基于模糊理論的水電運行仿真調(diào)速系統(tǒng)模型的構(gòu)建與改進

董良彬

摘 要：隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，人們對水電系統(tǒng)的要求也越來越高，這對于水電廠的運行人員來說，是一個很大的挑戰(zhàn)，因此，水電運行仿真系統(tǒng)就應運而生。該系統(tǒng)模擬仿真了運行環(huán)境，工作人員在上崗之前，在此仿真系統(tǒng)中進行實際模擬訓練，使得他們能夠熟練地處理水電廠的一些事物，包括正常運行、故障以及事故處理，極大的保障了工作人員在實際操作中的對計算機的監(jiān)控、事故的消除等問題的處理。因此，水電運行仿真模型就顯得尤為重要，本文將從水電運行仿真調(diào)速系統(tǒng)的建立以及改進兩大模塊進行論述。

關(guān)鍵詞：模糊理論；調(diào)速系統(tǒng)模型；水電運行仿真

自從改革開放以來，經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展使得我國電力行業(yè)也得到了飛速的發(fā)展，人們對于電力行業(yè)的要求也越來越高，則國家或者企業(yè)對電力的投資比重逐漸增加，而在電能的各種來源中，水力發(fā)電是其主要來源之一，因此，電網(wǎng)中水電容量所占的比重也隨之增加。此外，各種新技術(shù)、新設備的投入使用，給水電廠運行人員帶來了更大的挑戰(zhàn)，因此，我們要建立水電運行仿真調(diào)速系統(tǒng)，對工作人員進行上崗前的培訓，使得其可以很好的處理解決運行過程中遇到的問題，包括故障、事故等的處理。下面，我們將具體介紹水電運行仿真調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)建以及改進。

1 調(diào)速系統(tǒng)模型的構(gòu)建

（1）水輪機調(diào)速系統(tǒng)

水力發(fā)電是指利用水輪機發(fā)電組將水能轉(zhuǎn)化為電能，以供用戶的使用。水力發(fā)電，不僅要求其安全性與可靠性，還要求電能的電壓以及頻率的額定值保持在一定的范圍內(nèi)。我國電力系統(tǒng)要求：頻率應在50Hz，上下起伏不超過0.5Hz；此外，還應該保障電鐘指示和標準時間之間的誤差小于等于1min。系統(tǒng)的有功功率平衡性決定了電力系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性，然而，負荷的不斷變化將會導致頻率的變化。因此，水輪機組就顯得尤為重要，其主要人物是根據(jù)負荷的變化情況及時的對水輪機發(fā)電組的功率輸出進行調(diào)整，并使之保持在一定的范圍內(nèi)，即頻率保持在50Hz。

通常來說，調(diào)速器是由測量、放大、加法、執(zhí)行以及反饋等元器件構(gòu)成，水輪機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

機組是指待調(diào)節(jié)的對象；通常情況下，導水機構(gòu)安裝在機組內(nèi)部，不單獨列出；機組和調(diào)速器就組成了上述水輪機調(diào)速系統(tǒng)。

（2）調(diào)速器

調(diào)速系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分是調(diào)速器，是一種裝置，可根據(jù)水輪機轉(zhuǎn)速和輸出功率自動調(diào)整導葉開度的裝置。現(xiàn)在市面上有很多種類型的水輪機調(diào)速器，但一般來說，他們都是由放大元件、測量元件、校正元件等組成。不同的調(diào)速器，他們各個元件互相的信號傳遞方式不同，變換和綜合的方式亦不同。調(diào)速器的分類主要有以下幾種，包括緩沖式調(diào)速器、電子調(diào)節(jié)式調(diào)速器、中間接力式調(diào)速器、雙重調(diào)節(jié)調(diào)速器等。將水輪機調(diào)速器應用到水電廠已經(jīng)有著很悠久的歷史，初期，水輪機調(diào)速器通過測速元件直接對執(zhí)行機構(gòu)作用，我們將之稱為直接作用式調(diào)速器，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和普及，現(xiàn)在水電廠一般都采用計算機在線控制。

按照水電廠運行仿真調(diào)速系統(tǒng)的仿真要求，一般而言，WT-S雙微機調(diào)速器，PLC-145型可編程控制式調(diào)速器，SKDT-100集成型電路電液調(diào)速器。本文所采用的是WT-S型雙微機調(diào)速器進行研究，其調(diào)節(jié)控制中心是微型計算機，執(zhí)行機構(gòu)是以直連式機械液壓系統(tǒng)。WT-S型雙微機調(diào)速器適合軸流定漿式和混流式水輪機組，可以完成水輪機的開關(guān)機的手動以及自動操作，還可以對轉(zhuǎn)速以及符合進行手動或者自動的調(diào)節(jié)。

（3）水輪機調(diào)速器組成和原理框圖

若要對水輪機調(diào)速器進行仿真，首先應該考慮是否實用、先進、經(jīng)濟。實用性，建立調(diào)速器仿真模型是為了對工作人員在正式工作之前進行培訓，使得他們能夠熟練的解決遇到的問題，所以，應該盡可能地滿足訓練的各種要求；先進性，盡量使用先進技術(shù)，畢竟經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展是十分迅速的，才能夠滿足地區(qū)監(jiān)控水電廠的要求；經(jīng)濟性，盡可能多的設計功能，充分發(fā)揮軟件的作用，以提高系統(tǒng)的整體性能，同時又不增加其費用。

WT-S型雙微機調(diào)速器一般由調(diào)節(jié)器、液壓系統(tǒng)組成，如圖2所示。

2 調(diào)速系統(tǒng)模型的改進

目前，雖然我國水電運行仿真模型的構(gòu)建技術(shù)已經(jīng)很成熟，在實際運行中，該模型也滿足很多的方面的要求，例如：正常的開關(guān)機、功率的增加和減少、發(fā)電機調(diào)相等等一系列正常的操作，而且，其和水電廠的參數(shù)基本吻合。但是，該模型也存在一些問題，首先，因為系統(tǒng)的不確定性，PID參數(shù)（Kp，Ki，Kd）的整定工作就變得繁瑣而復雜；其次，因為系統(tǒng)的非線性，導致模型的靈活度不是十分理想；此外，該模型的魯棒性也不是很好。因此，我們將對該模型進行優(yōu)化與改進。

要想改善原有模型的各種性能，就要引入模糊控制理論。所謂模糊理論（Fuzzy Theory），是指用到了模糊集合的基本概念或者連續(xù)隸屬度函數(shù)的理論；而模糊控制理論則是指采用模糊數(shù)學語言描述的控制率（控制規(guī)則）來操縱系統(tǒng)工作的控制方式。本文將通過引入模糊理論，并將之與PID控制相結(jié)合，以實現(xiàn)對PID過程的控制，優(yōu)化PID模型。首先，需要設計一個基本的模糊控制器，由于篇幅限制，本文在這里不做過多的介紹。模糊控制器的核心內(nèi)容是模糊控制規(guī)則，又稱為模糊控制算法，其實質(zhì)上來說，就是總結(jié)在控制過程中實踐經(jīng)驗，得出的模糊條件的語句集合。本文所采用的模糊控制器是雙輸入單輸出的，即輸入頻率r以及頻差rc，輸出u。我們根據(jù)實際情況中，PID控制時出現(xiàn)的狀況，總結(jié)出一套模糊條件語句，并得出控制規(guī)則，如下表1。

表中，PB-正大、PM-正中、PS-正小、ZO-零、NS-負小、NM負中、NB負大。模糊控制器輸出得是模糊集合，反映了控制語言的不同的取值的組合，若被控制過程只允許接受一個控制量，則需要從已經(jīng)輸出的模糊子集中判斷出精確的控制量，即設計一個判決，即從模糊集合到普通集合的映射。本文中采用的是最大隸屬度法，在輸出的模糊集合中選出隸屬度最大的論域元素作為判決結(jié)果，如有多個，則去他們的平均值。

由于模糊控制器按照一定的規(guī)則工作，因此，其有一個明顯的優(yōu)點，即控制規(guī)則不收任何約束，是不可解析的，有利于工作人員進行討論以及修改，可以采納更好的控制思想；此外，模糊控制器的規(guī)則具有通用性，一般而言，較小的改動和組合就可以適用于不同的被控制過程；而且，其內(nèi)部參數(shù)具有較強的適應性。

結(jié)束語：

自從改革開放以來，科學技術(shù)快速發(fā)展，我國電力行業(yè)的發(fā)展也十分迅速，人們對水電系統(tǒng)的要求也越來越高，這對于水電廠的運行人員來說，是一個很大的挑戰(zhàn)，因此，水電運行仿真系統(tǒng)就應運而生。該系統(tǒng)模擬仿真了運行環(huán)境，工作人員在上崗之前，在此仿真系統(tǒng)中進行實際模擬訓練，使得他們能夠熟練地處理水電廠的一些事物，包括正常運行、故障以及事故處理，極大的保障了工作人員在實際操作中的對計算機的監(jiān)控、事故的消除等問題的處理。因此，水電運行仿真模型就顯得尤為重要，本文從水電運行仿真調(diào)速系統(tǒng)的建立以及改進兩大模塊進行了論述，具體的介紹了水輪機調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)速器、水輪機調(diào)速器組成和原理框圖，最后介紹了基于模糊理論的調(diào)速系統(tǒng)模型的改進。

參考文獻：

[1]陳鵬.基于模糊理論的水電運行仿真調(diào)速系統(tǒng)模型改進.東北大學，2002.01.

[2]李友善、李軍，模糊控制理論及其在過程控制中的應用，國防工業(yè)出版社，1993.6。