楊克嘉

(四川鐵能電力開(kāi)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(jī)房控制和數(shù)據(jù)傳輸中，需要結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，進(jìn)行水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)程控制和自適應(yīng)調(diào)節(jié)，建立水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)模型，結(jié)合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和微網(wǎng)控制技術(shù)，構(gòu)建水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)程控制模型，提高通信的輸出的穩(wěn)定性和可靠性，相關(guān)的水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)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(duì)水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)程控制是通過(guò)通信信道的輸出穩(wěn)定性分析和信道均衡控制實(shí)現(xiàn)的，采用自適應(yīng)編碼和總線控制技術(shù)，結(jié)合模塊化參數(shù)調(diào)節(jié)，進(jìn)行水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)程控制的自適應(yīng)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(jī)房遠(yuǎn)程控制方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)區(qū)間劃分的風(fēng)電機(jī)組虛擬慣量模糊自適應(yīng)控制的方法[4]，以電壓源方式并網(wǎng)，在系統(tǒng)頻率響應(yīng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)電力通信控制，但該方法進(jìn)行電力通信機(jī)房控制的線性化模型參數(shù)調(diào)節(jié)能力不好。文獻(xiàn)[5]中提出基于載波頻率的紋波分析直流微網(wǎng)阻抗檢測(cè)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(cè)，解決直流微電網(wǎng)中線路阻抗帶來(lái)的諧波影響，但該方法的抗干擾能力不強(qiáng)。針對(duì)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(jī)房遠(yuǎn)程控制方法，結(jié)合通信控制的硬件模塊化設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)，通過(guò)系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性分析，進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，提高輸出穩(wěn)定性，最后進(jìn)行水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)程控制的仿真測(cè)試，得出有效性結(jié)論。

1 電力通信機(jī)房控制組件結(jié)構(gòu)和控制對(duì)象

1.1 電力通信機(jī)房控制組件結(jié)構(gòu)

構(gòu)建水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)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(jī)房控制組件通信輸出控制的測(cè)量模型參數(shù)，采用全局均衡調(diào)度，進(jìn)行電力通信機(jī)房控制過(guò)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(duì)象，通過(guò)脈沖注入檢測(cè)的方法，進(jìn)行電力通信機(jī)房控制組件配置和補(bǔ)償控制，在阻抗測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)脈沖調(diào)節(jié)和信道均衡調(diào)度，進(jìn)行電力通信機(jī)房控制的模糊自適應(yīng)分配。采用35、20、10kV開(kāi)關(guān)作為輸出電壓電流的控制中斷，在不同變換器間通過(guò)電壓電流紋波分析和阻抗特征分析，進(jìn)行直流微網(wǎng)運(yùn)行中的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)。在電力通信機(jī)房控制組件中，開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)內(nèi)有一個(gè)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(wèn)題，如果開(kāi)關(guān)正常運(yùn)行時(shí)，如果合閘條件不滿足，電氣解鎖回路不導(dǎo)通，電流高頻諧波分量輸出平衡[6]。構(gòu)建水電站電力機(jī)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(chǔ)結(jié)構(gòu)模塊、數(shù)據(jù)匯聚模塊以及TCP服務(wù)控制模塊。控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水電站電力通信機(jī)房的總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1所示的電力通信機(jī)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(chǔ)結(jié)構(gòu)模塊、數(shù)據(jù)匯聚模塊以及TCP服務(wù)控制模塊，其中，控制器模塊包含了通信機(jī)房的信道特性儀配套裝置，實(shí)現(xiàn)斷路器特性試驗(yàn)的中轉(zhuǎn)作用。通過(guò)回路檢測(cè)及人機(jī)控制，進(jìn)行水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)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(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電設(shè)備容量調(diào)控，水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)DAS技術(shù)、NAS技術(shù)進(jìn)行信道分配，采用NCL(Neighbor Channel List)列表分配機(jī)制，構(gòu)建水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)程控制的信道傳輸隊(duì)列結(jié)構(gòu)，水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)技術(shù)結(jié)構(gòu)模塊如圖2所示。

圖2 水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)技術(shù)結(jié)構(gòu)模塊

1.2 水電站電力通信信道模型及均衡

通過(guò)對(duì)水電站輸出線路的阻抗測(cè)量，以差動(dòng)電流二次諧波含量作為控制約束參數(shù)，通過(guò)模糊PID控制算法實(shí)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(guò)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(guó)，采用RRC連接請(qǐng)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(jī)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(jī)房遠(yuǎn)程控制算法及實(shí)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(jī)房遠(yuǎn)程控制模型參數(shù)，給出水電站電力通信機(jī)房的系統(tǒng)頻率響應(yīng)線性化模型，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)頻率響應(yīng)線性化模型

結(jié)合圖4模型，通過(guò)系統(tǒng)頻率響應(yīng)區(qū)間劃分的，得到水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)程控制的等值運(yùn)動(dòng)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(yīng)波動(dòng)；Deq—系統(tǒng)動(dòng)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(jī)組虛擬功率,kW。

通過(guò)模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)水電站電力通信信道均衡控制，得到頻率響應(yīng)表達(dá)式：

(2)

式中，KG—電機(jī)組一次調(diào)頻參數(shù)；TGT—電機(jī)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(dòng)極值。

結(jié)合PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，建立電機(jī)組虛擬慣量綜合控制開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：

(3)

式中，TJeq—水電站電力通信輸出的時(shí)間相關(guān)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(qiáng)度。

無(wú)功電流的參考值，此時(shí)水電站電力通信機(jī)房無(wú)功電流的參考值ijeps=0。根據(jù)上述PID控制算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力通信機(jī)房的遠(yuǎn)程控制律設(shè)計(jì)，采用變壓器、開(kāi)關(guān)、壓變和母線聯(lián)合監(jiān)測(cè)的方法，進(jìn)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(cè)[8]。

2.2 硬件及軟件結(jié)構(gòu)

對(duì)水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是建立在MultiHopLQI開(kāi)發(fā)平臺(tái)基礎(chǔ)上，結(jié)合嵌入式組件開(kāi)發(fā)的方法，建立水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的交叉編譯平臺(tái)輸出端，通過(guò)B/S構(gòu)架協(xié)議，進(jìn)行水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)程控制的總線開(kāi)發(fā)和軟件觸發(fā)，在信號(hào)和信道的調(diào)理過(guò)程中，通過(guò)誤差反饋進(jìn)行信道補(bǔ)償，在人機(jī)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(jī)對(duì)話協(xié)議，通過(guò)USB接口模塊對(duì)測(cè)試的參數(shù)進(jìn)行輸出及調(diào)試，實(shí)現(xiàn)水電站電力通信機(jī)房的人機(jī)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(biāo)幀上附加了LEEP幀的信息，在根節(jié)點(diǎn)的匯聚樹(shù)中廣播EETX幀，通過(guò)TinyOS2.x傳輸路徑協(xié)議模型建立機(jī)房遠(yuǎn)程通信控制的CTP路喲傳感協(xié)議，實(shí)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(jī)房遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的主控模塊，基于IEEE488.2標(biāo)準(zhǔn)控制協(xié)議，進(jìn)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(cè)，在ITU- 656 PPI通信模式下進(jìn)行水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的總線集成傳輸控制，采用ISA/EISA/Micro Channel擴(kuò)充總線實(shí)現(xiàn)水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的總線收發(fā)控制。水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)程控制的信標(biāo)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)[9]。

圖6 通信機(jī)房遠(yuǎn)程控制的信標(biāo)幀和路由交換結(jié)構(gòu)模型

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

通過(guò)系統(tǒng)仿真測(cè)試測(cè)試本文方法在實(shí)現(xiàn)水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)程控制的應(yīng)用性能[10]，仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。

圖7 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

電站電力通信信道的通帶增益為34dB，以電力通信機(jī)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(jiàn)表1。

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)表1的參數(shù)設(shè)定，基于Matlab/Simulink仿真的方法，進(jìn)行通信機(jī)房控制性能分析，得到控制參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(jìn)行控制穩(wěn)定性測(cè)試，得到不同方法進(jìn)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(jìn)行水電站電力通信機(jī)房控制的頻率振蕩衰減快，動(dòng)態(tài)過(guò)程會(huì)變慢，本文方法的穩(wěn)態(tài)性較好，具有較高的頻率響應(yīng)動(dòng)態(tài)特性。

圖8 控制曲線

4 結(jié)語(yǔ)

電力工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要支柱。到目前為止，我國(guó)水電站的發(fā)電量，在全國(guó)總發(fā)電量中已經(jīng)超過(guò)20%.顯然，水電站同時(shí)因?yàn)槠浔旧硖攸c(diǎn)，已經(jīng)成為電力工業(yè)中的重要力量。PID控制是一種應(yīng)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(duì)象的動(dòng)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(jī)房的控制系統(tǒng)中，對(duì)提高水電站電力通信機(jī)房遠(yuǎn)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(dòng)、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(yùn)行人員的調(diào)節(jié)負(fù)擔(dān)。