艦船電力系統量子遺傳算法的故障診斷方法研究

侯新國，王家林

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艦船電力系統量子遺傳算法的故障診斷方法研究

侯新國，王家林

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

為能準確的確定故障元件，建立了考慮保護或斷路器拒動情況下適合艦船電力系統故障診斷的數學模型，利用量子遺傳算法對故障診斷數學模型進行求解，并利用典型艦船電力系統故障算例對所提方法進行了驗證，算例結果說明了該故障診斷模型的合理性和診斷結果的準確性。

艦船電力系統 故障診斷 量子遺傳算法 目標函數

0 引言

艦船電力系統為獨立電力系統，艦船所處環境惡劣，電力系統極易因戰斗損傷或操作不當在某一集中的地方產生多個故障而導致負載失電[1]。隨著艦船電力系統結構形式日趨復雜、電壓等級提高、設備趨向大容量化，艦船綜合電力系統對供電的要求越來越高，艦船電力系統故障診斷的研究顯得越來越重要[2]。目前，陸地電力系統的故障診斷方法相對比較成熟，主要通過利用有關電力系統及其保護裝置和斷路器等的信息，采用專家系統、人工神經網絡、遺傳算法、Petri網絡、基于優化技術的等方法識別故障元件位置(區域) 、類型和誤動作的裝置[3-4]。這些方法為艦船電力系統故障診斷方法研究提供了很好的思路。本文在深入分析艦船電力系統獨特的結構和保護配置特點的基礎上，建立適合艦船電力系統故障診斷的數學模型，利用量子遺傳算法對模型進行求解。并對故障診斷模型的合理性和診斷的準確性進行了仿真。

1 艦船電力系統結構特點和保護配置

本文研究的典型的艦船電力系統[5]如圖1所示，發電機電源之間利用縱橫向跨接線或母線將主配電板連接起來形成回路，這樣既有從主配電板到分配電板到負載的縱向連接又有各主配電板之間的橫向接線方式，形成環型網絡，各電站通過主配電板以環形聯結，每個主配電板上都設有發電機之間的隔離開關，必要時所有發電機組均可單獨工作，實行分區供電，提高供電的靈活性。配電網絡采用輻射式結構，重要負載直接接在主配電板上，其它負載由區域配電板即負載中心供電，這種供電模式，提高了供電的可靠性和生命力，是艦船電力系統發展的一個重要方向。電站1及其輻射式配電網絡結構如圖2所示，其中G表示發電機，T表示變壓器，L表示線路，B表示母線，CB表示開關(CB8，CB25為常開開關)。

目前在艦船電力系統中，保護分為瞬時脫扣，短延時脫扣和長延時脫扣，它們相互配合組成整個艦船電力系統的保護系統，這三種保護的功能與陸地電力系統主保護、近后備保護和遠后備保護實現的功能特點是一致的。為表述方便，將艦船電力系統保護統一按主保護，近后備保護和遠后備來進行說明和定義[6]。

艦船電力系統因艦船的特殊需要造成其保護和陸地電力系統相比具有顯著的不同，主要體現在如下幾個方面：(1)線路和設備密集，供配電線路短，與陸地電力系統線路分為受端和送端保護不同，艦船電力系統線路故障時，保護控制兩端斷路器跳閘；(2)開關和保護裝置一體化設計，一般不設置斷路器失靈保護功能；(3)以主母線為中心可將電力系統劃分為幾個相對獨立的單側電源輻射狀結構的輸配電區域，元件故障時，由主保護或近后備保護動作，相關斷路器跳閘切除故障；若本元件保護未能切除故障，則由靠近電源側的關聯元件(上級關聯元件)保護作為遠后備保護動作，相關斷路器跳閘切除故障；而陸地電力系統是多源系統，將所有關聯元件保護作為遠后備保護；(4)電力系統網絡的最底層元件與負載設備直接相連，負載設備發生故障時由其自身的保護將設備隔離出電網，故網絡的最底層元件如圖中：L3，L4，L5等元件只設有主保護和近后備保護，不設有遠后備保護。

2 艦船電力系統故障診斷模型

艦船電力系統發生故障后，最終都會由相關的保護和斷路器動作，形成失電區域。通過對故障前后的電力系統拓撲分析得到故障后的無源網絡，故障元件肯定在無源網絡中，這些無源區域就是故障失電區域，故障元件的識別就可以局限于故障失電區域中所包含的元件。

文獻[7]提出的故障診斷模型如式（1）所示，

文獻[8]指出了文獻[7]中的故障診斷模型存在多解的問題，提出了計及主、后備保護之間狀態關系對目標函數的共同影響的改進電力系統故障診斷優化模型如式(2)所示：

圖1 典型的艦船電力系統

圖2 電站1及其輻射式配電網絡

3 采用量子遺傳算法的故障診斷模型的求解

量子遺傳算法融合了量子理論和經典遺傳算法的優點，具有比普通遺傳算法更好的種群多樣性、更快的收斂速度和全局尋優的能力，本文根據艦船電力系統故障診斷問題的特點，給出量子編碼方案，并采用量子遺傳算法來求解故障診斷問題[9-10]。

4 仿真算例

為驗證所采用方法的正確性，在如圖2所示的測試系統中對兩個故障算例進行測試。該測試系統共有20個元件、33個斷路器和50個保護。

20個元件依次編號為(S1~ S20)：B1,…,B6；T1,…,T4；L1,…,L10；

33個斷路器依次編號為（C1~ C33）：CB1，CB2，…，CB33；

50個保護中，20個為主保護，20個為近后備保護，10個為遠后備保護。主保護依次編號為（r1~ r20）：B1m，…，B6m；T1m，…，T4m；L1m，…，L10m；近后備保護依次編號為（r21~ r40）：B1p，…，B6p；T1p，…，T4p；L1p，…，L10p；遠后備保護依次編號為（r41~ r50）：B1s，…，B6s；T1s，T2s；L1s，L2s。其中m，p，s分別表示主保護、近后備保護和遠后備保護。

4.1 故障算例

測試系統發生故障，警報信號：保護T1P， B1s，T2m，L5p動作，斷路器CB5，CB3，CB1，CB6，CB7，CB13跳閘。

通過網絡拓撲識別得到故障區域需要進行故障診斷的元件為：B1，B3，B4，T1，T2，L3，L4，L5，L6。對應的元件狀態向量為S=[s1, s2,…s9]；斷路器實際狀態向量C=[c1, c2,…c14]=[1,1,0,1, 1,1, 0,0, 0,0,1,0,0,0]，分別對應斷路器CB1，CB3，CB4，CB5，CB6，CB7， CB9，CB10，CB11，CB12，CB13，CB14，CB15，CB16。保護的實際狀態向量R=[r1, r2,…r23]= [0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,1,0,1,0,0, 0,0,0,0,0, 1, 0,0]分別對應B1m，B1p，B1s，B3m，B3p，B3s，B4m，B4p，B4s，T1m，T1p，T1s，T2m，T2p，T2s，L3m，L3p， L4m，L4p，L5m，L5p， L6m，L6p。

表1為保護和斷路器的期望狀態。

表1 保護和斷路器的期望狀態

由此，根據式(3)形成目標函數

S=[s1, s2,…s9] =[0,0,0,1,1,0,0,1,0]，對應的故障元件為變壓器T1，T2，線路L5。

根據保護和斷路器的報警信號以及診斷結果，可以分析得知：變壓器T1故障，主保護拒動，由近后備保護動作，斷路器CB5跳閘，斷路器CB4拒動，由母線B1的遠后備保護動作，斷路器CB3，CB1，CB6跳閘；變壓器T2故障，主保護動作，斷路器CB6,CB7跳閘；線路L5故障，主保護拒動，由近后備保護動作，斷路器CB13,CB14跳閘，其中斷路器CB14跳閘信息漏報。這是一個存在主保護拒動、斷路器拒動和斷路器信息存在漏報的多元件故障，使用本文所述模型可以準確的診斷出故障元件。

對本文采用的故障診斷模型的幾點分析：

（1）對于存在保護拒動、斷路器拒動和單個斷路器誤動或信息漏報的多元件故障，該故障診斷模型可以得到準確的診斷結果；

（2）斷路器告警信息在該故障診斷模型中表現為相關保護信息的狀態，若出現保護信息漏報或誤報，使用該故障診斷模型會出現漏診斷或誤診斷。

5 小結

本文在分析艦船電力系統獨特的結構和保護配置特點的基礎上，建立考慮保護或斷路器拒動情況下計及主、后備保護之間狀態關系對目標函數的共同影響的適合艦船電力系統故障診斷的數學模型，并采用了量子遺傳算法對模型進行了求解。故障算例說明在存在主保護拒動、斷路器拒動、誤動和斷路器信息存在漏報的多元件故障情況下，該模型能得到正確的唯一的診斷結果。但當故障保護動作信息缺失或誤報時，該模型會出現漏診和誤診的問題，需要進一步研究。

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Fault Diagnosis Method of the Shipboard Power System

Hou Xinguo, Wang Jialin

(College of Electronic and Information Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM711 TP18

A

1003-4862（2013）12-0001-04

2013-03-16

侯新國（1972-），男，博士，副教授。研究方向：電力系統故障診斷，網絡化設備故障診斷。