基于有限狀態機的抽水蓄能機組工況轉換控制

周 攀

（國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100073）

基于有限狀態機的抽水蓄能機組工況轉換控制

周 攀

（國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100073）

本文簡要地介紹了有限狀態機的基本結構和數學模型，根據抽水蓄能電站工況運行的特點分析了基于有限狀態機原理的抽蓄機組運行工況設計方法，詳細闡述了抽水蓄能機組調速系統各個工況的定義和工況轉換的條件，并以現場試驗數據為基礎，分析了基于有限狀態機的抽蓄機組工況轉換控制在現場的實際運行情況。

有限狀態機；工況轉換；抽水蓄能;調速系統

0 引言

調速系統作為抽水蓄能電站最重要的輔機之一，負責控制機組導葉開啟、頻率控制、負荷調整和工況轉換等重要任務[1]，其控制策略的可靠性直接影響機組的安全穩定運行。針對抽蓄機組啟停頻繁、工況轉換復雜和精確調節的特點，如何保證調速系統能夠快速實現工況轉換和精確判斷流程跳轉對抽蓄電站的安全穩定運行至關重要。

在調速系統的程序設計中引入有限狀態機技術，可以有效解決程序的實時性處理、高效運行等特點，并且邏輯思路清晰，編程過程簡單，可修改性強，能夠有效的保證調速器控制的實時性和精準性。

1 有限狀態機原理

有限狀態機在數學上的定義為：一個機器是一個系統，它接收輸入，產生輸出，而且其內部存儲器保存已輸入的信息，機器的內部狀況及其存儲的內容，是機器當前的狀態，機器在任何時候的狀態包括存儲的已輸入內容，并確定怎樣響應此后的輸入，如果此系統狀態的數目是有限的，則稱為有限狀態機（Finite State Machine）[2]。

1.1 有限狀態機的基本結構

有限狀態機系統的運行過程，總是處于靜態（穩態）和動態（暫態）的不斷變換中。狀態是運行過程的靜態描述，是根據系統的具體情況人為定義的，如處于準備狀態、故障狀態、運行狀態等。無論系統運行在何種狀態，同時必然伴隨著某些事件發生，如開關量輸入、參數限制到或定時時間到等。事件發生可以激發狀態變化，如接到開機令，系統進入開機狀態，故障發生后轉入故障狀態等；也可以只引起某些處理，沒有狀態變化，如在運行狀態中修改給定值、調節輸出操作；也可能不予理會，不作任何處理，如處于運行狀態時再接到開機令。此外系統處在一定的狀態中還可以執行一定的動作。

結合抽水蓄能機組，對狀態、事件、轉換和動作的詳細描述如下：

(1) 狀態（State）：指的是對象在其一定時期內所處的一種狀況，處于某個特定狀態中的對象必然會滿足某些條件、執行某些動作或者是等待某些事件。對于抽水蓄能機組來說，狀態就是機組所處的某個工況，如機組處于空載工況狀態。

(2) 事件（Event）：指的是在時間和空間上占有一定位置，并且對狀態機來講是有意義的那些事情。事件通常會引起狀態的變遷，促使狀態機從一種狀態切換到另一種狀態。對于抽水蓄能機組來說，事件就是機組工況之間轉換所必須滿足的那些條件，如機組在空載工況下，機組斷路器閉合。

(3) 轉換（Transition）：指的是兩個狀態之間的一種關系，表明對象將在一個狀態中執行一定的動作，并將在某個事件發生、某個特定條件滿足時進入另一個狀態。對于抽水蓄能機組來說，轉換就是指機組從一個工況轉到另一個工況的過程，如機組從空載工況轉到發電工況。

(4) 動作（Action）：指的是狀態機處在一定的狀態下可以執行的那些操作。對于抽水蓄能機組來說，動作就是指機組處在一定的工況時所執行的那些操作，如機組處在空載工況下調用空載PID調節。

總之，狀態、事件、轉換和動作這四個要素構成了有限狀態機的全部內容，只要能清楚、完備地對它們進行分析，并用適當的方式加以表達，就完成了對有限狀態機系統的分析工作。

1.2 有限狀態機的數學模型

用于描述狀態轉換的有限狀態機可以用一個五元組M=(K,Σ, f, S0, Z)，來表示。其中K為有限集合，集合中每個元素對應有限狀態機的一個狀態；Σ為輸入事件集合；f為狀態轉換函數，它是一個K×Σ-＞ K 的映射函數，f(S0,Σ)=K意味著在狀態K下發生事件Σ時，有限狀態機的狀態將由S0轉換為K；S0為有限狀態機的初始狀態，S0是K的子集；Z為狀態機的最終狀態集合。

下面以圖1為例來說明有限狀態機的模型結構：

圖1 狀態轉移圖

其中 ：K={0 , 1 , 2 , 3 }，Σ={a,b,c,d}，根據上述分析可以得出我們需要的狀態轉移表，見表1。

表1 狀態轉移表

根據表1就能非常簡便的編制控制程序和邏輯判據了。

2 有限狀態機模型設計

較常規水力機組，抽水蓄能機組具有更多的工況也帶來了更復雜的工況轉換關系，僅常用的工況轉換就有十幾種。對于變速運行的抽水蓄能機組，其工況轉換關系則更多，下面結合工程實例來說明抽水蓄能機組復雜的工況轉換關系。

2.1 機組運行狀態分析

水輪機工況仿真的初始穩態工況默認機組轉速為零，即處于靜止狀態。因此開始水輪機工況仿真時，首先進入靜止狀態。在接收到開機令后，程序運行進入空載狀態。此時可以選擇進入并大網發電工況，或是進入單機帶孤立負荷發電工況，當然也可以選擇繼續空載狀態的仿真。抽水蓄能機組水輪機工況下的運行與常規水電機組的運行基本一樣，在此就不再贅述。

轉換暫態是作為運行穩態之間轉換的中間狀態，以下對機組的工況轉換過程進行簡單的描述：當機組在靜止工況下接收到開機令，就轉入開機的轉換暫態，此過程中機組導葉開度緩慢打開至空載開度，機組轉速逐步爬升，當機組轉速達到90%額定轉速時機組就進入空載調節的轉換暫態；經過空載PID調節后機組經同期并網后進入發電的穩定運行工況；停機工況一般指正常停機工況，而緊急停機工況的優先權高于正常停機工況，機組在除靜止外的所有其他工況接到緊急停機令就轉為緊急停機工況；當機組在除靜止和緊急停機外的所有其他工況接到停機令就轉停機工況；當機組處在停機或緊急停機的暫態工況下，經過一定的延時機組進入靜止的穩定工況。

機組在靜止工況下，接收到水輪機方向背靠背啟動的命令，機組就轉入背靠背啟動運行工況。另外抽水調相工況除了做調相運行外更多是作為機組向抽水工況轉換的一個過渡工況，當機組在抽水調相工況下，檢測到造壓完成就逐步開啟導葉開度轉入抽水穩定運行工況。

從上述分析可以看出抽水蓄能機組工況之間的轉換關系相當復雜，如果采用常規編程方法來分析處理工況之間的轉換，不但程序繁瑣，而且還容易出現錯誤的工況轉換。下面介紹采用有限狀態機的方法來分析處理工況之間的轉換機理。

2.2 調速系統運行工況分析

抽水蓄能機組具有水輪機、水泵兩個運行方向分別來完成發電、抽水任務，較常規機組而言，抽水蓄能機組具有啟動頻繁、運行工況多、工況轉換復雜等特點。詳細機組運行工況見圖2。

圖2 抽水蓄能機組運行工況圖

按照機組運行方向可以將機組分為發電運行和抽水運行，其中發電運行一般包括：發電開機運行、空載運行、發電運行、背靠背拖動運行、黑啟動運行和發電調相運行；抽水運行一般包括：抽水運行和抽水調相運行。

按照運行狀態可將機組分為暫態運行和穩態運行。其中穩態包括：靜止態、空載態、發電態、發電調相態、抽水態和抽水調相態；暫態包括：開機態、背靠背拖動態、黑啟動態和停機態。

抽水蓄能機組固然擁有復雜的運行工況，但是其工況轉換都是有條件的，在設計工況轉換時必須考慮到機組的設計特點和運行方式。通過研究和比較相關主機廠家的水泵水輪機運行方式，參考機組設計條件，綜合上述章節對機組運行工況的分析，設計了抽水蓄能機組運行工況轉換基本原理圖，見圖3。

圖3 機組工況轉換原理圖

其中： S0－S9代表機組的10個運行狀態，e1－e21代表機組21個工況轉換方式，具體如下所述：

S0：指機組靜止態；

S1：指機組開機態；

S2：指機組空載態；

S3：指機組發電態；

S4：指機組黑啟動態；

S5：指機組發電調相態；

S6：指機組背靠背啟動態；

S7：指機組抽水態；

S8：指機組抽水調相態；

S9：指機組停機態。

以發電為例：機組從S0(靜止)-S1(開機)-S2(空載)-S3(發電)，可見機組要完成從S0(靜止)到S3(發電)需要經過S1(開機)和S2(空載)兩個狀態，機組不能直接從靜止到發電狀態，因此調速系統的工況狀態設計必須依據以圖3中的工況轉換關系為基礎。

首先需要對機組的狀態進行定義，即機組滿足哪些特征才能表明機組在相應的狀態下。如發電態機組的特征就是：

(1) 水輪機方向令=1；

(2) GCB合閘狀態=1；

(3) 機組功率＞0；

(4) 機組頻率在50Hz±頻率死區范圍。

然后就是對工況轉換條件進行分析，即機組從狀態1進入狀態2需要滿足何種條件方可實現。如機組從靜止態進入水輪機方向開機態需滿足：

(1) 水輪機方向令=1；

(2) 水輪機方向開機令=1。

通過對機組運行工況進行定義，就實現了對控制對象的定義，再分析機組工況轉換條件就能得到整個控制對象的運動規律，這也是形成了調速系統控制策略的基礎。

2.3 狀態轉換模型設計

根據前述分析來定義機組在上述工況時執行的操作，見表2。

表2 機組在各種工況下的操作

根據圖3的工況轉移圖可以分析得到機組在該10個工況下的工況轉換表，見表3。

表3 抽蓄機組工況狀態轉換表

通過表2和表3可以清楚的看到抽水蓄能機組工況有限狀態機的狀態、事件、轉換和動作，這樣就使抽水蓄能機組工況間的復雜轉換關系變得清晰明了。

3 現場實施效果分析

根據上述模型設計的調速器工況轉換程序在現場試驗效果良好，結合現場試驗數據進行分析。

3.1 水輪機方向背靠背拖動

在背靠背拖動過程中拖動機主要負責拖動被拖動機進入可并網狀態，待被拖動機轉速升至額定轉速附近時同期并網，拖動機先斷開GCB從背靠背拖動態進入空載態，接收監控系統的停機命令進入停機態，最終進入靜止態[3]。背靠背拖動過程中拖動機錄波見圖4。

整個拖動過程機組工況轉換迅速從靜止態—背靠背拖動態—空載態—停機態—靜止態整個過程歷時270s，運行狀態穩定，拖動機組導葉開度開啟迅速，被拖動機與拖動機的頻率爬升平穩，很好地保證了機組的安全運行和快速反應。

圖4 背靠背拖動試驗拖動機錄波

3.2 水泵方向抽水

當機組進入抽水調相態后，調速系統接受監控指令撤銷抽水調相令，接受抽水令，機組進入抽水態。具體抽水曲線見圖5。

圖5 水泵方向抽水試驗錄波

當機組進入抽水態后，調速系統以設定的導葉開啟速度開啟導葉至第一段開度（預設53%）穩定15s，待機組運行穩定后開啟至當前水頭下的最優揚程。整個抽水過程機組工況轉換過程平常平穩，為電網穩定運行提供了良好的保障。

4 結束語

通過建立有限狀態機模型，并應用改進的數據結構與狀態轉換算法，抽水蓄能電站調速器控制邏輯結構更為清晰。原來存在于程序中的諸多標志變量，由狀態機的各個狀態所取代，使系統具有更好的擴展性；并且模型很好地利用了狀態的相關性。

通過現場調試和運行驗證，該調速系統質量可靠、功能完善、運行穩定，具有很好的靜態特性和動態特性，各項指標都達到或優于國標，為機組的可靠穩定運行提供了有力的保障。

[1] 沈祖詒.水輪機調節[M].北京：水利電力出版社,1988.

[2] 熊振云,阮俊波,金慧華.嵌入式軟件中狀態機的抽象與實現[J].計算機應用，2003,10:84-85.

[3] 駱林,馬志云.抽水蓄能電動發電機組背靠背起動過程仿真研究[J].大電機技術，2005(06):11-14.

周 攀(1983—)，男，工程師，主要從事水電站調速系統研究和工程調試工作。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