基于模糊PID算法的水電站電力通信機房遠程控制方法

楊克嘉

(四川鐵能電力開發(fā)有限公司,四川 成都 610000)

水電站在電力發(fā)電中具有舉足輕重的作用，在水電站的機房控制和數(shù)據(jù)傳輸中，需要結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡通信技術，進行水電站電力通信機房遠程控制和自適應調(diào)節(jié)，建立水電站電力通信機房遠程控制系統(tǒng)模型，結(jié)合應用物聯(lián)網(wǎng)和微網(wǎng)控制技術，構(gòu)建水電站電力通信機房遠程控制模型，提高通信的輸出的穩(wěn)定性和可靠性，相關的水電站電力通信機房遠程控制方法在水電站的電力輸出控制和電力參數(shù)調(diào)節(jié)方面具有重要意義[1]。

對水電站電力通信機房遠程控制是通過通信信道的輸出穩(wěn)定性分析和信道均衡控制實現(xiàn)的，采用自適應編碼和總線控制技術，結(jié)合模塊化參數(shù)調(diào)節(jié)，進行水電站電力通信機房遠程控制的自適應控制，提高傳輸和交換能力[2]。其中，主要的水電站電力通信機房遠程控制方法有神經(jīng)網(wǎng)絡控制方法、積分控制方法和輸出電流二次諧波控制方法等[3]，李少林和王偉勝等人提出基于頻率響應區(qū)間劃分的風電機組虛擬慣量模糊自適應控制的方法[4]，以電壓源方式并網(wǎng)，在系統(tǒng)頻率響應動態(tài)過程中實現(xiàn)電力通信控制，但該方法進行電力通信機房控制的線性化模型參數(shù)調(diào)節(jié)能力不好。文獻[5]中提出基于載波頻率的紋波分析直流微網(wǎng)阻抗檢測均流控制方法，采用模型化參數(shù)分析，結(jié)合系統(tǒng)頻率特征檢測，解決直流微電網(wǎng)中線路阻抗帶來的諧波影響，但該方法的抗干擾能力不強。針對傳統(tǒng)方法存在的弊端，提出基于模糊PID算法的水電站電力通信機房遠程控制方法，結(jié)合通信控制的硬件模塊化設計和算法設計，通過系統(tǒng)頻率響應特性分析，進行非穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，提高輸出穩(wěn)定性，最后進行水電站電力通信機房遠程控制的仿真測試，得出有效性結(jié)論。

1 電力通信機房控制組件結(jié)構(gòu)和控制對象

1.1 電力通信機房控制組件結(jié)構(gòu)

構(gòu)建水電站電力通信機房遠程控制的組件結(jié)構(gòu)模型，以中央控制器作為輸出端，建立電力通信機房控制組件通信輸出控制的測量模型參數(shù)，采用全局均衡調(diào)度，進行電力通信機房控制過程中的均衡分配，以變換器間完全均流的控制參數(shù)作為均衡配置對象，通過脈沖注入檢測的方法，進行電力通信機房控制組件配置和補償控制，在阻抗測量過程中，通過脈沖調(diào)節(jié)和信道均衡調(diào)度，進行電力通信機房控制的模糊自適應分配。采用35、20、10kV開關作為輸出電壓電流的控制中斷，在不同變換器間通過電壓電流紋波分析和阻抗特征分析，進行直流微網(wǎng)運行中的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)。在電力通信機房控制組件中，開關機構(gòu)內(nèi)有一個合閘限位器，用于合閘閉鎖，了解決直流微電網(wǎng)中線路阻抗穩(wěn)態(tài)控制的問題，如果開關正常運行時，如果合閘條件不滿足，電氣解鎖回路不導通，電流高頻諧波分量輸出平衡[6]。構(gòu)建水電站電力機房通信的信道輸出模型，建立水電站電力通信系統(tǒng)的控制器模塊、存儲結(jié)構(gòu)模塊、數(shù)據(jù)匯聚模塊以及TCP服務控制模塊?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水電站電力通信機房的總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1所示的電力通信機房控制組件結(jié)構(gòu)分析和總體結(jié)構(gòu)模型，建立水電站電力通信系統(tǒng)的控制器模塊、存儲結(jié)構(gòu)模塊、數(shù)據(jù)匯聚模塊以及TCP服務控制模塊，其中，控制器模塊包含了通信機房的信道特性儀配套裝置，實現(xiàn)斷路器特性試驗的中轉(zhuǎn)作用。通過回路檢測及人機控制，進行水電站電力通信機房遠程傳輸，在直流微網(wǎng)內(nèi)部多變換器作用下，模擬斷路器實際運行狀態(tài)，實現(xiàn)發(fā)電設備容量調(diào)控，水電站電力通信機房遠程控制系統(tǒng)設計中，通過DAS技術、NAS技術進行信道分配，采用NCL(Neighbor Channel List)列表分配機制，構(gòu)建水電站電力通信機房遠程控制的信道傳輸隊列結(jié)構(gòu)，水電站電力通信機房遠程控制的實現(xiàn)技術結(jié)構(gòu)模塊如圖2所示。

圖2 水電站電力通信機房遠程控制的實現(xiàn)技術結(jié)構(gòu)模塊

1.2 水電站電力通信信道模型及均衡

通過對水電站輸出線路的阻抗測量，以差動電流二次諧波含量作為控制約束參數(shù)，通過模糊PID控制算法實現(xiàn)水電站電力通信信道均衡控制，提取環(huán)節(jié)干擾控制參數(shù)，通過高頻諧波振蕩控制的方法，結(jié)合下垂控制與虛擬阻抗控制[7]，建立水電站電力通信信道模型，如圖3所示。圖3所示的信道模型中國，采用RRC連接請求控制方法，結(jié)合NAS安全承諾，在一次調(diào)頻、二次調(diào)頻等作用下，輸出水電站電力通信機房的慣量參數(shù)，提升系統(tǒng)慣量水平。

圖3 水電站電力通信信道模型

2 水電站電力通信機房遠程控制算法及實現(xiàn)

2.1 模糊PID控制算法

采用模糊PID控制算法，構(gòu)建水電站電力通信機房遠程控制模型參數(shù)，給出水電站電力通信機房的系統(tǒng)頻率響應線性化模型，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)頻率響應線性化模型

結(jié)合圖4模型，通過系統(tǒng)頻率響應區(qū)間劃分的，得到水電站電力通信機房遠程控制的等值運動方程為：

(Tjeps+Deq)Δf(s)=ΔPG+ΔPW-ΔPL

(1)

式中，Tjep—等效阻尼系數(shù)；s—頻率響應波動；Deq—系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)；Δf(s)—聯(lián)合系統(tǒng)頻率,kHz；ΔPG—水電站的自有功率W,kW；ΔPW—輸出功率增益；ΔPL—電機組虛擬功率,kW。

通過模糊PID控制算法實現(xiàn)水電站電力通信信道均衡控制，得到頻率響應表達式：

(2)

式中，KG—電機組一次調(diào)頻參數(shù)；TGT—電機組電力通信的有功功率變化量W；TCH—電網(wǎng)頻率回歸穩(wěn)態(tài)值；TRH—系統(tǒng)頻率擾動極值。

結(jié)合PID神經(jīng)網(wǎng)絡控制方法，建立電機組虛擬慣量綜合控制開環(huán)傳遞函數(shù)：

(3)

式中，TJeq—水電站電力通信輸出的時間相關參數(shù)；Kd—單位功率因數(shù)；KP—電壓外環(huán)直流諧波參數(shù)；RW—通信信道干擾強度。

無功電流的參考值，此時水電站電力通信機房無功電流的參考值ijeps=0。根據(jù)上述PID控制算法設計，實現(xiàn)對電力通信機房的遠程控制律設計，采用變壓器、開關、壓變和母線聯(lián)合監(jiān)測的方法，進行水電站電力通中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和多模態(tài)監(jiān)測[8]。

2.2 硬件及軟件結(jié)構(gòu)

對水電站電力通信機房遠程控制系統(tǒng)的硬件設計是建立在MultiHopLQI開發(fā)平臺基礎上，結(jié)合嵌入式組件開發(fā)的方法，建立水電站電力通信機房遠程控制系統(tǒng)的交叉編譯平臺輸出端，通過B/S構(gòu)架協(xié)議，進行水電站電力通信機房遠程控制的總線開發(fā)和軟件觸發(fā)，在信號和信道的調(diào)理過程中，通過誤差反饋進行信道補償，在人機交互模塊中，采用Linux內(nèi)核加載的方法，從交直流電源中遺憾如人機對話協(xié)議，通過USB接口模塊對測試的參數(shù)進行輸出及調(diào)試，實現(xiàn)水電站電力通信機房的人機交互控制。使用EETX(Extra Expected number of Transmission)構(gòu)建通信的幀結(jié)構(gòu)模型，在信標幀上附加了LEEP幀的信息，在根節(jié)點的匯聚樹中廣播EETX幀，通過TinyOS2.x傳輸路徑協(xié)議模型建立機房遠程通信控制的CTP路喲傳感協(xié)議，實現(xiàn)路由引擎控制。通信鏈路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 通信鏈路結(jié)構(gòu)圖

構(gòu)建水電站電力通信機房遠程控制系統(tǒng)的主控模塊，基于IEEE488.2標準控制協(xié)議，進行水電站電力通中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和多模態(tài)監(jiān)測，在ITU- 656 PPI通信模式下進行水電站電力通信機房遠程控制系統(tǒng)的總線集成傳輸控制，采用ISA/EISA/Micro Channel擴充總線實現(xiàn)水電站電力通信機房遠程控制系統(tǒng)的總線收發(fā)控制。水電站電力通信機房遠程控制的信標幀和路由交換結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。根據(jù)上述算法和硬件軟件開發(fā)設計[9]。

圖6 通信機房遠程控制的信標幀和路由交換結(jié)構(gòu)模型

3 實驗測試分析

通過系統(tǒng)仿真測試測試本文方法在實現(xiàn)水電站電力通信機房遠程控制的應用性能[10]，仿真實驗平臺如圖7所示。

圖7 仿真實驗平臺

電站電力通信信道的通帶增益為34dB，以電力通信機房的輸出容量、阻抗以及變壓參數(shù)為約束參量，參數(shù)變量見表1。

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)表1的參數(shù)設定，基于Matlab/Simulink仿真的方法，進行通信機房控制性能分析，得到控制參數(shù)計算結(jié)果見表2。

表2 控制參數(shù)解算結(jié)果

根據(jù)參數(shù)解算結(jié)果，進行控制穩(wěn)定性測試，得到不同方法進行控制的穩(wěn)態(tài)曲線如圖8所示。分析圖8得知，傳統(tǒng)方法進行水電站電力通信機房控制的頻率振蕩衰減快，動態(tài)過程會變慢，本文方法的穩(wěn)態(tài)性較好，具有較高的頻率響應動態(tài)特性。

圖8 控制曲線

4 結(jié)語

電力工業(yè)是國民經(jīng)濟中的重要支柱。到目前為止，我國水電站的發(fā)電量，在全國總發(fā)電量中已經(jīng)超過20%.顯然，水電站同時因為其本身特點，已經(jīng)成為電力工業(yè)中的重要力量。PID控制是一種應用非常廣泛的控制方式。利用模糊PID控制算法，具有改善被控對象的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能的作用。將模糊PID控制算法引入水電站電力通信機房的控制系統(tǒng)中，對提高水電站電力通信機房遠程控制的穩(wěn)定性與控制收斂性，具有良好的效果。與常規(guī)方式相比，其能夠自動、較快的跟蹤控制系統(tǒng)，有效避免人工操作的主觀性和隨意性，提高了系統(tǒng)的安全性，并減少了運行人員的調(diào)節(jié)負擔。