基于協同控制理論的航空電源車電力穩定控制系統設計

閆嘉偉 蔣超

關鍵詞： 航空電源車; 電力系統; 協同控制; 節能減排; Prony分析; PSS控制

中圖分類號： TN99?34; TM712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）01?0147?05

Abstract： The current electric power stability control method of aeronautical power supply vehicle has high energy consumption and low accuracy for system control， and has a great influence on the operation of electric power system. Therefore， a cooperative control theory based design method of electric power stability control system for aeronautical power supply vehicle is proposed. The overall framework of electric power system stability control system is designed. The type selection design is carried out for the database of the system according to the system framework. The simulation module of the system and Prony analysis method module with filtering function are described to realize the design of the system module and ensure the speed of data processing. The differential algebraic equation is established for the electric power system. The macro variables are constructed for the rotational speed and active power of the generator in the electric power system. The dynamic equation of the system trajectory tending to manifold is established to determine the PSS control law of the stable control system. The state of the steady?state system is analyzed. The parameters of system PSS control law are calculated to realize the design of electric power stability control system of aeronautical power supply vehicle. The experimental results show that the designed system can meet the requirements of energy saving and emission reduction， accurately monitor the working state of the electric power system of the aeronautical power supply vehicle， and ensure the stable operation of the electric power system of the aeronautical power supply vehicle， and has the advantages of simple calculation process， low energy consumption and high real?time control effect while the system is in steady?state.

Keywords： aeronautical power supply vehicle; electric power system; cooperative control; energy saving and emission reduction; Prony analysis; PSS control

0 ?引 ?言

隨著國家經濟的蓬勃發展以及科學技術水平的提高，人們的生活水平得到了很大的提高，社會各個行業和領域也呈現出了巨大的活力[1?2]。但隨之而來的安全問題層出不窮，一定程度上對經濟的發展和社會化進程產生阻礙[3]。航空電源車電力系統在生活生產過程中占據重要地位，航空電源車電力系統的安全問題成為影響人們生活生產的重要因素，因此需要對電力系統的運行狀態進行穩定控制，從而保證電力系統運行的穩定[4]。目前廣泛使用的電力系統穩定控制方法從一般的安全理念出發，利用電力系統安全保障體系和電力系統穩定控制體系構建電力系統安全穩定綜合防御體系，將電力系統安全保障體系分為三道防線，首先強化電網結構，快速去除電力系統中的故障元件，然后利用最優的自動控制系統，穩定的控制措施，提高電網安全運行水平，最后利用安全的運行方式，在電力系統失穩時，防止大面積停電的發生[5]。

文獻[6]提出電力系統安全穩定預防控制的在線計算方法，從實際工程中電力系統安全穩定問題出發，對各種預防控制計算方法對實際電力系統在線分析和控制要求的適應性進行分析對比。在此基礎上，基于安全穩定性量化分析理論和方法，構建適合的控制性能指標，實現控制策略的啟發式搜索以及計算任務的分配，從而完成電力系統的安全控制，但采用這種方法進行電力系統穩定控制，對電力系統運行影響較大，穩定控制的效果不好。文獻[7]提出一種電力系統安全穩定控制方法，通過對影響電力系統安全穩定的因素進行歸納總結，確定電力系統交直流協調控制問題，并分析各研究熱點的現狀和應用，通過對電力系統中影響交互安全的機理進行論述，綜合電力系統中交直流相互作用的現象和本質確定穩定控制策略，從而實現電力系統的穩定控制。但這種方法對電力系統安全穩定控制的效果不明顯，且計算內容較多，能耗較多。文獻[8]提出一種基于廣域響應的電力系統穩定控制方法，從受擾軌跡快速預測、暫態失穩實時判別、暫態穩定實時控制三方面進行論述，通過理論與實踐相結合的方法對電力系統穩定控制方法進行論述，并分析當前控制技術存在的問題。

針對上述問題，本文提出一種基于協同控制理論的航空電源車電力系統的穩定控制系統設計方法，根據航空電源車電力系統的穩定控制系統框架的設計，對實現電力系統的穩定控制系統模塊進行設計，為保證控制的準確度，將協同控制理論引入穩定控制系統中，實現電力系統的穩定控制系統設計。實驗結果證明，所提方法能夠準確地對航空電源車電力系統的運行狀態進行控制，且控制的實時性較好，控制花費的能耗較少。

1 ?航空電源車電力系統的穩定控制系統設計

1.1 ?系統功能模塊設計

通過對航空電源車電力系統中應用較多信息系統的研究，本文設計的穩定控制系統主要分為兩個功能模塊：一個模塊是數據采集分析模塊，該模塊的主要工作內容是經同步測量單元對數據進行采集，利用數據集中器對數據進行集成處理，將處理后的數據傳輸到MySQL數據庫中;另一模塊是對MySQL數據庫中的數據進行Prony擬合分析[9]，將分析結果利用PSS進行全局結果整定，具體框架設計如圖1所示。

圖1中，同步測量單元利用電流和電壓的互感器實現對電力系統中瞬時電流和電壓的測量，將測量結果進行低通濾波，并利用GPS對每個測量結果給定一個時間標簽，從而實現電力系統電壓、電流數據的采集和處理，并通過總線將采集和處理后的數據傳送到MySQL數據庫中。

通過對比幾種常見的數據庫，及對文中控制系統功能的分析，本文選用MySQL數據庫，該數據庫具有較好的開源性，并且滿足本文設計的系統要求，具有結構簡單、容易操作及與MFC有良好交互性的特點。

數據庫主要表的設計效果直接影響數據庫的使用性能，因此需要對數據庫主要表進行設計，本文對數據庫主要表的設計如表1～表3所示。

表1中，將發電機定義為主鍵，通過將表1作為Prony分析模塊數據輸入，為電力系統能耗分析提供必要的數據信息，其中time屬性由于MySQL定義是帶護具類型time，無法滿足所需精度，所以采用DOUBLE型，再在程序中實現轉換。

通過圖2可以看出，在未進行穩定控制時，電流和電壓波動較大，使用穩定控制系統對航空電源車電力系統電壓、電流進行控制后，電流和電壓的波動明顯減小，說明本文所提方法設計的系統對電壓、電流控制的效果較好。由于本文在穩定控制系統中增加了仿真模塊，能夠有效對PSS參數進行測試和驗證，保證系統控制的效果。

在電力系統中，即便采用最簡單的單機無窮大系統模型，也存在混沌現象。經過實際應用證明，電壓崩塌、低頻振蕩和暫態穩定都有混沌關系的影響。系統軌跡變化可以通過系統的位圖進行表示，通過對比穩定控制系統運行前后電力系統的位圖變化，確定系統振幅變化。實際經驗證明，系統的振幅變化會對系統的能耗產生影響，振幅越大，能耗越多。圖3是本文所提方法設計的穩定控制系統運行前后航空電源車電力系統的位圖變化對比。

通過圖3可以看出，系統未進行穩定控制時，系統不規則振蕩的頻率較高，在本文設計的系統穩定控制后，系統的不規則振蕩頻率減少，振蕩的幅度也降低，說明本文所提方法設計的系統能夠有效抑制航空電源車電力系統的不規則振蕩，減少電力系統由于不規則振蕩產生的能耗。

對本文所提方法穩定控制的效果進行分析，分析結果如表4所示。

通過表4可以看出，本文所提方法設計的系統穩定控制延遲時間較短，計算耗時較少，說明本文所提方法設計的系統較好地實現了電力系統的實時控制，由于控制的誤差較小，因此本文所提方法控制的效果較好。

綜上所述，本文所提方法設計的系統能夠有效地對航空電源車電力系統中的電壓、電力進行控制，降低電力系統振幅，提高控制效果，并且穩定控制的實時性較好，能夠較好地解決當前電力系統穩定控制方法存在的控制準確度低，控制的實時性較差，控制效果不好的問題。

3 ?結 ?語

為了保證航空電源車電力系統運行的安全，需要對電力系統的穩定控制系統進行設計，本文設計的電力系統穩定控制系統主要從以下幾方面進行設計：

1） 對航空電源車電力系統的穩定控制系統總體框架進行設計分析，確定系統運行流程。對系統的數據庫進行設計，并對系統的仿真模塊和具有濾波功能的Prony分析方法模塊進行闡述，從而實現系統的模塊設計。

2） 通過對航空電源車電力系統建立微分代數方程，并通過電力系統中發電機轉速和有功功率對宏變量進行構造，確定系統軌跡趨向于流形的動態方程，從而確定PSS控制規律，并對穩定狀態下的系統狀態進行分析，通過對系統PSS控制規律中的參數進行計算，實現航空電源車電力系統穩定控制系統設計。

參考文獻

[1] 常帥兵，譚文，曾智勇.區域電網供電系統穩定性優化控制研究[J].計算機仿真，2016，33（12）：90?94.

CHANG S B， TAN W， ZENG Z Y. Optimum control research for stability of regional power grid power supply system [J]. Computer simulation， 2016， 33（12）： 90?94.

[2] FALLAH Y P， NASIRIANI N， KRISHNAN H. Stable and fair power control in vehicle safety networks [J]. IEEE transactions on vehicular technology， 2016， 65（3）： 1662?1675.

[3] 楊曉輝，王毅，劉小平，等.基于反演滑模變的電力系統混沌振蕩控制[J].科學技術與工程，2017，17（18）：221?225.

YANG X H， WANG Y， LIU X P， et al. Chaos control in power system based on backstepping sliding mode [J]. Science te?chnology and engineering， 2017， 17（18）： 221?225.

[4] 張燕，佘維，李平.基于Petri網和故障樹的電力系統故障診斷模型[J].計算機測量與控制，2015，23（8）：2626?2628.

ZHANG Y， SHE W， LI P. Fault diagnosis model of electric power systems based on Petri nets and fault tree analysis [J]. Computer measurement & control， 2015， 23（8）： 2626?2628.

[5] 尹松巖，張柳.大型電力網絡異常波動下的風險控制模型仿真[J].科技通報，2015，31（2）：221?223.

YIN S Y， ZHANG L. Large electric power network risk control model under electric power abnormal fluctuation [J]. Bulletin of science and technology， 2015， 31（2）： 221?223.

[6] MU B， CHEN J， SHI Y， et al. Design and implementation of non?uniform sampling cooperative control on a group of two?wheeled mobile robots [J]. IEEE transactions on industrial electronics， 2016， 17（9）： 1?3.

[7] LIU Y， XU B， DING Y. Convergence analysis of cooperative braking control for interconnected vehicle systems [J]. IEEE transactions on intelligent transportation systems， 2017， 18（7）： 1894?1906.

[8] LIU Y， PAN C， GAO H， et al. Cooperative spacing control for interconnected vehicle systems with input delays [J]. IEEE transactions on vehicular technology， 2017， 66（12）： 10692?10704.

[9] 陳鑫，李昂，楊帆，等.基于SVC和PSS的電力系統電壓穩定性研究[J].電子設計工程，2017，25（9）：18?21.

CHEN X， LI A， YANG F， et al. Research of power systems voltage stability based on PSS and SVC [J]. Electronic design engineering， 2017， 25（9）： 18?21.

[10] LI F， WANG Y. Cooperative adaptive cruise control for string stable mixed traffic： benchmark and human?centered design [J]. IEEE transactions on intelligent transportation systems， 2017， 18（12）： 3473?3485.