(安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，合肥 230051)

基于非對(duì)稱(chēng)模型的變電所數(shù)據(jù)融合誤差優(yōu)化研究

歐志新

(安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，合肥230051)

牽引變電所作為給電力機(jī)車(chē)提供電能的場(chǎng)所，保障電能的穩(wěn)定與安全性;由于電力機(jī)車(chē)是非線性負(fù)載高速運(yùn)載具有不平衡特性，在吸收電網(wǎng)的基波電流的同時(shí)也在反饋回流諧波電流，給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)波動(dòng)干擾與濾波畸變，對(duì)供電線路與負(fù)荷安全帶來(lái)威脅;基于通過(guò)建立變電所三相匹配與失配模型的比較，利用多傳感器采集與測(cè)量數(shù)據(jù)融合技術(shù)與自適應(yīng)模型修正功能，控制參數(shù)的變化與調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)狀態(tài)，找出可以有效控制與優(yōu)化誤差的方案，確保電網(wǎng)安全與供電穩(wěn)定。

牽引變電所；自適應(yīng)控制；數(shù)據(jù)融合；誤差優(yōu)化；Matlab仿真

0 引言

隨著軌道交通和高速鐵道及客運(yùn)專(zhuān)線的快速發(fā)展，電力機(jī)車(chē)運(yùn)營(yíng)安全與可靠性能都需要足夠的電能供應(yīng)保障。其中110KV電網(wǎng)作為輸配電能量提供裝置要求具有可調(diào)可控的高性能和穩(wěn)定性。而“牽引供電系統(tǒng)”作為中樞環(huán)節(jié)是電力機(jī)車(chē)安全運(yùn)行核心環(huán)節(jié)[1]。當(dāng)能量損耗和抗干擾波動(dòng)，噪聲與電流電壓突變畸變發(fā)生時(shí)，電網(wǎng)供電能力和安全會(huì)帶來(lái)威脅。而電力機(jī)車(chē)本身是具有非線性非對(duì)稱(chēng)的負(fù)荷特點(diǎn)，一旦遇到濾波干擾，供電電流電壓誤差超出預(yù)設(shè)值，會(huì)造成線路和設(shè)備故障或跳閘，中斷供電。

本文在綜合分析上述故障特點(diǎn)的情形下，利用數(shù)據(jù)庫(kù)采集和保存原始數(shù)據(jù)，篩選誤差控制范圍內(nèi)與超出誤差控制的數(shù)據(jù)，建立變電所在匹配和失配的情況下的仿真模型[2]，自適應(yīng)控制與數(shù)據(jù)融合優(yōu)化誤差的效果。為降低供電系統(tǒng)噪聲干擾和濾波保持電網(wǎng)供電在合理運(yùn)行區(qū)間，提高電能傳輸?shù)姆€(wěn)定和可靠性，為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)故障建設(shè)提供理論支撐。

1 變電所三相模型與數(shù)據(jù)采集

1.1 變電所模型分析與計(jì)算

目前牽引變電所通常裝有并聯(lián)補(bǔ)償裝置或?yàn)V波裝置[2]，牽引負(fù)荷屬于不對(duì)稱(chēng)的諧波源并伴有非線性特征[3]，輸入?yún)?shù)影響輸出結(jié)果誤差變化大，采用三相分析法合宜，建立牽引變電所的三相模型如圖1所示。

圖1 牽引變電所仿真模型結(jié)構(gòu)

圖1所知牽引變壓器原邊接入電力系統(tǒng)的兩個(gè)饋線電壓供電臂，副邊兩側(cè)一端依次接到牽引側(cè)的兩相母線上，另一端與軌道及接地網(wǎng)絡(luò)連接。裝設(shè)的兩臺(tái)單相V/v結(jié)線主變壓器[4]，采用V/v接線方式變配電形式供電。計(jì)算電流與電壓輸出時(shí)高壓側(cè)三相端子A，B，C和負(fù)荷側(cè)三相端子a，b，c作為節(jié)點(diǎn)，得出采集輸入的電流與電壓的關(guān)系：

(1)

假設(shè)牽引變電所的節(jié)點(diǎn)為Y，可列出方程組：

(2)

式(2)中，A，B，C，a，b，c為變電所高壓側(cè)、負(fù)荷側(cè)對(duì)應(yīng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。在電壓畸變和諧波穩(wěn)

1)變電所模型匹配時(shí)：由于供電負(fù)荷側(cè)與母線側(cè)加裝了并聯(lián)補(bǔ)償裝置，在能量損耗和減少線路功率變化同時(shí)，電流與電壓輸入輸出呈現(xiàn)線型比例關(guān)系。通過(guò)仿真可以得出優(yōu)化誤差的效果明顯改善。通過(guò)改變模型狀態(tài)與參數(shù)變化，將誤差范圍控制在合理區(qū)間，保證供電能量平穩(wěn)運(yùn)行和提高供電安全。

2)變電所模型失配時(shí)，干擾波動(dòng)與噪聲濾波影響對(duì)供電誤差的優(yōu)化修正難度較大，通過(guò)自適應(yīng)控制模型與數(shù)據(jù)融合，剔除數(shù)據(jù)庫(kù)中超過(guò)誤差設(shè)定與非線性比例的數(shù)據(jù)，代入公式重新得出納入數(shù)據(jù)庫(kù)的參數(shù)，與 原始采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，由于變電所產(chǎn)生的誤差由受到干擾的不對(duì)稱(chēng)正弦電流、電壓引起的，如果處理不及時(shí)造成局部供電中斷和接觸網(wǎng)局部運(yùn)營(yíng)事故，造成變比損耗增大，影響設(shè)備使用壽命和加大檢修難度。

1.2 實(shí)時(shí)采集與數(shù)據(jù)庫(kù)記錄保存

通過(guò)變電所模型接線圖，選擇輸入與輸出參數(shù)定義變量，利用上位機(jī)KingView監(jiān)控仿真設(shè)計(jì)主接線[5]，變量為上位機(jī)設(shè)置和現(xiàn)場(chǎng)采集的(內(nèi)存和I/O變量)、電流、電壓和有功功率。定義線路和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，采集的數(shù)據(jù)依據(jù)電流電壓互感器，負(fù)荷側(cè)功率利用三相功率表。設(shè)置故障線路點(diǎn)和高壓開(kāi)關(guān)故障(正常運(yùn)行三相電壓值，三相電流值，功率共10組數(shù)據(jù)，故障10組數(shù)據(jù))。

表1 上位機(jī)KingView數(shù)據(jù)變量設(shè)置

下位機(jī)中建立通信鏈接，利用C語(yǔ)言編譯動(dòng)態(tài)運(yùn)行動(dòng)畫(huà)，設(shè)置誤差超過(guò)設(shè)定值的電流值和電壓值。

牽引變電所在電力系統(tǒng)引起的電壓畸變率，由于故障點(diǎn)導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)發(fā)生變化會(huì)引起設(shè)備或線路燒毀造成供電危害影響列車(chē)運(yùn)營(yíng)[6]。在并聯(lián)補(bǔ)償裝置中，電容值和電感值不隨頻率的變化而變化，能夠動(dòng)態(tài)跟蹤，可調(diào)節(jié)輸出無(wú)功，具有一定的濾波功能。因此，只需要知道基波參數(shù)，按相應(yīng)的諧波次數(shù)即可求出其在諧波下的數(shù)值采集與檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖2所示，仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的誤差見(jiàn)表2，監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)圖3。

圖2 實(shí)時(shí)采集與檢測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)行狀態(tài)并保存

2 自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合控制方案

2.1 數(shù)據(jù)融合的作用

變電所變配電能力好壞是決定設(shè)備參數(shù)狀態(tài)和供電質(zhì)量的關(guān)鍵，為了確保電力機(jī)車(chē)得到安全可靠的電力供應(yīng)，需要減小輸電線路上的電能損耗及線路阻抗壓降，將首端電壓升高。數(shù)據(jù)融合功能是確保設(shè)備功能在誤差允許范圍內(nèi)，自動(dòng)適應(yīng)控制要求和調(diào)節(jié)的過(guò)程，具有自動(dòng)修復(fù)和自動(dòng)適應(yīng)的能力。

表2 阻抗的理論值與仿真值

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)監(jiān)控示意圖

數(shù)據(jù)融合優(yōu)化數(shù)據(jù)的主要思想來(lái)自于多傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合優(yōu)化，相對(duì)信息量比較集中通過(guò)建立變電所數(shù)學(xué)模型對(duì)超過(guò)誤差的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行修正和調(diào)節(jié)控制策略?？煞譃?個(gè)層次：數(shù)據(jù)層融合、特征層分析和決策層優(yōu)化三類(lèi)[7]。各傳感器的原始測(cè)報(bào)未經(jīng)預(yù)處理之前就進(jìn)行數(shù)據(jù)的綜合和分析，利用有用信息之間的相關(guān)性，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，獲得比算術(shù)平均值算法更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，消除傳感器測(cè)量中的干擾及不確定性，獲得更準(zhǔn)確、更可靠的測(cè)量結(jié)果。

特征層分析依據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推斷并剔除不合理的參數(shù)等級(jí)并建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)[8]，從中找到類(lèi)似的模型庫(kù)為后期案例提供依據(jù)。決策層優(yōu)化在結(jié)合前者基礎(chǔ)上做出最終控制策略和方法的融合，判斷正確性并修正誤差到最佳效果。當(dāng)測(cè)量過(guò)程中，多傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)誤差過(guò)大或者失效時(shí)，其他有效傳感器數(shù)據(jù)能獨(dú)立提供信息不受影響，系統(tǒng)可以依據(jù)正常傳感器測(cè)量的信息獲知準(zhǔn)確的數(shù)值。

由于傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)中存在不確定和波動(dòng)，變電所原始參數(shù)定義和設(shè)置根據(jù)設(shè)備狀態(tài)調(diào)節(jié)，根據(jù)這些測(cè)量數(shù)據(jù)所得到的估計(jì)值也存在估計(jì)誤差[9]，然而這種估計(jì)誤差是隨機(jī)量，一般用均方誤差來(lái)評(píng)價(jià)測(cè)量方法的結(jié)果，由于傳感器自身的均方誤差影響了估計(jì)值均方誤差，誤差的結(jié)果需要重新評(píng)估和計(jì)算。本文將利用這種自適應(yīng)結(jié)合數(shù)據(jù)修正融合的策略解決變電所變配電過(guò)程中出現(xiàn)的外部干擾造成的電壓閃變、畸變率高、能量損耗大、故障參數(shù)過(guò)電流現(xiàn)象，優(yōu)化策略保持電力系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷供電的安全和穩(wěn)定。

2.2 自適應(yīng)控制計(jì)算與仿真

采用自適應(yīng)控制需要多傳感器精確的采集數(shù)據(jù)，由于傳感器在采集和調(diào)試中其靈敏度和識(shí)別度都要求很高[10]，只有不斷測(cè)試采樣的數(shù)據(jù)，來(lái)縮小數(shù)值波動(dòng)范圍來(lái)達(dá)到控制誤差的精度要求。

由于采集的電流值與壓值受到外部環(huán)境影響很大，每次采集的數(shù)值都會(huì)與實(shí)際值產(chǎn)生誤差，為了減少干擾和波動(dòng)，保證電能穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，供電電流電壓和功率參數(shù)必須達(dá)到誤差可控的范圍。

設(shè)有N傳感器對(duì)某控制對(duì)象(采集10組數(shù)據(jù)，對(duì)供電原始電流、電壓值)進(jìn)行測(cè)量，首先對(duì)Xi(i=1,2…,N進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)準(zhǔn)則是X1，X2，…,Xn的相鄰兩值之差不應(yīng)超過(guò)設(shè)定誤差ε。即：

|X2-X1|≤ε；… ；|Xn-Xn-1|≤ε。

(3)

總均方誤差為：

(4)

因?yàn)閄1,X2,…,Xn彼此獨(dú)立,并且為X的無(wú)偏估計(jì),所以:

E[(X-Xp)(X-Xq)] =0，

(p≠q,p=1,2,…,n;q=1,2,…,n)

(5)

圖4 變電所自適應(yīng)控制仿真誤差優(yōu)化(模型匹配時(shí))

自適應(yīng)控制必須建立在變電所準(zhǔn)確的模型基礎(chǔ)上，通過(guò)傳感器采集原始數(shù)據(jù)和分析參數(shù)狀態(tài)，通過(guò)Matlab仿真結(jié)果對(duì)比跟蹤參數(shù)修正融合。在未知傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)有任何先驗(yàn)知識(shí)前提下，只靠傳感器所提供的測(cè)量數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出誤差最小的數(shù)據(jù)融合值[11]。估算后均方誤差小于依靠單個(gè)傳感器估計(jì)的均方誤差，而且還小于采用多傳感器均值平均值估計(jì)的均方誤差，仿真誤差優(yōu)化如圖4～5所示。

數(shù)據(jù)融合仿真比較就是在自適應(yīng)控制方案的基礎(chǔ)上，修正追蹤誤差控制范圍，原始傳感器采集數(shù)據(jù)誤差也會(huì)得到控制，電壓畸變和波動(dòng)、噪聲干擾、閃變等外部影響均不會(huì)造成大面積供電系統(tǒng)不穩(wěn)定和事故發(fā)生，根據(jù)各個(gè)傳感器在某一時(shí)刻的測(cè)量值而進(jìn)行的估計(jì)，當(dāng)估計(jì)真值X為常量時(shí)，則可根據(jù)各個(gè)傳感器歷史數(shù)據(jù)的均值來(lái)進(jìn)行估計(jì)[12]。

圖5 變電所自適應(yīng)控制仿真誤差優(yōu)化(模型失配時(shí))

當(dāng)變電所供電運(yùn)行受到外部因素產(chǎn)生電壓畸變率高、電壓閃變和諧波電流超標(biāo)的時(shí)候，在一定準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析、綜合決策和估計(jì)任務(wù)而進(jìn)行的信息處理過(guò)程。當(dāng)系統(tǒng)中原始采集數(shù)據(jù)不能提供足夠的準(zhǔn)確度和可靠性時(shí)就采用綜合數(shù)據(jù)融合[13]。數(shù)據(jù)融合優(yōu)化擴(kuò)展了具體模型確定范圍，對(duì)目標(biāo)或事件的確認(rèn)增加了可信度，減少了輸入?yún)?shù)信息的模糊性，改善了系統(tǒng)的可靠性。

3 仿真條件和誤差優(yōu)化結(jié)果

仿真條件：分別取三組相關(guān)聯(lián)的均方值噪聲干擾來(lái)模擬三組傳感器的測(cè)量誤差，均方差分別為，真值設(shè)定為X=1，將真值與噪聲數(shù)據(jù)一次疊加，可模擬出三組傳感器的測(cè)量數(shù)值[14]。再用10組原始數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)控制加以驗(yàn)證。設(shè)定U(t)=Y，輸入?yún)⒘縀1，K0，c1，c2對(duì)應(yīng)公式(4)中導(dǎo)納矩陣a，b，c值。代入自適應(yīng)控制公式(5)。

圖6 采集三組原始參數(shù)干擾的權(quán)值分布曲線

從圖6可以看出，故障傳感器的測(cè)量值權(quán)限很小，幾乎為0。所以對(duì)估計(jì)結(jié)果影響很小。在其中有傳感器發(fā)生故障時(shí)(原始參數(shù)狀態(tài)不明或者采集誤差過(guò)大)，用傳統(tǒng)的平均值估計(jì)算法得出的結(jié)果有很大的震蕩，很難準(zhǔn)確估計(jì)出測(cè)量值[15]，而文中提出的基于變電所模型自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合仍然能夠趨向于真值，利用自適應(yīng)控制的方案策略和融合算法具有很強(qiáng)的容錯(cuò)特性。

圖7 自適應(yīng)控制數(shù)據(jù)融合，電壓畸變率變化

通過(guò)仿真圖7可以得出，無(wú)論對(duì)于前期數(shù)據(jù)采集狀態(tài)還是投入融合算法之后，隨著系統(tǒng)短路容量的增加，電壓畸變率在不斷降低，特別是當(dāng)短路容量超過(guò)一定值時(shí)，降低的趨勢(shì)變得緩慢。當(dāng)系統(tǒng)短路容量一定時(shí)，電壓畸變率變化幅度隨著系統(tǒng)短路容量的增加而減少。

圖8 數(shù)據(jù)融合逐步優(yōu)化誤差過(guò)程

從圖8可以看出，文中提出的自適應(yīng)控制策略融合估計(jì)算法對(duì)3個(gè)傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)的估計(jì)結(jié)果要越來(lái)越優(yōu)化整個(gè)過(guò)程[16-17]。隨著測(cè)量數(shù)據(jù)次數(shù)的增多，最后結(jié)果與均值誤差的真值差距會(huì)越小，越接近真值，每次測(cè)量的誤差控制效果均可以在自適應(yīng)控制下完成遞減，實(shí)現(xiàn)誤差的最小化直至誤差逼近于0。當(dāng)變電所采集/輸入原始數(shù)據(jù)受到外部干擾造成供電不穩(wěn)定時(shí)，對(duì)出現(xiàn)的電壓畸變或噪聲干擾都有很好的補(bǔ)償效果，不會(huì)造成濾波現(xiàn)象危害供電可靠和安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

文中所提出的基于自適應(yīng)控制的融合數(shù)據(jù)估計(jì)算法在不知道任何傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)先驗(yàn)知識(shí)的條件下(無(wú)法預(yù)判電壓畸變值和外部不穩(wěn)定因素)，可以從含有觀測(cè)噪聲的測(cè)量數(shù)據(jù)中得到被估計(jì)量的最小均方誤差估計(jì)并加以修正。

該方法不但充分利用了傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，還將傳感器的均方誤差、測(cè)量精度等信息融合進(jìn)行處理，可以快速、準(zhǔn)確地估計(jì)出真值并對(duì)比誤差范圍，在拓展檢測(cè)范圍和提高測(cè)量精度等方面估計(jì)算法可廣泛地應(yīng)用于處理不確定原始參數(shù)采集和計(jì)算領(lǐng)域。

因此，自適應(yīng)數(shù)據(jù)融合控制方案的作用兼具優(yōu)化修正和服務(wù)數(shù)據(jù)融合的功能，一旦控制效果在誤差范圍內(nèi)，使用修正策略對(duì)比誤差波動(dòng)，減少干預(yù)能達(dá)到良好效果。因此為使外部干擾(電壓畸變或噪聲波動(dòng)等)對(duì)變電所供電質(zhì)量和安全性的影響降至最低，通常對(duì)變電所的外部電源，應(yīng)考慮選擇短路容量較大的電源系統(tǒng)。牽引變電所應(yīng)該投入補(bǔ)償裝置，以便減少電力系統(tǒng)的諧波電流，保證供電的穩(wěn)定和提高效率。

[1] 李群湛,張進(jìn)思, 賀威俊. 適于重載電力牽引的新型供電系統(tǒng)的研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2004(24):15-19.

[2] 李群湛,賀建閩. 牽引供電系統(tǒng)分析[M]. 成都:西南交通大學(xué)出版社，2007.

[3] 孫皓瑩,蔣靜坪.基于參數(shù)估計(jì)的多傳感器數(shù)據(jù)融合[J].傳感器技術(shù),1995(6):32-36.

[4] 劉金澤，陳強(qiáng). 淺談V/v 接鐵路牽引變壓器工作原理及運(yùn)行特點(diǎn)[J].電機(jī)電器技術(shù)，2004(1):15-17.

[5] Hall D L,Llinas J. An introduction to multi-sensor data fusion[J].Proceedings of the IEEE,1997,85:6-23.

[6] 李群湛. 電氣化鐵道并聯(lián)綜合補(bǔ)償及其應(yīng)用[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1993.

[7] 曹建猷. 電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M]. 北京:中國(guó)鐵道出社, 2005.

[8] 李群湛,賀建閩. 牽引供電系統(tǒng)分析[M]. 成都:西南交通大學(xué)出版社,2007.

[9] RolfGrUnbaum, Halonen M, Rudin S. ABB static var compensator stabilizes Namibian grid voltage[J] ABB Review, 2003(2): 43-48.

[10] 胡士強(qiáng)，敬忠良，胡洪濤,等. 多傳感器穩(wěn)健融合跟蹤算法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005, 39(4): 509-512.

[11] Okuma K, Taleghani A, Little J. A boosted particle filter:Multi-target detection and tracking[A]. European Conference on Computer Vision (ECCV)[C]. 2004: 3255-3261.

[12] 高仕斌.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)新型保護(hù)原理研究[D].成都:西南交通大學(xué),2004.

[13] 解紹鋒, 李群湛,等. 同相供電系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償裝置控制策略研究[J].鐵道學(xué)報(bào), 2002 ,24 (2) :1092113.

[14] Paul W, James I, Walter K. Analysis of multi-frame target detection using pixel statistics[J]. IEEE Trans. on AES,1995, 31(1): 238-246.

[15] 劉兆磊, 徐振來(lái), 許建峰等. 多傳感器布局和目標(biāo)跟蹤精度分析[J]. 火力與指揮控制, 2006, 31(1): 55-58.

[16] Clark Hochgraf, Robert H.Lasseter. Statcom Control for Operation with Unbalanced Voltages[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1998,113(2).

[17] 劉育明, 周 湶, 唐 捷, 等. 粗糙集理論提取配電網(wǎng)故障診斷規(guī)則的方法[J] . 高壓電技術(shù), 2006, 32(8).

ResearchonDataFusionErrorOptimizationofSubstationBasedonAsymmetricModel

Ou Zhixin

(Anhui Communications Vocational & Technical College, Hefei 230051, China)

Traction substation as a place to provide electric power for electric locomotive, stability and security of power system. Because the electric locomotive is a nonlinear load high speed carrier has unbalanced characteristics, the fundamental current in the absorption grid is also fed back to the harmonic current, The disturbance and filter distortion are brought to the power grid, threat to power supply line and load safety. Based on the comparison of three-phase matching and mismatch model, multi-sensor data acquisition and measurement data fusion technology and adaptive model correction function, change of control parameters and adjustment of structural state, find out the scheme that can control and optimize the error, ensure the safety and stability of power supply.

traction substation; adaptive control; data fusion; error optimization; Matlab simulation

2017-03-17；

2017-04-08。

2016年安徽省自然科學(xué)基金重點(diǎn)研究項(xiàng)目(KJ2016A159)。

歐志新(1982-)，男，安徽肥東人，碩士，講師，主要從事電氣化鐵道供電、自動(dòng)控制等方向的研究。

1671-4598(2017)10-0162-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.042

TM922.3

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