摘要:分析了使用傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)高壓斷路器智能操作控制的復(fù)雜性。以模糊理論為基礎(chǔ),研究了系統(tǒng)電氣參數(shù)與系統(tǒng)狀態(tài)的模糊關(guān)系,形成了對(duì)斷路器剛分速度的控制規(guī)則和模糊控制方法,給出了模糊控制器的硬件結(jié)構(gòu)。模擬控制表明,該模糊控制器具有優(yōu)良的控制性能,其精度和速度完全能滿足斷路器智能操作的要求。
關(guān)鍵詞:斷路器;模糊理論;智能操作;電力系統(tǒng)故障
目前,已投入運(yùn)行的斷路器滅弧裝置的開(kāi)斷能力主要是按開(kāi)斷短路電流設(shè)計(jì)的,不論開(kāi)斷于何種工作條件,斷路器的運(yùn)動(dòng)特性是不可調(diào)的,即都按單一的空載特性分閘。但在實(shí)際運(yùn)行中,大多數(shù)的開(kāi)斷操作是在正常條件(如負(fù)載或無(wú)載)下進(jìn)行的,這些情況的開(kāi)斷不需很大的分閘速度就能熄弧。全速分閘不但使斷路器的機(jī)械裝置受到不應(yīng)有的沖擊,影響系統(tǒng)的壽命和可靠性,還可能因而產(chǎn)生操作過(guò)電壓,給其它設(shè)備的安全運(yùn)行造成威脅。鑒于此,國(guó)內(nèi)學(xué)者已提出斷路器智能操作的新概念[1]。所謂智能操作是指動(dòng)觸頭從一個(gè)位置到另一個(gè)位置的自適應(yīng)控制的轉(zhuǎn)換。
在斷路器的開(kāi)斷過(guò)程中,智能操作的一個(gè)重要特征是可以自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制斷路器合適的分閘速度,即當(dāng)分閘命令到來(lái)時(shí),根據(jù)反映當(dāng)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)的電流、電壓、功率因數(shù)等參數(shù)的數(shù)值及各參數(shù)之間的關(guān)系來(lái)確定所需開(kāi)斷速度的大?。?]。由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性和故障的多樣性,使得系統(tǒng)狀態(tài)與系統(tǒng)各參數(shù)之間的關(guān)系很難用嚴(yán)格的邏輯和數(shù)學(xué)方法來(lái)描述,因此,采用精確的數(shù)學(xué)模型控制是非常困難的。本文以電力系統(tǒng)理論為基礎(chǔ),根據(jù)斷路器開(kāi)斷速度特性,綜合運(yùn)用模糊推理方法,提出了SF6高壓斷路器操作機(jī)構(gòu)的模糊控制模型。隨著該模糊系統(tǒng)的不斷完善,將大大提高斷路器智能操作的可靠性和實(shí)用性。
1 模糊控制模型的數(shù)學(xué)描述
1.1模糊關(guān)系矩陣
對(duì)于液壓分閘操作的斷路器,一種有效的分閘速度調(diào)節(jié)方法是根據(jù)不同的開(kāi)斷條件改變液壓操作機(jī)構(gòu)的管道綜合損失系數(shù)。研究表明,通過(guò)調(diào)節(jié)安裝在排油管路中的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度可使管道綜合損失系數(shù)在較大范圍內(nèi)變化[3]。在本控制器的設(shè)計(jì)中,閥的開(kāi)度用等效孔徑來(lái)表示。因此,根據(jù)分閘時(shí)系統(tǒng)有關(guān)電氣參數(shù)值來(lái)調(diào)節(jié)排油閥的孔徑,可使斷路器獲得合適的分閘速度。如上所述,反映電力系統(tǒng)狀態(tài)的電氣參數(shù)與對(duì)應(yīng)孔徑之間的關(guān)系很難用精確的數(shù)學(xué)方法來(lái)表達(dá),但它們之間確實(shí)存在著某種聯(lián)系,根據(jù)模糊控制理論,這種聯(lián)系可以用模糊關(guān)系矩陣來(lái)描述[4],U={u1,u2,…,un},為系統(tǒng)電氣參數(shù)值組成的集合。V={v1,v2…,vm},為液壓機(jī)構(gòu)排油閥等效孔徑組成的集合。
在模糊控制理論中,U、V為存在模糊關(guān)系的兩個(gè)論域,并可由U、V作出一個(gè)新的論域U×V。U×V上的模糊集R∈F(U×V)被稱為U與V之間的模糊關(guān)系,用矩陣表示為
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其中:R為所謂的模糊關(guān)系矩陣;rij=μR(u,v)為u與v關(guān)于R的關(guān)系程度,稱為u與v關(guān)于R的隸屬函數(shù),其值域?yàn)椋?,1]。rij的大小表示ui存在時(shí)vj出現(xiàn)的可能程度,特別地,rij=0表示vj與ui的存在無(wú)關(guān);rij=1表示ui的存在導(dǎo)致vj出現(xiàn)的可能性很大。在斷路器的智能操作中,rij的大小表示電氣參數(shù)對(duì)排油閥孔徑的影響程度。
1.2模糊控制規(guī)則
模糊控制的核心是模糊決策,模糊決策的基礎(chǔ)是模糊控制規(guī)則。模糊規(guī)則是根據(jù)專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的,它的形式為語(yǔ)言變量表示的模糊條件語(yǔ)句。一條模糊控制規(guī)則由前提和結(jié)論兩部分組成。為方便討論,只考慮開(kāi)斷電流I的量值a和相位p(電流滯后電壓的相角)對(duì)排油閥孔徑d的影響。因而在該模糊控制系統(tǒng)中,模糊控制的前提部分是電流a和相位p的論域A和P中的模糊集,結(jié)論部分為排油閥孔徑d的論域D的模糊集,論域A、P和D的模糊集分別由如下形式表示
F(A)=NL,NM,NS,ZE,PS,PM,PL
F(P)=NL,NS,ZE,PS,PL
F(D)=NL,NM,NS,ZE,PS,PM,PL
其中NL(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)小)、ZE(零)、PS(正?。?、PM(正中)、PL(正大)分別為參數(shù)的語(yǔ)言值。
在以計(jì)算機(jī)為中心的控制系統(tǒng)中,為方便數(shù)據(jù)處理,通常將輸入?yún)?shù)的值進(jìn)行尺度變換和離散化。在該控制系統(tǒng)中,電流離散后的論域?yàn)椋?,14],共15級(jí);相位離散后的論域?yàn)椋郏?,+4],共9級(jí);控制輸出(排油閥等效孔徑)的論域?yàn)椋?,22],單位為mm,共15級(jí)。輸入、輸出參數(shù)在離散域上的模糊隸屬函數(shù)分別如表1、表2和表3所示。
表1離散域上F(A)的隸屬函數(shù)μF(A) F(A) A
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表2離散域上F(P)的隸屬函數(shù)μF(P) F(P) P
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表3離散域上F(D)的隸屬函數(shù)μF(D) F(D) d
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一般而言,開(kāi)斷的電流越大,所需的分閘速度越高;反之,開(kāi)斷的電流越小則所需的分閘速度越低。但是在開(kāi)斷小容性電流(相角p接近-90°)時(shí),所需的分閘速度就應(yīng)比開(kāi)斷相同數(shù)值的正常負(fù)載電流大,以便提高弧隙的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度,避免出現(xiàn)重?fù)舸╇妷?。但在開(kāi)斷小感性電流時(shí)(相角p接近90°)需要有較小的分閘速度,以降低操作過(guò)程中可能產(chǎn)生的截流過(guò)電壓[5,6]。對(duì)于以電流和相位為輸入、排油閥等效孔徑d為輸出的雙輸入單輸出模糊控制系統(tǒng),根據(jù)專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),不同的電流和相位的組合形成了不同控制規(guī)則,所有的規(guī)則構(gòu)成的表格,稱為模糊控制規(guī)則表,如表4所示?! ?
表4模糊控制規(guī)則表PA
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表4中每一格表示一條規(guī)則,上表一共包括23條規(guī)則,每條規(guī)則由相應(yīng)的模糊條件語(yǔ)句表示,例如,表中規(guī)則欄的左上方第1格和第2格可以用一條規(guī)則來(lái)表示:“如果A=NL或NM,且P=NL,則D=NS”;又如,第3格表示“如果A=NS,且P=NL,則D=PS”。
2 推理規(guī)則及計(jì)算
對(duì)于一個(gè)有L條控制規(guī)則的系統(tǒng),基本的推理方法有兩種,即綜合法和并行法。在采用綜合法推理時(shí),由每條規(guī)則求出相應(yīng)的模糊關(guān)系Rl(l=1,2,…。L),并由此計(jì)算出總的模糊關(guān)系R=R1∪R2∪…∪RL,控制時(shí)根據(jù)實(shí)際輸入(經(jīng)離散和模糊化)的模糊集A′和P′,運(yùn)用R進(jìn)行模糊推理運(yùn)算,求出合成的輸出模糊集D′=(A′×P′)R。并行法推理則是根據(jù)每條規(guī)則Rl求出相應(yīng)的輸出D′l=(A′×P′)Rl,然后計(jì)算合成的輸出模糊集D′=D1′∪D2′∪…∪DL′。
運(yùn)用適當(dāng)?shù)娜ツ:呗?,由輸出模糊集可得控制輸出的精確值d。
由于用模糊關(guān)系求輸出D的計(jì)算較復(fù)雜,不便于在線實(shí)時(shí)控制,因此,本模糊控制器的設(shè)計(jì),首先根據(jù)給定控制規(guī)則和算法,求出輸入、輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系表,在線控制時(shí)只須根據(jù)輸入?yún)?shù)值查表即可得到控制輸出。采用極小模糊推理規(guī)則時(shí),控制表格的計(jì)算過(guò)程如下:
(1)設(shè)電流離散級(jí)數(shù)為j級(jí),相位為i級(jí),根據(jù)查表1、表2得到的電流和相位的模糊集的隸屬函數(shù)值μF(A)(j),μF(P)(i),計(jì)算對(duì)應(yīng)規(guī)則的激勵(lì)強(qiáng)度α=min{μF(A)(j),μF(P)(i)};
(2)根據(jù)表3、表4,運(yùn)用模糊推理合成法,計(jì)算按點(diǎn)給定的輸出模糊集Dl=min{α,μF(D)(k)},l=1,2,…16;
(3)計(jì)算D=D1∪D2∪…∪D16;
(4)采用重心法進(jìn)行去模糊化運(yùn)算,得控制輸出
[IMG=控制輸出]/uploadpic/THESIS/2008/1/20080107122149375258.jpg[/IMG]
(5)對(duì)所有的i和j分別計(jì)算d,最終可得模糊控制總表,如表5所示。
表5模糊控制總表ΡΑ
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模糊控制總表通過(guò)離線計(jì)算得到,存放在模糊控制的規(guī)則庫(kù)中,在線控制時(shí)只須由輸入電流a和相位p的實(shí)測(cè)值,經(jīng)離散、量化到相應(yīng)的論域中,便可查表得到實(shí)際的控制輸出量d。
需要指出的是,表5由表1~表4計(jì)算得到,如果相關(guān)參數(shù)的隸屬函數(shù)的取值或控制規(guī)則表有所變化,表5的內(nèi)容會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的改變。此外,在表5中電流及相位的取值同時(shí)覆蓋了整個(gè)論域,在斷路器的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,表5中的有些開(kāi)斷條件將不會(huì)出現(xiàn),例如在P=-4(空載長(zhǎng)線相位特性)時(shí),A不可能取14(相當(dāng)于額定短路電流值)。
3 控制舉例及討論
在模糊控制的實(shí)際應(yīng)用中,斷路器端口的電流和電壓信號(hào)分別由電流互感器和電壓互感器拾取,經(jīng)二次分壓、信號(hào)調(diào)理及檢測(cè)等處理后,得到電流的有效值A(chǔ)及電流與電壓的相差P,經(jīng)論域變換和量化后,輸入到控制單元。并通過(guò)查表可立即得到控制輸出量,并通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)相應(yīng)的孔徑d,由此得到最佳的斷路器的分閘速度。
例如:對(duì)于額定短路開(kāi)斷電流為40kA的斷路器,在正常負(fù)載下開(kāi)斷時(shí),若電流測(cè)量值為3 150 A(論域變換后的值為1),相位測(cè)量為28°(論域變換后的值為1),則查表5可得控制輸出d=9.9mm;而在額定短路開(kāi)斷電流開(kāi)斷時(shí),電流的測(cè)量值為40kA(論域變換后的值為14),相位為82°(論域變換后的值為4),則輸出d為22.0mm;對(duì)于空載長(zhǎng)線和空載變壓器的小電流開(kāi)斷,如果兩次測(cè)量的電流值均為31.5 A(論域變換后的值為0),而相位分別為-90°和90°(論域變換后的值分別為-4和4),則輸出d分別為11.9mm和11.2 mm。以上例子說(shuō)明,模糊控制器能根據(jù)系統(tǒng)不同開(kāi)斷狀態(tài)給出不同的輸出,從而使斷路器有不同的分閘速度。
文獻(xiàn)[3]對(duì)額定短路開(kāi)斷電流為40kA的SF6斷路器進(jìn)行了仿真分析,得出了在不同的開(kāi)斷條件下斷路器能成功開(kāi)斷所對(duì)應(yīng)的排油孔徑,如表6所示。表中的開(kāi)斷條件主要包括線路充電電流開(kāi)斷(31。5 A)、BTF(端子短路故障)開(kāi)斷(含10%Ike、30%Ike、60%Ike、100%Ike的4種試驗(yàn)方式)。可以看出,對(duì)于不同開(kāi)斷的開(kāi)斷條件,模糊控制輸出和仿真分析結(jié)果基本吻合(計(jì)算結(jié)果數(shù)值上的差異是因二者的排油孔徑論域的取值不同而導(dǎo)致)。
上文討論了開(kāi)斷電流值及其相位對(duì)剛分速度的影響。實(shí)際控制時(shí)還可以根據(jù)具體情況增加其它的模糊輸入?yún)?shù),如對(duì)于雙電源系統(tǒng),就可以利用其它參數(shù)和分析手段,在模糊輸入?yún)?shù)中增加系統(tǒng)失步故障參數(shù),以及利用故障測(cè)距技術(shù)區(qū)分系統(tǒng)的近端故障,以便調(diào)整輸入、輸出論域的模糊集的隸屬函數(shù)。也可以根據(jù)實(shí)際的控制效果優(yōu)化模糊控制規(guī)則表,以得到最佳的控制效果。由于采用查表法,隱含的模糊推理運(yùn)算是離線的,因而在線控制速度非???。
4 模糊控制器硬件結(jié)構(gòu)及工作原理
所研究的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。電網(wǎng)電壓和流過(guò)斷路器的電流分別由PT和CT拾取,經(jīng)二次分壓,A/D轉(zhuǎn)換器等環(huán)節(jié)送入數(shù)字處理器。為了能實(shí)現(xiàn)快速采集和數(shù)字濾波處理,處理器采用32位高速數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C30。由于該處理器具有很高的處理速度(每秒可完成33×106次浮點(diǎn)運(yùn)算),對(duì)于常規(guī)的數(shù)值計(jì)算和處理可在ms內(nèi)完成[7],其處理速度完全能滿足斷路分閘控制的要求。
表6不同開(kāi)斷條件下的控制輸出d
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[IMG=模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖]/uploadpic/THESIS/2008/1/20080107122138577787.jpg[/IMG]
圖1模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖
處理器上電復(fù)位后,對(duì)電流電壓進(jìn)行不間斷采集,采集結(jié)果按先進(jìn)先出的環(huán)形隊(duì)列方式儲(chǔ)存于指定的RAM區(qū)域中,從而保證該RAM區(qū)的數(shù)據(jù)始終能反映電網(wǎng)的最新?tīng)顟B(tài)。電力系統(tǒng)無(wú)故障時(shí),通過(guò)對(duì)采集值的處理和計(jì)算,可測(cè)量母線電壓、回路電流及功率因數(shù)等參數(shù)。在斷路器進(jìn)行正常分閘操作時(shí)(非故障分閘),分閘信號(hào)觸發(fā)處理器的INT0中斷,中斷服務(wù)程序根據(jù)所測(cè)得的參數(shù)進(jìn)行模糊推理,并根據(jù)推理結(jié)果控制排油閥的開(kāi)度,從而使斷路器獲得合適的分閘速度。電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),電網(wǎng)中的電流突然增大而電壓突然減小,如果電流和電壓的變化量超過(guò)整定值,波形突變檢測(cè)電路迅速作出反應(yīng)[8],并觸發(fā)處理器的INT1中斷。INT1中斷服務(wù)程序完成對(duì)短路電流和電壓的采集,并通過(guò)數(shù)字濾波處理計(jì)算出短路電流的基頻分量及衰減直流分量,以便精確地進(jìn)行模糊推理,向調(diào)節(jié)閥輸出準(zhǔn)確的控制量。由于TMS320處理器具有很高的處理速度,上述計(jì)算和控制均在收到繼電保護(hù)裝置發(fā)出分閘命令之前完成。
因?yàn)镮NT1中斷信號(hào)只在故障發(fā)生時(shí)才產(chǎn)生,所以INT1中斷服務(wù)程序可以根據(jù)故障前后所采集到的參數(shù)值分析故障原因,以及進(jìn)行故障測(cè)距和故障類型的分析,為重合閘操作提供可靠的技術(shù)手段。在本系統(tǒng)中,不論電力系統(tǒng)是否發(fā)生故障,采集到的數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果均可通過(guò)串行接口傳送給微機(jī)(上位機(jī))。
5 結(jié)論
本文基于模糊理論給出了斷路器智能分閘操作的控制系統(tǒng),其特點(diǎn)是:①可以根據(jù)開(kāi)斷條件自動(dòng)調(diào)節(jié)斷路器的分閘速度。②能實(shí)現(xiàn)操作機(jī)構(gòu)和滅弧室的良好配合,提高液壓?機(jī)械裝置的可靠性和使用壽命,有利于其他設(shè)備的安全運(yùn)行。③由于采用高性能、低價(jià)格的數(shù)字信號(hào)處理器作為主控單元,該控制系統(tǒng)不僅實(shí)時(shí)性好、可靠性高,而且成本低,對(duì)于每臺(tái)價(jià)值幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)的超高壓斷路器,控制系統(tǒng)不超過(guò)總成本的2%。該系統(tǒng)的應(yīng)用將使斷路器的操作技術(shù)產(chǎn)生重大突破,這在學(xué)術(shù)上和工程應(yīng)用上具有重要的意義。
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