自动定位控制范文
自动定位控制范文（精选9篇）
自动定位控制 第1篇
随着CMOS工艺的发展,数字电路在晶体管栅宽降低中受益最大,能够实现廉价的、大数量和快速的设计和实现。所以射频收发机中,可以考虑采用接收信号强度检测器对接收信号强度进行检测,采用限幅放大器附加全波检流器、低通滤波器实现,能够实现大动态范围内的信号强度检测[1]。通过接收信号强度检测器检测得到的信号传给数字信号处理模块进行分析。根据输入电压值,反馈数字信号给射频端和中频端的放大器模块,从而达到控制增益的目的。随着数字电路处理速度的提高,该模式下能够快速地控制增益,而且不构成模拟反馈环路,系统稳定性也极佳[2]。
本文主要对射频接收机前端中频部分的自动增益控制模块进行研究。通过对该模块国内外已有的研究成果进行总结,分析了多种实现该功能的方法。最后,设计了一种能够集成接收信号强度检测功能的数字可编程增益控制模块。信号强度检测器检测输入信号的电压强度,将得到的参考电压反馈给片外的数字信号处理器,再利用数字信号控制整个放大器的增益。该控制模式下,能够实现大范围的信号强度检测和增益控制。
1 数字可编程自动增益控制系统设计
1.1 闭合环路系统建模
自动增益控制系统可以采用闭环或开环的模式控制。采用闭环模式时,无需额外的控制增益信号,对外围电路的需求少并且精度较好。但是系统的设计中要充分考虑到稳定性的问题,应确保在大增益下不会产生振荡,并且能检测到的最小信号强度有限。与之相对,开环系统能够在提供大增益、大带宽的前提下保证有较好的稳定性。但是,开环系统的增益控制精度往往弱于闭环系统。此次设计中,采用数字增益控制系统为开环增益控制系统。可以考虑内部集成信号强度检测电路和模数转换电路实现内部控制增益。数字自动增益控制系统采用接收信号强度检测器对接收信号进行检测。并将对应的直流信号反馈给片外的数字信号处理芯片进行进一步处理,这是一种开环设计。图1为数字信号处理芯片对接收信号强度检测得到的直流信号进行处理的流程图。
由于RSSI信号随着工艺角和温度的不同有一定的变化。可以考虑在使用前采用数字校准。初始化时,在两个或多个时钟周期内输入最大功率信号-50 d Bm和0 d Bm,依照下式得到其对应的最大和最小RSSI输出直流电平值。
当接收信号输入时,在时钟周期内,可以检测得到直流电平V。按照图1所示的逻辑对信号强度进行判断。然后根据初始化时已经储存好的逻辑查表,将控制增益的信号反馈给数字增益放大器,达到增益控制的目的。
如果需要采用内部控制模式实现增益的自动调节,可以考虑下面列举的数模混合电路模式实现。该电路实现了类似于模数转化器的功能。
1.2 放大器设计
在数字控制系统中设计了两种固定增益放大器:一种采用MOS管比值对信号进行放大;另一种采用电阻比值控制放大器增益。
第一种利用NMOS作为跨导将输入电压转换成电流,同时利用二极管连接形式的NMOS管作为负载管提供负载电阻。通过顶端的PMOS电流镜实现跨导管和负载管上分布近似相等的电流。利用长沟道模型可以分析得出:
长沟道模型认为晶体管的I-V曲线按照平方率规律,然而在亚微米工艺中,长沟道器件不再表现为理想的平方率器件。如果是理想的平方率器件,对DSI二次求导应该为常数。然而,gm的导数仅仅在一个小的区域内显示为常数。如果变大,gm由常数下降,这是由于高电场引起的,例如迁移率衰减和速度饱和。因此,为获得长沟道模型分析下的性能,深亚微米半导体工艺中需在合适范围内选择正确的过驱动电压。这点对以上这一模块的设计是十分重要的。
第二种设计的固定增益放大器利用电阻比值来获得精确增益。在集成电路设计中,电阻的绝对值在不同工艺下变化较大(误差10%~25%),但是不同电阻间的比值在很好的版图布局下能够做到比较精确(误差<0.1%)。所以能够利用电阻的比值充当增益值。输入端采用源级跟随器的结构,将输入信号引入,加到电阻上。差分信号在电阻转换成电流,起到了跨导的作用。输入端采用Cascode型的PMOS管充当电流源,而输入共源级也采用NMOS管充当供给电流源。电阻需要的电流理论上完全由这两对MOS管提供。当电压转换成电流后,通过电流镜进一步放大,最后在负载电阻上转换成电压的形式输出。理论上,该电路中得到的增益值为:
式中:K为电流镜提供的增益;Rgm为充当跨导的阻抗;RLOAD为负载电阻。电路中没有引入共模反馈电路,完全利用两电阻的中点近似的共模电压对电路进行偏置。由于放大器的增益主要和电阻比值、电流镜像有关系,能够实现较好的线性度。前端输入管起到缓冲器的作用。当共模偏置电压有较大变化时,对放大器增益影响也很小。
1.3 数字控制模块设计
可编程增益放大电路系统采用多比特数字信号来控制增益。同时,为了减少对片外电路的影响,可以考虑利用串型信号来控制多比特电路。这需要针对该电路设计相对应的数字电路模块。数字模块采用3线,串联信号控制系统增益的模式。CLK为时钟信号,当其处在上升沿时触发电路;LCH为控制信号,高电平时系统不做出反应,下降为低电平时,随着时钟上升沿跳跃而向电路寄存器中读入SDI/SDO,即串联输入/输出信号。数字模块能够向整个系统中读入增益,同时也能够读出系统目前的增益大小。
增益写入模式中,CLK为时钟信号,LCH为锁存器信号,SDI为输入的控制信号,WR=1指示现在需写入数据,AD1AD2=00为有效地址,后几位为输入的控制字,控制数字模块增益。
增益读取模式中,CLK为时钟信号,LCH为锁存器信号,SDI为输入的控制信号,SDO为输出的控制信号,WR=1指示现在需写入数据,AD1AD2=00时为有效地址,后几位为输入的控制字,控制数字模块增益。利用Verilog HDL编写数字模块程序,分析多个模块实现。digital.v对系统进行总体控制;s2p.v将串联信号转成并联信号;encod.v将得到的并联信号的前三位进行解码,确定读写操作和针对的地址;rpga.v将pga中的数据读出;wpga.v将接收到的数据写入pga。
2 带隙基准电压源设计与实现
2.1 带隙基准电压源原理
带隙基准电压源的设计是利用双极型晶体管基极和发射极电压VBE变化具有的负温度系数,以及不同偏置电流下的两个双极型晶体管的电压差具有的正温度系数。两电压线性叠加可获得低温度系数的基准电压源VBE。这样就能够提供一个与电源、工艺和温度特性基本无关的直流电压。基准电压的产生中除了要避免电源、工艺和温度的不确定性外,还需要考虑输出的噪声、输出阻抗和功耗。双极型晶体管的输出电流和基级-发射级间电压的指数关系:
通过两个相同偏置电流,并联晶体管数目比值为1∶n,的两个双极型晶体管间基极-发射极电势差显示出正的温度特性:
如果取两个电压之和,就有可能得到一定范围温度内与温度基本无关的基准电压。PMOS管构成电流镜,保证每条支路中的电流一致。高增益的运算放大器保证两个输入端的电压一致。通过推导,可以得到输出参考电压为:
在CMOS工艺中,电阻的比值能够做到较为准确。合理的配置电阻阻值的比例和双极型晶体管的面积,可以实现正负温度系数的抵消。在得到基准电压的同时,在每条支路上已经提供了一个与温度无关的电流,不过此时的电流值由于电阻的绝对值在不同工艺下的变化而产生了偏差,电路设计时,需要将该偏差进行充分考虑。再加上R-2R电流分配网络,可以由同一个带隙基准电压源提供不同的数量级,与温度、供给电压基本无关的电流。
2.2 核心模块设计
首先,需要确定两个CMOS工艺上寄生双极性晶体管取值,根据其比值和最终需要的输出电压来确定电阻的取值。
其次,是模块中运算放大器的设计。放大器的性能指标很重要,由于运放在此处为误差放大器,起到负反馈的作用。从精度上考虑,应当采用大增益的运放;但是从稳定性上考虑,应当采用的运放增益需要小。考虑到能采用CMOS 3.3 V的工艺,可以获得足够的电源电压,所以采用折叠型放大器,单级放大,充当带隙基准电压源中的放大器。这样在获得足够增益的同时,也能够得到较好的相位裕度,即系统稳定性较好。
最后,应该对电路设计开启模块。以保证在突然加电时,整个电路能够顺利的开启而不是陷入零状态。电路开启的目的是在电路中引入额外的激励。对开启电路进行分析可以得出,电路需要开启时,M2的栅压为低电位,关闭。M1的栅压为低电位,开启。从而在M3的栅上形成高电位,而电路未开启时,M3的漏端也为高电位,从而M3中流过电流,此电流流入放大器中,通过放大器中的电流镜开启整个电路。
电路开启后,M2上的栅电压拉高,导通。由于M1的宽长远小于M2的宽长比。当电路维持稳定时M2的漏源电压特别小,使得M3截止。而且同时M1和M2组成的支路消耗的电流也特别小。这样就实现了对电路进行开启后对其他核心电路没有影响的目的。
3 仿真和测试结果以及数据分析
此次设计的数字可编程增益控制模块,采用中芯国际0.18μm混合信号CMOS工艺实现。核心模块的版图面积为170μm×91.6μm,含有带隙基准电压源后,面积为223.6μm×270μm,最终测试用的芯片面积为1 140μm×838μm。由于带隙基准电压源在整个射频接收发端芯片中,为公用模块,无需单独设计。核心模块实际占用芯片面积较小。采用将芯片焊接到PCB版上进行测试。
线性度是系统设计中考虑的另外一个要点,可以通过1 d B交调点和三阶互调节点描述,反映了系统能够承受的、较小失真的最大输入和输出电平。系统线性度仿真如图2所示。
在整个增益控制系统中,除了中频放大模块外,还外加集成了接收信号强度检测模块,其和片外低通滤波器一起,反馈电压信号给数字信号处理器进而对接收到的信号强度进行指示。接收信号强度指示曲线如图3所示,可以看出在较大的范围内(>50 d B),能够线性地对接收到的信号进行检测,满足此次设计的要求。
此次带隙基准电压源设计中,采用中芯国际0.18μm混合信号全CMOS工艺中的3.3 V栅级厚栅晶体管进行设计。对带隙基准电压源进行电路图设计、前仿真、绘制版图进行后期仿真。将该模块集成到整个芯片当中,最后进行了测试。首先对电路进行直流仿真,从0~5 V间变化电源电压。电源电压在2.2~4.8 V间变化时,带隙基准电压源都能够得到较为稳定的输出电压,如图4所示。
为了确保电路能够开启,同时具有较好的稳定性,对其进行瞬态仿真。当加载的电源电压在10μs处,0.1μs时间内从0阶跃到3 V。可以看出输出电压能够快速开启,并实现准确的电压输出。对流片后得到的实际芯片进行测试,得到实测结果,如图5所示。发现当电源电压大于1.8 V时,能够提供0.79 V的输出偏压,与理论上仿真的0.801 V较为接近,满足需求。
同时,将芯片放入恒温箱,保持电源电压3 V不变。在变化温度的情况下,对输出电压值进行测量。所得结果如图6所示。可以发现,27~100℃之间,电压变化12 m V,与仿真结果相比差距较大。经过分析,认为是由于电路中电阻面积太小,所以精度不够,或者是由于工艺生产中寄生二极管不够准确所导致。
4 结论
本文通过对CMOS工艺自动增益控制系统进行设计,归纳总结了相关的国内外在该领域上的进展和设计此系统的方法,并提出了自己的见解。从研究自动增益控制系统的拓扑结构入手,理论上分析并提出了设计中的数学模型。在通过可行性研究的基础上,对该系统进行设计。采用数字增益控制系统,并且集成了接收信号强度检测模块和带隙基准电压源偏置模块,获得了高度的集成性。
在具体模块设计上,对多种结构进行分析,提出针对不同应用领域,考虑到具体指标的折中,进行了针对性的设计。在构建电路模型、仿真的基础上,进行了版图绘制、仿真、流片,并且对其中的带隙基准电压源模块进行了实际测试,得到的结果基本和仿真结果吻合。
摘要：针对卫星无线定位系统,其民用需求加大,促使商业上对更为廉价、更低功耗的射频收发前端技术进行研究和探索。设计实现了一款用于无线定位系统的数字可编程增益控制系统,可用于IMT-Advanced新一代4G无线通信网络中。对模拟控制和数字可编程两种模式进行了系统上的分析,针对系统建立数学模型,进行了可行性研究。在设计该芯片的同时,对具体模块的不同实现形式进行了阐述,并提出了可优化的结构。
关键词：RFIC,CMOS,PGA,数字自动增益控制,带隙基准电压源
参考文献
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自动定位控制 第2篇
【关键词】WLAN 故障定位 故障自动处理
一、引言
随着WLAN网络建设与业务推广，WLAN网络中的各种不足逐渐暴露出来，并且WLAN有效覆盖距离较小，这样导致AP数量众多，这些不足，导致WLAN接入业务所遇到的问题比2G/3G的问题复杂的多，相对投诉率居高不下；特别强调，如果仅仅依靠现场维护人员的测试和分析，会消耗巨大的人力和物力资源，而且响应速度和效率较低，因此高投诉率与运维成本的矛盾日益尖锐，WLAN网络运维管理的目标是在尽可能降低成本的同时大幅提升客户投诉响应速度和投诉效率进而降低投诉量和重复投诉的频次。
二、系统架构
本地机房需要安装一台Windows系列服务器，并安装了SQL Server数据库服务软件，另外还需要一台POE交换机和一台AP，将服务器（一条网线和一个串口线）和AP分别连接至POE交换机，再将POE交换机连接到PTN/SDH传输网络。在热点侧，每个热点出口汇聚交换机需要有一个空余接口，并将此接口连接到PTN/SDH网络，并配置汇聚交换机，在此接口上透传该热点的下行管理VLAN和业务VLAN。最后在所有的POE交换机上做默认路由指向汇聚交换机，汇聚交换机上做一条静态路由，将回程数据包转发给服务器。
三系统功能
（一）WLAN网络性能远程自动测试
系统软件运行于服务器上，该系统软件启用测试模式即可实现WLAN网络性能自动测试。该模式下系统软件通过对交换机的VLAN配置为指定热点汇聚交换机管理和业务VLAN，并将其地址配置为热点交换机一个局域网内，则可以将核心机房POE交换机模拟成该热点下的一个二级交换机，同时该AP则可以模拟为该热点下的业务AP，服务器则可以通过无线网卡与该AP进行连接，系统软件通过执行业务测试，则可以得到指定热点下AP的业务指标。其中由于无线信号的独特性即每个AP的无线环境和性能是各不相同的，软件可以测试到该AP的一些参数，而远程热点AP的无线信号是无法测试的，实际上也没有测试的必要性，因为无线环境存在不稳定性和不可知性，即使布放专用客户端到热点现场也会由于布放位置的局限性导致测试的不准确性。
（二）WLAN网络AP网元故障定位及自动处理
WLAN网络AP网元的故障定位是平台提供的重要功能，即运行于服务器上的系统软件进入轮询模式，可以对本地交换机的VLAN等数据进行相关配置，将路由连接至指定热点，从而读取指定热点下交换机各个端口状态和端口流量，读取各端口下AP的实时速率及誤码率，从而可以判定该AP设备的运行状况以进行相应的自动处理。其流程图如下：
（三）WLAN网络的交换机及核心设备故障定位
服务器软件在轮询模式下，对本地交换机的VLAN等数据进行相关配置，将路由连接至指定热点交换机，可从指定热点内部的任一交换机逐段路由的PING 测试WLAN网络内的各级交换机及AC是否可达、丢包率、时延和时延抖动，并自动统计分析测试结果，如果发现故障自动记录故障位置并通过声音告警、给网管发邮件或短信等形式在第一时间进行告知。
（四）WLAN网络VIP热点的业务应急恢复
当遇到整个VIP热点上联承载网的传送链路中断或相关的网络实体设备故障时，本系统采用一键切换的方式切换到保护通道实现VIP热点AP短时间内恢复在线，保障用户的基本使用，避免大规模集中投诉。
四、应用情况
自动定位控制 第3篇
农作物果实机器人采摘过程中,机器人采摘系统受到多方面的影响,如可见光、温度、湿度等,其采摘的位置往往和实际果实位置具有一定的偏差; 而激光瞄准系统能以较高频率提供大量准确的距离信息,可靠地提供果实的方位和尺寸信息,为机器人采摘果实提高可靠的数据支持。激光瞄准器能够方便快速准确地瞄准目标,且激光瞄准器辐射强度高、单色性好、相干性好、方向性强,在目标定位方面具有很多优势。为了研究高效的机器人采摘控制系统,提高机器人的作业效率,设计了以STM32单片机和MSP430单片机为控制核心、以摄像头进行图像采集、以直流减速电机为激光笔瞄准带动装置的激光采摘定位装置的系统。
1 系统总体设计
系统以农作物果实为瞄准目标,摄像头作为图像采集设备,通过对图像信息的分析控制激光枪的激光斑置于农作物果实的指定位置,其结构示意图如图1所示。
根据要求,系统需对摄像头数据接收及处理来寻找激光斑,此外根据寻找结果控制电机带动激光枪改变瞄准位置。因此,系统采用了两套单片机控制系统: 一套用于图像信息采集与分析处理,一套用于控制激光枪二维平面移动瞄准。这两套控制系统通过无线通信模块进行数据交换,配合实现系统要求。
根据图1的系统功能需求,系统采用STM32和MSP430单片机,结合摄像机、无线通信模块、电源驱动模块及语言模块进行结构设计,如图2所示。
其中,STM32根据采集到的图像信息判断激光斑是否击中目标位置,并将判断结果通过无线通信的方式送给MSP430; MSP430根据此信息发出控制信息驱动电机转动,从而带动激光枪重新瞄准,此过程形成闭环控制,直至激光斑击中目标位置。
2 硬件系统设计
2. 1 图像信息采集硬件电路
系统采用常见的OV7670模块进行数据采集,在控制上,首先对无激光照射的农作物果实图像通过RGB灰度计算标注出靶心。当激光照射到胸靶环重新采集图像后,对激光斑定位并与靶心位置比较,输出控制信号。对于高亮度激光斑的信号辨识,常见的RGB方式辨识会产生较大误差,因此采用YUV亮度分离的方式,从图像数据中舍弃色度UV值而直接提取亮度信息Y,可以简化数据的处理过程。无损的存储方式下一个像素由3个字节构成,分别为Y、U、V值。由于只需Y值,为降低数据处理量,配置OV7670工作于YUV4∶2∶2的模式,1个像素由2个字节构成。从其采集的数据中提取Y值从而定位激光斑,此方式对于强光照射下激光斑的定位也极为有效。图3为STM32工作电路及信息采集硬件电路图。
系统中STM32遵照SCCB协议,通过PD2和PD3口对OV7670的内部寄存器进行配置,设置其工作方式为YUV4∶2∶2模式,然后STM32即可在控制信号下进行数据接收。数据读取的时序是: 帧同步信号VSYNC在给出一个高电平脉冲同步信号后回到低电平( 低有效) ,此时行同步信号HREF出现有效信号高电平,每STM32在像素同步信号PCLK指挥下进行8位像素数据读取。取到640个数据时完成一行数据的读取,此时行同步信号变为低电平,下一行数据又从其转换为高电平开始。STM32工作于72MHz的超高频率下,通过捕捉帧同步信号VSYNC及行同步信号HREF可以做到时序匹配,保证系统在高频工作条件下不会出现数据丢失。
2. 2 无线通信硬件电路
系统的两个主控芯片之间采用无线方式进行通信。无线收发模块采用高度集成的SI4432芯片,具有极低的接收灵敏度( - 118d Bm) 及较大的输出功率,有效通信距离可达1km,无需外加功放电路即可保证传输范围和穿透能力。无线接收模块接收到遥控信息后通过SPI模式与主控芯片进行数据传递。STM32及MSP430均具备多个SPI硬件接口,使用非常方便。其硬件电路如图4所示。
主控芯片先对SI4430进行配置,设定其无线通信频率为433MHz,为了使程序调试更为简单,配置其工作于FIFO模式; 设定波特率为9600。当芯片工作模式被设定后,即可按照设定的数据结构通过SPI向SI4430写数据进行数据发送。当接收端SI4430接收到有效数据时,n IRQ会出现一个低电平触发中断,主控芯片即可通过SPI方式接收无线数据。系统的两个主控芯片均通过此无线通信模块进行数据交换。
2. 3 电机驱动硬件电路
系统采用两个直流减速电机带动激光笔进行二维平面的扫描,结构如图5所示。其中,电机1带动电机2横向旋转,电机2的轴旋转则带动激光笔纵向扫描,对两个电机的控制可以控制激光笔对二维平面的扫描。
电机驱动 采用飞思 卡尔公司 的驱动芯 片MC33886,它可连续提供5A电流,驱动负载能力强。STM32采用16位定时器产生PWM波对电机进行速度控制。由于减速直流电机性能平稳,运行中速度较慢,且系统中激光斑的位置信息为反馈信号控制电机,已经形成闭环,因此未设测速单元。具体的硬件设计电路如图6所示,IN1和IN2与STM32的I /O口直连。
3 程序设计
农业采摘机器人激光自动瞄准系统的数学模型设计主要是误差识别模型的设计,本文采用PID闭环控制的方式,有效地缩小了控制误差,并采用了Open CV设计了人机交互界面。
假设系统瞄准转角和位移的误差分别为R ,在发射望远镜直径和波长一定的情况下,本文利用模糊PID控制的方式提高系统的稳定性和精度。首先,定义瞄准转角和位移误差分别为
误差基本论域是 [- 10,10],利用代数式将智能控制系统的模糊控制算法进行离散化,有
其中,x∈ [a,b]; n为离散度,通过离散化共得到n个子矩阵关系,利用模糊控制算法对机器人智能模糊控制算法设计为
PID控制器是一种结构简单的线性控制器,本文利用PID算法对误差进行控制,其结构如图7所示。
图7所示表示运用PID控制器对误差进行控制,其控制方程为
其中,kb表示积分系数,kw表示微分系数,T表示采样周期,e表示计算误差。通过迭代计算和逐次逼近的方法,可以降低瞄准误差,提供瞄准精度。
本次设计利用Open CV计算机视觉函数库,设计了人机交互界面,通过控制用户界面上的图形控件来执行上位机程序,其主要程序如下:
通过图像分析处理之后利用无线通信技术将图像数据传递给控制模块,使电机发出动作,初步锁定目标,并利用逐次逼近的方式逼近目标,完成目标的激光自动化锁定。
4 测试结果分析
测试工具选用精度0. 1cm的卷尺和精度0. 01s秒表,测试过程将激光枪固定于指定范围内的任一点,并将摄像头安装于农作物果实附近,测试内容主要是果实中心瞄准。目标锁定示意图如图8所示。
由实验结果可以看出: 激光可以成功有效地锁定目标,并且锁定时间在1 ~ 2s内就能完成; 系统根据逐次逼近的方法可以降低锁定的误差精度。
对激光逐次逼近进行多次实验,得到激光逐次逼近瞄准后的激光点中心与目标中心位置对比结果,如图9所示。激光对目标点进行瞄准定位最后的位置偏差在30×30像素内,瞄准精度较高。在靶环的测试过程中虑了环境光强对光斑信号的干扰的情况,对激光枪瞄准控制上也进行了多次测量。通过对激光枪瞄准点果实中心的跟踪测试,速度及精度结果测试数据如表1所示。
根据测试数据,激光枪能够在2s内从胸靶环的任意位置瞄准果实中心,平均误差为0. 5% 左右,达到了较高的瞄准精度。
如图10所示,在进行多次误差统计和分析对比发现,使用PID算法可以有效的降低误差,增加瞄准的精度,提高机器人的自动化作业水平。
5 结论
1) 设计了一种基于图像处理技术的激光自动瞄准的农业果实采摘机器人控制系统。该 系统采用STM32单片机和MSP430单片机作为核心控制,采用OV7670作为图像信息提取设备,以直流电机带动激光笔进行二维平面扫描,提高了果实采摘机器人的定位精度和自动化程度。
2) 建立了激光自动瞄准的PID,提高了激光瞄准的精度和自动化程度,并利用Open CV实现了人机交互功能,在硬件系统上设计了图像信息采集硬件电路、无线通信硬件电路、电机驱动硬件、电路彩屏显示及语音播报硬件电路。
自动定位控制 第4篇
近些年来我国的经济在快速的发展，社会进程也在不断的前进，正是在这样的背景下我国人民的生活水平以及质量也是在不断的提高，而与人们的生活生产息息相关的电能产业也就受到了越来越多的关注。有相关的调查数据显示，我国人们对于电能的应有提出了更高的要求并且对于电能所产生的依赖性也是越来越重。然而在电力系统之中有一个重要的组成部分便是10kv配电网，其在电能应用中的作用不可小觑从而对人类的生产生活也是有着不可忽视的重要作用。
对于供电企业的供电能力而言10kv配电网的供电可靠性可以将其直观的反映给大家，并且最后对于国民经济的发展和进程带来直接且深入的影响。所以，我国必须对10kv配电网的供电可靠性进行深入的研究，以期能够把供电过程之中所有可能出现的各类问题都能够寻找到合适有效的解决方法。
一、在10kv配电网之中一般的应用情况
配电线路的故障自动定位系统以及隔离技术与相间短路故障相比较而言，其配电网在实际的操作运行之中具有比较高的接地故障发生概率，在相关的运行数据统计之中可以得知，在所有的故障之中，接地故障占到了百分之九十，特别是在大风雨以及雷电等恶劣的天气情况之下其接地故障的发生概率就越发的高。一旦配电网出现了接地故障或是短路故障时，可以立刻将一些量化的信息数据充分的采集起来并进行相应的分析，这样可以最为迅速的寻找到故障问题点，并且快速有效地将故障进行分拨，这样一来就可以将其余的线路保证其正常供电不被故障点所影响。所谓的配电线路的故障自动定位系统的实现与计算机以及通讯技术是密不可分的，只有将计算机以及通讯技术与其相结合才能够打造出完美的自动定位以及隔离技术。
1.1 就目前阶段的10kv配电网之中配电线路故障的自动定位系统而言，其线路ftu以及线路故障的指示器均为检测故障点的两种较为主要的方式，运用ftu可以快速的达到故障的自动定位以及进行相应的隔离技术，但是这一技术具备相当高的投资成本，所以要想将其进行广域的推进是有一定的难度的;线路故障指示器则是可以达到线路故障的分段定位效果，但是因为大部分的故障指示器相对而言缺少自动定位能力，所以一旦配电线路出现了故障就还是需要进行人工沿线的查找。故障指示器以及gprs通讯技术均为线路故障检测系统的基础部分，这两大因素可以快速的实现线路故障的自动定位能力，进而对供电的可靠性的明显提高给出相应的促进。对于配电线路的故障定位系统之中最主要的还是于相间亦或是单相接地短路故障点的检测之中所进行的应用，在故障指示器进行启动的同时，红色显示会打开，与此同时还会出现一个无线调制编码的信息进行发送，线路之上的指示器一旦发出相应的信息并被ipu进行接收以后，则会对其进行一批量的解调解码活动，再把其地址信息以及指示器上的编码数据进行综合实施并发射出去。在监控中心所安置的数据处理以及转发系统，在对ipu发出的信息进行接收之后再马上做出相应的综合实施处理技术，这一处理之中包含了校正错误和逻辑判断的相关运算情况，并且于电子地图之中把故障通路进行定位并标记出来，这样可以方便维修的工作人员可以参照电子地图当中的故障进行结构分析从而快速的找出故障并解决问题。
1.2 10kv配电网之中配电线路故障自动隔离技术
对于配电线路故障自动定位系统而言其主要的功能便是对于故障点进行快速准确的定位操作，可是全线停电的情况还是会时有发生，这样一来就没办法对故障的显露进行自动的隔离操作了。目前阶段之中，普遍情况下的变电站10kv架空线路的保护功能仅将过流、重合闸保护等等进行配置，对于小电阻接地系统之中再把两头零序保护进行相应的配置。为了能够使得继电保护的选择性以及灵敏性都可以得到有效且切实的保护，就应该于一定的保护范围之中进行整条显露的相应设置，这就要求线路的尾端故障的时候保护其灵敏性能够达标。如此一来，一旦全线停电就会在某一处的故障发生之时进行相应的发生，与此同时，其线路上下保护能够进行互相的配合的阶梯性形态，而且已不存在保护级差时间出现在线路的尾端，全线停电的唯一可能便是选择性故障跳闸的无作用。可以把看门狗的开关故障进行有效地隔离技术，因为该隔离技术自带微机保护测控以及通讯模板，所以可以对于上述的所有问题都进行有效且切实的一个解决方法。
二、在10kv配电网当中的配电线路故障的自动定位以及隔离系统其应用效果
在10kv配电网之中都要进行配电线路故障的自动定位系统以及隔离技术的有效实施并且将其投入运营，与此同时在现实的操作情况之中所可以得到的有效成果是相当令人称赞的，而且该系统还能够最大程度上对配电线路的巡线工作人员的劳动强度进行明显的缩减以及对故障的查找时间进行有效的减少，这样一来就能够最大程度上对供电的可靠性进行更大的提高和促进。该系统与配电线路的故障定位系统相比较而言，将看门狗的开关作为基础的故障自动隔离系统，该系统虽然并没有办法将故障定位进行全线路的覆盖，可是因为该系统具备相对简单且可行的结构系统，所以这样一来就可以进行独立的运转，且不用后臺系统集成计算机以及通讯信息技术进行相互支持，还能够具备较为底下的运行维护技术的造价以及要求，于大范围的农村10kv配电网之中可以得到极为广泛的应用以及安装。特别是一旦出现了极为恶劣的天气之下一些偏远地区的分支线则是大范围的农村10kv配网线路故障的主要事发地点，可以把看门狗的开关进行选择性的安装于这些分支线路当中可以有效的对故障点进行自动隔离以及巡查，这样可以将其余用户的正常供电进行最大程度上的确保。
三、结束语
自动定位控制 第5篇
在保证电网安全稳定运行的基础上, 为提高电网运行经济效益, 减少有功网损和投资, 各种无功电压优化算法和无功电压自动控制装置得到了极大发展, 并发挥了很好的作用[1,2,3,4]。
无功电压优化问题是一个多变量、多约束的混合非线性规划问题, 其控制变量既有连续变量如发电机机端电压, 又有离散变量如电容器/电抗器组投切、变压器分接头调整等, 其数值求解的收敛可靠性及计算速度是其能否实用化的关键。目前的研究主要基于最优潮流 (OPF) 等全局优化算法或分区协调优化算法, 理论上均可取得较好的控制效果[5,6,7,8,9], 但在工程应用上还存在一定的问题, 主要包括: (1) 电力系统规模的不断扩大, 特别是特高压电网的接入, 节点数目激增, 传统无功电压优化算法和人工智能算法均存在内存不足、收敛速度慢、维数灾等问题, 且难以寻得全局最优解; (2) OPF算法需要基于状态估计的结果, 海量数据处理和维护工作可能影响状态估计的结果, 进而影响OPF算法的结果。
2008年12月随着长治南阳荆门特高压交流试验示范工程的投产, 特高压电网步入快速发展阶段。特高压线路充电功率大, 最高运行电压1 100kV下平均每百千米线路的充电功率约为530~570Mvar, 大概是500kV线路的5~6倍;同时, 为兼顾工频过电压限制和输送不同功率的无功调节灵活性, 感性无功补偿度一般在75%以上[7]。特高压线路承担着较重的功率输送任务, 超过其自然功率, 它从低压电容器和近区500kV系统大量吸收无功功率, 无功电压控制难度较大。特高压变电站单组电容器/电抗器组容量较大, 单组投切造成较大的无功功率波动和电压波动。特高压联络线存在一定容量的有功功率波动, 输送功率接近稳定极限时造成母线电压大幅度波动, 进一步加大了无功电压控制的难度。
本文在深入分析现有自动电压控制 (AVC) 系统对特高压电网发展适应性的基础上, 探讨了特高压联网对无功电压控制的新要求。通过对传统基于经济压差的无功电压控制策略进行优化调整, 提出了多级AVC协调的特高压电网无功电压控制策略, 实现了特高压和省级电网2个层面AVC系统的协调控制, 实时控制特高压层面和500kV电网层面的无功功率分层平衡。
1 AVC系统无功电压控制现状及问题
目前的AVC系统基本为二级电压控制、三级电压控制2种模式, 其中三级电压控制又可分为硬分区和软分区2类, 国内电网应用较为普遍的是基于软分区的三级电压控制模式[10,11,12]。
二级电压控制模式的主要特点是:电网调度控制中心依据电网运行情况, 制定统一的无功电压控制策略, 控制指令直接下发到各控制设备, 如电厂、变电站等, 各控制设备按照控制指令进行无功电压调节, 进而完成整个电网的无功电压调控。该类控制模式具有代表性的是德国RWE电力公司的自动无功电压控制系统, 中国福建、河南电网AVC系统早期也采用了类似的模式。该模式的实质是在线OPF算法, 结构简单, 易于实施, 但也存在不足: (1) OPF计算完全基于能量管理系统状态估计, 状态估计的准确性对其结果, 甚至收敛性有直接影响; (2) OPF计算时间较长, 当系统中发生大扰动时, 若完全依赖OPF计算结果进行控制, 则AVC的响应速度难以适应电网动态过程快速控制的要求。
为应对日益扩大的电网调控范围, 考虑到无功电压控制具有一定的就地性和可解耦性, 法国电力公司 (EDF) 最早提出三级电压控制模式, 目前在法国、意大利、比利时、西班牙等国的电网中均得到了较好的应用。在这种模式下, 整个控制系统由一级电压控制、二级电压控制、三级电压控制组成。通过无功电压解耦将电网分为若干个二级电压控制区, 各控制区选择1个或多个中枢母线和多台控制发电机, 在各二级电压控制区进行分布式无功电压优化, 大大提高了OPF的计算速度。但是该模式仍存在分区困难、子系统合并为大系统后收敛困难等问题。
中国电网处于飞速发展阶段, 网架结构变化频繁, EDF的硬分区模式难以适应中国电网的实际情况, 基于软分区的三级电压控制模式应运而生, 并在江苏电网得到了实际应用。随即无功电压分区算法得到了大量研究, 诸如模糊聚类、Tabu搜索、免疫中心点聚类、映射分区、遗传算法等, 在理论上均能取得较好的控制效果。基于软分区的三级电压控制模式存在的问题在于面对海量数据时分区算法的有效性和快速性, 以及分区无功电压优化结果与整体无功电压优化结果的能效比对等。此外, 随着各级调度机构各自AVC系统的建立, 上下级电网AVC系统间的信息和控制协调方法也逐步得到了研究, 文献[13]在省地协调方面进行了有益探索, 提出了省地互动的无功电压协调控制模式。
2 特高压联网对无功电压控制的新要求
通过对特高压试验示范工程以及“三华”同步电网形成初期各阶段电网的分析[14,15]可知, 特高压电网无功电压平衡及控制具有以下特点。
1) 特高压电网构建初期, 缺乏直接接入特高压的发电机组, 电网调压除利用站内无功补偿设备外, 更多地利用近区500kV电网的调压手段, 实现良好的电压调控必须基于合理的1 000kV和500kV电压等级调压手段的协调配合。
2) 特高压电网线路长, 相邻两站间电气距离远, 特高压站点间母线电压的同调性不易准确把握。且受到近区500kV电网电压调控能力的影响, 一个特高压站点电压的调整对邻近特高压站点母线电压的影响难以准确评估。
3) 特高压线路负载功率大, 特别是大功率输电时, 功率波动引起的无功电压波动较大, 易引起站内无功补偿设备频繁投切。
4) 特高压变电站无功补偿设备单组容量较大, 一组无功补偿设备投切引起的1 000kV和500kV电网间无功功率交换较大, 某些情况下可能引起较大的电压波动。
因此, 现有的AVC控制模式将面临以下问题。
1) 互联电网规模急剧扩大, 导致数据处理量激增, 以及特高压站点间母线电压的同调性不易把握, 需要对分区算法的有效性和快速性进行深入研究。
2) 基于分区的无功电压控制方法将特高压电网分为一定数量的二次电压控制区域, 该控制区将包含一个或多个原有500kV电网的AVC系统, 如何实现此控制区内1 000kV和500kV电网AVC系统的协调配合也是面临的技术和管理难题。
为解决上述问题, 必须建立适用于特高压电网广域特点的、特高压和500kV电网协调一致的自动无功电压控制系统, 实现精确的无功电压自动控制, 减轻调度运行人员的工作压力。
3 基于经济压差的无功电压控制基本原理
经济压差是指当输电线路无功功率的分点恰好位于该线路中点时, 线路首、末两端的电压之差[16,17,18]。线路运行在经济压差下时:线路充电功率与无功功率损耗基本相当, 不吸收也不发出无功功率;线路两端只有纵向电压跌落, 无横向电压跌落, 即
式中:ΔUj为线路纵向电压跌落;P和Q分别为线路输送的有功和无功功率;R和X分别为线路的电阻和电抗;U为线路两端母线电压的平均值。
此时无功功率就地平衡, 线路有功功率损耗最小, 则
式中:Ploss, min为线路的最小有功功率损耗;B为线路单位长度的电纳;L为线路长度。
当无功功率分点不在线路中点时, 线路有功功率损耗将增大, 特别是当无功功率分点位于线路一端时, 即大量传输无功功率时, 线路有功功率损耗最大, 则
式中:Ploss, max为线路的最大有功功率损耗。
因此, 要实现特高压电网无功电压的优化控制, 关键在于实时控制线路无功功率分点在线路中点, 使线路无功功率传输接近于0, 此时线路两侧母线电压保持经济压差, 线路有功功率损耗最小, 即要求变电站无功补偿投切满足:
式中:QTloss为变压器的无功功率损耗;Qcomp为变压器需配置的动态无功容量;QBH, QHloss, QHrea分别为特高压变压器高压侧的线路充电功率、无功功率损耗和近端高抗无功功率消耗;QBM, QMloss, QMrea分别为特高压变压器中压侧的线路充电功率、无功功率损耗和近端高抗无功功率消耗。
目前, 电网的无功电压实际控制能力尚不足以满足经济压差无功电压控制的要求: (1) 站内以分组投切电容器/电抗器组为主, 动态无功补偿配置不足, 难以满足无功功率实时平衡要求; (2) 该方法要求通过调节变压器分接头进行电压控制, 但对于1 000kV和500kV电网, 变压器多为无励磁调节形式, 分接头无法做到实时控制。
但是, 基于经济压差的无功电压控制, 近似于实现全局最优的局部就地控制, 仅需要少量的就地信息, 信息采集、传输、计算规模小, 对状态估计的依赖性相对较小, 对于特高压电网这种覆盖地域范围广大的电网具有较好的适应性。
4 多级AVC协调的特高压电网无功电压控制策略
考虑到目前500kV省级电网基本已形成各自的主要网架, 省间联络断面基本确定, 各500kV省级电网之间的无功电压耦合性相对较小;而特高压电网则担负着全国联网、大规模西电东送/北电南送的任务, 其无功电压控制水平不仅影响运行的经济性, 同时影响部分重要特高压断面的输电能力。因此, 本文认为在特高压电网逐步形成的过程中, 应将特高压电网作为一个完整的系统, 综合考虑其无功电压控制, 形成特高压层面的AVC系统, 同时以特高压变电站500kV母线侧为考核界面, 形成与省级电网AVC系统的协调互动关系。
本文提出的特高压电网无功电压控制策略具体包括如下几个方面。
1) 特高压变压器分接头位置不由AVC系统控制, 结合大小运行方式电压调整的便利性和解并列时的过电压控制要求来综合考虑[14]。
2) 在电网OPF计算中引入式 (1) , 计算各特高压母线的最佳运行电压值以及与相邻特高压母线间的最佳电压差值。
3) 为实现式 (1) , 必须实现各特高压变电站的无功功率就地平衡, 因此将式 (4) 调整为式 (7) 。
式中:Ci为相关发电机的无功电压灵敏度矩阵参数;Qiv为相关发电机的动态无功储备;N为相关发电机的台数。
式 (7) 将式 (4) 中所需的动态无功补偿容量分解为特高压变电站常规无功补偿Qcomp和近区500kV电网发电机的动态无功功率QBQM, 以实现无功功率实时就地平衡。其实际策略为:实时计算特高压电网所需无功补偿容量, 当其在一组电容器的容量范围内时, 优先由500kV电网发电机按照Ci提供动态无功支撑;当所需无功容量超过一组电容器的容量范围时, 由电容器承担主要容量, 不足部分由500kV电网发电机提供, 从而实现无功功率实时平衡。
4) 特高压AVC系统实时向省调AVC系统传递被控省级电网发电机的机端电压、无功功率调用情况和无功储备情况;省调AVC需要进行500kV电网无功电压控制时, 仍按已有策略执行, 但对被控省级电网发电机的处理上需进行调整: (1) 省调AVC可调用的被控省级电网发电机的动态无功功率由原有的Q降低为Q-Qbk, 即需要为特高压AVC预留控制容量, 其中Qbk为被控省级电网发电机的无功功率; (2) 省调AVC实时向特高压AVC提供相关被控省级电网发电机的无功调用情况和1 000kV变压器500kV侧母线电压的变化情况, 由特高压AVC计算500kV侧母线电压变化对特高压层面无功功率就地平衡的影响, 进一步微调被控省级电网发电机实现特高压层面无功功率的实时分层平衡。
5 算例分析
以特高压“两纵两横”规划网架来说明本文提出的特高压电网AVC系统控制策略的有效性。由式 (1) 得到不同输送功率下特高压线路两端母线经济压差与线路长度的关系, 如图1所示。
由图1可以看出, 当单回特高压线路输送功率不超过5 000MW时, 每传输100km线路两端的经济压差不超过4.3kV, 按照基准电压1 050kV计算其电压跌落不超过0.4%。
首先按照从送端至末端的顺序, 结合特高压落点各500kV电网目前的电压调控范围设定各特高压母线电压的控制范围。以送端锡盟1 000kV母线为例, 结合大小运行方式电压调整的便利性和解并列时的过电压控制要求, 约束其电压最高不超过1 080kV;以通道中间的石家庄站为例, 石家庄站同时承担向河北南网供电和转供大量功率的任务, 按照经济压差, 其母线电压应适当低于送端的蒙西和冀北母线电压, 其电压运行范围可控制在[1 070, 1 040]kV;其他母线电压运行控制范围可沿潮流输送方向按照经济压差对照图1逐次类推。
特高压“两横两纵”网架下某初始方式的潮流图见附录A图A1, 采用经济压差后的潮流图见附录A图A2。对比发现: (1) 采用经济压差后, 各特高压变电站母线电压的控制范围更为明确, 同时通过变压器分接头调整很好地适应了目前500kV电网的无功电压控制实际情况; (2) 采用经济压差后, 特高压电网与500kV电网之间基本可实现无功分层平衡, 特高压电网层面的有功损耗可从423 MW降至367MW, 降低约13%。
下面简要说明特高压电网AVC的实现, 以特高压石家庄站为例。当晋北石家庄、石家庄济南线路上的功率分别为5 586 MW和2 526 MW时, 为实现经济压差, AVC系统计算得到的需要石家庄站低压侧和500kV侧提供的无功补偿容量为2 311 Mvar, 其中由低压侧常规电容器提供1 620Mvar, 由500kV电网机组提供691Mvar (沧东电厂机组195Mvar, 沧东二电厂机组496Mvar) , 从而可以实现式 (7) 的无功功率实时平衡;其他站点的控制方式类似。
对于目前的省级电网AVC系统来说, 进行无功电压优化计算时, 仍按照原有策略进行, 仅需要略为调整Qbk的可调范围即可, 本文不再细述。
6 结语
特高压电网覆盖面积广、运行方式复杂, 无功电压控制难度较高, 构建1 000kV/500kV全电压等级统一的AVC系统既无必要也无可能。采用常用的三级电压控制模式将形成若干1 000kV/500kV电压的二次控制区, 也将面临大量已有500kV电网AVC系统的升级改造问题, 同时面临一个同调区的若干500kV电网AVC协调改造和协调管理问题。本文通过对传统基于经济压差的无功电压控制策略进行优化调整, 提出了多级AVC协调的特高压电网无功电压控制策略:在特高压电网层面构建统一的基于改进经济压差无功电压控制原理的AVC系统, 在500kV电网仍保持现有AVC系统控制策略不变, 仅对交由特高压系统控制的500kV电网内的发电机控制策略进行协调。本文提出的多级AVC系统协调控制模式, 既保证了特高压电网自动无功电压控制的整体性和良好的经济效益, 同时可充分利用已有省级500kV电网的AVC系统, 不必进行大规模改造, 可节约大量投资。仿真分析验证了该策略的有效性, 其可实现特高压和500kV电网之间的无功功率实时分层平衡控制, 降低了特高压电网的网损。
附录见本刊网络版 (http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx) 。
线路故障自动定位系统应用 第6篇
漯河供电公司郊区线路因为分支线多而复杂, 在发生短路故障时线路跳闸, 具体的故障位置还是需要供电所人员全线进行查找, 即使在主干线上用开关分段, 也只能隔离有限的几段, 要找出具体故障位置还是需耗费大量人力、物力和时间, 而且效率很低。之前安装的故障指示器只有本地显示, 线路人员还要根据线路上的指示器的翻牌情况巡线排查, 遇到恶劣的天气也是需要耗费很长时间, 虽然在故障查找时间上有所缩短, 但是仍然有很大的局限性。
2 工作原理
为提高供电可靠性, 及时查找线路故障原因, 提高经济效益, 漯河供电公司郊区10KV线路上安装了北京泽源惠通公司生产的配电网故障定位系统, 该主站系统预设容量可供100条线路的故障指示以及故障短信的发送而不影响处理速度。
故障定位系统主要组成有带通信故障指示器﹑数据转发站﹑主站系统, 其工作原理如下:
在该系统中, 故障指示器FD将检测到的故障信息以短距离无线通信的方式送给相距20米内的数据转发站DT, 数据转发站把得到的故障信息进行校验处理后重新打包, 以短消息的方式通过GSM网发送给设置在调度中心的通信前置机, 通信前置机对短消息进行处理, 判断故障信息是否接收完整后, 将所有动作的故障指示器的信息送给监控主站, 监控主站根据配电网线路进行网络拓扑, 判断出故障位置, 并在图上给出显示, 将故障发生的位置信息通过短信的方式发送给供电所线路巡视人员, 便于直接到故障点进行处理。
此系统为无源法检测系统, 短路故障检测为自适应检测法, 准确率达到98%, 接地故障检测准确率为65%左右;此系统可以进行升级, 接地故障检测采用有源信号注入法, 准确率可以达到95%以上。
3 功能要求
3.1 故障指示器功能要求
故障指示器为短路接地二合一故障指示器;
适合10kV裸导线与绝缘线路;
故障指示由翻牌指示结合LED超高亮显示, 夜间可视范围达到300m以上;
指示器免维护, 壳体抗污秽等级高, 能长时间保持壳体透明度;
为保证指示器适合绝缘线路, 指示器自身电源采用锂电池, 不取用系统电源;
选用以智能型单片机为核心、采用现代信号处理技术进行故障识别的智能型故障指示器, 对安装方向没有要求;
架空型故障指示器应能带电安装和拆卸。
3.2 数据转发站的要求
可以接收故障指示器或者无线接力站发送的无线信息, 判断出故障类型等信息;
利用GSM短消息方式向监控中心转发故障信息;
可以直接安装在线路上, 防止设备被盗;
后备电池采用可靠性更高的锂电池, 不能采用铅酸类蓄电池;
后备电池可方便的更换。
3.3 监控主站软件功能的要求
可以显示线路及故障指示器安装位置的逻辑接线图;可以接收现场指示器动作情况并在屏幕上直观显示;能够根据指示器动作情况进行网络拓扑, 自动计算出故障区段;
能够将故障内容存盘, 备查;
能够将故障信息以短消息的方式转发给相应的运行人员。
4 系统应用
2012年1月份公司对23条10kV线路安装带通信故障指示器, 每条线路安装6-8组故障指示器, 北京泽源惠通公司技术人员完成系统安装、调试。该系统的故障短息发送与线路维护人员的手机进行了捆绑, 每次故障发生后, 相关人员都能及时收到故障定位系统发出的故障短信提示, 抢修人员能够根据短信内容, 经核对故障发生位置, 全部在故障短信所指出的故障点段之内, 及时找到故障点。该系统能正确指示出故障区段, 帮助线路抢修、维护人员快速地查找故障位置, 有效地缩短了故障排查时间, 减轻了供电所工作人员的巡视线路的劳动强度。2012年2-6月期间, 该系统正常运用, 23条架空线路共发生8次故障, 故障信息全部发送到供电所人员手机, 经现场查看, 线路上的指示器翻牌闪光指示, 故障位置准确。
例如:5月23日13时44分, 10kV**线过流跳闸, 随即该线路相关维护人员手机出现短信通知:“**线上:黄庄到万张支线67号杆出现短路故障”。该所立即派人前去该区间段巡视, 发现是67#杆黄李杨分支线隔离刀闸击穿放电引起线路跳闸, 及时发现、处理故障后, 恢复正常供电。
6月2日16时50分, kV**线过流跳闸, 随即该线路相关维护人员手机收到短信通知:“**线上:邢庄分支线到邢庄支线14号杆出现短路故障”, 该所立即派人前去该区间段巡视, 发现是刑庄分支线13#至14#杆因风雨天气, 将树枝刮落到线路引起线路跳闸, 及时发现、处理故障后, 恢复正常供电。
公司23条10KV线路安装线路故障自动定位系统后, 发生的线路故障, 按照短信的提示, 线路维护人员都及时地找到了故障点。由于以前没有使用过该类设备, 为进一步核实该系统的准确性, 在处理故障过程中, 供电所按照短信的提示, 找到故障点后, 还组织人员对全线进行了巡视, 是否有别的故障点, 进行核实;经巡视, 没有发现其他故障点, 才能恢复供电。
5小结
调度自动化系统故障快速定位 第7篇
从2006年开始的“十一五”期间, 全国中心城市将进行大规模的电网建设和改造, 这是建设坚强电网所必须的, 然而这又是对电网建设施工力量的严峻挑战, 特别是自动化主站将面临着工程技术人员严重短缺的局面。按照现行自动化建设模式, 自动化主站需要增加数倍的工程技术人员, 这些工程技术人员从何而来?即使有了足量的工程技术人员“十一五”结束后他们又将如何安置?
定期检查SCADA画面远动自动化遥测和遥信信息的正确性是自动化主站的日常工作之一, 这项工作对于及时发现自动化遥测和遥信信息的缺陷是非常必要的。然而由于自动化信息量很大, 全面检查一次需要很长时间;又由于自动化专业的工程技术人员人员对电力系统了解较少, 对遥测和遥信信息的内在规律性缺乏必要的认识, 导致遥测和遥信信息缺陷的发现率有待于提高。因此, 总结一套快速检查SCADA画面远动自动化遥测和遥信信息正确性的方法是十分必要的。
远动自动化系统是由厂站自动化设备 (RTU) 、通讯系统和自动化主站系统三个方面组成的, 这三个方面任何一个环节出现问题都将造成远动自动化系统失效的后果。如何快速确定故障位置, 组织相关工程技术人员 (自动化主站人员、通讯专业人员和厂站自动化运行维护人员) 进行抢修是提高远动自动化系统可用率的重要方面。由于变电站实现无人值班, 变电站的运行工况全部来自远动自动化系统, 因此尽可能缩短远动自动化系统的失效时间是十分重要的。
1 自动化主站SCADA画面遥测和遥信信息量快速查错方法
结合实际工作, 总结了一套SCADA画面遥测和遥信信息量快速查错方法, 使用这一方法可以快速检查出错误的自动化信息。
1.1 开关遥测与遥信互检法。
若开关遥信为“分”, 则相应遥测一般为“0”;若开关遥信为“分”, 而相应遥测不为“0”, 则遥测与开关遥信中必然有一个是错误的。
1.2 电网正常运行情况下遥测值合理性检查。
遥测数据正常显示的值不带底色, 但可根据数据是越限还是死数据, 先是的数据带不停的底色, 用以区分数据的正确与否。
1.3 数据不刷新检查。
1.3.1利用动态曲线检查数据是否刷新。当动态曲线呈直线时, 遥测数据肯定不刷新。1.3.2利用报表检查数据是否刷新。对于报表中的同一电气设备, 相邻的多个数据值保持不变时, 应检查此遥测, 可能不再刷新。
1.4 利用状态估计软件计算结果校核SCADA。
状态估计软件计算结果可以与SCADA相互校核遥测和遥信信息量数据的正确性。
1.5 变电站自动化当地功能和地调主站SCADA信息量相互校核。
2 自动化系统失效时自动化系统主站、通讯和厂站RTU设备故障定位
以厂站RTU通过模拟通道分别上送集控站SCADA和地调主站SCADA (一发二收) 为例, 讨论在采用IEC-60870-5-101通讯规约和CDT通讯规约时自动化系统失效的故障定位。
地调主站SCADA的故障现象可以是显示变电站自动化信息不刷新, 地调主站表示通道状况的该变电站图标处于静止状态。
采用CDT通讯规约时自动化系统失效的故障定位:
采用CDT通讯规约时, 一般厂站RTU都有部分公共的通讯设备, 这一点完全可以在故障定位时利用。
2.1 检查集控站SCADA相关变电站信息
是否正常, 因为地调主站与集控站通道有共用部分。若不常则是RTU故障和通讯故障可能性较大, 重点区分RTU和通讯故障;若正常则说明是通讯和主站故障的可能性较大, 重点区分主站故障和通讯故障。
2.2 地调主站用听筒听测和表计检测通道电平、频率、干扰和误码情况。
若正常则继续检查地调主站系统, 若不正常则重点区分RTU和通讯故障。
2.3 检查RTU的RUN和TX灯闪动是否正常, 发送电平和和频率是否正常。
若不常则是RTU故障的可能性较大, 针对RTU继续进行检查;若正常则说明是通讯故障的可能性较大。
3 自动化主站SCADA和EMS故障定位
针对自动化主站SCADA和EMS系统故障的快速定位与排除有两种可行性方法。其一, 根据EMS系统自身的告警功能或凭借主站人员专业技术水平和多年的工作经验, 人为的分析和处理系统故障。其二, 利用最先进的人工智能专家系统技术, 建设故障智能诊断专家系统, 帮助技术人员快速分析系统故障并提供故障可能解决方案。
3.1 根据SCADA和EMS系统的告警信息或凭借工作经验, 人工定位常见故障。
以下仅以几个简单示例进行说明。3.1.1主站人员无法查看历史数据。当地调主站工作人员无法查看历史数据时, 首先, 查看数据库文件是否存放在系统指定的硬盘目录下, 若不存在, 则将数据库文件移到系统指定位置。其次, 查看数据库是否连接, 若数据库未连接, 则重新配置连接数据库。若数据库连接正常, 则故障原因就是历史数据没有存储, 历史数据无法存储只有两种可能, 数据库连接中断和磁盘空间已满, 排除第一种可能, 只需备份历史数据, 释放硬盘空间即可。3.1.2系统数据不同步。当地调主站人员发现系统工作站存在数据不一致的情况, 即同一时刻查看同一点的遥测值有所不同时, 只有三种可能情况即前置不同步、数据库不同步和时钟不同步。只要依次进行同步操作, 然后观察EMS系统数据显示结果, 故障即可排除。3.1.3系统网络中断故障。当出现网络中断时, 首先检查故障设备相应网卡指示灯, 如果不亮, 说明物理线路不通, 应检查网线, 网头。如果网卡指示灯亮, 执行Ping命令, 连接同网段的其他机器。如果不通, 检查机器上是否开通防火墙程序, 如果有关闭防火墙程序。
3.2 建设故障智能诊断专家系统。
在自动化主站建设故障智能诊断专家系统, 与SCADA和EMS系统接口实时在线监测EMS系统进程、通道、机器资源状况等, 与系统网络结点 (前置机、服务器、工作站、路由器等网络设备) 通讯, 实时监测设备网络连接和运行状况。鉴于系统故障诊断的专业性、经验性和复杂性, 把系统进程、通道、设备状态和动作以及运行人员的诊断经验用规则表示出来, 形成故障诊断专家系统知识库, 并允许在知识库中增加、删除或修改一些规则, 以确保诊断系统的实时性和有效性, 同时还给出符合人类语言习惯的结论, 并具有相应的解释能力。根据故障与征兆之间的关系, 采用数据驱动的正、反向推理将获得的征兆与知识库的规则进行匹配, 进而获得故障诊断的结论, 确定故障位置和故障类型, 提供故障解决参照方案, 使操作人员以最快的速度排除故障, 保证自动化系统连续、稳定和高效运行。
结束语
一种彩色图像文本自动定位算法 第8篇
当今社会数字视频和图像的应用越来越广泛和深入。通常在视频和图像中包含有文本,这些文本能够提供重要的语义信息。自动提取这些文本对基于内容的视频和图像检索等应用具有重要的实际意义。因此,自动提取图像中的文本近年引起越来越多的研究者的关注[1]。
过去十年来研究者已经提出许多视频图像文本自动提取方法。总结起来可以分为3类:
① 基于连通区域分析(Connected Component Analysis,CCA)的方法。它建立在假定字符的颜色相近并且与背景有一定差异的基础之上[2];② 基于纹理特征的方法[3],它认为图像中的文字具有特殊的纹理属性;③ 基于边缘特征的方法[4,5],它使用边缘密度来定位文本区域。这些方法中通常应用一些关于文本区域的先验知识或规则来从候选文本区域中选取文本区域。
上述方法在检测文本时考虑了颜色、亮度、纹理中的一种,均在一定程度上造成定位错误。本文提出了一种基于颜色的文本定位方法。首先对彩色图像进行多通道分解,得到少量代表颜色下的二值连通区域图像。然后根据先验知识限制,对文本区域进行判别,确定候选文本区域。最后根据文本行(列)的排列规律确定文本行(列)位置。实验结果表明该方法能较快地定位文本区域,定位精度较高。
1 算法描述
为使人们能够注意到图像中的文本,它一般与其周围背景有不同的颜色或亮度。观察发现一幅图像中文本的主要颜色种类通常并不多,大多数情况下只有几种到十几种;而背景颜色种类可以很多。图像分解的目的是把真彩色图像颜色减少为具有少量代表颜色的彩色图像,然后根据代表颜色把图像分解为一系列二值图像。
1.1 颜色约减
在彩色图像中,从背景中将文本分离出来,颜色是非常重要的线索,因为通常情况下图像中相邻字符颜色相近。真彩色图像中用24 bit来表示一个象素的颜色值,因此图像中最多可能有224种颜色。实际上人眼对颜色的变化并没有如此敏感,人眼能区分的颜色数远远低于224。为了检测到图像中的文本并方便处理,可以大量减少图像中的颜色数量[2]。假设颜色约减后的颜色数为NR,按如下步骤进行颜色约减:
第1步:建立真彩色RGB图像的颜色索引。设转换后数据矩阵为X,颜色索引矩阵为ColorMap,则ColorMap为n3矩阵,n为图像中所有不同颜色的个数,ColorMap的每行对应一种颜色,3列分别为红色(R),绿色(G),蓝色(B)分量。对应的每种颜色的象素个数矩阵为NUM;
第2步:若nNR,则结束;
第3步:用文献[6]提出的方法,将颜色数约减为NR,建立新的索引矩阵NewColorMap;
第4步:根据ColorMap与NewColorMap的对应关系,修改数据矩阵X,得到NewX。NewX与NewColorMap确定颜色约减后的新图像。
1.2 图像分解
按上节方法进行颜色约减后,彩色图像中剩下NR种颜色,则可将彩色图像分解为NR幅二值图像,每幅对应一种颜色。设彩色图像中象素P(x,y)的颜色为C(x,y),则与颜色Ci(1iNR)对应的二值图像的象素BPi(x,y)(1iNR)的值为:
1.3 二值图像的连通区域标记
采用行程码的方法标记二值图像的连通区域步骤如下[4,6]:
第1步:扫描输入图像第1行,产生每个行程段的行程码:(行坐标,起始列坐标,终止列坐标,标记);
第2步:扫描输入图像下一行,产生每个行程段的行程码:(行坐标,起始列坐标,终止列坐标,标记);如果一个行程段RL0与上一行的某个行程段RL1是8连通,的则RL0的标记为RL1的标记,如果RL0不与上一行的任何一个行程段8连通,则按顺序赋予RL0新标记;
第3步:若所有行扫描完则进行第4步,否则转第2步;
第4步:具有同一标记的所有行程段构成一个连通区域,据此确定连通区域的所有象素;
第5步:确定每个连通区域的属性,包括外接矩形的左上角顶点坐标(ax,ay),外接矩形的高h,宽w,面积a,中心点坐标(cx,cy)。
经过二值图像的连通区域标记,可得到图像中的每个连通区域的属性。
1.4 连通区域的约束
上小节得到的连通区域不一定包含文本。我们认为包含文本的连通区域的高、宽、面积、高宽比应该满足一定的条件。设图像I的高度为H,宽为W,某连通区域的高为h,宽为w,面积为a。连通区域的高小于图像高度的一半,连通区域的宽小于图像宽度的1/4,连通区域的高、宽、面积大于一定的阈值,高宽比在一定的范围内。即:
H/2>h>THh,W/4>w>THw,
a>THa,THr1>h/w>THr2, (2)
式中,THh,THw,THr1,THr2分别为阈值。实验中选取THh=8,THw=6,THa=16,THr1=2,THr2=0.6。
1.5 文本行的判别方法
在视频和图像中大多数中、英文文本是水平或垂直排列的。一般来说水平排列的文本字符具有相似的高度,垂直排列的字符具有相似的宽度。在本文中主要考虑水平排列的文本。根据水平文本在水平方向字符排列整齐的特点,设计如下水平文本行的判别方法:
第1步:将上一步得到的二值图像中所有连通区域按其外接矩形的右下角的纵坐标在垂直方向上投影。若投影到同一范围内(本文实验中选取其长度为5个象素)的连通区域数不小于3,则将这个范围内的连通区域都列入候选文本行集合。
第2步:从候选文本行集合中取一个未判别的候选文本行。设该候选文本行内有NA个连通区域,它们的外接矩形的右下角为(cxi,cyi),其中cxi为横坐标,cyi为纵坐标,i=1,2,,NA。
第3步:定义VRy为候选文本行整齐程度:
若VRy<THvr,则找到一个文本行,记录其位置,转第2步。THvr为阈值,本实验中取THvr=1.5。否则执行第4步。
第4步:从该候选文本行中去掉满足条件
第5步:若所有候选文本行处理完,结束。否则转第2步。
文本行分析后的图像在水平方向排列整齐的连通区域被保留下来,而其他的连通区域被去除了。垂直文本列的判别方法与水平文本行类似。
1.6 文本区域的合并
对每个二值图像进行连通区域分析和文本行判别,得到对应的结果图像。在理想情况下所有结果图像进行或运算就可以确定文本的位置,但在实际情况中从不同二值图像中提取的同一文本行位置可能有较小的差别,因此要对它们进行合并。对于水平排列的文本,如果2个文本行的纵标值相差小于3象素的距离,并且,2文本行重叠部分面积大于其中较小文本行的面积的80%,则合并为一个行。
2 实验结果与分析
我们选取了543幅图像作为实验数据,并手工标注了测试参照集合。实验图像都来自于www.google.com,包括书刊封面、新闻图片、DVD电影帧、广告图像等。实验结果表明本文算法能准确定位出整齐、颜色相近的文本行,但对于颜色差别大或笔画相连的文本行难以定位。
为了定量评价文中提出的算法,本文采用文献[2]中提出的基于文字区域数目性能评价指标。实验数据的具体信息及结果如下表1所示。
从表1实验结果可以看出,本文算法在总体上达到了良好的检测性能。出现漏检的原因是由于字符与背景的色差太小,在颜色处理中把它们当成背景了。产生虚警的原因是在复杂的背景中含有一些具有与文本图像大小相近和排列规律类似的图像块。
3 结束语
本文提出了一种基于连通区域分析定位彩色图像中文本的方法。该方法使用颜色约减、图像分解、二值形态学处理、连通区域的约束、文本行(列)的判别等技术,能够定位复杂图像中的文本。从实验结果看,本算法对不同类型的543幅图像的检测达到85.67%的查全率,10.29%的虚警率。下一步工作准备采用神经网络或支撑向量机提高连通区域对文本和非文本的判别准确率,进一步降低文本定位虚警率。
参考文献
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[3] KIM K I.Texture-Based Approach for Text Detection in Images Using Support Vector Machines and Continuously Adaptive Mean Shift Algorithm[J].IEEE Trans.on PAMI,2003,25:1631-1639.
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[5] LIU Xiao-qing,SAMARABANDU JAGOTH.Multiscale Edge-based Text Extraction From Complex Images[C]//IEEE ICME,2006:1721-1724.
配电网故障自动定位技术研究综述 第9篇
2011年,科技部在国家高技术研究发展计划(863计划)先进能源技术领域部署的智能电网重大项目研究全面展开。智能电网成为电网技术发展的必然趋势和社会经济发展的必然选择。作为智能电网的重要组成部分,智能配电网是推动智能电网发展的源头和动力,也是智能电网建设的关键技术领域。配电网故障自动定位技术的研究是保证智能配电网安全可靠运行的一项基础性工作,具有重要的现实意义。
一般配电系统电压等级为6~66 k V,网络结构复杂,线路分支多,中性点接地方式多样,相对于传统的输电网故障定位技术,配电网故障自动定位技术的概念更为宽泛,实现上也更为复杂。
长期以来,国内外学者对配电网故障自动定位技术进行了大量的理论和实验研究,这些研究工作主要包括3个方面:故障选线,识别判断母线多条出线中的故障线路,以便采取措施防止故障扩大,重点在于小电流接地配电网发生单相接地故障时的选线;区段定位,确定故障点所在故障区段,以便隔离故障并恢复非故障区域的供电;故障测距,即直接定位出故障位置,避免人工巡查故障点。3个方面的研究本质上均为定位故障,但各自对故障定位的要求不同,目的也有所差异,实现难度上逐渐增加。目前,故障选线已有大量的工业产品应用于现场,但在可靠性与灵敏性方面仍需加强;区段定位有部分产品进入应用阶段,尚不成熟,且小电流接地配电网单相接地故障时的区段定位仍面临诸多问题;配电网故障测距属于前瞻性研究,目前在配电网中产品应用较少,需要在算法原理和信号采集上开展更加深入和系统的研究。
采用中性点有效接地方式的配电网,故障特征明显,其故障自动定位技术主要解决网络结构复杂、线路分支多带来的问题;而采用中性点非有效接地方式的配电网(国内主要指中性点不接地和经消弧线圈接地,为小电流接地方式)中,还需解决故障电流微弱的单相接地故障自动定位问题。
本文将结合最新的研究成果,对配电网故障自动定位技术研究进行分析,从故障选线、区段定位、故障测距3个层面对已取得的研究成果进行论述,分析各方面的研究难点并提出建议。在此基础上,进一步展望配电网故障自动定位技术的未来发展方向。
1 故障选线
故障选线的研究重点是小电流接地配电网发生单相接地故障时故障线路的识别判断,此时故障电流微弱,经消弧线圈接地方式下更是如此。为了确定故障线路,传统的方法是通过检测母线上零序电压的数值来判断是否发生单相接地故障,若发生接地故障,则采用人工逐条线路拉闸的方式选线,此种方法会使正常线路瞬间停电,易产生操作过电压和谐振过电压,且增加了事故的危险性和设备的负担[1],严重限制了小电流接地方式,特别是经消弧线圈接地方式的应用与发展[2]。因此,长期以来,国内外学者对于故障自动选线装置开展了大量的研究工作,提出了多种不同原理的故障选线方法。这些方法按照其利用信息的不同大致分为2类:一是基于外加注入信号的故障选线方法;二是利用单相接地故障时的电气量变化特征进行故障选线,其又可分为基于故障稳态分量的故障选线法、基于故障暂态分量的故障选线法和综合选线方法。
1.1 基于外加注入信号的故障选线
基于外加注入信号的故障选线主要有S信号注入法和脉冲注入法等。
S信号注入法的原理是通过母线电压互感器向接地线的接地相注入S信号电流,其频率处于n次谐波与n+1次谐波的频率之间,一般选择220 Hz,然后利用专用的信号电流探测器查找故障线路[3]。脉冲注入法的原理与S信号注入法相似,但其注入信号是周期间歇性的,频率更低且可控[4]。总体而言,基于外加注入信号的故障选线方法需配置专用的注入信号源和辅助检测装置,投资成本高,且注入信号的强度受电压互感器容量限制,同时选线可靠性受导线分布电容、接地电阻等因素的影响较大,如果接地点存在间歇性电弧,注入的信号在线路中将不连续且信号特征将被破坏,给检测带来困难。
1.2 基于故障电气量变化特征的故障选线
1.2.1 基于故障稳态分量的故障选线
基于故障稳态分量的故障选线方法有[1]:零序电流幅值法、零序电流比相法、零序电流群体比幅比相法、零序无功功率方向法、最大Isinφ或Δ(Isinφ)法。
上述方法只适用于中性点不接地系统,对于中性点经消弧线圈接地系统则存在适用性问题。为克服此缺点,提出了零序电流有功分量或有功功率法、DESIR法、5次谐波法、各次谐波综合法、零序导纳法、残流增量法、负序电流法等。
总体而言,基于故障稳态分量的故障选线方法存在的主要问题是,当故障点电弧不稳定,特别在间歇性接地故障时,由于没有稳定的稳态信息,选线可靠性不高。此外,当采用消弧线圈接地方式时,经补偿后的稳态故障电流值很小,难以满足实际应用要求。
1.2.2 基于故障暂态分量的故障选线
基于故障暂态分量的故障选线方法可以克服稳态分量选线法的灵敏度低、受消弧线圈影响大、间歇性接地故障时可靠性差等缺点,该方法的实施关键是暂态特征分量的提取和选线判据的建立。目前基于故障暂态分量的故障选线方法主要有2种。
a.首半波法。利用接地故障暂态电流与暂态电压首半波相位相反的特点进行故障选线[5],为提高可靠性,通常分析暂态量在一定频段即所选频带内的相频特性,此时极性相反的特性将保持一段更长的时间。
b.小波法。利用合适的小波和小波基对暂态零序电流进行小波变换,根据故障线路上暂态电流某分量的幅值包络线高于健全线路的幅值包络线,且二者极性相反的关系等特征选择故障线路[6,7]。
由于暂态信号受过渡电阻、故障时刻等多种因素影响,暂态信号呈随机性、局部性和非平稳性特点,有可能出现暂态过程不明显的情况[8],此时暂态分量方法选线的可靠性与灵敏性将会受到一定的影响。
1.2.3 综合选线
综合选线方法同时利用故障稳态和暂态信息进行故障选线,主要有如下方法。
a.能量法。定义线路零序电压与零序电流乘积的积分为能量函数,则故障前所有线路的能量为零,故障后故障线路的能量恒小于零,健全线路的能量恒大于零,且故障线路能量幅值等于所有健全线路能量幅值和消弧线圈能量幅值之和,据此可选出故障线路。由于故障电流中有功分量所占比例较小,且积分函数易累积一些固定误差,限制了其检测灵敏度的提高[9,10,11]。
b.基于信息融合技术的选线方法。小电流接地系统单相接地故障情况复杂,单一的选线判据往往不能覆盖所有的接地工况。此种方法多运用智能控制理论来构造每种选线方法的适用域,以实现多种选线方法的综合和判据最优化[12,13,14]。
1.3 研究的难点和建议
尽管已有大量故障选线方法被提出并应用到现场,但实际效果并不理想,究其原因,难点在于下面3个方面[1]。
a.故障特征不明显。小电流接地系统单相接地时故障稳态电流微弱,故障暂态信号虽然幅值比稳态信号大,但持续时间短。
b.不稳定故障电弧的影响。现场的单相接地故障中,对于弧光接地,特别是间歇性电弧接地,没有一个稳定的接地电流(包括注入的电流)信号。
c.随机因素的影响。我国配电网运行方式多样,变电站出线长度和数量频繁改变。
针对以上难点并综合已有研究成果[15,16],故障选线技术应主要从以下方面展开深入研究。
a.理论与实际的结合。深入研究小电流接地系统单相接地故障产生的原因、发展过程及各种环境因素的影响,特别是绝缘丧失、树木倒塌等引起的弧光间歇接地下的稳态和暂态过程,为提高故障选线方法的灵敏性及可靠性提供理论基础与实践经验。
b.多判据的信息融合选线。深入研究每种选线方法的有效域,利用信息融合技术实现多种方法的综合与判据最优化,发挥各选线方法的互补性,提高选线准确性。
c.现代信号处理技术的引入。现代信号处理技术如小波分析、Prony算法、希尔伯特-黄变换、S变换、数学形态学、卡尔曼滤波、分形理论等的提出与应用,将提高对微弱故障信号的辨识及特征提取能力。
d.微弱故障信号的采集。故障信号的精确可靠采集是选线技术的基础,特别是经消弧线圈接地系统单相接地时故障信息的采集。
2 区段定位
区段定位是为了及时准确地定位故障区段,以便隔离故障区域并尽快恢复非故障区域供电,对于提高供电可靠性具有重要意义。虽然采用重合器和分段器相互配合的方式能够达到目的,但这种方法开关设备配合困难,对开关性能要求高,适用于结构相对简单、运行方式相对固定的配电网络,且多次重合对设备及系统冲击大[17]。因此,新的区段定位方法被提出并应用于现场,这些方法中,故障特征明显的情况下,研究主要集中在判断准确、快速且具有高容错性的定位算法上,故障特征微弱的情况(小电流接地方式单相接地故障)下,还需研究解决故障识别判断的方法。
2.1 区段定位算法
区段定位算法的目的是使定位判断更准确、快速且具有更高的容错性,国内外学者提出了多种不同原理的区段定位方法,按照其利用信息的不同大致分为2类:基于沿线装设的现场设备馈线终端单元FTU(Feeder Terminal Unit)或者故障指示器FI(Fault Indicator)采集的故障实时信息,实现故障区段定位功能;利用电力用户打来的故障投诉电话TC(Trouble Call),同时根据相关信息,如用户电话号码、用户代码与终端配电变压器连接的资料、地理信息和设备信息等,最终实现故障区段定位[18]。
2.1.1 基于现场设备的区段定位
基于现场设备采集的故障信息的区段定位方法主要有以下2种。
a.矩阵法。文献[19]中提出统一矩阵算法,其基本过程是首先根据配电网的拓扑结构构造一个网络描述矩阵,根据过流信息生成一个故障信息矩阵,由此得出故障判断矩阵,从而准确地判断故障区间。文献[20-21]提出了一系列改进的矩阵区段定位方法来提高矩阵法的计算效率、适用范围以及信息容错能力,通过引入故障过流方向、网络正方向及新的判据等方法解决多电源故障定位问题、多重故障定位问题以及信息不完备或信息畸变时的故障定位问题。文献[22]提出的链表法思想与矩阵法类似,但其通过链表的形式直接建立网络拓扑从而通过基于树枝节点有序集合的2次定位来完成故障区域的搜索,提升了运算效率和畸变数据的纠错能力。
b.人工智能法[23,24,25]。此类方法在网络结构改变、上传的实时信息出现信息畸变或不完备等情况下依然能够准确地定位故障区段,主要有人工神经网络、遗传算法、粗糙集理论、数据挖掘、Petri网、仿电磁学等算法。
基于现场设备采集故障信息的区段定位方法判断快速、准确,具有一定的信息容错能力,但由于矩阵法采用的故障定位信息仅为区段两端设备的过流信息,信息容错能力较弱,而以人工智能为基础的定位方法存在模型构建相对复杂、定位效率不高以及模型不够完善等缺点。
2.1.2 基于故障投诉电话的区段定位
基于现场设备采集的故障信息的区段定位方法投资较大,需要高质量的通信通道与大量的现场设备,目前一般只在负荷密集地区采用此种方法。对于不满足条件的地区,可通过故障投诉电话定位故障区段,主要有如下5种方法。
a.人工神经网络[26]。利用人工神经网络的模式识别能力对故障投诉电话进行分析来定位故障区段。
b.专家系统[27]。其通过专家知识库及推理来模拟人类专家进行区段定位。
c.模糊集[28]。使用模糊集理论,按照隶属度函数确定各个设备隶属于故障的隶属度,找到隶属度大于某个阈值的可开断设备,从而定位故障区段。
d.粗糙集理论[29]。利用粗糙集方法对故障定位决策表进行化简并导出区段定位的最小约简形式,从而快速准确地进行定位。
e.贝叶斯算法[30]。利用贝叶斯不精确推理方法排除故障投诉中错误信息的不利影响,从而实现区段的高效定位。
2.2 故障识别判断
故障特征微弱情况(小电流接地方式单相接地故障)下,为使现场设备能够采集并上传故障信息,区段定位还需解决好现场设备对故障的识别判断问题。此时可借鉴故障选线的诸多方法,但为便于现场实现,故障识别判断算法应尽量基于本地信息。目前提出的方法有基于注入法,稳态量方法中的残流增量法、零序电流相位法、故障电阻测量法、负序电流法、谐波法,暂态量方法中的小波法等。基于注入法在发生接地故障时,向故障线路发出具有明显特征的电流信号,现场设备对检测到的电流信号解码,判断是否为信号源注入的特征电流信号以确定故障区段。残流增量法在故障发生后调节消弧线圈的补偿电流,利用调节前后现场设备或移动式设备测量到的零序电流变化量信息确定故障区段。零序电流相位法一般利用零序电流与电压在故障路径与非故障路径的不同,通过磁场检测及现代通信等技术定位故障区段。故障电阻测量法通过测量接地故障电阻来保护高阻接地,可用于现场设备的故障识别判断以进行区段定位。以上方法面临的问题在故障选线中已多有讨论,不再赘述。
2.3 研究的难点和建议
目前区段定位已有部分产品应用于现场,但尚不成熟,其难点在于:故障特征微弱、不稳定故障电弧以及随机因素的干扰给现场设备对故障的识别判断带来诸多问题;配电网接线方式复杂、结构改变频繁等给区段定位算法带来了适用性等问题;现场设备上传的故障信息出现信息畸变时造成的定位问题。
针对以上难点并综合已有研究成果[18],本文认为区段定位技术应主要从以下方面展开深入研究。
a.借鉴故障选线技术,研究小电流接地方式单相接地故障时,现场设备对故障的识别判断方法,应尽量基于本地信息,必要时可使用本线路相邻现场设备的信息,但应尽量避免使用其他线路上的现场设备信息。
b.融合矩阵法和各智能算法,提高区段定位的综合性能。矩阵法和各智能算法有各自的优缺点,将它们有选择地组合运用,有望在故障区段判断准确迅速的前提下具备较高的容错能力。
c.结合基于现场设备采集的故障信息和基于故障投诉电话的区段定位方法,提高定位的容错能力、适用范围等。基于现场设备采集的故障信息区段定位方法对通信通道及现场设备要求高,在硬件设施不充分的情况下,可结合基于故障投诉电话的区段定位方法定位故障区段。
d.研究适应分布式电源接入下的配电网区段定位方法。随着智能电网的发展,配电网中分布式电源的比重将逐步增加,故障情况下的电流分布将发生变化,对故障区段定位方法提出了新的要求。
3 故障测距
配电网故障测距是为了迅速准确地定位故障位置,避免人工巡查故障点,对及时修复线路和保证可靠供电、保证系统的安全稳定和经济运行都有重要作用。现有的故障测距方法中,对于故障特征明显的情况,研究主要集中于解决多分支下基于有限测量点的精确定位问题;对于故障特征微弱的情况,测距中基于故障稳态量方法将基本失效,研究主要集中于暂态量方法和注入法测距等。
3.1 注入法故障测距
注入法是在系统故障后通过电压互感器等向系统注入某种特殊信号,利用检测到的信号定位故障位置,主要有S注入法、单端注入行波法、端口故障诊断法和加信传递函数法等。S注入法是利用故障时暂时闲置的电压互感器注入特殊信号,通过寻踪注入的信号定位故障的准确位置[3]。单端注入行波法是在线路始端注入检测信号,通过注入信号时刻与故障点返回信号时刻的时差来确定故障位置,同时从录波波形中分析提取线路特殊点的特殊波形,分析出正常情况和故障情况下的网络拓扑结构,从而判定故障分支[31]。
目前只有S注入法测距有部分产品应用,总体而言,注入法测距需配置专用注入信号源和辅助检测装置,投资成本高,且注入信号的强度受电压互感器容量限制,测距精度受导线分布电容、接地电阻等因素的影响较大,如果接地点存在间歇性电弧,注入的信号在线路中将不连续且信号特征将被破坏,给测距带来困难。
3.2 基于故障稳态量的测距法
基于故障稳态量的测距法目前主要针对故障特征明显情况下的测距[32,33,34,35]。其基本原理是先假设故障前后负荷电流没有变化,由此得出故障电流,然后结合待分析配电网独有的特性,如多分支、不对称线路、不平衡运行及时变的负荷,迭代计算出故障实际位置。这种方法受路径阻抗、终端负荷和电源参数等因素影响较大,且不适用于小电流接地配电网单相接地故障时的测距,因此国内研究较少。
3.3 基于故障暂态量的测距法
配电网基于故障暂态量的测距法主要指以测量故障产生的行波为基础的行波测距法。基于行波的故障测距受电流互感器饱和、故障电阻、故障类型及系统运行方式影响小,定位精度高,在输电网获得了成功的应用。近年来,大量的研究工作集中于行波在配电网中应用的可能性。文献[36]分析了单相接地故障时的行波传输特性;文献[37]论证了利用配电变压器传变行波的可行性并给出了利用故障初始电流、电压行波线模分量实现配电线路双端故障测距的方法;文献[38]在对配电线路结构进行具体分析的基础上,利用单端行波法对带有分支的线路进行故障定位,其对故障产生的暂态行波进行检测,通过识别来自故障点和不连续点的反射波来确定故障区段,在确定了故障区段的基础上,找到与故障点相关的2个反射波,并由这2个反射波的最大相关时间计算得到故障点到检测端的距离;文献[39]提出了利用零模行波分量和线模行波分量速度差的配电网故障测距新算法,其只需判断行波的初始波头的到达时刻,故不受分支的影响,同时该文献利用零模波头的李氏指数来估算零模波速度;文献[40-42]提出了特征频率这一概念,利用小波变换提取暂态行波的频率,结合配电网拓扑结构以确定故障位置;文献[43-44]引入了神经网络等工具,利用暂态行波的波头、频率、能量等特征作为输入量进行故障测距。
总体而言,基于故障暂态量的测距法适用范围广、测距精度高,对实现配电网故障测距具有重要研究意义,但需在信号获取、有限测量点定位故障位置和复杂结构下定位算法适用性等实用化方向展开深入研究。
3.4 研究的难点和建议
配电网的故障测距属于前瞻性研究,目前仍处于理论研究阶段。多分支的配电网故障测距对测量误差及伪根的识别要求更高,故障信号微弱下的故障测距更是难点,同时从实用方面考虑,配电网故障测距需提供易大面积推广的低成本故障测距技术。针对以上难点并综合已有研究成果[45],提出了3点建议:基于故障暂态量的行波测距法定位精确,且能适应小电流接地单相接地故障情况,满足智能电网的发展需求;行波测距法应研究有限测量点下的配电网精确定位技术,需重点研究利用暂态数据的突变点(波头)、频率值、零模线模时间差等特征量进行故障测距;需研究配电网暂态数据的获取方式,考虑各种抗干扰措施以适应现场故障随机与多变的特性(如间歇性接地等)的实用化测距方案。
4 研究展望
对于目前的配电网故障定位技术而言:故障选线技术相对较成熟,但仍需在实际应用中提高其可靠性及灵敏性;适用于故障特征明显时的区段定位算法研究较多,但仍需在容错性、适用性等方面进一步研究,故障特征微弱时的区段定位是难点;故障测距属于前瞻性研究,需在算法及信号获取上开展更加广泛而深入的研究;状态监测技术可用于配电网的故障自动定位,如文献[46]提出的高压电缆用分布式光纤传感检测系统即可用于电缆故障定位;由于配电网自身特点,配电网故障自动定位技术中的故障选线与继电保护功能相似,一般也可称为接地保护,区段定位与配电系统自动化技术结合紧密,是馈线自动化实施的基础;现有配电网故障自动定位技术往往脱离实际配电网结构来讨论,需研究放射式与树型、拉手式与环式等各自结构特性对区段定位和故障测距带来的影响;随着分布式电源的接入,需研究其对配电网故障自动定位技术的影响;在配电网系统中,还需特别针对架空线路与电力电缆混合线路[47]、铁路供电线路[48]的故障定位技术展开研究。
摘要：根据已有的研究成果,对配电网故障自动定位技术研究涉及的主要内容,即故障选线、区段定位、故障测距进行了综述。故障选线是为了识别判断母线多条出线中的故障线路,其主要包括:基于外加注入信号的故障选线,基于故障稳态量、暂态量和综合式故障选线等。区段定位旨在迅速隔离故障并恢复非故障区域供电,主要研究包括:基于现场设备采集的故障实时信息、基于故障投诉电话等定位方法以及故障特征微弱时的故障识别判断。故障测距的目的是直接定位出故障位置,其主要包括:注入法故障测距、基于稳态量故障测距和基于暂态量故障测距。结合配电网故障自动定位技术及最新研究成果,对其发展方向进行了展望。
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