高壓隔離開關(guān)觸頭運(yùn)動(dòng)智能控制策略研究*

劉愛民，吳志恒，徐建源，史可鑒，湯 庚

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870；2.遼寧省電網(wǎng)安全運(yùn)行與監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110870)

高壓隔離開關(guān)觸頭運(yùn)動(dòng)智能控制策略研究*

劉愛民1，2，吳志恒1，2，徐建源1，2，史可鑒1，2，湯 庚1，2

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870；2.遼寧省電網(wǎng)安全運(yùn)行與監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110870)

高壓隔離開關(guān)(DS)操動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、負(fù)載力矩小，采用永磁無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)操作桿，帶動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分合操作，具有良好的快速響應(yīng)能力及可控性能。為實(shí)現(xiàn)對(duì)550kV DS觸頭運(yùn)動(dòng)的過程進(jìn)行控制，消除合閘彈跳，滿足分合閘速度要求，在隔離開關(guān)操作過程中，采用電流和速度雙閉環(huán)控制方法對(duì)電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行控制并將模糊控制算法用于速度環(huán)與PID控制器相結(jié)合，在線實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，以增強(qiáng)其控制精度。并以550kV DS觸頭的分合閘過程為研究對(duì)象及DSP為核心的控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在觸頭運(yùn)動(dòng)的過程控制中，結(jié)合模糊控制算法的智能控制系統(tǒng)能夠使實(shí)時(shí)調(diào)整開關(guān)觸頭的運(yùn)動(dòng)速度以保證分合閘動(dòng)作穩(wěn)定性滿足分合閘速度要求。

電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)；高壓隔離開關(guān)；PID；模糊控制算法；數(shù)字信號(hào)處理器

0 引言

在高壓電網(wǎng)中隔離開關(guān)起到隔離線路建立可靠絕緣間隙的作用。高壓隔離開關(guān)性能及其操動(dòng)機(jī)構(gòu)的好壞直接影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行，是高壓電網(wǎng)中最重要的設(shè)備之一[1]。

高壓隔離開關(guān)(DS)在操作過程中常由于動(dòng)作末期速度大導(dǎo)致觸頭碰撞嚴(yán)重、傳動(dòng)部件損壞變形等，因此，有必要對(duì)開關(guān)觸頭的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行控制。以往的高壓隔離開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用彈簧、液壓或氣動(dòng)技術(shù)，具有連桿多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)。因此，其累計(jì)運(yùn)動(dòng)公差大，響應(yīng)緩慢、可控性差，難以實(shí)現(xiàn)觸頭的運(yùn)動(dòng)控制[2]。

無(wú)刷直流電機(jī)(BLDCM)操動(dòng)機(jī)構(gòu)作為一種的新型操動(dòng)機(jī)構(gòu)其原理上是利用通電線圈產(chǎn)生安培力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，控制方式也是采用電子操動(dòng)電壓或電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)的分、合閘操作[3-4]，將其用在DS中能夠很好地實(shí)現(xiàn)開關(guān)觸頭運(yùn)動(dòng)的過程控制。本文為了能對(duì)開關(guān)觸頭速度進(jìn)行調(diào)速控制，保證分合閘的穩(wěn)定性減輕觸頭碰撞，以550kV高壓隔離開觸頭運(yùn)動(dòng)過程為研究對(duì)象，搭建了以(DSP)為核心的控制系統(tǒng)，采用電流和速度雙閉環(huán)控制策略對(duì)觸頭的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行控制，并將模糊控制算法應(yīng)用于速度環(huán)控制中。模糊控制算法與PID控制器相結(jié)合能夠?qū)崟r(shí)在線調(diào)整控制器的控制參數(shù)，調(diào)高了觸頭調(diào)速的控制精度，使開關(guān)觸頭動(dòng)作穩(wěn)定性有了很大的提升。

1 BLDCM機(jī)構(gòu)可控性分析

無(wú)刷直流電機(jī)的三相繞組的電壓平衡方程可表示為[5]：

(1)

(2)

(3)

式中，ua、ub、uc為定子相繞組電壓，r為定子每相電阻，ia、ib、ic為定子相繞組電流；ea、ea、ea為定子相繞組電動(dòng)勢(shì)，L為每相繞組的電感，M為每相繞組間的互感，p為微分算子，p=d/dt；Te為電磁轉(zhuǎn)矩，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，B為阻尼系數(shù)，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω為電機(jī)機(jī)械角速度。

根據(jù)其數(shù)學(xué)模型分析可知，為了能夠?qū)﹄姍C(jī)運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行控制，進(jìn)而控制開關(guān)觸頭的運(yùn)動(dòng)過程，須在繞組的兩端加上可變電壓[6]，本文采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)來(lái)獲得可變電壓。

DS觸頭運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力由BLDCM提供，觸頭運(yùn)動(dòng)的速度可調(diào)是通過改變PWM的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。不同的占空比下電機(jī)帶動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)的行程是不同的，如圖1所示，從左至右依次為占空比是90%、75%、65%、60%的電機(jī)運(yùn)動(dòng)的行程曲線。從圖中可以得出，占空比越大，行程曲線的上升斜率越大，即電機(jī)轉(zhuǎn)速越大；隨著占空比的減小，行程曲線斜率變小，即電機(jī)轉(zhuǎn)速變小。

圖1 不同占空比下觸頭行程曲線

所以通過實(shí)時(shí)的改變PWM的占空比可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)觸頭運(yùn)動(dòng)過程的調(diào)速控制，保證DS分合閘的穩(wěn)定性。

2 DS智能模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制算法的基本原理

在模糊控制中，通常把誤差e及其變化率ec作為模糊控制器的輸入語(yǔ)言變量，把控制量U作為模糊控制器的輸出語(yǔ)言變量，從關(guān)系上看為e(t)=rin(t)-yout(t)U=F(E,EC)，實(shí)質(zhì)上體現(xiàn)為模糊控制器是一種非線性的比例微分(PD)控制關(guān)系。模糊控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 模糊控制系統(tǒng)框圖

誤差e、誤差變化率ec和輸出y的實(shí)際變化范圍為模糊控制 的基本論域。在模糊控制中，用模糊概念來(lái)表述輸入和輸出變量，e和ec稱為輸入語(yǔ)言變量，y稱為輸出語(yǔ)言變量。

(5) 單邊磁拉力(以穩(wěn)態(tài)運(yùn)行15 g的加速度下產(chǎn)生的徑向位移所對(duì)應(yīng)的磁拉力與“掃膛”零界位移對(duì)應(yīng)的磁拉力的加權(quán)平均值計(jì)12 289.5 N)。

輸入變量e、ec在基本論域內(nèi)是一個(gè)實(shí)際值，為了實(shí)施模糊控制，需通過模糊化處理將其轉(zhuǎn)化為語(yǔ)言變量值，經(jīng)過處理后，得到輸入變量e、ec在輸入基本論域內(nèi)的一個(gè)實(shí)際值隸屬于各語(yǔ)言變量值的程度。根據(jù)規(guī)則“如果x是A，則y是B”，表示A與B之間的模糊蘊(yùn)涵關(guān)系(AkpB)進(jìn)行模糊推理，可以得到一個(gè)輸出模糊集，即輸出語(yǔ)言變量值。

將這些輸出語(yǔ)言變量值進(jìn)行模糊合成，得到一個(gè)綜合的輸出模糊集，再將模糊合成得到的綜合輸出模糊集進(jìn)行轉(zhuǎn)化，即將語(yǔ)言變量值轉(zhuǎn)化為輸入變量基本論域內(nèi)的一個(gè)實(shí)值，對(duì)被控過程進(jìn)行控制[7-8]。

2.2 開關(guān)觸頭運(yùn)動(dòng)的模糊PID控制

DS電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制裝置中采用數(shù)字式雙閉環(huán)控制，電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)與控制器的電氣控制原理圖如圖3所示，控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，通過PID控制算法調(diào)節(jié)電流輸出。外環(huán)為速度環(huán)，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出，為確保整個(gè)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)特性，速度環(huán)采用模糊PID控制算法[9]。

圖3 電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制器的電氣原理圖

2.2.1 基本參數(shù)的選取

為了提高模糊控制器的精度和跟蹤性能，控制量應(yīng)選擇多種語(yǔ)言變量，分檔越細(xì)性能越好。但缺點(diǎn)是規(guī)則數(shù)和計(jì)算量大大增加，從而使調(diào)試更加困難，控制器的實(shí)時(shí)性也難以滿足要求[10]。本文采用兩輸入三輸出的形式，以觸頭速度的偏差e和變化率ec為輸入語(yǔ)言變量，控制參數(shù)kp、ki和kd為輸出語(yǔ)言變量。輸入語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值均取為“負(fù)大”(NB)、“負(fù)中”(NM)、“負(fù)小”(NS)、“零”(ZO)、“正小”(PS)、“正中”(PM)、“正大”(PB)7種。輸出語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值均取為“零”(ZO)、“正小”(PS)、“正中”(PM)、“正大”(PB)4種。將偏差e和偏差變化率ec量化到(-3,3)的區(qū)域內(nèi)，輸出量化到(0，3)的區(qū)域內(nèi)，隸屬函數(shù)曲線見圖4。

圖4 輸入隸屬函數(shù)

2.2.2 建立模糊規(guī)則

根據(jù)隔離開關(guān)觸頭運(yùn)動(dòng)的性能以及參數(shù)kp、ki和kd對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響，可得出在不同的e和ec時(shí)，參數(shù)的自整定原則。在整個(gè)隔離開關(guān)觸頭運(yùn)行過程中通過不斷檢測(cè)e和ec，根據(jù)模糊控制原理對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同e和ec對(duì)控制參數(shù)的不同要求，使觸頭對(duì)預(yù)設(shè)參考曲線具有良好的實(shí)時(shí)跟蹤性能。

(2)當(dāng)e×ec>0時(shí)，偏差在向偏差絕對(duì)值增大方向變化。若偏差較大，可考慮由控制器實(shí)施較強(qiáng)的控制作用，以達(dá)到扭轉(zhuǎn)偏差絕對(duì)值朝減小方向變化，并迅速減小偏差絕對(duì)值，此時(shí)取較大的kp，kd不能太大，取較小的ki值。若偏差絕對(duì)值較小，控制器實(shí)施一般的控制作用，只要扭轉(zhuǎn)偏差的變化趨勢(shì)，使其朝誤差絕對(duì)值減小方向變化。

(3)當(dāng)e×ec<0或e=0時(shí)，偏差的絕對(duì)值朝減小的方向變化，或者已達(dá)到平衡狀態(tài)，可采取保持控制器輸出不變。

(4)當(dāng)e×ec=0,e≠0時(shí)，系統(tǒng)的曲線與參考曲線平行或一致，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)采取較大kp和ki值，同時(shí)避免設(shè)定值附近振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，適當(dāng)選取kd值。

整個(gè)模糊規(guī)則是在DSP編程環(huán)境中通過編程語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)：

3 實(shí)驗(yàn)方案研究

DS主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。其中分閘速度指從剛分點(diǎn)開始到剛分后3/4行程內(nèi)的平均速度。合閘速度指從剛合點(diǎn)到剛合前3/4行程內(nèi)的平均速度。分合閘時(shí)間指發(fā)出指令到動(dòng)作結(jié)束的時(shí)間。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

為了滿足開關(guān)操作過程的主要技術(shù)指標(biāo)，且保證開關(guān)觸頭動(dòng)作的穩(wěn)定性，本文提出如下技術(shù)方案：①合閘過程：使開關(guān)的合閘動(dòng)作過程前期速度大，后期速度小，以保證整個(gè)動(dòng)作過程中既能保證合閘速度達(dá)到技術(shù)要求指標(biāo)，又能使開關(guān)在后期合閘時(shí)減少動(dòng)觸頭與靜觸頭的碰撞，消除彈跳。②分閘過程：使開關(guān)在超行程階段(即剛分點(diǎn)之前)以較慢的速度運(yùn)動(dòng)，保存能量，在剛分點(diǎn)之后以較快的速度分開，以滿足分閘速度技術(shù)要求。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的控制方法及控制系統(tǒng)的有效性，研制并測(cè)試了550kV DS電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)及以DSP為核心的控制系統(tǒng)，對(duì)開關(guān)觸頭的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行控制，試驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。試驗(yàn)環(huán)境：電容容量：198000μF，溫度：25℃，電容電壓：350V。

本文分別對(duì)DS操作過程未加智能調(diào)速控制和加智能調(diào)速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖6為未加智能調(diào)速控制下DS觸頭的運(yùn)動(dòng)行程曲線。

圖5 500kV DS電機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制平臺(tái)

圖6 未加智能調(diào)速控制下DS合閘操作過程中觸頭 的運(yùn)動(dòng)行程曲線

從圖6可知，A點(diǎn)為分閘位置，B點(diǎn)為觸頭剛合位置，C點(diǎn)為合閘位置。隔離開關(guān)合閘操作時(shí)間為230ms，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)量為80°，合閘速度為1.2m/s。在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至C點(diǎn)后，由于未加調(diào)速控制動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)末期速度很大導(dǎo)致動(dòng)觸頭與靜觸頭間會(huì)發(fā)生接觸碰撞，造成了1～2°的彈跳現(xiàn)象。

圖7 智能調(diào)速控制下DS合閘操作過程中觸頭 的運(yùn)動(dòng)行程曲線

圖7為加入智能調(diào)速控制后DS合閘觸頭運(yùn)動(dòng)行程曲線，由圖明顯看出在BC段觸頭運(yùn)動(dòng)速度減慢，避免了觸頭運(yùn)動(dòng)末期速度大導(dǎo)致的動(dòng)、靜觸頭之間的碰撞。智能調(diào)速控制下隔離開關(guān)合閘操作時(shí)間為270ms，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)量為80°，因?yàn)楹祥l速度指從剛合點(diǎn)到剛合前3/4行程內(nèi)的平均速度，所以合閘速度仍為1.2m/s，滿足DS技術(shù)要求指標(biāo)。

所以通過智能調(diào)速控制技術(shù)不僅可以降低剛合位置后動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)速度以減小動(dòng)、靜觸頭間的碰撞力，進(jìn)而在一定程度上消除合閘彈跳問題，而且能夠滿足DS合閘速度要求指標(biāo)。

圖8 為未加調(diào)速控制技術(shù)下的DS分閘操作中過程 觸頭運(yùn)動(dòng)行程曲線

圖8為未加調(diào)速控制技術(shù)下的DS分閘操作過程觸頭運(yùn)動(dòng)行程曲線。A點(diǎn)為合閘位置，B點(diǎn)為觸頭剛分位置，C點(diǎn)為分閘位置。隔離開關(guān)合閘操作時(shí)間為380ms，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)量為82°，分閘速度為0.5m/s。其中A～B段為隔離開關(guān)超程階段，B～C段為行程階段。由于開關(guān)在超行程階段和行程階段的前期運(yùn)動(dòng)速度較大用掉了大量的電容儲(chǔ)能，導(dǎo)致行程后期速度減慢，影響整個(gè)行程速度，以致達(dá)不到DS操作過程指標(biāo)要求。

圖9 調(diào)速控制技術(shù)下的DS分閘操作過程中 觸頭運(yùn)動(dòng)行程曲線

圖9為智能控制調(diào)速下的DS分閘過程觸頭行程曲線。隔離開關(guān)合閘操作時(shí)間為270ms，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)量為82°，分閘速度為1.1m/s。其中A～B段為隔離開關(guān)超程階段，B～C段為行程階段。由圖可知，在超行程階段調(diào)節(jié)PWM占空比使觸頭在較低的速度下運(yùn)行，儲(chǔ)存能量，在形成階段瞬間釋放能量，使觸頭以較快的速度分開，以達(dá)到DS分閘技術(shù)要求指標(biāo)。

5 結(jié)論

本文對(duì)DS操動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行搭建并做了大量的試驗(yàn)可以得到以下結(jié)論：

(1)DS智能調(diào)速控制技術(shù)可以降低剛合位置后動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)速度以減小動(dòng)、靜觸頭間的碰撞力，進(jìn)而在一定程度上消除合閘彈跳問題。

(2)DS智能調(diào)速控制技術(shù)可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)分閘速度，使其能夠在分閘行程階段以較快的速度實(shí)現(xiàn)分閘動(dòng)作，將分閘速度提高0.6m/s。

(3)BLDCM操動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅能提供基本的DS驅(qū)動(dòng)功能，更能夠?qū)崿F(xiàn)DS操動(dòng)過程的智能化操作，為高壓隔離開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)提供了更先進(jìn)的應(yīng)用平臺(tái)新技術(shù)。

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(編輯 李秀敏)

Research on Intelligent Control Strategy of the High Voltage Disconnecting Switch Contact Movement

LIU Ai-min1,2，WU Zhi-heng1,2，XU Jian-yuan1,2，SHI Ke-jian1,2，TANG Geng1,2

(1．School of Electrical Engineering ，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China；2．Liaoning Province Key Lab of Power Grid Safe Operation and Monitoring，Shenyang 110870，China)

The actuator of High-voltage Disconnecting switch (DS) with simple structure and small load torque , used of permanent magnet brushless DC motor drive the lever, driving mechanism motion thus achieving division operation, has a good ability to respond quickly and controllable properties. During the process of Disconnecting switch operation, In order to control the process of 550 kV DS contact movement, eliminate closing bounce, satisfies the requirement of opening and closing speed，the current and speed dual-loop control method was used in the control system to control the motor actuator. And the fuzzy control algorithm is used in the speed loop combined with PID controller to adjustment of control parameters online, in order to enhance the control accuracy. The experiment was did based on the opening and closing process of 550kV DS contact as the research object and the DSP as the core of control system. The results of experimental show that combined with fuzzy control algorithm of intelligent control system can make real-time adjustment of the rate of contacts movement to ensure that the feed motion stability and meet opening and closing speed requirements.

motor actuator; high voltage disconnecting switches; PID; fuzzy control algorithm; digital signal processor

1001-2265(2014)07-0062-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.017

2013-10-19;

2013-12-02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51377107)

劉愛民(1961—)，女，沈陽(yáng)人，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)副教授，博士，研究方向?yàn)橹本€電機(jī)、智能化電器，(E-mail)kf.wujing@163.com。

TH165;TG65

A