复杂电力系统的故障分析研究进展外文翻译资料

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毕业论文

题 目 电力系统暂态稳定仿真研究

复杂电力系统的故障分析研究进展

王增平，张亚刚，张金芳，马静

电力系统保护与动态安全监测与控制重点实验室教育部，华北电力大学 保定 071003

摘要：在本文中，我们采用了一种新的方法，复杂的电力系统故障分析。电力系统是世界上最复杂的人工系统之一。其安全、稳定、经济、可靠的运行对保障社会经济发展、维护社会稳定起着非常重要的作用。电力系统的复杂性是由其特征构成，配置，运行，组织决定，等不管，我们采用新的分析方法或技术手段，我们必须对电力系统本身和它的复杂性有个清楚的认识，不断提高分析、操作和控制水平。本文利用相量测量单元的实时测量，基于图论和多元统计分析理论，主要采用广度优先搜索、深度优先搜索和聚类分析。然后，我们寻求的电气数量的显着变化的统一规律。然后对故障分量进行快速准确的分析。最后，我们可以实现故障隔离。针对复杂电力系统中的线路故障和母线故障（单相故障、单相故障和三相故障），进行了大量的仿真试验，取得了较为理想的结果。这些研究证明，基于图论和多元统计分析理论的分析和计算，可以成功地探索复杂的电力系统中的故障。

关键词：指数复杂度，图论，多元统计分析理论，故障分析，电力系统。

一、引言

电力系统是世界上最复杂的人工系统之一，其安全、稳定、经济、可靠的运行对保障社会经济发展、维护社会稳定起着非常重要的作用。2008年初，冰雪灾害在中国南方发生确认一遍。电力系统的复杂性是由其特点决定的：构成、配置、运行、组织等，造成许多灾难性的事故，如美国-加拿大电力系统大停电事故在2003年8月14日和2003年9月28日意大利电力系统大停电事故。为了解决这个复杂的问题的一些方法和技术，反映现代科学技术水平已被引入，如计算机、通信技术、控制技术、超导和新材料技术，等等。显然，无论采用新的分析方法还是技术手段，都必须对电力系统本身及其复杂性有一个明显的认识，不断提高分析、运行和控制水平。

故障定义为与系统相关联的观测变量或计算参数的可接受范围的偏离。它可能出现在基本技术部件或其测量和控制仪表中，并可能代表性能恶化、部分故障或总故障。故障分析意味着确定的能力，无论是主动或被动的，无论是系统的功能，如预期或建模。故障分析的目的是通过识别系统行为异常来保证计划操作的成功。有故障的系统并不一定意味着系统不能正常工作。检测故障涉及识别系统的特性，当故障发生时，可以区别于系统的其他特征。根据非线性复杂系统，我们进行了大量的基础研究，4-8。本文以图论和多元统计分析理论为基础，讨论了电力系统。

电网的复杂性主要取决于网络结构、网络脆弱性、连锁故障机理等。电力系统故障不能完全避免。当电力系统从正常状态运行到故障或异常时，其电量（电流、电压、角度等）可能发生显著变化。在我们的研究中，经过一些事故，利用相量测量单元（PMU），实时测量[9-12]，基于图理论和多元统计分析理论，我们主要利用广度优先搜索（BFS），深度优先搜索（DFS）和聚类分析技术，[ 13 ]，我们寻求电气量的显著变化统一的规律。然后对故障分量进行快速准确的分析。最后，我们可以实现故障隔离。

二、图论中的搜索原理

许多现实世界的情况下，可以方便地描述由一组点组成的图，连同线连接这些点对。在数学和计算机科学中，图论是对图形的研究：用来从某种集合中模拟对象之间的共轭关系的数学结构。图是一组抽象的概念，一组节点和它们之间的连接关系，即顶点或节点的集合和连接顶点对的边集合。一个图可以是无向的，这意味着与每个边相关的两个顶点之间没有区别，或者它的边可以从一个顶点指向另一个顶点。

图论的应用主要是，但不是唯一的，关注的标记图和各种专业。可以表示为图的结构是无处不在的，许多问题的实际利益可以表示图。例如，在电路理论中，基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律只关心电路的结构和性质。然后，任何具体的电路可以抽象为一个图。[ 19 ]在这里，让我们给出一个简单的电路（见图1），它的结构可以表示为一个图形（见图2）。

图1简单的电力回路

图2一种基于简单电路图

三、BFS和DFS故障分析

现在让我们考虑IEEE9-Bus系统。图3给出了IEEE 9节点系统的电气图。在电力系统结构，bus1出现单相接地故障。通过仿真实验，利用这些实际测量数据对应的变量，我们可以进行故障分析的故障分量和非故障分量。

图3IEEE 9节点系统电气图

图4IEEE 9节点系统的图

通过模拟实验，我们可以在T-1得到节点电压、T0（故障），T1、T2和T3的五倍（见表）。

节点相电压在T-1，T0，T1，T2（故障）如图5

图5和T₃5次

图4是IEEE9-Bus系统BFS过程。在该图中，第一代是第一个发电机节点，它也是一个BFS的终端，和bus1是唯一的节点连接它。结合电气测量有明显变化的特征信息，对bus1和其他车不同的是不同的。起初，bus1已设置为单相接地，这是一个典型的母线故障。在最后的分析中，这两方面都是一致的，我们可以有效地识别故障定位，基于BFS。

图6IEEE 9节点系统DFS图

图7IEEE 39总线系统电气图

图6是IEEE9-Bus系统DFS过程。在该图中，bus1和其他车之间的差异更加明显。第一代是DFS的终端，和bus1是唯一的节点连接它。在开始的时候，我们设定bus1为单相接地故障。这两个方面都是一致的。因此，我们还可以有效地识别故障定位，基于DFS。

四、基于层次聚类的故障分析

聚类分析不需要指定聚类数目k，预期相反，提供一个聚类。在实践中，选择可以根据一些特定领域，往往有主观成分。层次聚类分析分为三个步骤。首先，我们必须确定一个适当的接近措施。其次，我们需要确定适当的聚类方法的数据。最后，需要一个适当的停止标准，以确定在层次结构中的簇的数目。在集群中使用的距离或相似性度量的聚类方法的成功是至关重要的。欧氏距离和皮尔森相关是最常用的。

现在让我们继续考虑IEEE9-Bus系统。根据仿真实验结果（表一），基于节点相电压，我们进行了层次聚类分析。图7是基于节点相电压分层聚类分析。

让我们详细讲解聚类分析的全过程。整个聚类分析过程是按照相似性原则由高到低（距离从近到远）。命令是：

步骤1：BusC是联合busb形成新的busb；

步骤2：bus3结合车2形成新的车2；

步骤3：BusA是结合车2形成新的车2；

步骤4：车2结合形成新的1 1；

步骤5：3结合Gen2形成新的Gen2；

步骤6：Gen2结合形成新的1 1；

步骤7：BusB结合bus1形成新bus1；

步骤8：1结合形成新的bus1 bus1。

五、聚类分析

从整个聚类过程分析，bus1有其他节点的相似性最低（其他节点的最远的距离）。它也可以很容易地发现，从图7，有显著差异，从bus1其他巴士和故障特征明显。这些结果是相同的故障位置预先设置，所以我们可以准确地确定故障位置的层次聚类分析。

让我们进一步考虑一个更复杂的三相短在IEEE39节点系统电路故障。IEEE39总线系统是众所周知的10机39节点的新英格兰系统，和图7给出了电气原理图。在电网结构，bus-18只是故障定位。根据仿真实验结果，基于节点正序电压，进行了层次聚类分析。图8是基于节点正序电压等级聚类分析树状图。

根据相似原理从高到低

（从近到远的距离），整个层次聚类分析过程的顺序是：

步骤1：bus23结合形成新的bus22；

步骤2：bus7套8结合形成新的bus7；

步骤3：bus12结合形成新的车车；

步骤4：bus32结合形成新的bus31；

步骤5：bus11结合形成新的bus10；

步骤6：bus33结合形成新的bus31；

步骤7：bus13结合形成新的车车；

步骤8：bus38结合形成新的巴士3000

巴士3000；

步骤9：Bus6结合形成新的车车；步骤10：bus35结合bus1形成新的bus1；

步骤11：bus22结合形成新的bus19；

步骤12：bus7结合形成新的车车；步骤13：bus16结合Bus15形成新的Bus15；

步骤14：bus34结合形成新的bus3000；

步骤15：bus28结合形成新的bus19；

步骤16：bus21结合形成新的bus14；

步骤17：巴士3000结合bus1形成新的bus1；

步骤18：bus10结合形成新的bus5；

步骤19：bus24结合Bus15形成新的bus15；

步骤20：bus37结合形成新的bus31；

步骤21：bus29结合形成新的bus19；

步骤22：bus20结合形成新的bus5；

steps23：bus25结合形成新的bus2；

steps24：bus4 Bus15结合形成新的bus4；

steps25：bus31结合bus1形成新的bus1；

步骤26：bus9结合bus1形成新bus1；步骤27：bus26结合形成新的bus14；

步骤28：车与车2相结合形成新的车2；步骤29：bus17结合形成新的bus3；

步骤30：bus14结合形成新的bus4；

步骤31：BUS36结合bus1形成新的bus1；

步骤32：bus19结合形成新的bus2；

步骤33：bus27结合形成新的bus4；

步骤34：bus39结合bus1形成新的bus1；

步骤35：bus4结合车2形成新的bus2；

步骤36：bus2结合bus1形成新bus1；

步骤37：bus3结合形成新的bus18；

步骤38：bus18 bus1结合形成新的bus18。

从整个聚类过程的分析，bus18具有其他节点的相似性最低（其他节点的最远的距离），对bus18故障特征明显。

六、结论与讨论

电力系统是世界上最复杂的人工系统之一，它的安全、稳定、经济、可靠运行对保障社会经济发展、维护社会稳定起着非常重要的作用。电力系统的复杂性是由其特征构成，配置，操作，组织，但是，不管我们采用新的分析方法或技术手段，我们必须对电力系统本身和它的复杂性有个清楚的认识，并在电力系统不能完全避免增加。电力系统从正常状态到故障或异常状态时，其电量（电流、电压、角度等）可能发生显著变化。在我们的研究中，利用PMU实时测量，基于图理论和多元统计分析理论，我们主要利用BFS，DFS和聚类分析，我们寻找电气量的显著变化统一的规律。然后对故障分量进行快速准确的分析。最后，我们可以实现故障隔离。通过比较相同的分析结果，我们可以发现，所有这三种方法可以准确和有效地检测故障。

根据线路故障和母线故障（单相复杂电力系统的故障、相间故障和三相故障）进行了大量的仿真实验，取得了较为理想的结果。这些研究证明，基于图论和多元统计分析理论的分析和计算，可以成功地探索复杂的电力系统中的故障。

致谢

作者感谢匿名审稿他们有用的意见和建议。这项研究的一部分是由中国国家自然科学基金资助（50837002，50907021）和中国高校自然科学基金。

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