基于模糊理論的水電運行仿真調速系統模型的構建與改進

董良彬

摘 要：隨著科學技術的快速發展，人們對水電系統的要求也越來越高，這對于水電廠的運行人員來說，是一個很大的挑戰，因此，水電運行仿真系統就應運而生。該系統模擬仿真了運行環境，工作人員在上崗之前，在此仿真系統中進行實際模擬訓練，使得他們能夠熟練地處理水電廠的一些事物，包括正常運行、故障以及事故處理，極大的保障了工作人員在實際操作中的對計算機的監控、事故的消除等問題的處理。因此，水電運行仿真模型就顯得尤為重要，本文將從水電運行仿真調速系統的建立以及改進兩大模塊進行論述。

關鍵詞：模糊理論；調速系統模型；水電運行仿真

自從改革開放以來，經濟技術發展使得我國電力行業也得到了飛速的發展，人們對于電力行業的要求也越來越高，則國家或者企業對電力的投資比重逐漸增加，而在電能的各種來源中，水力發電是其主要來源之一，因此，電網中水電容量所占的比重也隨之增加。此外，各種新技術、新設備的投入使用，給水電廠運行人員帶來了更大的挑戰，因此，我們要建立水電運行仿真調速系統，對工作人員進行上崗前的培訓，使得其可以很好的處理解決運行過程中遇到的問題，包括故障、事故等的處理。下面，我們將具體介紹水電運行仿真調速系統的構建以及改進。

1 調速系統模型的構建

（1）水輪機調速系統

水力發電是指利用水輪機發電組將水能轉化為電能，以供用戶的使用。水力發電，不僅要求其安全性與可靠性，還要求電能的電壓以及頻率的額定值保持在一定的范圍內。我國電力系統要求：頻率應在50Hz，上下起伏不超過0.5Hz；此外，還應該保障電鐘指示和標準時間之間的誤差小于等于1min。系統的有功功率平衡性決定了電力系統頻率的穩定性，然而，負荷的不斷變化將會導致頻率的變化。因此，水輪機組就顯得尤為重要，其主要人物是根據負荷的變化情況及時的對水輪機發電組的功率輸出進行調整，并使之保持在一定的范圍內，即頻率保持在50Hz。

通常來說，調速器是由測量、放大、加法、執行以及反饋等元器件構成，水輪機調速系統結構圖如下圖1所示。

機組是指待調節的對象；通常情況下，導水機構安裝在機組內部，不單獨列出；機組和調速器就組成了上述水輪機調速系統。

（2）調速器

調速系統的主要構成部分是調速器，是一種裝置，可根據水輪機轉速和輸出功率自動調整導葉開度的裝置。現在市面上有很多種類型的水輪機調速器，但一般來說，他們都是由放大元件、測量元件、校正元件等組成。不同的調速器，他們各個元件互相的信號傳遞方式不同，變換和綜合的方式亦不同。調速器的分類主要有以下幾種，包括緩沖式調速器、電子調節式調速器、中間接力式調速器、雙重調節調速器等。將水輪機調速器應用到水電廠已經有著很悠久的歷史，初期，水輪機調速器通過測速元件直接對執行機構作用，我們將之稱為直接作用式調速器，隨著計算機技術的發展和普及，現在水電廠一般都采用計算機在線控制。

按照水電廠運行仿真調速系統的仿真要求，一般而言，WT-S雙微機調速器，PLC-145型可編程控制式調速器，SKDT-100集成型電路電液調速器。本文所采用的是WT-S型雙微機調速器進行研究，其調節控制中心是微型計算機，執行機構是以直連式機械液壓系統。WT-S型雙微機調速器適合軸流定漿式和混流式水輪機組，可以完成水輪機的開關機的手動以及自動操作，還可以對轉速以及符合進行手動或者自動的調節。

（3）水輪機調速器組成和原理框圖

若要對水輪機調速器進行仿真，首先應該考慮是否實用、先進、經濟。實用性，建立調速器仿真模型是為了對工作人員在正式工作之前進行培訓，使得他們能夠熟練的解決遇到的問題，所以，應該盡可能地滿足訓練的各種要求；先進性，盡量使用先進技術，畢竟經濟技術的發展是十分迅速的，才能夠滿足地區監控水電廠的要求；經濟性，盡可能多的設計功能，充分發揮軟件的作用，以提高系統的整體性能，同時又不增加其費用。

WT-S型雙微機調速器一般由調節器、液壓系統組成，如圖2所示。

2 調速系統模型的改進

目前，雖然我國水電運行仿真模型的構建技術已經很成熟，在實際運行中，該模型也滿足很多的方面的要求，例如：正常的開關機、功率的增加和減少、發電機調相等等一系列正常的操作，而且，其和水電廠的參數基本吻合。但是，該模型也存在一些問題，首先，因為系統的不確定性，PID參數（Kp，Ki，Kd）的整定工作就變得繁瑣而復雜；其次，因為系統的非線性，導致模型的靈活度不是十分理想；此外，該模型的魯棒性也不是很好。因此，我們將對該模型進行優化與改進。

要想改善原有模型的各種性能，就要引入模糊控制理論。所謂模糊理論（Fuzzy Theory），是指用到了模糊集合的基本概念或者連續隸屬度函數的理論；而模糊控制理論則是指采用模糊數學語言描述的控制率（控制規則）來操縱系統工作的控制方式。本文將通過引入模糊理論，并將之與PID控制相結合，以實現對PID過程的控制，優化PID模型。首先，需要設計一個基本的模糊控制器，由于篇幅限制，本文在這里不做過多的介紹。模糊控制器的核心內容是模糊控制規則，又稱為模糊控制算法，其實質上來說，就是總結在控制過程中實踐經驗，得出的模糊條件的語句集合。本文所采用的模糊控制器是雙輸入單輸出的，即輸入頻率r以及頻差rc，輸出u。我們根據實際情況中，PID控制時出現的狀況，總結出一套模糊條件語句，并得出控制規則，如下表1。

表中，PB-正大、PM-正中、PS-正小、ZO-零、NS-負小、NM負中、NB負大。模糊控制器輸出得是模糊集合，反映了控制語言的不同的取值的組合，若被控制過程只允許接受一個控制量，則需要從已經輸出的模糊子集中判斷出精確的控制量，即設計一個判決，即從模糊集合到普通集合的映射。本文中采用的是最大隸屬度法，在輸出的模糊集合中選出隸屬度最大的論域元素作為判決結果，如有多個，則去他們的平均值。

由于模糊控制器按照一定的規則工作，因此，其有一個明顯的優點，即控制規則不收任何約束，是不可解析的，有利于工作人員進行討論以及修改，可以采納更好的控制思想；此外，模糊控制器的規則具有通用性，一般而言，較小的改動和組合就可以適用于不同的被控制過程；而且，其內部參數具有較強的適應性。

結束語：

自從改革開放以來，科學技術快速發展，我國電力行業的發展也十分迅速，人們對水電系統的要求也越來越高，這對于水電廠的運行人員來說，是一個很大的挑戰，因此，水電運行仿真系統就應運而生。該系統模擬仿真了運行環境，工作人員在上崗之前，在此仿真系統中進行實際模擬訓練，使得他們能夠熟練地處理水電廠的一些事物，包括正常運行、故障以及事故處理，極大的保障了工作人員在實際操作中的對計算機的監控、事故的消除等問題的處理。因此，水電運行仿真模型就顯得尤為重要，本文從水電運行仿真調速系統的建立以及改進兩大模塊進行了論述，具體的介紹了水輪機調速系統、調速器、水輪機調速器組成和原理框圖，最后介紹了基于模糊理論的調速系統模型的改進。

參考文獻：

[1]陳鵬.基于模糊理論的水電運行仿真調速系統模型改進.東北大學，2002.01.

[2]李友善、李軍，模糊控制理論及其在過程控制中的應用，國防工業出版社，1993.6。