電氣自動(dòng)化控制技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

戚新軍

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

0 引 言

隨著相關(guān)系統(tǒng)建設(shè)戰(zhàn)略和先進(jìn)電力的研發(fā)，全球發(fā)電技術(shù)、輸電技術(shù)、電力系統(tǒng)調(diào)度技術(shù)以及電氣自動(dòng)化技術(shù)不斷進(jìn)步。其中，電氣自動(dòng)化技術(shù)是電力系統(tǒng)運(yùn)行的主要技術(shù)，既確保了電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，又提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行的智能化程度。電氣自動(dòng)化控制技術(shù)是目前電力系統(tǒng)運(yùn)行控制和監(jiān)視的重要技術(shù)，并逐漸代替了傳統(tǒng)一對(duì)一的控制方式，實(shí)現(xiàn)了工作人員在集中控制中心對(duì)電力系統(tǒng)各種參數(shù)的事故處理和集中控制[1]。

電氣自動(dòng)化控制技術(shù)采用十分先進(jìn)的信息技術(shù)，維護(hù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。其作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分是工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，能夠在無(wú)人操作的情況下，按照預(yù)先設(shè)定的計(jì)劃或程序獨(dú)立完成工作。因此，電力自動(dòng)化技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)提高供電穩(wěn)定性和工作效率具有重要意義。

電力企業(yè)在日常對(duì)電力系統(tǒng)的經(jīng)營(yíng)和管理上都會(huì)采用信息技術(shù)，用于提高電力企業(yè)各個(gè)方面運(yùn)行的穩(wěn)定性和高效性。電力企業(yè)中最主要的組成部分是電力系統(tǒng)。在電力系統(tǒng)管理和維修保護(hù)的過(guò)程中，利用現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)檢測(cè)運(yùn)行狀態(tài)，可以提高電力系統(tǒng)管理和維護(hù)的安全性。電氣自動(dòng)化技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，為電力企業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展做出了貢獻(xiàn)[2]。

智能技術(shù)包括專家系統(tǒng)控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、人工智能技術(shù)、線性最優(yōu)控制技術(shù)以及綜合智能化監(jiān)測(cè)技術(shù)等[3]。文獻(xiàn)[4]利用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）執(zhí)行運(yùn)算、控制、定時(shí)以及記數(shù)等操作指令和程序，與傳統(tǒng)自動(dòng)化控制技術(shù)相比，能夠節(jié)省較多的人力和物力資源，提升電氣自動(dòng)化控制的效率。

電氣自動(dòng)化控制技術(shù)會(huì)直接影響到電力供應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在此通過(guò)介紹電氣自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展情況，分析其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用可知，電氣自動(dòng)化控制技術(shù)不僅需要使傳統(tǒng)技術(shù)控制方法逐漸向著便捷且多樣化的方向發(fā)展，還需要在應(yīng)用上不斷向著國(guó)際化水平的方向進(jìn)步，以提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。

本文展開(kāi)研究電氣自動(dòng)化控制技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，首先構(gòu)建電力自動(dòng)化控制約束模型，對(duì)電力系統(tǒng)的電量進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，其次依據(jù)該模型描述逆變裝置在電力系統(tǒng)輸出時(shí)的增益調(diào)節(jié)控制對(duì)象，設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)前饋?zhàn)詣?dòng)化控制系統(tǒng)，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)多方位和多角度的綜合控制處理。

1 實(shí)現(xiàn)電力自動(dòng)化控制 的方法

電氣自動(dòng)化控制技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，在控制前利用電力系統(tǒng)電氣自動(dòng)化控制的輸出敏感度參數(shù)對(duì)其電量進(jìn)行有效的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，并根據(jù)調(diào)節(jié)情況建立電力自動(dòng)化控制約束函數(shù)[5]。采用輸出穩(wěn)態(tài)增益補(bǔ)償?shù)目刂品椒ǎ刂齐娏ο到y(tǒng)中的電磁耦合問(wèn)題，得出電氣自動(dòng)化控制在直流和交流逆變器中的約束函數(shù)為：

式 中，Q(x)表示為電力自動(dòng)化控制約束函數(shù)；x表示為電氣自動(dòng)化控制的初始經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)信號(hào)；T表示為電氣自動(dòng)化控制技術(shù)的時(shí)間延遲常數(shù)；f表示為電氣自動(dòng)化控制技術(shù)的穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)頻率。為了方便控制電力系統(tǒng)，可采用高階滑模控制算法，其給出約束函數(shù)的非線性方程為：

式中，f1(s,k)、g1(s,k)、f2(s,k)以及g2(s,k)是電氣自動(dòng)化控制過(guò)程中電力系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾項(xiàng)；s1、s2、s3以及s4是電氣自動(dòng)化控制的不同經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)信號(hào)。根據(jù)電氣自動(dòng)化控制技術(shù)的電磁耦合現(xiàn)象特點(diǎn)，補(bǔ)償控制電力系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，安裝對(duì)應(yīng)的內(nèi)環(huán)補(bǔ)償裝置，并分析得出電力系統(tǒng)的具體輸出電壓特征量[6]。電力系統(tǒng)電氣自動(dòng)控制技術(shù)采用多進(jìn)多出辨識(shí)法進(jìn)行內(nèi)環(huán)控制的過(guò)程包括4步。首先將電力系統(tǒng)的輸出電流看作控制基準(zhǔn)，其次采用并網(wǎng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)程序控制技術(shù)相結(jié)合的方式得到電力系統(tǒng)具體輸出電壓，再次通過(guò)d-p坐標(biāo)轉(zhuǎn)換電力系統(tǒng)的電壓，從而得到電力系統(tǒng)輸出電壓參數(shù)的模態(tài)識(shí)別量參數(shù)數(shù)值，最后采用相關(guān)性檢測(cè)的控制方法，分析電力系統(tǒng)中的約束參量。通過(guò)上述流程得出電氣自動(dòng)化控制的自適應(yīng)逆變輸出值，實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)積分的自動(dòng)化控制。

2 實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)控制對(duì)象的描述

根據(jù)前文設(shè)置的 電力自動(dòng)化控制約束函數(shù)，構(gòu)建逆變裝置描述電力系統(tǒng)輸出時(shí)的增益調(diào)節(jié)控制對(duì)象，得出如圖1所示的電氣自動(dòng)化控制技術(shù)在電力系統(tǒng)中的電壓補(bǔ)償控制系統(tǒng)流程圖。

圖1 電壓補(bǔ)償控制系統(tǒng)流程圖

圖1中，Q表示為控制電力系統(tǒng)的 約束函數(shù)；T表示為電力系統(tǒng)的電壓參數(shù)采集時(shí)間；1/（1+0.5T）表示為用于描述控制延遲環(huán)節(jié)的控制對(duì)象；i1表示為電力系統(tǒng)在基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的d軸分量；i2表示為電力系統(tǒng)在基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的q軸分量。

電力系統(tǒng)控制目標(biāo)函數(shù)描述為：

式中，Qd(x)和Qq(x)分別表示為 電力系統(tǒng)在基 準(zhǔn)坐標(biāo)下d軸和q軸控制目標(biāo)函數(shù)的描述對(duì)象；Kd1、Kd2、Kq1以及Kq2表示為電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)，對(duì)電力系統(tǒng)控制的影響效果如表1所示。

表1 電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)對(duì)電力系統(tǒng)的影響

由表1可知，式（4）和式（5）中的參數(shù)Kd1、Kd2、Kq1以及Kq2均可通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)和傳感器裝置信息采集的方式獲取，且會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)起到不同的影響效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)控制對(duì)象的描述。

3 電力系統(tǒng)自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)前饋?zhàn)詣?dòng)化控制

根據(jù)前文設(shè)置的電氣自動(dòng)化控制約束函數(shù)，結(jié)合對(duì)電力系統(tǒng)控制對(duì)象的描述，設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)前饋信號(hào)的自動(dòng)化控制。設(shè)定電力系統(tǒng)的非負(fù)數(shù)據(jù)序列為：

將式（6）結(jié)合電力系統(tǒng)中三段集成穩(wěn)壓裝置的整流性能，得到電氣自動(dòng)化控制技術(shù)的輸出控制參數(shù)，并獲取電氣自動(dòng)化控制的每個(gè)傳輸調(diào)度集合為Fi，其中i=1,2,3,…,n。通過(guò)上述方式控制后的電力系統(tǒng)在實(shí)際控制中輸出的整流電路仍然存在脈動(dòng)成分影響。

在脈動(dòng)成分的作用下，電力系統(tǒng)負(fù)載供電會(huì)對(duì)不同用電設(shè)備造成嚴(yán)重的諧波干擾，從而影響各個(gè)用電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行[7]。因此，在應(yīng)用電氣自動(dòng)化控制技術(shù)時(shí)可采用動(dòng)態(tài)前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，并在電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中獲取穩(wěn)態(tài)點(diǎn)。動(dòng)態(tài)前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法示意圖

圖2中，r1和r2分別表示為兩個(gè)電力系統(tǒng)中前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入量和輸出量，即控制電流幅值的輸入值和輸出值，v1和v2分別表示為生成控制目標(biāo)的輸入電壓和輸出電壓[8]。對(duì)于電力系統(tǒng)接收線圈接收到的相關(guān)頻率的干擾，應(yīng)當(dāng)消除相同頻率中的噪聲，得到穩(wěn)定工作點(diǎn)的電勢(shì)特征序列，并將其與權(quán)重值相乘，得到電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出數(shù)值，最后調(diào)節(jié)傳動(dòng)系數(shù)，控制電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制運(yùn)行穩(wěn)定的方法

電氣自動(dòng)化控制技術(shù)可以為電力系統(tǒng)的故障處理提供保障。通過(guò)相應(yīng)的控制設(shè)備獲取到電力系統(tǒng)中各電氣設(shè)備的控制參數(shù)后，利用自動(dòng)化控制技術(shù)計(jì)算各參數(shù)。電力系統(tǒng)中出現(xiàn)故障問(wèn)題時(shí)，通過(guò)電氣自動(dòng)化控制技術(shù)對(duì)系統(tǒng)中各設(shè)備進(jìn)行閉環(huán)控制。閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

閉環(huán)結(jié)構(gòu)中，控制裝置的作用是根據(jù)偏差的大小、正負(fù)、變化情況以及預(yù)定的控制規(guī)律得出控制作用。比較機(jī)構(gòu)和控制裝置合并稱為控制器。變送器與檢測(cè)元件的作用是將被控變量轉(zhuǎn)化為測(cè)量值，比較機(jī)構(gòu)的作用是比較測(cè)量值與設(shè)定值并輸出其差值，執(zhí)行器接收控制器的輸出量，然后相應(yīng)地改變操縱變量。閉環(huán)控制主要采用分段的方式，可以有效降低誤差變動(dòng)帶來(lái)的控制參數(shù)延后。閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)中的控制方法根據(jù)不同的誤差確定控制參數(shù)，如果誤差超過(guò)了限制，控制裝置就會(huì)快速運(yùn)用模糊控制策略調(diào)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度，降低誤差，有效縮短調(diào)整時(shí)間。

設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，分別賦予其不同的理想運(yùn)行效果參數(shù)，并給自動(dòng)化控制技術(shù)一個(gè)已知的定量。利用該定量值，控制裝置自動(dòng)向各設(shè)備給出對(duì)應(yīng)的初始數(shù)據(jù)，即恒定運(yùn)行速率。待各設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，通過(guò)獲取上述參數(shù)信息，將其與給定的數(shù)值進(jìn)行比較。若參數(shù)超出設(shè)定的數(shù)值范圍，考慮到電力企業(yè)的安全運(yùn)行，應(yīng)降低各設(shè)備的輸出頻率，從而進(jìn)一步降低電力系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行速率，若參數(shù)未超出設(shè)定的數(shù)值范圍，從電力企業(yè)的運(yùn)營(yíng)角度考慮，可適當(dāng)提高各電力設(shè)備的輸出頻率，從而保證企業(yè)的工作效率。此外，運(yùn)用電氣自動(dòng)化控制技術(shù)，將電力系統(tǒng)控制中間的上位機(jī)作為監(jiān)控機(jī)。電力監(jiān)控系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電力監(jiān)控系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖

上述系統(tǒng)將電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)信息經(jīng)過(guò)處理后傳輸?shù)礁鱾€(gè)具備監(jiān)視權(quán)限的上位機(jī)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)多方位和多角度的綜合控制管理。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)詳 細(xì)研究電氣自動(dòng)化控制技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用得出，利用電氣自動(dòng)化控制技術(shù)控制電力系統(tǒng)可以有效提高電力系統(tǒng)中電機(jī)的輸出功率和增益效果。電氣自動(dòng)化控制技術(shù)綜合利用模糊參數(shù)辨識(shí)函數(shù)、內(nèi)環(huán)控制以及外環(huán)控制等相關(guān)技術(shù)和方法，確保電力系統(tǒng)控制過(guò)程的穩(wěn)定性，并提高輸出電壓與輸出電流的穩(wěn)定性。此外，在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，電力系統(tǒng)的控制將不僅僅局限于對(duì)電氣設(shè)備的控制，而會(huì)進(jìn)一步向電力生產(chǎn)過(guò)程和人事管理等方向擴(kuò)展，使得電力企業(yè)的發(fā)展更加全面化。