智能變電站過程層二次虛回路自動校核系統(tǒng)

喬成銀　陳波　尹相國　馬磊　張文

摘? ?要：為提高對智能變電站過程層二次虛回路的自動控制抗干擾和校核能力，設計了基于線性擴張自適應控制的智能變電站過程層二次虛回路自動校核系統(tǒng)。建立了智能變電站過程層的二次虛回路等效電路模型，采用誤差反饋校正方法調(diào)節(jié)模糊控制參數(shù);在此基礎(chǔ)上，進行智能變電站過程層二次虛回路的線性自抗擾控制和參數(shù)整定性處理，根據(jù)等效控制反饋增益的變化實現(xiàn)對過程層二次虛回路的自動校核。仿真實驗結(jié)果表明，采用該方法進行智能變電站過程層二次虛回路自動校核的校核精度較高、可靠性較好，且校核過程較穩(wěn)定，提高了智能變電站過程層二次虛回路的抗干擾能力，具有很高的應用價值。

關(guān)鍵詞：智能變電站;過程層;二次虛回路;校核;反饋調(diào)節(jié)

中圖分類號：TM301.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Automatic Checking System for Secondary Virtual Circuit

of Process Layer of Intelligent Substation

QIAO Cheng-yin ，CHEN Bo，Yin Xiang-guo，MA Lei，ZHANG Wen

（State Grid Ningxia Maintence Company，Yinchuan，Ningxia 750011，China）

Abstract：In order to improve the automatic control anti-interference and check ability of the secondary virtual circuit in the process substation of intelligent substation，an automatic verification system for the secondary virtual circuit of the intelligent substation process based on linear expansion adaptive control is designed. The second virtual loop equivalent circuit model of the intelligent substation process layer is established，and the fuzzy feedback parameters are adjusted by the error feedback correction method. On this basis，the linear auto disturbance rejection control and parameter tuning processing of the secondary virtual loop of the intelligent substation process layer are carried out. According to the change of the equivalent control feedback gain，the automatic check of the secondary virtual loop of the process layer is realized. The simulation results show that the method of automatic verification of the secondary virtual circuit in the process substation of the intelligent substation has high calibration accuracy，good reliability，and stable calibration process，which improves the secondary virtual circuit of the intelligent substation process layer. Anti-interference ability，has high application value.

Key words：smart substation;process layer;secondary virtual circuit;check;feedback adjust

智能變電站已經(jīng)成為電力系統(tǒng)建設中的重要支撐節(jié)點，其以二次虛回路代替常規(guī)變電站的硬電纜連接，實現(xiàn)了電網(wǎng)運行過程的信息傳輸[1]。因此，為保證智能變電站過程層二次虛回路的有效性和穩(wěn)定性，需要構(gòu)建智能變電站的過程層二次虛回路自動校核模型，提高其自動化控制能力。相關(guān)的智能變電站的控制系統(tǒng)設計方法也受到人們的極大關(guān)注。

通常來說，對智能變電站的控制是建立在對智能變電站過程層二次虛回路自動校核的基礎(chǔ)上進行的，通過建立智能變電站過程層二次虛回路自動校核系統(tǒng)，結(jié)合感應電動勢和電機參數(shù)的整定性處理的方法來實現(xiàn)智能變電站過程層二次虛回路自動校核[2]。目前，已有專家學者在智能變電站過程層二次虛回路自動校核領(lǐng)域提出了一些較為成熟的研究結(jié)果，如模糊PID方法和磁通切換控制方法等等[3]。文獻[4]利用深度搜索方法對二次虛實回路進行了校核，設計過程層虛回路配置規(guī)則，將狀態(tài)校核作為二次虛回路校核的一部分，并利用鄰接表存儲物理光纖回路，利用深度優(yōu)先搜索算法實現(xiàn)智能變電站過程層中各設備的物理拓撲鏈接，通過深度搜索故障推理算法實現(xiàn)校核過程。文獻[5]中提出了一種基于檢修態(tài)切換的智能變電站回路校核系統(tǒng)，仿照常規(guī)變電站的工作流程定義相關(guān)設備的檢修態(tài)，將過程層二次虛回路的校核過程簡化為檢修態(tài)之間的切換，并通過電樞空載感應電勢調(diào)節(jié)模型實現(xiàn)智能變電站過程層二次虛回路自動校核。然而上述方法在進行智能變電站過程層二次虛回路自動校核時的自適應性不好，抗干擾能力較差。

針對上述方法存在的問題，設計基于線性擴張自適應控制的智能變電站過程層二次虛回路自動校核系統(tǒng)。并進行仿真實驗分析，得出有效性結(jié)論。

1? ?變電站過程層二次虛回路抗干擾控制

1.1? ?二次虛回路等效電路模型

為了實現(xiàn)智能變電站過程層二次虛回路的優(yōu)化校核和控制，首先需構(gòu)建智能變電站過程層二次虛回路等效電路模型，根據(jù)線圈的電磁變換進行電機控制，采用能量參數(shù)調(diào)節(jié)的方法，完成智能變電站過程層二次虛回路的能量變換和分流控制[6]。智能變電站過程層二次虛回路的等效電路模型如圖1所示。

根據(jù)圖1所示的等效電路模型，結(jié)合磁通切換的模糊PID控制方法，對電路進行矢量控制和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，通過感應電勢的智能調(diào)節(jié)方法，進行智能變電站過程層二次虛回路的線性組合控制和模糊參數(shù)調(diào)節(jié)[7]，得到智能變電站過程層二次虛回路的轉(zhuǎn)速辨識模型用如下公式描述：

V = Lq■■f（u）du + E × ■? ? ?（1）

其中，f（u）表示二次虛回路永磁磁鏈的變化函數(shù)，Lq表示擴展卡爾曼調(diào)節(jié)系數(shù)，UJ表示二次虛回路沿切向交替充磁的電壓，E是感應電動勢，智能變電站過程層的感應電動勢表示：

E = n × ■? ? ?（2）

其中，Δφ表示磁通量變化量，Δt表示時間。根據(jù)上述分析，結(jié)合階躍響應控制法，進行二次虛回路等效控制[8]，根據(jù)某一頻率、某一相序的電壓擾動分量來控制二次虛回路，避免了傳統(tǒng)的PID控制方法中信號產(chǎn)生過程中同時出現(xiàn)放大擾動信號的過程。二階離散數(shù)據(jù)跟蹤器控制輸出等效模型表示為：

P = V（ f × a - v） × h? ? ?（3）

其中，v是輸入旋轉(zhuǎn)矢量;a是耦合電流分量;f是輸入信號的一階導數(shù);h為步長。根據(jù)電壓擾動與電流響應分量進行參數(shù)調(diào)節(jié)，通過耦合頻率調(diào)節(jié)方法[9]，進行智能變電站過程層二次虛回路的自動校核和控制。

1.2? ?二次虛回路的模糊控制智能參數(shù)調(diào)節(jié)

在上述研究基礎(chǔ)上，采用誤差反饋校正方法調(diào)節(jié)智能變電站過程層二次虛回路的模糊控制參數(shù)，構(gòu)建線性自抗擾控制模型[10]，得到耦合電流分量和控制誤差的關(guān)系為：

H = β × ■? ? ?（4）

其中，z是頻率耦合的特征參數(shù)，用α表示智能變電站過程層二次虛回路控制的模糊參數(shù)，β為可調(diào)參數(shù)。采用最大似然估計的方法進行自整定性處理，根據(jù)電壓擾動與電流響應分量的聯(lián)合控制，通過自適應尋優(yōu)得到智能變電站過程層二次虛回路的同頻率分量疊加模型為：

A = δ × H - ■? ? ?（5）

其中，δ表示并網(wǎng)逆變可調(diào)參數(shù)，k表示智能變電站過程層的自動校核比例系數(shù)，g表示智能變電站過程層的微分系數(shù)[11]。考慮控制器輸出的調(diào)制信號對直流側(cè)能量的影響，在功率輸出增益最大的條件下，構(gòu)建變電站過程層的模糊控制智能參數(shù)調(diào)節(jié)模型：

W = ■? ? ?（6）

其中，r表示電力系統(tǒng)直流多功率分送控制的輸出增益，φ表示電力系統(tǒng)逆變器對外等效控制特征量。綜上所述，構(gòu)建了變電站過程層的模糊控制智能參數(shù)調(diào)節(jié)模型，根據(jù)參數(shù)調(diào)節(jié)結(jié)果，完成了智能變電站過程層二次虛回路的抗干擾控制。

2? ?二次虛回路自動校核

2.1? ?二次虛回路線性自抗擾控制

在上述建立智能變電站過程層的二次虛回路等效電路模型，采用誤差反饋校正方法進行智能變電站過程層的模糊控制參數(shù)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，進行智能變電站過程層二次虛回路自動校核。設計一種基于線性擴張自適應控制的智能變電站過程層二次虛回路自動校核系統(tǒng)。在交流側(cè)濾波端，構(gòu)建輸入輸出系統(tǒng)，用以下公式表示：

I = i × ■? ? ?（7）

其中，u表示第i通道的基頻電壓，tmax表示負序電流響應的最大幅值，t0表示基頻電流的幅值，v表示電荷運動速度，結(jié)合負序擾動電壓的相位p，對變電站過程層進行模糊控制。借助于參數(shù)的耦合控制方法，得到頻率耦合時滯項T為：

T = I × sign [sin（ωt - p）]? ? ?（8）

其中，sign表示返回符號函數(shù)，采用二次虛回路線性自抗擾控制方法[12]，得到二次虛回路頻率耦合控制輸出為：

G = μ1 - ■ - T? ? ?（9）

其中，μ表示自抗擾控制參數(shù)。

2.2? ?參數(shù)整定性處理

構(gòu)建線性自抗擾控制器進行智能變電站過程層二次虛回路線性自抗擾控制和參數(shù)整定性處理，對直流側(cè)負荷進行穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，假設智能變電站過程層的誤差控制項為λ，采用頻率耦合調(diào)節(jié)的方法，以控制采樣周期為輸入，對負序電流響應分量進行自動調(diào)節(jié)，得到二次虛回路自動校核的參數(shù)自整定性特征提取輸出為：

ω = ■ - λ? ? ?（10）

以輸出功率為控制目標函數(shù)，根據(jù)等效控制反饋增益的變化進行智能變電站過程層二次虛回路自動校核，構(gòu)建智能變電站過程層二次虛回路的多功率分送控制模型，結(jié)合智能變電站過程層二次虛回路的電磁參數(shù)進行自適應調(diào)節(jié)[13]，過程層二次虛回路的電磁損耗量在θ時刻為：

Q = ■? ? ? ? ?（11）

當智能變電站過程層二次虛回路的電磁損耗衰減遠遠小于負載功率時，智能變電站過程層的線性擾動分量c與并網(wǎng)點電壓u′的關(guān)系滿足：

u′ = ■c - Q? ? ? ? （12）

采用多功耗自適應參數(shù)調(diào)節(jié)的方法，得到此時輸出的瞬時電壓為：

V = σ × ■sign [sin（ωt）]? ? ?（13）

其中，σ表示常規(guī)調(diào)節(jié)系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，若智能變電站過程層的線性擾動分量c與并網(wǎng)點電壓 u′的關(guān)系滿足公式（13），則智能變電站過程層二次虛回路自動校核過程的電流參數(shù)x自整定性調(diào)節(jié)輸出為：

M = ■■（V × θ + ω）dt? ? ?（14）

綜上分析，根據(jù)自整定性調(diào)節(jié)輸出結(jié)果實現(xiàn)智能變電站過程層二次虛回路自動校核。

3? ?仿真測試與結(jié)果分析

為測試所設計的基于線性擴張自適應控制的智能變電站過程層二次虛回路自動校核系統(tǒng)的實際應用性能，進行仿真實驗。實驗條件設置情況如下：在Matlab Simulink平臺上建立智能變電站過程層二次虛回路自動校核系統(tǒng)模型，設定直流母線電壓參數(shù)為220 V，閉環(huán)控制環(huán)比例積分參數(shù)為0.068，鎖相環(huán)的比例積分參數(shù)為0.034，頻率耦合參數(shù)為0.25，等效電感 Lg = 3.74 mH。

根據(jù)上述參數(shù)設定，得到智能變電站過程層二次虛回路校核的耦合特性曲線簡化模型如圖2所示。

圖2 智能變電站過程層二次虛回路校核的耦合特性曲線簡化模型觀察圖2，根據(jù)耦合特性曲線分析得知，采用所提的基于線性擴張自適應控制的智能變電站過程層二次虛回路自動校核系統(tǒng)進行校核的智能性和自適應性較好，仿真輸出結(jié)果與理想化曲線差異較小，說明了本文系統(tǒng)的有效性。

為進一步測試基于線性擴張自適應控制的智能變電站過程層二次虛回路自動校核系統(tǒng)的有效性，設計如下對比實驗。將該系統(tǒng)與文獻[4]提出的基于深度搜索方法的變電站二次虛實回路校核系統(tǒng)和文獻[5]提出的基于檢修態(tài)切換的智能變電站回路校核系統(tǒng)進行對比，測試不同系統(tǒng)在進行自適應校核時的校核精度，得到對比結(jié)果如圖3所示。

分析圖3可知，隨著迭代次數(shù)的不斷增加，不同變電站過程層二次虛回路校核系統(tǒng)的校核精度也相應發(fā)生變化。文獻[5]系統(tǒng)的校核精度僅在最初時小于文獻[4]系統(tǒng)，但這兩種系統(tǒng)的校核精度始終小于所提的基于線性擴張自適應控制的智能變電站過程層二次虛回路自動校核系統(tǒng)。對比結(jié)果表明，所提系統(tǒng)的校核精度最高，可證明所提方法的有效性。

對上述三種校核系統(tǒng)進行蓄意攻擊，記錄三種系統(tǒng)成功抵御攻擊的次數(shù)，結(jié)果如表1所示。

分析表1可知，隨著總攻擊次數(shù)的不斷增加，不同校核系統(tǒng)成功抵御攻擊的次數(shù)也在不斷增加。但所提的基于線性擴張自適應控制的智能變電站過程層二次虛回路自動校核系統(tǒng)成功抵御攻擊的次數(shù)始終在3中系統(tǒng)中保持最高，說明該校核系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力，有效性更好。

4? ?結(jié)? ?論

針對智能變電站過程層二次虛回路的校核能力和抗干擾能力較差的問題，設計了基于線性擴張自適應控制的智能變電站過程層二次虛回路自動校核系統(tǒng)。根據(jù)自抗擾控制模型及參數(shù)調(diào)節(jié)結(jié)果，提高了虛回路的抗干擾能力;根據(jù)線性擴張自適應控制系統(tǒng)，實現(xiàn)智能變電站過程層二次虛回路的自動校核。經(jīng)測試研究得知，該系統(tǒng)在進行智能變電站過程層二次虛回路自動校核的準確性較高，可靠性較好，抗干擾能力較強，具有極高的應用優(yōu)勢。

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