周 攀

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100073）

基于有限狀態(tài)機(jī)的抽水蓄能機(jī)組工況轉(zhuǎn)換控制

周 攀

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100073）

本文簡(jiǎn)要地介紹了有限狀態(tài)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型，根據(jù)抽水蓄能電站工況運(yùn)行的特點(diǎn)分析了基于有限狀態(tài)機(jī)原理的抽蓄機(jī)組運(yùn)行工況設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)闡述了抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)各個(gè)工況的定義和工況轉(zhuǎn)換的條件，并以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了基于有限狀態(tài)機(jī)的抽蓄機(jī)組工況轉(zhuǎn)換控制在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況。

有限狀態(tài)機(jī)；工況轉(zhuǎn)換；抽水蓄能;調(diào)速系統(tǒng)

0 引言

調(diào)速系統(tǒng)作為抽水蓄能電站最重要的輔機(jī)之一，負(fù)責(zé)控制機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)啟、頻率控制、負(fù)荷調(diào)整和工況轉(zhuǎn)換等重要任務(wù)[1]，其控制策略的可靠性直接影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)抽蓄機(jī)組啟停頻繁、工況轉(zhuǎn)換復(fù)雜和精確調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，如何保證調(diào)速系統(tǒng)能夠快速實(shí)現(xiàn)工況轉(zhuǎn)換和精確判斷流程跳轉(zhuǎn)對(duì)抽蓄電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

在調(diào)速系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中引入有限狀態(tài)機(jī)技術(shù)，可以有效解決程序的實(shí)時(shí)性處理、高效運(yùn)行等特點(diǎn)，并且邏輯思路清晰，編程過(guò)程簡(jiǎn)單，可修改性強(qiáng)，能夠有效的保證調(diào)速器控制的實(shí)時(shí)性和精準(zhǔn)性。

1 有限狀態(tài)機(jī)原理

有限狀態(tài)機(jī)在數(shù)學(xué)上的定義為：一個(gè)機(jī)器是一個(gè)系統(tǒng)，它接收輸入，產(chǎn)生輸出，而且其內(nèi)部存儲(chǔ)器保存已輸入的信息，機(jī)器的內(nèi)部狀況及其存儲(chǔ)的內(nèi)容，是機(jī)器當(dāng)前的狀態(tài)，機(jī)器在任何時(shí)候的狀態(tài)包括存儲(chǔ)的已輸入內(nèi)容，并確定怎樣響應(yīng)此后的輸入，如果此系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)目是有限的，則稱為有限狀態(tài)機(jī)（Finite State Machine）[2]。

1.1 有限狀態(tài)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

有限狀態(tài)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程，總是處于靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）和動(dòng)態(tài)（暫態(tài)）的不斷變換中。狀態(tài)是運(yùn)行過(guò)程的靜態(tài)描述，是根據(jù)系統(tǒng)的具體情況人為定義的，如處于準(zhǔn)備狀態(tài)、故障狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)等。無(wú)論系統(tǒng)運(yùn)行在何種狀態(tài)，同時(shí)必然伴隨著某些事件發(fā)生，如開(kāi)關(guān)量輸入、參數(shù)限制到或定時(shí)時(shí)間到等。事件發(fā)生可以激發(fā)狀態(tài)變化，如接到開(kāi)機(jī)令，系統(tǒng)進(jìn)入開(kāi)機(jī)狀態(tài)，故障發(fā)生后轉(zhuǎn)入故障狀態(tài)等；也可以只引起某些處理，沒(méi)有狀態(tài)變化，如在運(yùn)行狀態(tài)中修改給定值、調(diào)節(jié)輸出操作；也可能不予理會(huì)，不作任何處理，如處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)再接到開(kāi)機(jī)令。此外系統(tǒng)處在一定的狀態(tài)中還可以執(zhí)行一定的動(dòng)作。

結(jié)合抽水蓄能機(jī)組，對(duì)狀態(tài)、事件、轉(zhuǎn)換和動(dòng)作的詳細(xì)描述如下：

(1) 狀態(tài)（State）：指的是對(duì)象在其一定時(shí)期內(nèi)所處的一種狀況，處于某個(gè)特定狀態(tài)中的對(duì)象必然會(huì)滿足某些條件、執(zhí)行某些動(dòng)作或者是等待某些事件。對(duì)于抽水蓄能機(jī)組來(lái)說(shuō)，狀態(tài)就是機(jī)組所處的某個(gè)工況，如機(jī)組處于空載工況狀態(tài)。

(2) 事件（Event）：指的是在時(shí)間和空間上占有一定位置，并且對(duì)狀態(tài)機(jī)來(lái)講是有意義的那些事情。事件通常會(huì)引起狀態(tài)的變遷，促使?fàn)顟B(tài)機(jī)從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)。對(duì)于抽水蓄能機(jī)組來(lái)說(shuō)，事件就是機(jī)組工況之間轉(zhuǎn)換所必須滿足的那些條件，如機(jī)組在空載工況下，機(jī)組斷路器閉合。

(3) 轉(zhuǎn)換（Transition）：指的是兩個(gè)狀態(tài)之間的一種關(guān)系，表明對(duì)象將在一個(gè)狀態(tài)中執(zhí)行一定的動(dòng)作，并將在某個(gè)事件發(fā)生、某個(gè)特定條件滿足時(shí)進(jìn)入另一個(gè)狀態(tài)。對(duì)于抽水蓄能機(jī)組來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換就是指機(jī)組從一個(gè)工況轉(zhuǎn)到另一個(gè)工況的過(guò)程，如機(jī)組從空載工況轉(zhuǎn)到發(fā)電工況。

(4) 動(dòng)作（Action）：指的是狀態(tài)機(jī)處在一定的狀態(tài)下可以執(zhí)行的那些操作。對(duì)于抽水蓄能機(jī)組來(lái)說(shuō)，動(dòng)作就是指機(jī)組處在一定的工況時(shí)所執(zhí)行的那些操作，如機(jī)組處在空載工況下調(diào)用空載PID調(diào)節(jié)。

總之，狀態(tài)、事件、轉(zhuǎn)換和動(dòng)作這四個(gè)要素構(gòu)成了有限狀態(tài)機(jī)的全部?jī)?nèi)容，只要能清楚、完備地對(duì)它們進(jìn)行分析，并用適當(dāng)?shù)姆绞郊右员磉_(dá)，就完成了對(duì)有限狀態(tài)機(jī)系統(tǒng)的分析工作。

1.2 有限狀態(tài)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

用于描述狀態(tài)轉(zhuǎn)換的有限狀態(tài)機(jī)可以用一個(gè)五元組M=(K,Σ, f, S0, Z)，來(lái)表示。其中K為有限集合，集合中每個(gè)元素對(duì)應(yīng)有限狀態(tài)機(jī)的一個(gè)狀態(tài)；Σ為輸入事件集合；f為狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)，它是一個(gè)K×Σ-＞ K 的映射函數(shù)，f(S0,Σ)=K意味著在狀態(tài)K下發(fā)生事件Σ時(shí)，有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)將由S0轉(zhuǎn)換為K；S0為有限狀態(tài)機(jī)的初始狀態(tài)，S0是K的子集；Z為狀態(tài)機(jī)的最終狀態(tài)集合。

下面以圖1為例來(lái)說(shuō)明有限狀態(tài)機(jī)的模型結(jié)構(gòu)：

圖1 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

其中 ：K={0 , 1 , 2 , 3 }，Σ={a,b,c,d}，根據(jù)上述分析可以得出我們需要的狀態(tài)轉(zhuǎn)移表，見(jiàn)表1。

表1 狀態(tài)轉(zhuǎn)移表

根據(jù)表1就能非常簡(jiǎn)便的編制控制程序和邏輯判據(jù)了。

2 有限狀態(tài)機(jī)模型設(shè)計(jì)

較常規(guī)水力機(jī)組，抽水蓄能機(jī)組具有更多的工況也帶來(lái)了更復(fù)雜的工況轉(zhuǎn)換關(guān)系，僅常用的工況轉(zhuǎn)換就有十幾種。對(duì)于變速運(yùn)行的抽水蓄能機(jī)組，其工況轉(zhuǎn)換關(guān)系則更多，下面結(jié)合工程實(shí)例來(lái)說(shuō)明抽水蓄能機(jī)組復(fù)雜的工況轉(zhuǎn)換關(guān)系。

2.1 機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)分析

水輪機(jī)工況仿真的初始穩(wěn)態(tài)工況默認(rèn)機(jī)組轉(zhuǎn)速為零，即處于靜止?fàn)顟B(tài)。因此開(kāi)始水輪機(jī)工況仿真時(shí)，首先進(jìn)入靜止?fàn)顟B(tài)。在接收到開(kāi)機(jī)令后，程序運(yùn)行進(jìn)入空載狀態(tài)。此時(shí)可以選擇進(jìn)入并大網(wǎng)發(fā)電工況，或是進(jìn)入單機(jī)帶孤立負(fù)荷發(fā)電工況，當(dāng)然也可以選擇繼續(xù)空載狀態(tài)的仿真。抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)工況下的運(yùn)行與常規(guī)水電機(jī)組的運(yùn)行基本一樣，在此就不再贅述。

轉(zhuǎn)換暫態(tài)是作為運(yùn)行穩(wěn)態(tài)之間轉(zhuǎn)換的中間狀態(tài)，以下對(duì)機(jī)組的工況轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單的描述：當(dāng)機(jī)組在靜止工況下接收到開(kāi)機(jī)令，就轉(zhuǎn)入開(kāi)機(jī)的轉(zhuǎn)換暫態(tài)，此過(guò)程中機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度緩慢打開(kāi)至空載開(kāi)度，機(jī)組轉(zhuǎn)速逐步爬升，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到90%額定轉(zhuǎn)速時(shí)機(jī)組就進(jìn)入空載調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)換暫態(tài)；經(jīng)過(guò)空載PID調(diào)節(jié)后機(jī)組經(jīng)同期并網(wǎng)后進(jìn)入發(fā)電的穩(wěn)定運(yùn)行工況；停機(jī)工況一般指正常停機(jī)工況，而緊急停機(jī)工況的優(yōu)先權(quán)高于正常停機(jī)工況，機(jī)組在除靜止外的所有其他工況接到緊急停機(jī)令就轉(zhuǎn)為緊急停機(jī)工況；當(dāng)機(jī)組在除靜止和緊急停機(jī)外的所有其他工況接到停機(jī)令就轉(zhuǎn)停機(jī)工況；當(dāng)機(jī)組處在停機(jī)或緊急停機(jī)的暫態(tài)工況下，經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)機(jī)組進(jìn)入靜止的穩(wěn)定工況。

機(jī)組在靜止工況下，接收到水輪機(jī)方向背靠背啟動(dòng)的命令，機(jī)組就轉(zhuǎn)入背靠背啟動(dòng)運(yùn)行工況。另外抽水調(diào)相工況除了做調(diào)相運(yùn)行外更多是作為機(jī)組向抽水工況轉(zhuǎn)換的一個(gè)過(guò)渡工況，當(dāng)機(jī)組在抽水調(diào)相工況下，檢測(cè)到造壓完成就逐步開(kāi)啟導(dǎo)葉開(kāi)度轉(zhuǎn)入抽水穩(wěn)定運(yùn)行工況。

從上述分析可以看出抽水蓄能機(jī)組工況之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，如果采用常規(guī)編程方法來(lái)分析處理工況之間的轉(zhuǎn)換，不但程序繁瑣，而且還容易出現(xiàn)錯(cuò)誤的工況轉(zhuǎn)換。下面介紹采用有限狀態(tài)機(jī)的方法來(lái)分析處理工況之間的轉(zhuǎn)換機(jī)理。

2.2 調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行工況分析

抽水蓄能機(jī)組具有水輪機(jī)、水泵兩個(gè)運(yùn)行方向分別來(lái)完成發(fā)電、抽水任務(wù)，較常規(guī)機(jī)組而言，抽水蓄能機(jī)組具有啟動(dòng)頻繁、運(yùn)行工況多、工況轉(zhuǎn)換復(fù)雜等特點(diǎn)。詳細(xì)機(jī)組運(yùn)行工況見(jiàn)圖2。

圖2 抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況圖

按照機(jī)組運(yùn)行方向可以將機(jī)組分為發(fā)電運(yùn)行和抽水運(yùn)行，其中發(fā)電運(yùn)行一般包括：發(fā)電開(kāi)機(jī)運(yùn)行、空載運(yùn)行、發(fā)電運(yùn)行、背靠背拖動(dòng)運(yùn)行、黑啟動(dòng)運(yùn)行和發(fā)電調(diào)相運(yùn)行；抽水運(yùn)行一般包括：抽水運(yùn)行和抽水調(diào)相運(yùn)行。

按照運(yùn)行狀態(tài)可將機(jī)組分為暫態(tài)運(yùn)行和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。其中穩(wěn)態(tài)包括：靜止態(tài)、空載態(tài)、發(fā)電態(tài)、發(fā)電調(diào)相態(tài)、抽水態(tài)和抽水調(diào)相態(tài)；暫態(tài)包括：開(kāi)機(jī)態(tài)、背靠背拖動(dòng)態(tài)、黑啟動(dòng)態(tài)和停機(jī)態(tài)。

抽水蓄能機(jī)組固然擁有復(fù)雜的運(yùn)行工況，但是其工況轉(zhuǎn)換都是有條件的，在設(shè)計(jì)工況轉(zhuǎn)換時(shí)必須考慮到機(jī)組的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和運(yùn)行方式。通過(guò)研究和比較相關(guān)主機(jī)廠家的水泵水輪機(jī)運(yùn)行方式，參考機(jī)組設(shè)計(jì)條件，綜合上述章節(jié)對(duì)機(jī)組運(yùn)行工況的分析，設(shè)計(jì)了抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換基本原理圖，見(jiàn)圖3。

圖3 機(jī)組工況轉(zhuǎn)換原理圖

其中： S0－S9代表機(jī)組的10個(gè)運(yùn)行狀態(tài)，e1－e21代表機(jī)組21個(gè)工況轉(zhuǎn)換方式，具體如下所述：

S0：指機(jī)組靜止態(tài)；

S1：指機(jī)組開(kāi)機(jī)態(tài)；

S2：指機(jī)組空載態(tài)；

S3：指機(jī)組發(fā)電態(tài)；

S4：指機(jī)組黑啟動(dòng)態(tài)；

S5：指機(jī)組發(fā)電調(diào)相態(tài)；

S6：指機(jī)組背靠背啟動(dòng)態(tài)；

S7：指機(jī)組抽水態(tài)；

S8：指機(jī)組抽水調(diào)相態(tài)；

S9：指機(jī)組停機(jī)態(tài)。

以發(fā)電為例：機(jī)組從S0(靜止)-S1(開(kāi)機(jī))-S2(空載)-S3(發(fā)電)，可見(jiàn)機(jī)組要完成從S0(靜止)到S3(發(fā)電)需要經(jīng)過(guò)S1(開(kāi)機(jī))和S2(空載)兩個(gè)狀態(tài)，機(jī)組不能直接從靜止到發(fā)電狀態(tài)，因此調(diào)速系統(tǒng)的工況狀態(tài)設(shè)計(jì)必須依據(jù)以圖3中的工況轉(zhuǎn)換關(guān)系為基礎(chǔ)。

首先需要對(duì)機(jī)組的狀態(tài)進(jìn)行定義，即機(jī)組滿足哪些特征才能表明機(jī)組在相應(yīng)的狀態(tài)下。如發(fā)電態(tài)機(jī)組的特征就是：

(1) 水輪機(jī)方向令=1；

(2) GCB合閘狀態(tài)=1；

(3) 機(jī)組功率＞0；

(4) 機(jī)組頻率在50Hz±頻率死區(qū)范圍。

然后就是對(duì)工況轉(zhuǎn)換條件進(jìn)行分析，即機(jī)組從狀態(tài)1進(jìn)入狀態(tài)2需要滿足何種條件方可實(shí)現(xiàn)。如機(jī)組從靜止態(tài)進(jìn)入水輪機(jī)方向開(kāi)機(jī)態(tài)需滿足：

(1) 水輪機(jī)方向令=1；

(2) 水輪機(jī)方向開(kāi)機(jī)令=1。

通過(guò)對(duì)機(jī)組運(yùn)行工況進(jìn)行定義，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制對(duì)象的定義，再分析機(jī)組工況轉(zhuǎn)換條件就能得到整個(gè)控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這也是形成了調(diào)速系統(tǒng)控制策略的基礎(chǔ)。

2.3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型設(shè)計(jì)

根據(jù)前述分析來(lái)定義機(jī)組在上述工況時(shí)執(zhí)行的操作，見(jiàn)表2。

表2 機(jī)組在各種工況下的操作

根據(jù)圖3的工況轉(zhuǎn)移圖可以分析得到機(jī)組在該10個(gè)工況下的工況轉(zhuǎn)換表，見(jiàn)表3。

表3 抽蓄機(jī)組工況狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

通過(guò)表2和表3可以清楚的看到抽水蓄能機(jī)組工況有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)、事件、轉(zhuǎn)換和動(dòng)作，這樣就使抽水蓄能機(jī)組工況間的復(fù)雜轉(zhuǎn)換關(guān)系變得清晰明了。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果分析

根據(jù)上述模型設(shè)計(jì)的調(diào)速器工況轉(zhuǎn)換程序在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果良好，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 水輪機(jī)方向背靠背拖動(dòng)

在背靠背拖動(dòng)過(guò)程中拖動(dòng)機(jī)主要負(fù)責(zé)拖動(dòng)被拖動(dòng)機(jī)進(jìn)入可并網(wǎng)狀態(tài)，待被拖動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速附近時(shí)同期并網(wǎng)，拖動(dòng)機(jī)先斷開(kāi)GCB從背靠背拖動(dòng)態(tài)進(jìn)入空載態(tài)，接收監(jiān)控系統(tǒng)的停機(jī)命令進(jìn)入停機(jī)態(tài)，最終進(jìn)入靜止態(tài)[3]。背靠背拖動(dòng)過(guò)程中拖動(dòng)機(jī)錄波見(jiàn)圖4。

整個(gè)拖動(dòng)過(guò)程機(jī)組工況轉(zhuǎn)換迅速?gòu)撵o止態(tài)—背靠背拖動(dòng)態(tài)—空載態(tài)—停機(jī)態(tài)—靜止態(tài)整個(gè)過(guò)程歷時(shí)270s，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，拖動(dòng)機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度開(kāi)啟迅速，被拖動(dòng)機(jī)與拖動(dòng)機(jī)的頻率爬升平穩(wěn)，很好地保證了機(jī)組的安全運(yùn)行和快速反應(yīng)。

圖4 背靠背拖動(dòng)試驗(yàn)拖動(dòng)機(jī)錄波

3.2 水泵方向抽水

當(dāng)機(jī)組進(jìn)入抽水調(diào)相態(tài)后，調(diào)速系統(tǒng)接受監(jiān)控指令撤銷抽水調(diào)相令，接受抽水令，機(jī)組進(jìn)入抽水態(tài)。具體抽水曲線見(jiàn)圖5。

圖5 水泵方向抽水試驗(yàn)錄波

當(dāng)機(jī)組進(jìn)入抽水態(tài)后，調(diào)速系統(tǒng)以設(shè)定的導(dǎo)葉開(kāi)啟速度開(kāi)啟導(dǎo)葉至第一段開(kāi)度（預(yù)設(shè)53%）穩(wěn)定15s，待機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后開(kāi)啟至當(dāng)前水頭下的最優(yōu)揚(yáng)程。整個(gè)抽水過(guò)程機(jī)組工況轉(zhuǎn)換過(guò)程平常平穩(wěn)，為電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行提供了良好的保障。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)建立有限狀態(tài)機(jī)模型，并應(yīng)用改進(jìn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與狀態(tài)轉(zhuǎn)換算法，抽水蓄能電站調(diào)速器控制邏輯結(jié)構(gòu)更為清晰。原來(lái)存在于程序中的諸多標(biāo)志變量，由狀態(tài)機(jī)的各個(gè)狀態(tài)所取代，使系統(tǒng)具有更好的擴(kuò)展性；并且模型很好地利用了狀態(tài)的相關(guān)性。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和運(yùn)行驗(yàn)證，該調(diào)速系統(tǒng)質(zhì)量可靠、功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定，具有很好的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到或優(yōu)于國(guó)標(biāo)，為機(jī)組的可靠穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的保障。

[1] 沈祖詒.水輪機(jī)調(diào)節(jié)[M].北京：水利電力出版社,1988.

[2] 熊振云,阮俊波,金慧華.嵌入式軟件中狀態(tài)機(jī)的抽象與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2003,10:84-85.

[3] 駱林,馬志云.抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)組背靠背起動(dòng)過(guò)程仿真研究[J].大電機(jī)技術(shù)，2005(06):11-14.

周 攀(1983—)，男，工程師，主要從事水電站調(diào)速系統(tǒng)研究和工程調(diào)試工作。E-mail：zp1983101@163.com

The Condition Transformation Control Strategy for Pumped-Storage Power Station Based on Finite State Machine

ZHOU Pan
(State Grid Xinyuan Company Technology Center, Beijing 100073, China)

This paper sketches the principle and mathematical model of the finite state machine. Define the control and condition transformation rule of the governor system for the pumped-storage power station based on the FSM characteristic,and analysis the field running situation based on the spot experiment record.

finite state machine(FSM); condition transformation; pumped-storage power station; governor system