王曉晨，劉超，雍福全

(國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司中衛(wèi)供電公司，寧夏，中衛(wèi) 755000)

0 引言

對(duì)于大多數(shù)電氣設(shè)備，絕緣油為一類(lèi)關(guān)鍵絕緣材料，將此類(lèi)絕緣材料應(yīng)用在電力系統(tǒng)里，可有效優(yōu)化電力系統(tǒng)的核心供電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，還可以實(shí)現(xiàn)此類(lèi)核心設(shè)備的絕緣保護(hù)。因此，在實(shí)際使用過(guò)程中，絕緣油的質(zhì)量十分關(guān)鍵，其質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行存在直接影響[1-2]。色譜分析法為檢測(cè)絕緣油質(zhì)量的核心方法，但色譜分析法在實(shí)踐中，對(duì)自動(dòng)進(jìn)樣設(shè)備的應(yīng)用要求較為嚴(yán)格，進(jìn)樣效率會(huì)影響色譜分析速度與精度[3-4]。隨著科學(xué)的發(fā)展，電氣領(lǐng)域?qū)M(jìn)樣系統(tǒng)自動(dòng)化程度的需求愈發(fā)顯著，以往使用手工進(jìn)樣模式，因其進(jìn)樣效率低，無(wú)法快速處理樣本，應(yīng)用效果差，已逐漸被淘汰[5]。

為此，本文以絕緣油色譜分析為前提，設(shè)計(jì)絕緣油色譜分析中自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)，此系統(tǒng)的應(yīng)用具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

1 自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)

絕緣油色譜分析中自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)分為上位機(jī)模塊、主控模塊、自動(dòng)進(jìn)樣模塊、回零模塊、清潔模塊。

絕緣油色譜分析中自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框見(jiàn)圖1。

其中，上位機(jī)模塊主要通過(guò)LabVIEW設(shè)計(jì)，其功能為人機(jī)交互，屬于工作人員與絕緣油色譜分析中自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)的交流端[6]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

(1) 主控模塊

主控模塊的核心為STC12C5410AD單片機(jī)，其功能為建立絕緣油色譜分析的進(jìn)樣控制信號(hào)，且可以和其他模塊實(shí)時(shí)通信[7]。

(2) 自動(dòng)進(jìn)樣模塊

自動(dòng)進(jìn)樣模塊由進(jìn)樣器、傳動(dòng)履帶、支架構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)絕緣油的自動(dòng)取樣與進(jìn)樣，此模塊主要依賴(lài)于步進(jìn)電機(jī)才可實(shí)現(xiàn)絕緣油色譜分析中的自動(dòng)進(jìn)樣取樣。以往的進(jìn)樣系統(tǒng)使用直線(xiàn)步進(jìn)電機(jī)配合滾珠絲杠，每次操作僅支持一次進(jìn)樣[8-9]。

本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用履帶式轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用成本較低，可以實(shí)現(xiàn)通量進(jìn)樣。履帶式轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的核心器件為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，如圖2所示。

圖2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的結(jié)構(gòu)框圖

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器需要在驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)使下才可以運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為絕緣油色譜分析時(shí)進(jìn)樣控制的脈沖信號(hào)。若沒(méi)有輸入脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)則停止運(yùn)行。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器可控制其轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動(dòng)角度和方向。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與脈沖量具有正比例模式。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器分為脈沖環(huán)形分配電路與功率放大電路[10]。脈沖環(huán)形分配電路的功能為控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向，可按照實(shí)際進(jìn)樣位置調(diào)整步進(jìn)電機(jī)位置；功率放大電路的功能為放大電流，由于脈沖環(huán)境分配電路輸出端的輸出電流較小，步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電流值顯著，脈沖分配器輸出的脈沖必須通過(guò)功率放大電路實(shí)現(xiàn)放大，方可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。

(3) 回零模塊與清潔模塊

由于進(jìn)樣系統(tǒng)具有慣性、摩擦，步進(jìn)電機(jī)會(huì)出現(xiàn)失步等問(wèn)題，導(dǎo)致進(jìn)樣器的定位出現(xiàn)誤差，回零處理便可克服此類(lèi)問(wèn)題[11-13]?；亓隳K使用反射式光電傳感器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的回零處理；清潔模塊能夠使用振動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)毛刷的形式清理進(jìn)樣器，清潔模塊分為軟毛刷、空心杯振動(dòng)電機(jī)、控制電路。

1.2 面向步進(jìn)電機(jī)控制的PID控制算法

1.2.1 步進(jìn)電機(jī)建模

(1) 電壓平衡方程

系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)樣模塊使用的步進(jìn)電機(jī)為三相反應(yīng)式，按照三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和電磁回路，能構(gòu)建一相繞組的線(xiàn)性等值短路[14]。其中電壓平衡方程為

(1)

其中，V(t)、S為矩陣脈沖電壓、一相繞組電阻，L(t)、φ為一相繞組電流、磁鏈，t為時(shí)刻。

步進(jìn)電機(jī)的磁鏈能夠描述為電感與電流的乘積。

某相中磁鏈的運(yùn)算方法為

φ=Ia(θ)L(t)

(2)

在這種情況下，一相繞組的自感為Ia(θ)。

步進(jìn)電機(jī)的自感運(yùn)算方法為

(3)

此時(shí)步進(jìn)電機(jī)的電壓平衡方程為

(4)

(5)

(2) 電磁轉(zhuǎn)矩方程

反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)合成電磁轉(zhuǎn)矩為

(6)

其中，m為電機(jī)相數(shù)。

一相的電磁轉(zhuǎn)矩為

(7)

三相的轉(zhuǎn)矩分別為

(8)

(9)

(10)

其中，LA(t)、LB(t)、LC(t)為A相、B相、C相繞組磁鏈。

合成轉(zhuǎn)矩為

H(α)=HA+HB+HC

(11)

根據(jù)力學(xué)的有關(guān)定律，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方程為

(12)

其中，K、D、HI為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼系數(shù)、負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

1.2.2 自動(dòng)進(jìn)樣PID控制算法

(1) 模擬PID控制器

PID控制屬于比例、積分、微分控制的融合?；綪ID控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PID控制器的結(jié)構(gòu)

圖3中，f為偏差信號(hào)，v、pp為PID控制器輸出、比例系數(shù)，pi、pd為積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)，sin、xout為PID控制輸入、輸出值，g為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的力矩常數(shù),d/dt表示求導(dǎo)。

(2) 數(shù)字PID控制器

為降低PID控制難度，把模擬PID離散化成差分方程模式：

(13)

(3) 基于改進(jìn)粒子群算法的PID控制器優(yōu)化

標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法速度ui(t+1)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的位置yi(t+1)更新方法為

ui(t+1)=?ui(t)+e1s1(Qbest(t)-yi(t))+

e2s2(Fbest(t)-yi(t))

(14)

yi(t+1)=yi(t)+ui(t+1)

(15)

其中，?為慣性權(quán)重，e1、e2為學(xué)習(xí)因子，s1、s2為隨機(jī)數(shù)，值域?yàn)閇0,1]，F(xiàn)best(t)為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的初始位置。

考慮到標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法易進(jìn)入局部最優(yōu)，本文系統(tǒng)使用基于動(dòng)態(tài)非線(xiàn)性更新慣性權(quán)重方法，慣性權(quán)重符合指數(shù)分布，算法開(kāi)始迭代時(shí)，慣性權(quán)重值較大，算法迭代后階段，慣性權(quán)重值較小。此條件下，可以?xún)?yōu)化算法的收斂效率，讓算法在全局范圍中獲取最優(yōu)解，避免早熟。

通過(guò)適應(yīng)度判斷個(gè)體優(yōu)劣性能，并設(shè)成后續(xù)檢索個(gè)體過(guò)程中位置更新的核心，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器位置的最優(yōu)解優(yōu)化。適應(yīng)度函數(shù)屬于粒子群算法和PID控制器相容的中介，可讓算法根據(jù)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的具體需求而逐漸進(jìn)化[15]。

為得到預(yù)期的動(dòng)態(tài)控制效果，目標(biāo)函數(shù)為

(16)

其中，?為最佳指標(biāo)系數(shù)，to為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的動(dòng)態(tài)控制上升時(shí)間。

為防止出現(xiàn)超調(diào)問(wèn)題，使用對(duì)應(yīng)的懲罰方法，則建立超調(diào)時(shí)，把超調(diào)量設(shè)成最優(yōu)指標(biāo)：

(17)

其中，?′為超調(diào)懲罰系數(shù)。

基于改進(jìn)粒子群算法的PID控制器優(yōu)化的具體步驟如下：

(1) 建立粒子群；

(2) 將粒子分別賦值成pp、pi、pd；

(3) 使用數(shù)字PID控制器控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器運(yùn)行；

(4) 輸出步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器運(yùn)行的性能指標(biāo)；

(5) 判斷是否迭代為最大次數(shù)，如果是，便輸出此時(shí)最佳指標(biāo)系數(shù)、超調(diào)懲罰系數(shù)，實(shí)現(xiàn)PID控制器優(yōu)化，使用此PID控制器控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，協(xié)助進(jìn)樣器實(shí)現(xiàn)絕緣油樣品的自動(dòng)進(jìn)樣。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為測(cè)試本文系統(tǒng)的使用效果，利用MATLAB仿真平臺(tái)輸出本文系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果。以變壓器絕緣油應(yīng)用為例，在MATLAB仿真平臺(tái)模擬變壓器絕緣故障情景，變壓器絕緣故障情景的出現(xiàn)原因主要由絕緣油使用不當(dāng)所引起。故障情景分為局部放電、火花放電、電弧放電，在3種情境下測(cè)試本文系統(tǒng)應(yīng)用效果。測(cè)試指標(biāo)為Kappa系數(shù)、均方相對(duì)誤差MSRE、平均絕對(duì)誤差MAE。

Kappa系數(shù)為

(18)

其中，q0、qe為多次分析中的一致性、多次分析中的預(yù)期一致性。

Kappa系數(shù)的判斷標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 Kappa系數(shù)的判斷標(biāo)準(zhǔn)

均方相對(duì)誤差MSRE、平均絕對(duì)誤差MAE為

(19)

(20)

在變壓器局部放電、火花放電、電弧放電三種情境下，應(yīng)用本文系統(tǒng)后絕緣油色譜分析效果如圖4～圖6所示。

(a) Kappa系數(shù)測(cè)試結(jié)果

(a) Kappa系數(shù)測(cè)試結(jié)果

(a) Kappa系數(shù)測(cè)試結(jié)果

由圖4～圖6可知，在變壓器局部放電、火花放電、電弧放電三種情境下，本文系統(tǒng)使用后，絕緣油色譜分析效果較佳，分析結(jié)果的Kappa系數(shù)都為1，表示多次分析結(jié)果具有完全一致性；均方相對(duì)誤差、平均絕對(duì)誤差均小于0.2，分析精度較高。原因?yàn)楸疚南到y(tǒng)中引入了面向步進(jìn)電機(jī)控制的PID控制算法，在每次絕緣油分析中均可以標(biāo)準(zhǔn)、準(zhǔn)確地對(duì)絕緣油樣品進(jìn)行取樣進(jìn)樣，保證樣品量不出現(xiàn)誤差。

在變壓器局部放電、火花放電、電弧放電三種情境下，測(cè)試本文系統(tǒng)使用后，絕緣油色譜分析的進(jìn)樣效率結(jié)果如表2所示。

由表2可知，在變壓器局部放電、火花放電、電弧放電三種情境下，本文系統(tǒng)使用后，絕緣油色譜分析的進(jìn)樣效率明顯提升，使用本文系統(tǒng)前，絕緣油色譜分析的進(jìn)樣耗時(shí)均值都大于40 s，耗時(shí)較多，操作復(fù)雜；使用本文系統(tǒng)后，絕緣油色譜分析的進(jìn)樣耗時(shí)均值均低于3 s，差異十分明顯。表明本文系統(tǒng)可節(jié)省絕緣油色譜分析的進(jìn)樣耗時(shí)，提升絕緣油色譜分析的進(jìn)樣效率，這對(duì)絕緣油色譜分析過(guò)程存在積極作用。

表2 本文系統(tǒng)使用后絕緣油色譜分析的進(jìn)樣耗時(shí)

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)一種絕緣油色譜分析中自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)，并在MATLAB仿真平臺(tái)中對(duì)本文系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：

(1) 在變壓器局部放電、火花放電、電弧放電三種情境下，本文系統(tǒng)使用后，絕緣油色譜分析效果較佳，多次分析結(jié)果具有完全一致性，可提升絕緣油色譜分析精度。

(2) 本文系統(tǒng)使用后，絕緣油色譜分析的進(jìn)樣效率明顯提升，使用本文系統(tǒng)前，絕緣油色譜分析的進(jìn)樣耗時(shí)均值都大于40 s，耗時(shí)較多，操作復(fù)雜；使用本文系統(tǒng)后，絕緣油色譜分析的進(jìn)樣耗時(shí)均值均低于3 s，差異十分明顯。