基于有限狀態(tài)機的抽水蓄能機組工況轉換控制

周 攀

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術中心，北京市 100073）

基于有限狀態(tài)機的抽水蓄能機組工況轉換控制

周 攀

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術中心，北京市 100073）

本文簡要地介紹了有限狀態(tài)機的基本結構和數(shù)學模型，根據(jù)抽水蓄能電站工況運行的特點分析了基于有限狀態(tài)機原理的抽蓄機組運行工況設計方法，詳細闡述了抽水蓄能機組調(diào)速系統(tǒng)各個工況的定義和工況轉換的條件，并以現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)為基礎，分析了基于有限狀態(tài)機的抽蓄機組工況轉換控制在現(xiàn)場的實際運行情況。

有限狀態(tài)機；工況轉換；抽水蓄能;調(diào)速系統(tǒng)

0 引言

調(diào)速系統(tǒng)作為抽水蓄能電站最重要的輔機之一，負責控制機組導葉開啟、頻率控制、負荷調(diào)整和工況轉換等重要任務[1]，其控制策略的可靠性直接影響機組的安全穩(wěn)定運行。針對抽蓄機組啟停頻繁、工況轉換復雜和精確調(diào)節(jié)的特點，如何保證調(diào)速系統(tǒng)能夠快速實現(xiàn)工況轉換和精確判斷流程跳轉對抽蓄電站的安全穩(wěn)定運行至關重要。

在調(diào)速系統(tǒng)的程序設計中引入有限狀態(tài)機技術，可以有效解決程序的實時性處理、高效運行等特點，并且邏輯思路清晰，編程過程簡單，可修改性強，能夠有效的保證調(diào)速器控制的實時性和精準性。

1 有限狀態(tài)機原理

有限狀態(tài)機在數(shù)學上的定義為：一個機器是一個系統(tǒng)，它接收輸入，產(chǎn)生輸出，而且其內(nèi)部存儲器保存已輸入的信息，機器的內(nèi)部狀況及其存儲的內(nèi)容，是機器當前的狀態(tài)，機器在任何時候的狀態(tài)包括存儲的已輸入內(nèi)容，并確定怎樣響應此后的輸入，如果此系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)目是有限的，則稱為有限狀態(tài)機（Finite State Machine）[2]。

1.1 有限狀態(tài)機的基本結構

有限狀態(tài)機系統(tǒng)的運行過程，總是處于靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）和動態(tài)（暫態(tài)）的不斷變換中。狀態(tài)是運行過程的靜態(tài)描述，是根據(jù)系統(tǒng)的具體情況人為定義的，如處于準備狀態(tài)、故障狀態(tài)、運行狀態(tài)等。無論系統(tǒng)運行在何種狀態(tài)，同時必然伴隨著某些事件發(fā)生，如開關量輸入、參數(shù)限制到或定時時間到等。事件發(fā)生可以激發(fā)狀態(tài)變化，如接到開機令，系統(tǒng)進入開機狀態(tài)，故障發(fā)生后轉入故障狀態(tài)等；也可以只引起某些處理，沒有狀態(tài)變化，如在運行狀態(tài)中修改給定值、調(diào)節(jié)輸出操作；也可能不予理會，不作任何處理，如處于運行狀態(tài)時再接到開機令。此外系統(tǒng)處在一定的狀態(tài)中還可以執(zhí)行一定的動作。

結合抽水蓄能機組，對狀態(tài)、事件、轉換和動作的詳細描述如下：

(1) 狀態(tài)（State）：指的是對象在其一定時期內(nèi)所處的一種狀況，處于某個特定狀態(tài)中的對象必然會滿足某些條件、執(zhí)行某些動作或者是等待某些事件。對于抽水蓄能機組來說，狀態(tài)就是機組所處的某個工況，如機組處于空載工況狀態(tài)。

(2) 事件（Event）：指的是在時間和空間上占有一定位置，并且對狀態(tài)機來講是有意義的那些事情。事件通常會引起狀態(tài)的變遷，促使狀態(tài)機從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)。對于抽水蓄能機組來說，事件就是機組工況之間轉換所必須滿足的那些條件，如機組在空載工況下，機組斷路器閉合。

(3) 轉換（Transition）：指的是兩個狀態(tài)之間的一種關系，表明對象將在一個狀態(tài)中執(zhí)行一定的動作，并將在某個事件發(fā)生、某個特定條件滿足時進入另一個狀態(tài)。對于抽水蓄能機組來說，轉換就是指機組從一個工況轉到另一個工況的過程，如機組從空載工況轉到發(fā)電工況。

(4) 動作（Action）：指的是狀態(tài)機處在一定的狀態(tài)下可以執(zhí)行的那些操作。對于抽水蓄能機組來說，動作就是指機組處在一定的工況時所執(zhí)行的那些操作，如機組處在空載工況下調(diào)用空載PID調(diào)節(jié)。

總之，狀態(tài)、事件、轉換和動作這四個要素構成了有限狀態(tài)機的全部內(nèi)容，只要能清楚、完備地對它們進行分析，并用適當?shù)姆绞郊右员磉_，就完成了對有限狀態(tài)機系統(tǒng)的分析工作。

1.2 有限狀態(tài)機的數(shù)學模型

用于描述狀態(tài)轉換的有限狀態(tài)機可以用一個五元組M=(K,Σ, f, S0, Z)，來表示。其中K為有限集合，集合中每個元素對應有限狀態(tài)機的一個狀態(tài)；Σ為輸入事件集合；f為狀態(tài)轉換函數(shù)，它是一個K×Σ-＞ K 的映射函數(shù)，f(S0,Σ)=K意味著在狀態(tài)K下發(fā)生事件Σ時，有限狀態(tài)機的狀態(tài)將由S0轉換為K；S0為有限狀態(tài)機的初始狀態(tài)，S0是K的子集；Z為狀態(tài)機的最終狀態(tài)集合。

下面以圖1為例來說明有限狀態(tài)機的模型結構：

圖1 狀態(tài)轉移圖

其中 ：K={0 , 1 , 2 , 3 }，Σ={a,b,c,d}，根據(jù)上述分析可以得出我們需要的狀態(tài)轉移表，見表1。

表1 狀態(tài)轉移表

根據(jù)表1就能非常簡便的編制控制程序和邏輯判據(jù)了。

2 有限狀態(tài)機模型設計

較常規(guī)水力機組，抽水蓄能機組具有更多的工況也帶來了更復雜的工況轉換關系，僅常用的工況轉換就有十幾種。對于變速運行的抽水蓄能機組，其工況轉換關系則更多，下面結合工程實例來說明抽水蓄能機組復雜的工況轉換關系。

2.1 機組運行狀態(tài)分析

水輪機工況仿真的初始穩(wěn)態(tài)工況默認機組轉速為零，即處于靜止狀態(tài)。因此開始水輪機工況仿真時，首先進入靜止狀態(tài)。在接收到開機令后，程序運行進入空載狀態(tài)。此時可以選擇進入并大網(wǎng)發(fā)電工況，或是進入單機帶孤立負荷發(fā)電工況，當然也可以選擇繼續(xù)空載狀態(tài)的仿真。抽水蓄能機組水輪機工況下的運行與常規(guī)水電機組的運行基本一樣，在此就不再贅述。

轉換暫態(tài)是作為運行穩(wěn)態(tài)之間轉換的中間狀態(tài)，以下對機組的工況轉換過程進行簡單的描述：當機組在靜止工況下接收到開機令，就轉入開機的轉換暫態(tài)，此過程中機組導葉開度緩慢打開至空載開度，機組轉速逐步爬升，當機組轉速達到90%額定轉速時機組就進入空載調(diào)節(jié)的轉換暫態(tài)；經(jīng)過空載PID調(diào)節(jié)后機組經(jīng)同期并網(wǎng)后進入發(fā)電的穩(wěn)定運行工況；停機工況一般指正常停機工況，而緊急停機工況的優(yōu)先權高于正常停機工況，機組在除靜止外的所有其他工況接到緊急停機令就轉為緊急停機工況；當機組在除靜止和緊急停機外的所有其他工況接到停機令就轉停機工況；當機組處在停機或緊急停機的暫態(tài)工況下，經(jīng)過一定的延時機組進入靜止的穩(wěn)定工況。

機組在靜止工況下，接收到水輪機方向背靠背啟動的命令，機組就轉入背靠背啟動運行工況。另外抽水調(diào)相工況除了做調(diào)相運行外更多是作為機組向抽水工況轉換的一個過渡工況，當機組在抽水調(diào)相工況下，檢測到造壓完成就逐步開啟導葉開度轉入抽水穩(wěn)定運行工況。

從上述分析可以看出抽水蓄能機組工況之間的轉換關系相當復雜，如果采用常規(guī)編程方法來分析處理工況之間的轉換，不但程序繁瑣，而且還容易出現(xiàn)錯誤的工況轉換。下面介紹采用有限狀態(tài)機的方法來分析處理工況之間的轉換機理。

2.2 調(diào)速系統(tǒng)運行工況分析

抽水蓄能機組具有水輪機、水泵兩個運行方向分別來完成發(fā)電、抽水任務，較常規(guī)機組而言，抽水蓄能機組具有啟動頻繁、運行工況多、工況轉換復雜等特點。詳細機組運行工況見圖2。

圖2 抽水蓄能機組運行工況圖

按照機組運行方向可以將機組分為發(fā)電運行和抽水運行，其中發(fā)電運行一般包括：發(fā)電開機運行、空載運行、發(fā)電運行、背靠背拖動運行、黑啟動運行和發(fā)電調(diào)相運行；抽水運行一般包括：抽水運行和抽水調(diào)相運行。

按照運行狀態(tài)可將機組分為暫態(tài)運行和穩(wěn)態(tài)運行。其中穩(wěn)態(tài)包括：靜止態(tài)、空載態(tài)、發(fā)電態(tài)、發(fā)電調(diào)相態(tài)、抽水態(tài)和抽水調(diào)相態(tài)；暫態(tài)包括：開機態(tài)、背靠背拖動態(tài)、黑啟動態(tài)和停機態(tài)。

抽水蓄能機組固然擁有復雜的運行工況，但是其工況轉換都是有條件的，在設計工況轉換時必須考慮到機組的設計特點和運行方式。通過研究和比較相關主機廠家的水泵水輪機運行方式，參考機組設計條件，綜合上述章節(jié)對機組運行工況的分析，設計了抽水蓄能機組運行工況轉換基本原理圖，見圖3。

圖3 機組工況轉換原理圖

其中： S0－S9代表機組的10個運行狀態(tài)，e1－e21代表機組21個工況轉換方式，具體如下所述：

S0：指機組靜止態(tài)；

S1：指機組開機態(tài)；

S2：指機組空載態(tài)；

S3：指機組發(fā)電態(tài)；

S4：指機組黑啟動態(tài)；

S5：指機組發(fā)電調(diào)相態(tài)；

S6：指機組背靠背啟動態(tài)；

S7：指機組抽水態(tài)；

S8：指機組抽水調(diào)相態(tài)；

S9：指機組停機態(tài)。

以發(fā)電為例：機組從S0(靜止)-S1(開機)-S2(空載)-S3(發(fā)電)，可見機組要完成從S0(靜止)到S3(發(fā)電)需要經(jīng)過S1(開機)和S2(空載)兩個狀態(tài)，機組不能直接從靜止到發(fā)電狀態(tài)，因此調(diào)速系統(tǒng)的工況狀態(tài)設計必須依據(jù)以圖3中的工況轉換關系為基礎。

首先需要對機組的狀態(tài)進行定義，即機組滿足哪些特征才能表明機組在相應的狀態(tài)下。如發(fā)電態(tài)機組的特征就是：

(1) 水輪機方向令=1；

(2) GCB合閘狀態(tài)=1；

(3) 機組功率＞0；

(4) 機組頻率在50Hz±頻率死區(qū)范圍。

然后就是對工況轉換條件進行分析，即機組從狀態(tài)1進入狀態(tài)2需要滿足何種條件方可實現(xiàn)。如機組從靜止態(tài)進入水輪機方向開機態(tài)需滿足：

(1) 水輪機方向令=1；

(2) 水輪機方向開機令=1。

通過對機組運行工況進行定義，就實現(xiàn)了對控制對象的定義，再分析機組工況轉換條件就能得到整個控制對象的運動規(guī)律，這也是形成了調(diào)速系統(tǒng)控制策略的基礎。

2.3 狀態(tài)轉換模型設計

根據(jù)前述分析來定義機組在上述工況時執(zhí)行的操作，見表2。

表2 機組在各種工況下的操作

根據(jù)圖3的工況轉移圖可以分析得到機組在該10個工況下的工況轉換表，見表3。

表3 抽蓄機組工況狀態(tài)轉換表

通過表2和表3可以清楚的看到抽水蓄能機組工況有限狀態(tài)機的狀態(tài)、事件、轉換和動作，這樣就使抽水蓄能機組工況間的復雜轉換關系變得清晰明了。

3 現(xiàn)場實施效果分析

根據(jù)上述模型設計的調(diào)速器工況轉換程序在現(xiàn)場試驗效果良好，結合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)進行分析。

3.1 水輪機方向背靠背拖動

在背靠背拖動過程中拖動機主要負責拖動被拖動機進入可并網(wǎng)狀態(tài)，待被拖動機轉速升至額定轉速附近時同期并網(wǎng)，拖動機先斷開GCB從背靠背拖動態(tài)進入空載態(tài)，接收監(jiān)控系統(tǒng)的停機命令進入停機態(tài)，最終進入靜止態(tài)[3]。背靠背拖動過程中拖動機錄波見圖4。

整個拖動過程機組工況轉換迅速從靜止態(tài)—背靠背拖動態(tài)—空載態(tài)—停機態(tài)—靜止態(tài)整個過程歷時270s，運行狀態(tài)穩(wěn)定，拖動機組導葉開度開啟迅速，被拖動機與拖動機的頻率爬升平穩(wěn)，很好地保證了機組的安全運行和快速反應。

圖4 背靠背拖動試驗拖動機錄波

3.2 水泵方向抽水

當機組進入抽水調(diào)相態(tài)后，調(diào)速系統(tǒng)接受監(jiān)控指令撤銷抽水調(diào)相令，接受抽水令，機組進入抽水態(tài)。具體抽水曲線見圖5。

圖5 水泵方向抽水試驗錄波

當機組進入抽水態(tài)后，調(diào)速系統(tǒng)以設定的導葉開啟速度開啟導葉至第一段開度（預設53%）穩(wěn)定15s，待機組運行穩(wěn)定后開啟至當前水頭下的最優(yōu)揚程。整個抽水過程機組工況轉換過程平常平穩(wěn)，為電網(wǎng)穩(wěn)定運行提供了良好的保障。

4 結束語

通過建立有限狀態(tài)機模型，并應用改進的數(shù)據(jù)結構與狀態(tài)轉換算法，抽水蓄能電站調(diào)速器控制邏輯結構更為清晰。原來存在于程序中的諸多標志變量，由狀態(tài)機的各個狀態(tài)所取代，使系統(tǒng)具有更好的擴展性；并且模型很好地利用了狀態(tài)的相關性。

通過現(xiàn)場調(diào)試和運行驗證，該調(diào)速系統(tǒng)質(zhì)量可靠、功能完善、運行穩(wěn)定，具有很好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，各項指標都達到或優(yōu)于國標，為機組的可靠穩(wěn)定運行提供了有力的保障。

[1] 沈祖詒.水輪機調(diào)節(jié)[M].北京：水利電力出版社,1988.

[2] 熊振云,阮俊波,金慧華.嵌入式軟件中狀態(tài)機的抽象與實現(xiàn)[J].計算機應用，2003,10:84-85.

[3] 駱林,馬志云.抽水蓄能電動發(fā)電機組背靠背起動過程仿真研究[J].大電機技術，2005(06):11-14.

周 攀(1983—)，男，工程師，主要從事水電站調(diào)速系統(tǒng)研究和工程調(diào)試工作。E-mail：zp1983101@163.com

The Condition Transformation Control Strategy for Pumped-Storage Power Station Based on Finite State Machine

ZHOU Pan
(State Grid Xinyuan Company Technology Center, Beijing 100073, China)

This paper sketches the principle and mathematical model of the finite state machine. Define the control and condition transformation rule of the governor system for the pumped-storage power station based on the FSM characteristic,and analysis the field running situation based on the spot experiment record.

finite state machine(FSM); condition transformation; pumped-storage power station; governor system