术及电机控制方面的基础电路实验装置, 但它不具备专门用于双桥12脉波的电力电子设计挂件, 尤其是没有专用的整流变压器挂件, 因此需要利用实验平台具有的挂件进行电路的设计。具体思路是由两组不同变比的变压器分别结成Y形和△形的连接方式, 通过调整原边三相电源电压幅值来使两组变压器副边输出相近的电压值, 从而模拟整流变的输出。

本文拟采用两组用于三相全控桥的电路挂件进行串联12脉波整流桥的设计。挂件选择为:DJK01 (电源控制屏) 、DJK02 (晶闸管主电路) 、DJK02-1 (三相晶闸管触发电路) 、DJK04 (控制信号屏) 、DJK10 (变压器) 、D42 (电阻负载) 等。

具体的实验方法为:

(1) 两台实验装置的DJK01挂件分别接到各自对应的芯式变压器挂件DJK10上。DJK01的电源电压幅值有200V和240V两档。DJK10绕组原始匝数比 (芯式变压器变比) 为:4∶2∶1。

第一组DJK01取电源电压200V, 接4:2的变压器绕组, 即原边线电压为200V, 相电压为115.5V;副边线电压为100V, 相电压为57.7V。

第二组DJK01取电源电压240V, 接4:1的变压器绕组, 即原边线电压为240V, 相电压为138.6V;副边线电压为103.9V, 相电压为59.9V。

由以上关系可以确定:无论对于线电压还是相电压, 在变压器二次侧均有U1≈U2, 满足整流条件。

(2) 分别将两组实验装置的DJK02晶闸管主电路挂件用导线连接成连接为三相全控桥整流电路。

将DJK02-1“三相同步信号输入”端接入DJK02的“三相同步信号输出”端;将DJK02-1面板上“触发脉冲输出”端接入“触发脉冲输入”端, 使触发脉冲加到正反桥功放的输入端。打开DJK02-1电源开关, 拨动“触发脉冲指示”开关调为“宽”脉冲。

(3) 两组整流桥的DJK02-1挂件分别接DJK04挂件进行触发脉冲的给定和调节。

当整个电路工作在移相角为0°时, 第一组副边绕组Y联结的整流桥给0°的触发脉冲;第二组副边绕组△联结的整流桥给30°的触发脉冲。如果增大电路移相角, 则在以上两组整流桥的脉冲给定基础上各增加相应的度数。

(4) 将两组整流桥串联连接, 第一组桥的共阴极端接电阻负载的一极, 第二组桥的共阳极端接电阻负载的另一极。

连接好的部分实验电路如图4所示。由于需要两台实验装置同时参与工作, 因此图4所示仅为其中一组整流桥挂件的连接情况。图中实验台顶端的两根导线所连接的即为对应的另一组整流桥电路。

打开电源和相应的开关按钮, 使实验电路处于工作状态, 用示波器记录输出电压波形。图5所示为移向角分别取0°和30°时实验电路的输出电压波形。

由图5可以看出, 电路在一个周期20ms产生12个脉动的波峰, 与理论分析及仿真的结果基本一致。从以上波形可以看出串联12脉波整流电路的整流效果良好, 输出直流电压纹波较小。由于两组变压器副边线电压不能做到完全相等, 因此实验波形含有微量的误差, 但并不影响实验波形的脉动规律及进一步的分析结果。

5 电路故障分析

电力电子电路的主要故障为电路的晶闸管的通断故障, 尤其是断路故障[4]。本文主要讨论串联12脉波电路的晶闸管的异常断路故障。如移向角取α=0°时12只晶闸管中的一只晶闸管断路时, 负载端输出电压波形就会发生相应的畸变[5]。图6所示为电路在晶闸管V1发生断路故障时输出直流脉动电压的仿真和实验波形。

由图6可知, 电路虽然处于故障模式, 但是仍然有输出, 只是输入波形发生畸变, 而且经过仿真和实验发现, 12只晶闸管中每只单独故障的情况下输出电压波形的形状规律都一样, 只是一些方面的波形参数不一样, 可以根据这些参数进行波形分析, 来判别故障模式, 从而达到故障诊断的目的。在此仅以电路正常、V1断路、V2断路三种情况为例进行故障诊断分析。根据仿真和实验的波形及其相关数据, 可以捕捉到关于电路输出波形的以下故障信息。

(1) 电压畸变:0是, 1否, 1否;

(2) 波峰数目:12, 8, 8;

(3) 波谷电压:0, 1/2Ud, 1/2Ud;

(4) 畸变时刻:0/T, 1/12T, 2/12T;

(5) 波谷时刻:0/T, 3/12T, 4/12T;

以上采集到的数据即可作为电路的故障样本数据。将每一种故障的波形特征规律按照以上方式采集出故障数据, 并以此作为标准样本, 便可在电路发生故障的时候能够对其进行实时全面的元件故障诊断。

6 总结

本文以比较复杂的双桥串联12脉波整流电路为研究对象, 利用Matlab仿真平台和DJDK-1实验平台进行了该电力电子复杂电路的仿真和实验分析。并针对电路最容易出现的故障问题进行了详细探讨, 提出了基于波形分析的方法来解决电路的元件故障问题。对于实际的生产和教学实验具有一定的实用价值。

参考文献

[1]王兆安, 刘进军.电力电子变流技术:第5版[M].北京, 机械工业出版社, 2009:79-89.

[2]王鲁杨, 王禾兴.多重化整流电路中的触发脉冲[J].第四届中国高校电力电子与电力传动学术年会, 2010:136-139.

[3]孙毅, 吴小兰.串联12脉波整流电路的MATLAB-Simulink仿真[J].工矿自动化, 2001:194-195.

[4]旷永红, 周鹏.大功率整流装置故障诊断系统研究[J].湖南工程学院学报, 2010, 20 (2) :16-19.

复杂电力网络 篇7

空中交通日益繁忙,管制压力陡增,通过复杂性刻画空中交通态势、减小管制调配难度是空管领域的研究热点。对空域系统服务能力进行评估的传统方法以空中交通系统容量作为指标,即某一空域管制单元,在一定的系统结构、管制规则和安全等级下,考虑可变因素的影响,该单元在单位时间内所能提供的航空器服务架次[1]。这种基于架次的定义没有考虑空中交通系统不同组成部分之间有机而复杂的联系,难以准确描述高密度交通环境下的空域运行状况,也就无法适应精确空域管理、流量管理的要求[2]。因此,迫切需要综合考虑空域因素、管制员工作负荷、空中交通流特征,从复杂系统角度研究空中交通系统的复杂性,实现交通态势客观准确的描述。

目前对空中交通复杂性的评估研究,主要有动态密度、交通内禀复杂性等[3]。美国国家航空航天局NASA对动态密度的研究做了大量开创性工作,通过综合交通密度、管制员意图等要素定量描述空域复杂性[4,5,6]。动态密度的不足在于没有考虑航空器间的无序性等内禀属性,过多依赖于管制员的主观工作负荷,难易客观反映交通态势复杂程度。空中交通内禀复杂性是指通过航空器之间的内禀属性(如速度、航向、位置等)挖掘交通态势复杂程度的客观描述。内禀复杂性研究主要有交通无序性、交通流扰动两个分支。交通无序性事实上是通过刻画交通态势的几何无序性揭示复杂性[7]。主要是利用航空器的相对距离与相对速度作为交通态势最基本的特征和内禀属性,通过交通无序性反映航空器集合的航向与速度变化对局部交通的影响[8,9]。基于交通流扰动的复杂性分析方法是源于对航空器进入管制扇区后的扰动效应研究,认为空域复杂性是空域系统应对各种突发交通态势的管理复杂程度[10,11,12]。现有的内禀复杂性研究很好地回避了主观工作负荷难以定量描述的问题,可以弥补动态密度方法的缺陷,但无法刻画航空器间复杂性的相互影响关系,也难以反映管制员对突发态势的反馈效应。

事实上,空中交通复杂性发展演化的本质是航空器间复杂性影响关系的形成及关系结构演化的过程。从复杂系统角度深入分析,有望从根本上揭示空中交通复杂性的本质。复杂系统是一门研究系统各部分如何协作产生系统行为及系统如何与外界交互的科学[13]。而复杂网络是对复杂系统的抽象和描述,强调了系统的拓扑特征,有助于从本质上理解系统行为[14,15]。复杂网络理论最初应用在社会网络和计算机网络分析领域,20世纪90年代开始逐步应用于交通运输领域,研究主要集中在城市道路及公共交通网络领域,为描述交通网络的复杂特性提供了一种新的思路[16,17,18,19]。

为此,本文将引入复杂网络理论,通过进一步挖掘交通内禀属性对空中交通复杂性进行系统分析。首先以接近度、接近率描述航空器间的迫近效应,提出能客观反映冲突调配复杂性的态势可控性指数,基于航空器迫近效应和态势可控性指数建立航空器间的复杂性计算模型。为从整体上刻画多航空器间的复杂性,进一步建立了反映航空器间复杂性影响关系的加权网络模型,并通过网络的平均距离来描述多架航空器间的整体交通复杂性。最后,基于实际航班数据,通过将复杂度与对应的流量、冲突风险进行对比分析,验证了本文复杂性模型的有效性。

2 扇区交通网络复杂度计算

2.1 两架航空器间的复杂度

依据结构决定功能的基本思想,扇区内航空器之间的微观结构也决定了其对扇区复杂性的影响,而航空器位置、速度属性是分析这种影响的最基本要素。基于航空器的位置、速度属性可以进一步计算航空器间的汇聚/非汇聚态势,即航空器间的迫近效应[2]。此外,为反映复杂性交通态势受管制员控制的难易程度,提出态势可控性指数。以下将计算航空器间的迫近效应、态势可控性指数,进而计算两架航空器间的复杂度。

①计算迫近效应

航空器的迫近效应是从空间和时间两个维度体现航空器相对接近的程度,分别用接近度和接近率表示。

设扇区内第i架航空器为fi,第j架航空器为fj,定义t时刻航空器fi、fj间的相对距离为Di,j(t):

式中:xi(t)为t时刻fi的当前横坐标,yi(t)为t时刻fi的当前纵坐标。

设t时刻航空器fi、fj之间的接近度为Pi,j(t),Pi,j(t)可以反映迫近效应的空间距离测度。可知,Di,j(t)越大表示两架航空器的接近程度越弱,反之则表示接近度越强,所导致的管制紧迫性也更大。由于实际管制过程中,当Di,j(t)小于安全间隔Dsep时,碰撞风险异常突出,此时航空器间接近的紧迫程度剧增,带来的管制难度也将倍增,反之则航空器之间的紧迫程度并不明显。为反映这种非线性关系[7],本文用一个指数函数定义航空器间的接近度:

式中:Di,j(t)表示t时刻,fi、fj两架航空器间的相对距离。

接近率反映迫近效应的时间测度,设t时刻航空器fi、fj的接近率为Ri,j(t)。已有研究人员通过汇聚度、发散度分别反映航空器之间汇聚和发散的程度,并以此从交通无序性方面描述复杂性[7,8]。本文将汇聚度和发散度统一为接近率,以此反映航空器之间接近紧迫程度的时间维度,可用两航空器的速度矢量在航空器位置连线上的投影分量表示,有:

式中:vi(t)、vj(t)为t时刻fi、fj的速度,θi(t)、θj(t)为t时刻fi、fj的航向,αx(t)= (xj(t)- xi(t))/Di,j(t),αy(t)= (yj(t)-yi(t))/Di,j(t)。

②计算态势可控性指数

由于相同接近度和接近率的冲突态势对管制员调解的困难程度仍有区别,所以本文进一步提出态势可控性指数。管制员对冲突调配的主要手段是航向调整、速度调整、高度调整[9],而调配的目标可以是增加航空器间相对距离、减小接近率或者延迟汇聚时间等。因此,基于航向调整、速度调整、高度调整导致的相对距离、接近率或汇聚时间的变化梯度可以从客观上反映管制员对冲突态势调配的难易程度。本文以航空器间的相对接近率梯度定义态势可控性指数,首先计算相对接近率梯度,即:

结合式(3)对式(4)中的偏微分求解,有:

态势可控性指数可由相对接近率梯度向量的二范数计算:

航空器间的态势可控性指数越高说明交通态势越易于解脱,反之所反映的管制复杂程度就越高。

③计算航空器间复杂度

综合式(2)、式(3)、式(6)即可从接近度、接近率、态势可控性指数三个维度生成航空器间的复杂度向量:

式中,α、β、χ为加权调节因子,分别反映距离接近度、接近率、冲突解脱难易程度对管制复杂性的影响权重。一般可依据航空器所在不同空域类型(如终端管制区、中低空管制区或高空管制区)的实际管制条件选取相应的调节因子。

对式(7)中的复杂度向量求二范数,可计算出t时刻航空器fi、fj之间的复杂度值,即

2.2 多航空器间的复杂度

以往针对多航空器间的复杂度大多是对两架航空器间的复杂度进行统计得出,侧重微观上的统计,缺乏全局和总体上的复杂性测量,而系统的复杂性通常是整体上的表现。本文将依据复杂网络理论,提出从整体上度量多航空器间复杂性的计算模型。将扇区内航空器映射为一个网络,并基于相似性原则定义边的权值,这里以航空器间的复杂性关系定量化描述边权。在此基础上,以加权复杂网络中的平均距离来描述多架航空器网络的整体复杂性。

其中,N为航空器网络中的节点数,即t时刻扇区内航空器架次,CN(t)为t时刻多架航空器网络的整体复杂度值,Ci,j(t)为t时刻航空器fi、fj之间的复杂度值。

为反映扇区内复杂度分布的空间不均衡特性,将扇区划分为若干个大小相等的正方形网格,基于扇区内航空器的内禀属性计算不同网格的复杂程度,将此定义为该扇区的区域分布复杂度。设fi、fj为扇区内第i、j架航空器,t-ii(k)、t-ij(k)分别为fi与fj进入扇区A中第k个网格的时刻,t-oi(k)、t-oj(k)分别为fi与fj离开扇区A中第k个网格的时刻,则航空器fi、fj在第k个网格中的复杂度记为Ci,j(Ak),可计算为:

式中:Ci,j(t)为t时刻航空器fi、fj之间的复杂度值,t1=max(t-ii(Ak),t-ij(Ak)), t2=min(t-oi(Ak),t-oj(Ak))。

基于扇区内所有与该网格相关的航空器间复杂度,并考虑扇区整体交通规模的影响,定义网格k的复杂度为:

其中,n为扇区A内的航空器总数。

3 实证分析

3.1 数据采集

本文以厦门南扇(扇区编号为ZSAMAR02)为观察对象,通过自主研发的雷达数据采集及显示软件获取实际雷达数据进行验证,软件界面如图1所示。图中显示的是厦门南扇在2013 年10 月5 日09∶30 时刻的空中交通态势。

3.2 扇区复杂度可视化

扇区复杂度计算是对交通态势进行精确的定量分析,复杂度可视化便于针对高复杂性情况对管制员提供辅助决策。

依据第2节的计算模型,并参考厦门空管运行手册,设定最小安全间隔Dsep=10千米。同时,为特别加强态势可控性的影响,设式(7)中加权调节因子的取值分别为α=1,β=1.2,χ=2.5。在计算扇区区域分布复杂度时,需要将扇区划分为若干个大小均等的正方形网格,网格边长过大不能有效反映扇区内复杂性的不均衡程度,过小又会带来高负荷计算的压力。本文参考设定的区域最小间隔,设定网格的边长为10千米。

基于式(11)可计算出扇区内各网格所对应的复杂度。遍历所有网格,并将其对应的复杂度值用不同颜色的等高线图表示出来,即绘制出扇区区域分布的二维复杂性图。如图2所示,其横轴和竖轴分别表示各网格相对于中心点(本文设厦门机场基准点为中心点)的偏移距离,且上偏移、右偏移为正,下偏移、左偏移为负。绘制复杂性区域分布图后,即可对空中交通态势的区域分布特性进行分析。由图可知,坐标点(-60,-50)周边的4个网格复杂度较高。对比初始的空中交通态势图1,可知该网格处的航迹交汇复杂,航空器间的迫近效应明显,给管制员带来的额外管制负荷相比其他网格要严重。而在其他大部分网格中,由于航空器迫近效应不明显,由此计算出的复杂度值也较低。

基于区域分布复杂度图示更易展现扇区内复杂度的空间分布特征。图中有较明显的共同特征,即复杂度等高线的形态与航路走势基本一致。同时,由于航路交叉点处的迫近效应更为明显,所以复杂度的高峰值都位于航路交叉点附近。区域分布复杂度图可有效展现空域结构、交通流模式与复杂性的关系,可依此改善扇区结构和交通流结构。

3.3 复杂度与风险

为对复杂性模型进行验证,以下将复杂度与风险、流量分别进行对比分析,所选样本为2013年10月1~6日的9∶00~10∶00的雷达数据。

空中交通管制的首要目标是保证航空器间的安全间隔,将扇区复杂度与运行安全水平进行对比分析,可验证复杂性模型的友效性。研究表明,飞行冲突是空中交通系统的固有内在特性之一,是离散动力系统的涌现现象,是空中交通安全风险和复杂性的重要体现[20]。因此,本文选取冲突次数作潍空管运行安全水平的度量指标。

图2已展现了图1所示交通态势中每一网格区域的复杂度,现进一步根据式(8)计算其全局复杂度,并将其与冲突次数进行对比分析,结果如图3所示。从图3 可知,在每一飞行冲突产生的时刻,对应的复杂度整体偏高,而复杂度较高的时刻也往往伴随着飞行冲突的产生,如图3(a)的第6分钟、图3(b)的第13分钟、图3(c)的第20分钟、图3(d)的第11分钟、图3(e)的第48分钟、图3(f)的第7分钟。此外,高复杂度的持续时间越长,飞行冲突也就越发频繁,如图3(a)的第27~30分钟、图3(b)的第33~50分钟、图3(c)的第24~31分钟、图3(d)的第49~59分钟、图3(e)的第54~60分钟、图3(f)的第31~35分钟。这正是由于复杂性高的时段内,航空器的迫近效应比较明显,易产生小于安全间隔的冲突现象。管制员尽早调配高复杂性区域处航班便可有效消除飞行冲突。此外,冲突次数相同的时段,其对应的复杂度并不完全一致。这是由于处于冲突的两架航空器有可能处于追赶、汇聚和发散的交通态势,每种态势对应的迫近效应、态势可控性都有所不同,反映的复杂性也就不同。

3.4 复杂度与流量

进一步将扇区全局复杂度与航空器架次进行对比分析,结果如图4所示。观察图4(a),在第26~30分钟内,航空器架次保持9架,但复杂度曲线却呈现先增后降的形态,说明该时间段内航空器先有汇聚趋势,导致扇区的管制复杂性先增加,在冲突解脱后航空器之间的迫近效应减弱,所以复杂性又减缓,图4(b)的第13~14分钟、图4(c)的10~12分钟、图4(d)的第49~51分钟、图4(e)的第22~24分钟、图4(f)的第17~21分钟及第51~57分钟也都出现了同样情形。图4(a)中,第47~51分钟,航空器架次保持7架,但对应的复杂度曲线却保持下降趋势,查询该时段对应的雷达视频数据,发现该期间的航空器大多呈现发散飞行,航空器间的迫近效应逐渐减弱,给管制员带来的管制难度也相应减小,与此类似的情形也出现在了图4(b)的第6~10分钟、图4(c)的第5~9分钟、图4(d)的第14~15分钟、图4(f)的第32~34分钟。然而,从图示的整体效果来看,扇区的复杂度值随着航空器架次的变化大体也呈现相同发展趋势,这也验证了扇区复杂度计算方法的合理性。

此外,观察图4(b)的第20、21分钟,两个时刻对应的航空器架次分别为7、8,然而对应的复杂度却发生陡增,直接从80跳变到180,图4(a)的第24~25分钟、图4(b)的第28~29分钟、图4(c)的第24~25分钟、图4(d)的第28~30分钟、图4(e)的第21~22 分钟也出现了这种情况。表明扇区增加一个航空器集合后系统所增加的复杂性与该集合单独给系统带来的复杂性并不相同。扇区的复杂性并不是扇区内每架航空器复杂性的简单相加,而存在一些非线性的因素,而且航空器的数量越多,这种非线性的程度也越显著。也就是说扇区的复杂性表现在两个方面:某架航空器带来的自身复杂性及其对扇区内其它航空器影响的复杂性。事实上,从系统学的角度出发,每架航空器都不是作为个体孤立存在的,而是在整个扇区尺度上对系统复杂性做出贡献,这正符合复杂系统是一个非线性系统的本质。

以上分析表明,与基于航空器架次的流量统计方法相比,扇区复杂性模型能够更加敏感地反映出扇区内交通态势的微观特征,帮助管制员提前获悉高复杂性交通发生的时空范围。

4结论