苗 斌
(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院,西安 710026)
電力系統(tǒng)是一個由發(fā)電廠、區(qū)域發(fā)電站、變電所、配電所、高壓設(shè)備和用電設(shè)備所構(gòu)成的電力生產(chǎn)和消費體系[1],能夠生產(chǎn)電能并由輸電、變電、配電等方式向用戶提供電能[2-4]。為了達到這種目的,在電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和各層級都設(shè)有相應(yīng)的監(jiān)控、調(diào)節(jié)、控制、保護、通訊、調(diào)度等控制手段,確保用戶能夠獲得安全、優(yōu)質(zhì)的電能[5]。當電力系統(tǒng)的負載周期的幅度達到一定條件時,就會產(chǎn)生混沌振蕩現(xiàn)象[6]。混沌是一種與隨機運動相似的動態(tài)形式,它在局部呈現(xiàn)出不規(guī)則的擺動,看似雜亂無章,但從整體上來看,又被限制在一定的范圍內(nèi),具有一定的有序性,因此它與隨機運動不同,它是秩序與混亂的矛盾統(tǒng)一體[7]。由于混沌來自系統(tǒng)的非線性,因此也具有混沌非線性、非均衡性的特征[8]。
電力系統(tǒng)的混沌振蕩現(xiàn)象會在一定程度上影響電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性,為此,相關(guān)學(xué)者紛紛對電力系統(tǒng)混沌振蕩控制方法做出了研究。文獻[9]中提出的混沌振蕩控制方法以全局滑模時滯技術(shù)作為支持,能夠快速收斂特性的時滯補償項,從而抑制上界未知的外部擾動。文獻[10]中提出的控制方法應(yīng)用了浸入與不變原理該方法融入I&I原理,對系統(tǒng)中存在的未知非線性項和外部擾動進行補償,在反演控制器的支持下完成混沌振蕩控制任務(wù)。文獻[11]提出利用動態(tài)斜坡調(diào)制功率半導(dǎo)體濾波器調(diào)節(jié)串聯(lián)通器件電壓抑制傳導(dǎo)。提出了一種固定頻率的動態(tài)斜坡調(diào)制器,基于以固定的開關(guān)頻率操作轉(zhuǎn)換器,并將開關(guān)頻率設(shè)置為遠離電網(wǎng)側(cè)諧振頻率。無論輸入變化如何,兩端的電壓也通過動態(tài)斜坡保持在低電平,從而實現(xiàn)電力系統(tǒng)的低功耗運行。設(shè)計了一種優(yōu)化的快速電流調(diào)節(jié)電路,以實現(xiàn)高傳導(dǎo)電磁干擾(EMI)抑制。然而在上述混沌振蕩控制方法的實際應(yīng)用過程中,存在明顯的控制效果不佳的問題,主要體現(xiàn)在混沌振蕩幅度大、存在時間長等方面,為此引入混沌小擾動抑制技術(shù)。
混沌小擾動抑制技術(shù)與混沌振蕩控制具有相同的控制目標,該技術(shù)主要通過對混沌小擾動的識別與干預(yù),在一定程度上抑制混沌擾動幅度。將混沌小擾動抑制技術(shù)應(yīng)用到電力系統(tǒng)的混沌振蕩控制工作中,通過混沌小擾動抑制技術(shù)限制電力系統(tǒng)的混沌振蕩幅值,以期能夠提升混沌振蕩控制效果,進而保證電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。
優(yōu)化設(shè)計電力系統(tǒng)混沌振蕩控制方法的基本思路是:在電力系統(tǒng)模型環(huán)境下,模擬混沌振蕩發(fā)生的過程,并確定混沌擾動與振蕩現(xiàn)象之間的關(guān)系。通過電力系統(tǒng)實時運行數(shù)據(jù)的采集,提取其振蕩信號特征,從而判定當前電力系統(tǒng)是否存在混沌振蕩現(xiàn)象,針對存在振蕩現(xiàn)象的電力系統(tǒng),計算混沌振蕩控制量,在混沌振蕩控制器的作用下,利用混沌小擾動抑制技術(shù)消除混沌振蕩的周期運動,結(jié)合擾動與振蕩之間的關(guān)系,實現(xiàn)對電力系統(tǒng)混沌振蕩的控制。
電力系統(tǒng)由發(fā)電廠、配電所、用電設(shè)備等多個部分組成,電力系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 電力系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖
電力系統(tǒng)中發(fā)電機模塊對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型可以描述為:
(1)
式中,fele和Pele分別為發(fā)電機的基頻和輸入功率,U∞、U、Uref、Uin和Ufd0分別為無窮大電壓、終端電壓、母線電壓參考值、輸入電壓和勵磁限制電壓,ω和φ為發(fā)電機角頻率和功角,μ表示阻尼因子,Ltemporary和L分別為發(fā)電機電抗和暫態(tài)電抗,H為發(fā)電機轉(zhuǎn)子慣性,τ為定子繞組的時間常數(shù)。按照上述方式可以得出電力系統(tǒng)中其他模塊的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建結(jié)果,通過多模塊的連接與組合,得出電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的最終構(gòu)建結(jié)果。
在構(gòu)建的電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型下,發(fā)電機組調(diào)速器和電壓崩潰均可能出現(xiàn)混沌現(xiàn)象,此時電力系統(tǒng)的混沌吸引子相圖如圖2所示。
圖2 電力系統(tǒng)的混沌吸引子相圖
在只考慮同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動的動態(tài)過程的情況下,將存在混沌振蕩行為的電力系統(tǒng)表示為:
(2)
式中,Pc和PMechanics分別為電力系統(tǒng)機械與電磁功率,Z為等值轉(zhuǎn)動慣量,β為擾動幅度,σ為等值阻尼系數(shù)。公式(2)表示的電力系統(tǒng)為耗散系統(tǒng),利用公式(3)計算電力系統(tǒng)的散度值。
(3)
隨著時間的推移,電力系統(tǒng)內(nèi)的相空間容量會不斷縮小,導(dǎo)致總能量因此而改變,當公式(3)的計算結(jié)果λ小于0,則此時系統(tǒng)發(fā)生混沌現(xiàn)象。
根據(jù)電力系統(tǒng)混沌振蕩過程的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)混沌振蕩現(xiàn)象的產(chǎn)生與擾動幅度和電磁功率有關(guān),在電磁能量為零時,也就是只有周期負載干擾的情況下,根據(jù)干擾幅度的改變,可以將混沌振蕩的臨界狀態(tài)表示為:
(4)
式中,β′表示實際振蕩發(fā)生時的臨界條件。從公式(4)中可以看出,當存在混沌擾動時,電力系統(tǒng)未達到目標機械功率就會產(chǎn)生混沌振蕩現(xiàn)象,由此證明混沌小擾動的存在會在一定程度上降低電力系統(tǒng)混沌振蕩的觸發(fā)條件,即混沌小擾動與電力系統(tǒng)混沌振蕩之間存在正相關(guān)關(guān)系。
根據(jù)電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建結(jié)果,結(jié)合電力系統(tǒng)混沌振蕩的模擬過程,確定振蕩信號的產(chǎn)生位置,并在該位置上安裝傳感器設(shè)備,用于采集電力系統(tǒng)的實時混沌振蕩信號[12]。利用安裝的傳感器設(shè)備,得出任意時刻電力系統(tǒng)混沌振蕩信號的采集結(jié)果為:
r(i)=Acos[ωT+φ]
(5)
式中,A為混沌振蕩幅值,T為振蕩周期,由于電力系統(tǒng)產(chǎn)生的振蕩為混沌振蕩,因此參數(shù)T的取值為隨機數(shù),φ為振蕩信號相位,公式(5)的輸出結(jié)果即為i測點位置上的振蕩信號的采樣結(jié)果,同理可以得出電力系統(tǒng)中其他測點位置上的振蕩信號。以初始采集的混沌振蕩信號為基礎(chǔ),從幅值、有效值和頻率等方面提取振蕩信號的特征參數(shù),具體的提取過程可以量化表示為:
(6)
式中,xmax和xmin表示采集混沌振蕩信號中的最大值和最小值,Num為采集的振蕩信號數(shù)量,Δt為采樣時間。若電力系統(tǒng)中存在混沌小擾動,則混沌振蕩幅值為擾動與自主振蕩的耦合結(jié)果,有效值和頻率為擾動與自主振蕩的疊加結(jié)果。按照上述流程,得出任意時刻電力系統(tǒng)混沌振蕩信號的特征參數(shù)計算結(jié)果。
采用特征匹配與條件比對相結(jié)合的方式,判定當前電力系統(tǒng)是否存在混沌振蕩狀態(tài),根據(jù)電力系統(tǒng)混沌振蕩過程的模擬結(jié)果,設(shè)置存在混沌振蕩現(xiàn)象電力系統(tǒng)的運行信號特征為ψ0,在考慮特征權(quán)重的前提下,對提取的實時振蕩信號特征進行融合處理,將任意時刻振蕩信號的融合特征標記為ψz(i),那么振蕩信號特征的匹配過程如下:
(7)
將提取的振蕩信號特征逐一代入到公式(7)中,即可得出特征匹配結(jié)果。若公式(7)的計算結(jié)果高于閾值s0,則進入混沌振蕩條件比對環(huán)節(jié),否則直接判定當前電力系統(tǒng)不存在混沌振蕩現(xiàn)象[13]。在混沌振蕩條件比對過程中,定義比對參數(shù)為δ,其函數(shù)表達式如下:
(8)
式中,變量x與電力系統(tǒng)相對功角取值相同,將公式(3)的計算結(jié)果λ賦值給y,即可得出電力系統(tǒng)的動能Ekinetic和勢能Epotential的計算結(jié)果。如果計算ζ取值為2,則認為當前電力系統(tǒng)存在兩條異宿軌道,計算兩條異宿軌道之間的距離,根據(jù)距離計算結(jié)果反映電力系統(tǒng)穩(wěn)定流型和不穩(wěn)定流型之間的距離,從而判斷當前電力系統(tǒng)是否產(chǎn)生混沌振蕩[14]。經(jīng)過上述兩個環(huán)節(jié),得出電力系統(tǒng)混沌振蕩狀態(tài)的判定結(jié)果,并實現(xiàn)對電力系統(tǒng)實時狀態(tài)的更新。
提取判定為混沌振蕩的所有信號,利用公式(9)計算電力系統(tǒng)混沌小擾動作用下的混沌振蕩控制量。
(9)
式中,參數(shù)nchaos為判定為混沌振蕩狀態(tài)的電力系統(tǒng)信號量,若混沌振蕩狀態(tài)結(jié)果為無振蕩,則控制量求解結(jié)果為0。在已知混沌自主振蕩信號特征的情況下,通過信號重構(gòu),確定初始采集混沌振蕩信號中的擾動信號,電力系統(tǒng)混沌振蕩信號中擾動信號的提取過程可以表示為:
rDisturbance(i)=gProjection(r(i)-g0)
(10)
式中,gProjection為擾動信號到振蕩信號空間的投影算子,g0為空間投影標記點。最終將公式(10)得出的擾動信號提取結(jié)果代入到公式(9)中,即可得出電力系統(tǒng)中混沌擾動信號的抑制量計算結(jié)果。
考慮電力系統(tǒng)混沌振蕩信號特征以及控制指令的作用位置,優(yōu)化設(shè)計混沌振蕩控制器,圖3表示的是優(yōu)化混沌振蕩控制器的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)。
圖3 電力系統(tǒng)混沌振蕩控制器邏輯結(jié)構(gòu)圖
從圖3中可以看出,優(yōu)化設(shè)計的電力系統(tǒng)混沌振蕩控制器主要由小擾動抑制元件和振蕩控制元件兩部分組成,其中擾動抑制元件主要為信號濾波元件,根據(jù)滑動變阻器的調(diào)節(jié),能夠?qū)崿F(xiàn)低頻擾動信號和高頻擾動信號抑制目標的切換[15]。利用圖3表示混沌振蕩控制器,將電力系統(tǒng)的實時運行信號與控制量計算結(jié)果輸入其中,生成的混沌振蕩控制指令可以量化表示為:
(11)
式中,κinhibition和fcore分別為工作狀態(tài)下控制器的中心頻率和擾動抑制系數(shù)[16]。為保證控制器輸出的控制指令能夠根據(jù)電力系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)的動態(tài)變化,在控制器內(nèi)部加設(shè)一個微分跟隨器,微分跟隨器的工作原理可以表示為:
(12)
在混沌振蕩控制器的支持下,利用混沌小擾動抑制技術(shù),將電力系統(tǒng)中的混沌振蕩幅值限制至更小狀態(tài)。圖4表示的是混沌小擾動抑制技術(shù)的工作原理。
圖4 混沌小擾動抑制技術(shù)原理圖
在實際的混沌振蕩幅值限制操作過程中,混沌小擾動抑制技術(shù)的運行可以分為增益、隔直、相位補償三個步驟,小擾動增益的目的是對振蕩信號進行放大,若混沌振蕩控制量高于閾值Δr0,則按照臨界增益的1/3-1/5整定,否則振蕩信號增益比例為1/2。隔離環(huán)節(jié)主要用于抑制直流漂移信號對電壓調(diào)節(jié)器的影響,而相位補償環(huán)節(jié)一般由一到三級超前滯后單元組成,上述兩個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)如下:
(13)
式中,τSeptum rectum為隔直環(huán)節(jié)時間常數(shù),τlagging1和τlagging2均為超前滯后時間常數(shù),nτlagging表示超前滯后單元個數(shù)。在實際振蕩幅值限制過程中,將一階超前滯后裝置或兩個超前遲滯環(huán)節(jié)串聯(lián)起來,則可以達到該補償?shù)哪康摹6诔R?guī)電力系統(tǒng)中,滯后角度為30~160°時,需用三個超前延遲鏈串聯(lián)[17]。最終將電力系統(tǒng)混沌振蕩幅值的抑制輸出限制在給定的限制范圍內(nèi),從而防止在小擾動情況下產(chǎn)生過大振蕩信號,即將電力系統(tǒng)實際產(chǎn)生的混沌振蕩幅值限制在規(guī)定范圍內(nèi)。
利用裝設(shè)的混沌振蕩控制器,在完成混沌小擾動抑制后,利用微分跟隨器對當前電力系統(tǒng)的振蕩信號進行重新檢測,判斷擾動抑制后是否能夠完成對混沌振蕩的控制操作,若電力系統(tǒng)依舊存在混沌振蕩,則需要驅(qū)動控制器中的振蕩控制元件,選擇的控制律為:
(14)
式中,e1和e2分別表示水平和豎直方向上的混沌振蕩控制偏差,ζ為電力系統(tǒng)電磁功率與等值轉(zhuǎn)動慣量的比例系數(shù),公式(14)得出的控制律即為電力系統(tǒng)的控制輸入[18]。按照上述流程,反復(fù)執(zhí)行小擾動抑制和振蕩控制操作,并觀測一次控制任務(wù)執(zhí)行結(jié)束后,電力系統(tǒng)的實際混沌振蕩是否與控制目標一致,若不一致則更新控制指令,繼續(xù)執(zhí)行新的控制任務(wù),若一致,則直接退出混沌振蕩控制程序,完成電力系統(tǒng)的混沌振蕩控制任務(wù)。
以測試優(yōu)化設(shè)計基于混沌小擾動抑制的電力系統(tǒng)混沌振蕩控制方法的控制性能為目的,設(shè)計性能測試實驗,此次實驗的基本原理是:利用混沌擾動器和振蕩器將配置的電力系統(tǒng)調(diào)整至混沌振蕩狀態(tài),并產(chǎn)生相應(yīng)的振蕩信號。在該背景下,設(shè)置混沌振蕩控制目標,生成相應(yīng)的控制任務(wù)。在實驗環(huán)境下開發(fā)優(yōu)化設(shè)計控制方法,在該方法的控制作用下,觀察電力系統(tǒng)中振蕩信號的變化情況,通過與混沌振蕩控制目標的對比,判斷優(yōu)化設(shè)計混沌振蕩控制方法是否能夠達到預(yù)期效果。
此次實驗選擇的電力系統(tǒng)為某市中心區(qū)域的供電與用電系統(tǒng),內(nèi)部包含發(fā)電機、變壓器、用電設(shè)備等多個組成元件,其中發(fā)電機為OB6500JK型號的汽油發(fā)電機,其輸出電壓為380 V,輸出功率約為500 kW/h。根據(jù)電力系統(tǒng)中用電設(shè)備的實際用電需求,分別裝設(shè)S7-315/10、SJL-1000/10和SFPZ9-120000/110三種類型的變壓器,變壓器的裝設(shè)數(shù)量由用電設(shè)備及其分布結(jié)構(gòu)確定,經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計選擇電力系統(tǒng)中變壓器的裝設(shè)總數(shù)量為174個[19-21]。為保證電力系統(tǒng)的運行安全,從而為混沌振蕩控制性能測試實驗提供穩(wěn)定的實驗環(huán)境,需要在電力系統(tǒng)環(huán)境中裝設(shè)主保護、后備保護、異常運行保護等自動保護裝置。
裝設(shè)混沌振蕩器的目的是將電力系統(tǒng)調(diào)整至混沌振蕩狀態(tài),滿足優(yōu)化設(shè)計控制方法的啟動條件。混沌振蕩器的內(nèi)部電路如圖5所示。
圖5 混沌振蕩器內(nèi)部電路圖
混沌振蕩器由頻變負電阻和LDC并聯(lián)回路構(gòu)成。二極管的切換狀態(tài)是由電容C兩端的電壓決定的,當二極管被加到負電壓時,二極管不是完全開斷,它只是一個“電容”,它的兩端的電壓正比于電流的變化速率[22-24]。通過負電阻器提供的頻率,再由電路輸出混沌振蕩信號。在裝設(shè)的混沌振蕩器中加設(shè)一個小擾動器,并將其作為振蕩信號的驅(qū)動元件。將準備的混沌振蕩器安裝在電力系統(tǒng)發(fā)電機設(shè)備上,采用人為控制的方式確定內(nèi)部二極管的開關(guān)狀態(tài),保證混沌振蕩器作用下能夠生成相應(yīng)的振蕩信號樣本。
同時啟動配置的電力系統(tǒng)和混沌振蕩器,在設(shè)備啟動2分鐘后,利用電力系統(tǒng)中內(nèi)置的傳感器設(shè)備收集運行信號,以此作為電力系統(tǒng)的混沌振蕩信號樣本。圖6表示的是部分電力系統(tǒng)混沌振蕩信號的采集結(jié)果。
圖6 電力系統(tǒng)混沌振蕩信號波形圖
從圖6中可以直觀地看出,無控制狀態(tài)下,電力系統(tǒng)混沌振蕩信號的振蕩幅值。通過調(diào)整混沌振蕩器的工作參數(shù)生成多組信號樣本。
電力系統(tǒng)混沌振蕩控制的最終目的是實現(xiàn)混沌振蕩的消除,因此所有組別的控制任務(wù)均為:
(15)
式中,Atarget和ftarget分別表示混沌振蕩幅值和頻率的控制目標。綜合考慮電力系統(tǒng)的初始混沌振蕩信號和控制目標,生成多組控制任務(wù)。
利用編程工具對優(yōu)化設(shè)計的基于混沌小擾動抑制的電力系統(tǒng)混沌振蕩控制方法進行開發(fā)。將優(yōu)化設(shè)計控制方法直接接入到配置的電力系統(tǒng)中,并將控制器安裝到電力系統(tǒng)中。在實驗開始之前,首先需要對控制器設(shè)備進行調(diào)試,隨機生成控制指令,觀察電力系統(tǒng)中的硬件設(shè)備是否能夠按照控制指令執(zhí)行相應(yīng)操作。在硬件調(diào)試成功后,將生成的控制任務(wù)逐一輸入控制方法中,經(jīng)過特征參數(shù)計算、控制量計算、振蕩幅值限制等步驟,完成混沌振蕩控制。圖7為控制任務(wù)1的執(zhí)行結(jié)果。
圖7 電力系統(tǒng)混沌振蕩控制結(jié)果
從圖7中可以看出,在電力系統(tǒng)運行的第150 s運行控制任務(wù),并在150 s后混沌振蕩信號呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢,并在第300 s趨于穩(wěn)定。按照上述方式得出實驗中其他振蕩控制任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果。為了體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計方法在控制性能方面的優(yōu)勢,設(shè)置文獻[9]提出的基于全局滑模時滯的電力系統(tǒng)混沌振蕩控制方法和文獻[10]提出的基于浸入與不變原理的電力系統(tǒng)混沌振蕩分析與控制方法作為實驗的對比方法,重復(fù)上述操作完成對比方法的開發(fā)與運行。
此次實驗分別從幅值和頻率兩個方面進行控制性能測試,設(shè)置振蕩幅值控制誤差和振蕩頻率控制誤差作為實驗的測試指標,其中振蕩幅值控制誤差的數(shù)值結(jié)果如下:
εA=Aactual-Atarget
(16)
式中,Aactual為控制方法作用下電力系統(tǒng)的實際混沌振蕩幅值,實驗中選擇信號穩(wěn)定后的幅值作為Aactual的具體取值,從公式(14)中可以看出Atarget取值為0,因此控制作用下電力系統(tǒng)的實際混沌振蕩幅值即為控制誤差。另外振蕩頻率控制誤差的測試結(jié)果為:
(17)
式中,Tactual為控制作用下信號的振蕩周期。最終計算得出幅值和頻率的控制誤差越小,證明對應(yīng)方法的控制性能越優(yōu)。
通過相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計,得出電力系統(tǒng)混沌振蕩控制性能的測試對比結(jié)果,如表1所示。
表1 電力系統(tǒng)混沌振蕩控制性能測試數(shù)據(jù)表
將表1中的數(shù)據(jù)分別代入到公式(16)和公式(17)中,計算得出對比振蕩控制方法的振蕩幅值控制誤差的平均值為3.59 db和3.14 db,平均振蕩頻率控制誤差分別為0.04 Hz和0.03 Hz,優(yōu)化設(shè)計方法振蕩幅值和頻率的平均控制誤差分別為1.8 db和0.02 Hz。
混沌振蕩是電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)散振蕩解列現(xiàn)象的前兆,所以在電網(wǎng)出現(xiàn)過度混沌振蕩時,采用合適的控制方法來消除其影響是非常有意義的。在此次研究中利用混沌小擾動抑制技術(shù)對電力系統(tǒng)混沌振蕩控制方法進行優(yōu)化,進而達到對混沌振蕩信號精準控制的目的。實驗結(jié)果表明,基于混沌小擾動抑制的電力系統(tǒng)混沌振蕩控制方法的控制誤差更小,控制性能更高,因此具有更高的應(yīng)用價值。然而此次控制性能測試實驗中,在混沌振蕩器作用下產(chǎn)生的振蕩信號均為高頻信號,缺少對低頻振蕩信號控制性能的測試結(jié)果,因此得出的實驗結(jié)果存在一定的局限性,需要在今后的研究工作中進一步補充。