鄧 婧，李興源，魏 巍

（四川大學電氣信息學院，成都 610065）

超速保護器OPC（overspeed protection controller）是數(shù)字式電氣液壓DEH（digital electric hydraulic）調節(jié)系統(tǒng)的重要組成部分。保證熱動系統(tǒng)（汽輪機及調速系統(tǒng)）處于安全穩(wěn)定的運行狀態(tài)是機組超速保護的目標。當OPC的轉速是額定轉速的103%時，通過快速關閉調節(jié)汽閥可實現(xiàn)對機組的超速保護［1］。在單一故障模式下，通常根據(jù)OPC所在電網(wǎng)的情況靈活整定OPC的動作特性［2］，但OPC控制策略的正確性需要在實際電網(wǎng)事故中進行校驗［3］。發(fā)電機組并網(wǎng)運行時，如果OPC控制策略選擇不當，不僅無法實現(xiàn)超速保護，而且會使汽門頻繁開關，產生“乓乓”現(xiàn)象，給機組軸系和熱力系統(tǒng)造成頻繁沖擊，嚴重影響機組安全，甚至可能使電網(wǎng)大規(guī)模地甩負荷，發(fā)生頻率振蕩或頻率失穩(wěn)事故，最終造成整個電網(wǎng)崩潰。

在電站汽輪機調速系統(tǒng)中常常包括時滯、慣性、干擾、死區(qū)和飽和等非線性環(huán)節(jié)［3］。模糊控制由于無需知道被控制對像的數(shù)學模型，具有較強的魯棒性等特點，廣泛應用于難于獲得精確數(shù)學模型、非線性和大滯后系統(tǒng)的控制。

生物免疫系統(tǒng)具有獨特的識別機制、強大的自適應和記憶功能，已在國內外引起了廣泛的重視。許多領域的科研人員對生物免疫系統(tǒng)中蘊含的機制和功能進行了深人研究，期望從中找到解決實際問題的方法。適應性免疫應答過程中T細胞具有促進和抑制兩種作用，能保證免疫系統(tǒng)獲得較快的響應速度和足夠的穩(wěn)定性，這種調節(jié)機制可用來有效改進控制系統(tǒng)的性能［4～6］。

在以往的模糊控制器設計中，通常的控制準則是離線整定，其缺點是不能修改，適應性較差。本文在OPC動作引起系統(tǒng)振蕩的機理分析基礎上，結合模糊控制的原理實現(xiàn)對OPC動作邏輯的修改，并通過免疫算法結合國際通行的NETOMAC仿真軟件分析得到的模糊控制規(guī)則對其控制規(guī)則進行自適應整定從而抑制系統(tǒng)的振蕩，實際系統(tǒng)的仿真論證了該OPC附加控制的效果。

1 OPC振蕩機理分析

1.1 OPC模型

DEH的保護系統(tǒng)OPC功能設定為轉速達到103%n0時快關中壓調節(jié)汽閥；在n0×103%＜n＜n0×110%時，超速控制系統(tǒng)通過OPC電磁閥快關高、中壓調節(jié)汽閥，實現(xiàn)對機組的超速保護［7～10］。

OPC的簡單動作特性如圖1所示［11］。可知OPC實現(xiàn)的是典型的開環(huán)控制快關快開規(guī)律。

圖1 OPC簡單動作特性圖Fig.1 Simple operating characteristics of OPC

OPC的基本動作描述如下：

通過邏輯電路控制調速和OPC動作的選擇，即當指令條件不滿足，OPC不動作時控制通路保持調速器調節(jié)，由調速器的調頻環(huán)節(jié)進行跟蹤調節(jié)；當指令條件達到，屏蔽調速器，控制通路轉到OPC邏輯，完全由OPC進行控制閥門。OPC的動作邏輯簡單類似于一個由轉速整定的二值電平控制模型，即轉速升至3090 r／min，由執(zhí)行機構動作，汽門全關；轉速降至3000 r／min，由執(zhí)行機構動作，閥門全開。

1.2 OPC振蕩機理分析

圖2表示OPC動作后系統(tǒng)的頻率振蕩，假如在t＝0時，負荷突減，機組功率過剩，轉速上升。若一次調頻能力不足，轉速上升至3090 r／min，OPC動作，全占閥門控制，關閉高壓調節(jié)門和中壓調節(jié)門，轉速降低至3000 r／min，OPC動作全開閥門，由于存在慣性和時滯，機組轉組繼續(xù)下降，如果OPC的控制策略不當，有可能會下降至低頻減載的動作值，從而使轉速重新升高至OPC的動作值，如此造成系統(tǒng)頻率振蕩。

圖2 OPC動作下的頻率動態(tài)Fig.2 Frequency dynamics of OPC when operating

1.3 OPC動作特性的修改

如圖1所示，OPC的動作是一個數(shù)字控制器，其動作邏輯是可以修改和整定的，見圖3，修改后的OPC動作特性中可以人為調整的參數(shù)有：

（1）上升階段和下降階段采取的控制策略；

（2）汽門最小開度x1；

（3）汽門最終開度x2；

（4）汽門關閉時間tno。

圖3 修改后的OPC動作特性圖Fig.3 Simple operating characteristics of OPC after the revision

2 模糊免疫控制原理

模糊控制是建立在人類思維具有模糊邏輯特性的基礎上的。其控制核心是在于它用具有模糊性的語言條件語句，作為控制規(guī)則去執(zhí)行控制。但模糊控制規(guī)則存在精度不高，自適應能力有限和易產生振蕩現(xiàn)象等問題，使模糊控制器的應用場合受到了很大限制。免疫是生物體的一種特性生理反應。生物的免疫系統(tǒng)對于外來侵犯的抗原，可產生相應的抗體來抵御?？乖涂贵w結合后會產生一系列的反應，通過吞噬作用或產生特殊酶的作用而毀壞抗原。通過免疫控制的反饋機理對模糊控制規(guī)則的加權函數(shù)進行自適應調整，可在保持控制本身優(yōu)點的同時，也提高模糊控制的精度。

生物的免疫系統(tǒng)由淋巴細胞和抗體分子組成，淋巴細胞又由胸腺產生的T細胞（分別為輔助細胞TH和抑制細胞TS）和骨髓產生的B細胞組成，當抗原侵入機體并經過周圍細胞消化后，將信息傳遞給T細胞，即傳遞給TH和TS細胞，然后刺激B細胞，B細胞產生抗體以消除抗原。當抗原較多時，機體內的TH細胞也較多，而TS細胞卻較少，從而會產生較多的B細胞。隨著抗原的減少，體內TS細胞增多，它抑制了TH細胞的產生，而B細胞也隨著減少［12～14］反饋系統(tǒng)便趨于平衡。抑制機理和主反饋機理之間的相互協(xié)作，是通過免疫反饋機理對抗原的快速反應和穩(wěn)定免疫系統(tǒng)完成的［15］，見圖4。

圖4 體液免疫響應過程示意圖Fig.4 Diagram of humoral immune respone process

生物信息系統(tǒng)的這些智能行為，為科學和工程領域提供了各種理論參考和技術方法?；谏鲜雒庖叻答佋恚鱾€領域的專家學者提出了多種免疫控制算法。比較典型一種的是模糊免疫控制算法：假設第k代的抗原數(shù)量為ε（k），由抗原刺激的TH細胞的輸出為TH（k），TS細胞對B細胞的影響為TS（k），則B細胞接收的總刺激為

其中TH（k）＝k1ε（K）

TS（k）＝k2f（S（k），ΔS（k））ε（k）

若以抗原的數(shù)量ε（k）作為偏差e（k），B細胞接收的總刺激S（k）作為控制輸入u（k），則有

本文采用上述模糊免疫反饋原理所設計的OPC附加控制器中的控制規(guī)則加權函數(shù)α（t）隨控制器輸出的變化而變化，具備自適應的功能。

由此，得到如下的反饋控制規(guī)律

其中kp1＝K（1－ηf（u（k），Δu（k））），K＝k1，K為控制反應速度，

3 貴陽南部電網(wǎng)和OPC動作過程

事故前，貴陽南部電網(wǎng)發(fā)電出力為1050 MW，負荷為917 MW，通過青巖變向500 k V系統(tǒng)上網(wǎng)86 MW。事故中，解網(wǎng)后，貴陽南部電網(wǎng)因功率過剩，造成頻率上升，約5 s時上升到最高頻率（記錄到的最高頻率為51.44 Hz），爾后下降至最低頻率（46.47 Hz），隨后出現(xiàn)多次大幅波動，機組有功也在波動。

貴陽電廠8號和9號機組因機組過速跳閘保護（3100 r／min、0”關主汽門，機組跳閘）動作而造成機組跳閘。清鎮(zhèn)電廠7號和8號機組因機組過速保護OPC（3090 r／min、0”關調節(jié)汽門，機組不跳閘）動作造成功率波動，關閉調節(jié)汽門，7號機組功率的波動從200 MW降至0后，由于OPC保護在電網(wǎng)頻率降至50 Hz以下時，OPC返回，全打開調節(jié)汽門，造成功率又上升至200 MW，電網(wǎng)頻率上升至51.5 Hz，OPC又動作，機組調節(jié)汽門全關，功率的波動又從200 MW降至0，共重復19次。由于8號機組OPC動作后，8號機組機調節(jié)汽門的開度置為0，故在OPC第一次動作關閉調節(jié)汽門后，8號機組功率的波動從200 MW降至0后，由于OPC保護在電網(wǎng)頻率降至50 Hz以下時，OPC返回，不打開調節(jié)汽門，功率僅在0到20 MW間波動，共波動12次，直至逆功率保護動作，＃8機跳閘。

圖5 貴陽南部電網(wǎng)故障前接線方式Fig.5 Connection mode of guiyang southern power grid before the fault

4 OPC附加模糊控制器的設計

本文所設計的OPC附加模糊控制器結構如圖6所示。

圖6 OPC附加模糊控制器Fig.6 Fuzzy controller added to OPC

從OPC的動作條件及其引起系統(tǒng)振蕩機理分析可知，對OPC的控制信號中頻率變化和功率變化同等重要，因此本文在設計OPC的附加控制時，將頻率變化及頻率變化率同時作為模糊控制器的輸入，而功率變化信號對OPC的控制作用則體現(xiàn)在對控制規(guī)則加權函數(shù)α（t）的修正上，這樣既避免了模糊控制器輸入量導致的規(guī)則維數(shù)災，又可以在OPC的控制中同時計及頻率和功率的影響，更好地反饋系統(tǒng)的狀態(tài)。

在實際功頻電液調節(jié)系統(tǒng)中，本應測取汽輪機的實發(fā)功率，由于技術上的困難而采用了用發(fā)電機功率代替汽輪機功率。但由此而帶來的問題是反調現(xiàn)象的產生。在本文所設計的控制器中采用了發(fā)電機功率信號對加權函數(shù)進行修正，為避免上述反調現(xiàn)象的產生，引入轉速微分信號，把發(fā)電機功率信號校正成為汽輪機功率信號。

4.1 OPC控制邏輯修改的設計

本文通過輸入頻率偏差和頻率偏差變化率，輸出OPC的閥門控制指令，采用模糊控制原理對OPC的控制邏輯進行整定。

4.1.1 模糊控制器的輸入變量和輸出變量

輸入變量為頻率偏差E和頻率偏差變化率ΔE，輸出變量為閥門開度指令u。

4.1.2 輸入變量和輸出變量的語言描述

ΔE和u的模糊集均為

［NB，NM，NS，O，PS，PM，PB］

E的模糊集為

［NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB］

E和ΔE的論域均為［－6，6］，u的論域為［－7，7］。

4.1.3 模糊控制規(guī)則的確定

當誤差較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主；而當誤差較小時，選擇控制量要注意防止超調，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點。

根據(jù)以上原理，得到初始控制規(guī)則如表1所示。

表1 初始模糊控制規(guī)則Tab.1 Initial fuzzy control rules

以上得出的控制規(guī)則是經離線整定得出的，不能適應外界干擾條件的變化，因此本文把控制規(guī)則數(shù)字化，把語言變量值定義為相應的整數(shù)對應的控制基［16］，選擇一個帶有加權因子調整控制規(guī)則的輸出量解析表達式

其中α（t）為調整函數(shù)，又稱加權函數(shù)。

4.2 控制規(guī)則加權函數(shù)的在線調整

根據(jù)生物免疫系統(tǒng)的反饋規(guī)律可知免疫控制實際上是一個將比例系數(shù)采用模糊免疫調節(jié)的變比例控制，參數(shù)K控制反應速度，參數(shù)η控制穩(wěn)定效果。因此，合理的調整K和η，可以使系統(tǒng)響應加快，超調量減小，偏差［4］。

將功率變化ΔP作為模糊調節(jié)器的抗原，輸出的閥門指令u（t）作為模糊調節(jié)器的輸入。則有

令

f（·）采用模糊控制規(guī)則逼近。經仿真調整后取K＝20為一固定比例系數(shù)，η為控制穩(wěn)定效果調整系數(shù)，這里設置為1。

首先將輸入變量u（k），Δu（k）模糊化，其基本論域分別定義為［－u，u］和［－Δu，Δu］。u的語言變量定義為NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB；Δu的語言變量定義為NB，NM，NS，PS，PM，PM，PB。描述模糊子集的隸屬函數(shù)均為正態(tài)分布型隸屬函數(shù)。

將對應的輸出變量f（·）在（－1，＋1）區(qū)間采用正態(tài)分布型隸屬函數(shù)定義為NB，NM，NS，O，PS，PM，PB。依據(jù)OPC的動作原理并經仿真實驗調整，制定模糊控制規(guī)則共48條，具體內容如表2所示。

輸入量u（k），Δu（k）由模糊產生器映射為模糊集合后，經模糊推理及重心法去模糊，得到確定的輸出量f（·），然后代入上式，計算出α（k）。

表2 加權函數(shù)的調整控制規(guī)則Tab.2 Regulation control rules of weighting function

得到控制規(guī)則的自適應調整后，可存儲于OPC的控制邏輯中，實時控制時，不斷根據(jù)功率變化、頻率變化及其變化率進行掃描以查詢控制表得到相應的控制值。

5 仿真測試及結果分析

本文利用2006－07－07貴陽南部電網(wǎng)故障及發(fā)生的OPC的動作過程，用NETOMAC程序建立原動機，調速器和OPC及其控制邏輯的詳細模型。圖7和8給出了仿真測試結果。

圖7 未投入OPC附加模糊控制器時的仿真圖Fig.7 Simulation results when not inputting the extra－OPC fuzzy controller

將本文所設計的OPC附加模糊控制器分別加入到清鎮(zhèn)電廠7號和8號機組OPC的控制策略中，得到的結果如圖8所示。

圖8 投入OPC附加模糊控制器后的仿真圖Fig.8 Simulation results when inputting the extra－OPC fuzzy controller

故障發(fā)生時，清鎮(zhèn)電廠7號機組的OPC完全代替調速器對汽輪機高中壓閥門進行控制，最終導致7號機組的有功功率大幅度波動，系統(tǒng)振蕩。對實際機組的動作特性進行仿真，得到故障時未加入OPC附加模糊控制器時貴陽南部電網(wǎng)頻率偏差、清鎮(zhèn)電廠7、8號機組的高壓閥門、中壓閥門以及有功功率的結果如圖7所示。

從圖7和圖8可以看出，采用控制規(guī)則的加權函數(shù)自適應調節(jié)的模糊控制器以后，系統(tǒng)不會出現(xiàn)切機，切負荷等情況，可以迅速穩(wěn)定系統(tǒng)頻率，較好地抑制系統(tǒng)振蕩。

7 結論

本文基于OPC的動作原理及模糊免疫方法設計了OPC附加模糊控制器。該控制器設計方案可以有效解決汽輪機調速系統(tǒng)中的時滯，非線性及數(shù)學模型不易獲取的難點，易于編入OPC的控制邏輯中，便于工程實現(xiàn)。此控制器可根據(jù)系統(tǒng)頻率變化及頻率變化率得到閥門輸出指令，并根據(jù)功率的變化對控制規(guī)則加權函數(shù)進行自適應調整，具有一定的魯棒性。通過OPC簡單控制邏輯與本文所設計的控制器對比用Netomac仿真結果證明了其有效性。

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