陳至坤，童 囡，王福斌

（河北聯(lián)合大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063009）

0 引言

為確保電力系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行，防止同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并列或電網(wǎng)間并列時(shí)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成沖擊，準(zhǔn)確控制同步發(fā)電機(jī)的自動(dòng)并列時(shí)刻具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。在電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行方面，同步發(fā)電機(jī)的自動(dòng)并列一直是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)方向之一。傳統(tǒng)的自動(dòng)并列控制裝置雖然能減小發(fā)電機(jī)組投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的沖擊電流，但并列時(shí)刻難以精確控制，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組投入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成沖擊。

發(fā)電機(jī)組的并列應(yīng)滿足電壓差、頻率差及相角差的要求，理想的并列條件為機(jī)組電壓相量與系統(tǒng)電壓相量的狀態(tài)量參數(shù)相等，即電壓幅值、電壓角頻率及初相角3個(gè)狀態(tài)量分別相等［1，2］。在發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)間實(shí)現(xiàn)并列時(shí)，應(yīng)調(diào)節(jié)這3個(gè)狀態(tài)量，并在最佳時(shí)機(jī)合閘并網(wǎng)。本課題正是在這一背景下提出了基于行為控制的同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)并列控制方法，根據(jù)電壓幅值、電壓角頻率及初相角這些狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行合閘時(shí)機(jī)的自主判斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自主合閘行為控制。

1 準(zhǔn)同期并列的控制體系結(jié)構(gòu)

行為自主控制的控制結(jié)構(gòu)方式目前有3種基本形式：慎思控制結(jié)構(gòu)、反應(yīng)控制結(jié)構(gòu)和混合控制結(jié)構(gòu)。慎思控制結(jié)構(gòu)具有一定的智能性，但結(jié)構(gòu)模塊間是順序執(zhí)行的，每次操作重復(fù)執(zhí)行規(guī)劃、決策、執(zhí)行各步驟，導(dǎo)致對(duì)環(huán)境事件響應(yīng)能力差；反應(yīng)控制結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)性較好，按任務(wù)和行為分類，將特定目標(biāo)任務(wù)分解為簡(jiǎn)單的并行響應(yīng)的行為、動(dòng)作；混合控制結(jié)構(gòu)綜合了上述兩種體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合了全局目標(biāo)規(guī)劃與反應(yīng)式任務(wù)執(zhí)行，使系統(tǒng)具備了基于行為的實(shí)時(shí)性和基于功能的目標(biāo)把握能力。

準(zhǔn)同期并列過(guò)程中的電壓差、頻率差參數(shù)的變化都可造成并列時(shí)刻的波動(dòng)，斷路器兩端電壓向量的相角差也處在時(shí)刻變動(dòng)中。如何綜合考慮電壓差、頻率差運(yùn)行參數(shù)，在相角差接近零時(shí)，實(shí)現(xiàn)斷路器的合閘自主控制，是建立準(zhǔn)同期自動(dòng)并列控制體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。結(jié)合同步發(fā)電機(jī)并列參數(shù)調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)和準(zhǔn)同期并列的邏輯規(guī)則，確定采用反應(yīng)式準(zhǔn)同期并列行為控制體系，將信號(hào)采集、條件仲裁、任務(wù)規(guī)劃、行為動(dòng)作分解、模糊控制等環(huán)節(jié)結(jié)合起來(lái)，形成具有智能決策的控制體系結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 準(zhǔn)同期并列行為控制體系結(jié)構(gòu)

準(zhǔn)同期并列行為控制系統(tǒng)采集的運(yùn)行參數(shù)主要有斷路器兩端的電壓差、斷路器兩端電壓向量的角頻率差和相角差，將這些信號(hào)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仲裁判斷的輸入特征量，將預(yù)報(bào)結(jié)果作為有限狀態(tài)模型任務(wù)規(guī)劃、動(dòng)作分解的決策依據(jù)，進(jìn)而控制同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期合閘執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)合閘時(shí)刻進(jìn)行控制，穩(wěn)定并列時(shí)刻。

2 準(zhǔn)同期并列參數(shù)及并列邏輯

準(zhǔn)同期并列控制體系以有限狀態(tài)機(jī)為架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，有限狀態(tài)機(jī)是自動(dòng)機(jī)理論的分支，通過(guò)事件驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移。有限狀態(tài)機(jī)由要完成的特定目標(biāo)下的若干狀態(tài)及狀態(tài)間的觸發(fā)事件、轉(zhuǎn)移條件等構(gòu)成，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制功能。

同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期并列控制原理如圖2 所示。

圖3 為同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期并列控制邏輯關(guān)系。從圖3 中看出，只有檢測(cè)的電壓差、頻率差都滿足并列條件，同時(shí)生成規(guī)定的越前相角時(shí)才能發(fā)出合閘信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)的電壓差不滿足并列條件時(shí)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，改變發(fā)電機(jī)端輸出電壓，使兩電壓的差值小于規(guī)定允許值；當(dāng)檢測(cè)的頻率差不滿足并列條件時(shí)，需調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸入的動(dòng)力元素，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)的頻率接近于系統(tǒng)頻率；按恒定越前相角準(zhǔn)同期提前量值檢查并列條件，相角差近于0時(shí)發(fā)出合閘信號(hào)［3，4］。

圖2 同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期并列原理

圖3 準(zhǔn)同期并列控制邏輯

3 準(zhǔn)同期并列有限狀態(tài)模型

利用有限狀態(tài)機(jī)原理，將同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期并列時(shí)刻作為穩(wěn)定控制目標(biāo)，分解為對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)電流、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的具體控制動(dòng)作，并根據(jù)恒定越前相角準(zhǔn)同期提前量值建立基于有限狀態(tài)的行為控制模型。利用多個(gè)運(yùn)行參數(shù)的不同運(yùn)行狀態(tài)，為有限狀態(tài)機(jī)模型提供事件驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)移條件。

State-flow是基于有限狀態(tài)機(jī)理論的可視化動(dòng)態(tài)邏輯建模、仿真工具箱，非常適用于事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及復(fù)雜邏輯系統(tǒng)的有限狀態(tài)機(jī)模型的建立及仿真。模型的創(chuàng)建應(yīng)用流程圖、狀態(tài)圖、圖形函數(shù)等，并結(jié)合事件、狀態(tài)動(dòng)作、條件動(dòng)作、轉(zhuǎn)移動(dòng)作等實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)理論。由State-flow生成的狀態(tài)監(jiān)控邏輯，通過(guò)Chart圖塊的I／O接口與Simulink模型的連接，可實(shí)現(xiàn)行為控制的實(shí)物、半實(shí)物仿真［5，6］。

建立同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期并列模型時(shí)，首先打開(kāi)Chart圖塊，進(jìn)入狀態(tài)圖編輯界面。按照有限狀態(tài)理論將準(zhǔn)同期并列時(shí)刻分解為S0～S3共4個(gè)狀態(tài)，建立的準(zhǔn)同期并列狀態(tài)流程如圖4 所示，其中，S0為初始狀態(tài)，S1為合閘時(shí)刻正常，S2為合閘時(shí)刻提前，S3為合閘時(shí)刻滯后。

圖4 準(zhǔn)同期并列狀態(tài)流程

系統(tǒng)在初始狀態(tài)S0下，當(dāng)系統(tǒng)觸發(fā)條件E1滿足時(shí)，意味著準(zhǔn)同期并列的與門(mén)輸入條件滿足，系統(tǒng)由初始狀態(tài)進(jìn)入正常合閘狀態(tài)S1；當(dāng)系統(tǒng)處于狀態(tài)S2，即合閘狀態(tài)提前時(shí)，可導(dǎo)致斷路器兩側(cè)電壓向量的相角差較大，可能對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，因此在滿足電壓差、頻率差的條件下，還應(yīng)等待相角差條件E3在規(guī)定的范圍內(nèi)才可合閘，使系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)S1；同理，當(dāng)系統(tǒng)處于狀態(tài)S3，即合閘狀態(tài)滯后時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致相角差過(guò)大，對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，此時(shí)等待相角差條件E4在規(guī)定的范圍內(nèi)才可合閘，使系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)S1。

4 結(jié)論

本文在建立適合同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期并列時(shí)刻的行為控制體系模型的基礎(chǔ)上，基于有限狀態(tài)機(jī)理論對(duì)合閘時(shí)刻控制目標(biāo)進(jìn)行了分解，將合閘時(shí)刻正常、合閘時(shí)刻提前及合閘時(shí)刻滯后作為不同的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)檢測(cè)參數(shù)自主采取合閘控制策略，用State-flow技術(shù)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)同期并列的行為狀態(tài)模型。

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