(安徽交通職業(yè)技術(shù)學院，合肥 230051)

基于非對稱模型的變電所數(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)學院，合肥230051)

牽引變電所作為給電力機車提供電能的場所，保障電能的穩(wěn)定與安全性;由于電力機車是非線性負載高速運載具有不平衡特性，在吸收電網(wǎng)的基波電流的同時也在反饋回流諧波電流，給電網(wǎng)運行帶來波動干擾與濾波畸變，對供電線路與負荷安全帶來威脅;基于通過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量數(shù)據(jù)融合技術(shù)與自適應模型修正功能，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專線的快速發(fā)展，電力機車運營安全與可靠性能都需要足夠的電能供應保障。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)是電力機車安全運行核心環(huán)節(jié)[1]。當能量損耗和抗干擾波動，噪聲與電流電壓突變畸變發(fā)生時，電網(wǎng)供電能力和安全會帶來威脅。而電力機車本身是具有非線性非對稱的負荷特點，一旦遇到濾波干擾，供電電流電壓誤差超出預設(shè)值，會造成線路和設(shè)備故障或跳閘，中斷供電。

本文在綜合分析上述故障特點的情形下，利用數(shù)據(jù)庫采集和保存原始數(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)供電在合理運行區(qū)間，提高電能傳輸?shù)姆€(wěn)定和可靠性，為現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫故障建設(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算

目前牽引變電所通常裝有并聯(lián)補償裝置或濾波裝置[2]，牽引負荷屬于不對稱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)絡連接。裝設(shè)的兩臺單相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。計算電流與電壓輸出時高壓側(cè)三相端子A，B，C和負荷側(cè)三相端子a，b，c作為節(jié)點，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)、負荷側(cè)對應的各個節(jié)點。在電壓畸變和諧波穩(wěn)

1)變電所模型匹配時：由于供電負荷側(cè)與母線側(cè)加裝了并聯(lián)補償裝置，在能量損耗和減少線路功率變化同時，電流與電壓輸入輸出呈現(xiàn)線型比例關(guān)系。通過仿真可以得出優(yōu)化誤差的效果明顯改善。通過改變模型狀態(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)運行和提高供電安全。

2)變電所模型失配時，干擾波動與噪聲濾波影響對供電誤差的優(yōu)化修正難度較大，通過自適應控制模型與數(shù)據(jù)融合，剔除數(shù)據(jù)庫中超過誤差設(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)庫的參數(shù)，與 原始采集的數(shù)據(jù)進行比較，由于變電所產(chǎn)生的誤差由受到干擾的不對稱正弦電流、電壓引起的，如果處理不及時造成局部供電中斷和接觸網(wǎng)局部運營事故，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 實時采集與數(shù)據(jù)庫記錄保存

通過變電所模型接線圖，選擇輸入與輸出參數(shù)定義變量，利用上位機KingView監(jiān)控仿真設(shè)計主接線[5]，變量為上位機設(shè)置和現(xiàn)場采集的(內(nèi)存和I/O變量)、電流、電壓和有功功率。定義線路和設(shè)備的運行狀態(tài)，采集的數(shù)據(jù)依據(jù)電流電壓互感器，負荷側(cè)功率利用三相功率表。設(shè)置故障線路點和高壓開關(guān)故障(正常運行三相電壓值，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KingView數(shù)據(jù)變量設(shè)置

下位機中建立通信鏈接，利用C語言編譯動態(tài)運行動畫，設(shè)置誤差超過設(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，由于故障點導致采集數(shù)據(jù)發(fā)生變化會引起設(shè)備或線路燒毀造成供電危害影響列車運營[6]。在并聯(lián)補償裝置中，電容值和電感值不隨頻率的變化而變化，能夠動態(tài)跟蹤，可調(diào)節(jié)輸出無功，具有一定的濾波功能。因此，只需要知道基波參數(shù)，按相應的諧波次數(shù)即可求出其在諧波下的數(shù)值采集與檢測數(shù)據(jù)如圖2所示，仿真數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的誤差見表2，監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)見圖3。

圖2 實時采集與檢測數(shù)據(jù)運行狀態(tài)并保存

2 自適應數(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，為了確保電力機車得到安全可靠的電力供應，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)，自動適應控制要求和調(diào)節(jié)的過程，具有自動修復和自動適應的能力。

表2 阻抗的理論值與仿真值

圖3 數(shù)據(jù)庫監(jiān)控示意圖

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

特征層分析依據(jù)數(shù)學模型進行推斷并剔除不合理的參數(shù)等級并建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[8]，從中找到類似的模型庫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。當測量過程中，多傳感器測量數(shù)據(jù)誤差過大或者失效時，其他有效傳感器數(shù)據(jù)能獨立提供信息不受影響，系統(tǒng)可以依據(jù)正常傳感器測量的信息獲知準確的數(shù)值。

由于傳感器測量數(shù)據(jù)中存在不確定和波動，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)這些測量數(shù)據(jù)所得到的估計值也存在估計誤差[9]，然而這種估計誤差是隨機量，一般用均方誤差來評價測量方法的結(jié)果，由于傳感器自身的均方誤差影響了估計值均方誤差，誤差的結(jié)果需要重新評估和計算。本文將利用這種自適應結(jié)合數(shù)據(jù)修正融合的策略解決變電所變配電過程中出現(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)過電流現(xiàn)象，優(yōu)化策略保持電力系統(tǒng)對負荷供電的安全和穩(wěn)定。

2.2 自適應控制計算與仿真

采用自適應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)試中其靈敏度和識別度都要求很高[10]，只有不斷測試采樣的數(shù)據(jù)，來縮小數(shù)值波動范圍來達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)值都會與實際值產(chǎn)生誤差，為了減少干擾和波動，保證電能穩(wěn)定可靠的運行，供電電流電壓和功率參數(shù)必須達到誤差可控的范圍。

設(shè)有N傳感器對某控制對象(采集10組數(shù)據(jù)，對供電原始電流、電壓值)進行測量，首先對Xi(i=1,2…,N進行數(shù)據(jù)檢驗，檢驗準則是X1，X2，…,Xn的相鄰兩值之差不應超過設(shè)定誤差ε。即：

|X2-X1|≤ε；… ；|Xn-Xn-1|≤ε。

(3)

總均方誤差為：

(4)

因為X1,X2,…,Xn彼此獨立,并且為X的無偏估計,所以:

E[(X-Xp)(X-Xq)] =0，

(p≠q,p=1,2,…,n;q=1,2,…,n)

(5)

圖4 變電所自適應控制仿真誤差優(yōu)化(模型匹配時)

自適應控制必須建立在變電所準確的模型基礎(chǔ)上，通過傳感器采集原始數(shù)據(jù)和分析參數(shù)狀態(tài)，通過Matlab仿真結(jié)果對比跟蹤參數(shù)修正融合。在未知傳感器測量數(shù)據(jù)有任何先驗知識前提下，只靠傳感器所提供的測量數(shù)據(jù)，可以計算出誤差最小的數(shù)據(jù)融合值[11]。估算后均方誤差小于依靠單個傳感器估計的均方誤差，而且還小于采用多傳感器均值平均值估計的均方誤差，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)誤差也會得到控制，電壓畸變和波動、噪聲干擾、閃變等外部影響均不會造成大面積供電系統(tǒng)不穩(wěn)定和事故發(fā)生，根據(jù)各個傳感器在某一時刻的測量值而進行的估計，當估計真值X為常量時，則可根據(jù)各個傳感器歷史數(shù)據(jù)的均值來進行估計[12]。

圖5 變電所自適應控制仿真誤差優(yōu)化(模型失配時)

當變電所供電運行受到外部因素產(chǎn)生電壓畸變率高、電壓閃變和諧波電流超標的時候，在一定準則下加以自動分析、綜合決策和估計任務而進行的信息處理過程。當系統(tǒng)中原始采集數(shù)據(jù)不能提供足夠的準確度和可靠性時就采用綜合數(shù)據(jù)融合[13]。數(shù)據(jù)融合優(yōu)化擴展了具體模型確定范圍，對目標或事件的確認增加了可信度，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模擬三組傳感器的測量誤差，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量數(shù)值[14]。再用10組原始數(shù)據(jù)進行自適應控制加以驗證。設(shè)定U(t)=Y，輸入?yún)⒘縀1，K0，c1，c2對應公式(4)中導納矩陣a，b，c值。代入自適應控制公式(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，故障傳感器的測量值權(quán)限很小，幾乎為0。所以對估計結(jié)果影響很小。在其中有傳感器發(fā)生故障時(原始參數(shù)狀態(tài)不明或者采集誤差過大)，用傳統(tǒng)的平均值估計算法得出的結(jié)果有很大的震蕩，很難準確估計出測量值[15]，而文中提出的基于變電所模型自適應數(shù)據(jù)融合仍然能夠趨向于真值，利用自適應控制的方案策略和融合算法具有很強的容錯特性。

圖7 自適應控制數(shù)據(jù)融合，電壓畸變率變化

通過仿真圖7可以得出，無論對于前期數(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，特別是當短路容量超過一定值時，降低的趨勢變得緩慢。當系統(tǒng)短路容量一定時，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)化誤差過程

從圖8可以看出，文中提出的自適應控制策略融合估計算法對3個傳感器測量的數(shù)據(jù)的估計結(jié)果要越來越優(yōu)化整個過程[16-17]。隨著測量數(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越小，越接近真值，每次測量的誤差控制效果均可以在自適應控制下完成遞減，實現(xiàn)誤差的最小化直至誤差逼近于0。當變電所采集/輸入原始數(shù)據(jù)受到外部干擾造成供電不穩(wěn)定時，對出現(xiàn)的電壓畸變或噪聲干擾都有很好的補償效果，不會造成濾波現(xiàn)象危害供電可靠和安全運行。

4 結(jié)論

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

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

因此，自適應數(shù)據(jù)融合控制方案的作用兼具優(yōu)化修正和服務數(shù)據(jù)融合的功能，一旦控制效果在誤差范圍內(nèi)，使用修正策略對比誤差波動，減少干預能達到良好效果。因此為使外部干擾(電壓畸變或噪聲波動等)對變電所供電質(zhì)量和安全性的影響降至最低，通常對變電所的外部電源，應考慮選擇短路容量較大的電源系統(tǒng)。牽引變電所應該投入補償裝置，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。

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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年安徽省自然科學基金重點研究項目(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

A