基于變電站一體化電源系統(tǒng)的斷路器自動(dòng)化控制方法

趙凌駿，王 慧，莊汝學(xué)，姚浩威

（蘇州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，蘇州 215007）

變電站一體化電源系統(tǒng)是一種高效、可靠、智能的電源管理系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)中[1]。該系統(tǒng)具有高效、可靠、智能等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足電力設(shè)備對(duì)電源的各種需求[2]。斷路器作為該系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電源的有效控制和保護(hù)，確保電力設(shè)備的安全運(yùn)行[3]。然而，隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜性的增加，傳統(tǒng)的斷路器控制方法已無(wú)法滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求。因此，研究斷路器自動(dòng)化控制方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值[4]。文獻(xiàn)[5]通過(guò)RBF 網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，并使用PID控制器對(duì)模型輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器的精確控制，但RBF 網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練需要大量的數(shù)據(jù)和計(jì)算資源，對(duì)于一些實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景并不適用。文獻(xiàn)[6]采用高靈敏度的監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)真空斷路器的狀態(tài)，并結(jié)合PID 控制算法，完成斷路器控制，但高靈敏度的監(jiān)測(cè)裝置易受環(huán)境干擾，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差，從而影響斷路器控制的準(zhǔn)確性。為提高斷路器的控制效率和可靠性，確保變電站一體化電源系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文研究基于變電站一體化電源系統(tǒng)的斷路器自動(dòng)化控制方法。

1 斷路器自動(dòng)化控制方法

1.1 變電站一體化電源系統(tǒng)的斷路器運(yùn)動(dòng)特性分析

變電站一體化電源系統(tǒng)內(nèi)，利用法蘭連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)操作機(jī)構(gòu)和斷路器，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變更電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使斷路器觸頭進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，完成分合閘操作[7-9]。因此，自動(dòng)化控制斷路器就是控制連接斷路器的電機(jī)操作機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)斷路器的分合閘控制[10]。變電站一體化電源系統(tǒng)的斷路器動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)速度v（t），以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n（t）的相應(yīng)關(guān)系為

式中：l 為變電站一體化電源系統(tǒng)的斷路器動(dòng)觸頭行程；α 為驅(qū)動(dòng)電機(jī)主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

通過(guò)式（1）可知，v（t）和n（t）具有線性關(guān)系，調(diào)節(jié)n（t）便可完成對(duì)v（t）的自動(dòng)化控制。

斷路器運(yùn)動(dòng)特性方程為

式中：U為斷路器電機(jī)操作電壓；i 為電流；R 為電阻；L 為電感；θ 為電機(jī)主軸角速度；t 為時(shí)間；Tm、TL為電磁、負(fù)載轉(zhuǎn)矩；k 為變電站一體化電源系統(tǒng)的斷路器電機(jī)操作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)；J 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

簡(jiǎn)化式（2）可得：

可變更為

式中：θ0為理想空載轉(zhuǎn)速。

2.2.4 溝渠底泥清淤 底泥清淤在國(guó)外廣泛應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)處于起步階段。目前國(guó)內(nèi)對(duì)湖泊底泥清淤已著手研究，結(jié)果表明：清淤后水體磷的含量比清淤已前有所下降，降幅為10%～25%[16]。溝渠的清淤處理顯然也能降低底泥中磷含量，但清淤的底泥怎么處置也是一個(gè)有待解決的問(wèn)題，若將其棄置溝渠旁，底泥中的氮、磷會(huì)隨降雨淋溶再次匯入溝渠水體造成二次污染。目前，利用循環(huán)流動(dòng)裝置去除溶解磷[17]?？衫玫啄嘀懈缓B(yǎng)分，讓底泥還田，但還鮮有報(bào)道。

通過(guò)求解式（4）可獲取變電站一體化電源系統(tǒng)的斷路器電機(jī)啟動(dòng)速度變化規(guī)律，公式為

通過(guò)式（5）可知，在變電站一體化電源系統(tǒng)的斷路器帶載啟動(dòng)過(guò)程中，U 屬于影響斷路器電機(jī)轉(zhuǎn)速n（t）的主要因素，同時(shí)U 與n（t）具有線性關(guān)系。為此，在控制變電站一體化電源系統(tǒng)的斷路器分合閘操作過(guò)程中，能夠以調(diào)節(jié)斷路器電機(jī)操作電壓的方式[11]，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制斷路器觸頭的運(yùn)動(dòng)速度，達(dá)到變電站一體化電源系統(tǒng)的斷路器自動(dòng)化控制的目的[12]。

1.2 斷路器自動(dòng)化控制器的外環(huán)控制

通過(guò)數(shù)字式雙閉環(huán)的方式，設(shè)計(jì)變電站一體化電源系統(tǒng)的斷路器自動(dòng)化控制器，其中，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，外環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)通過(guò)位置檢測(cè)得到變電站一體化電源系統(tǒng)的斷路器動(dòng)觸頭速度信號(hào)，利用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制算法，調(diào)節(jié)斷路器動(dòng)觸頭速度，得到參考電壓值。內(nèi)環(huán)通過(guò)對(duì)比分析實(shí)際電壓值和外環(huán)輸出的參考電壓值，結(jié)合模糊PI 控制算法，調(diào)節(jié)電壓輸出，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制斷路器觸頭的運(yùn)動(dòng)速度[13]，達(dá)到變電站一體化電源系統(tǒng)的斷路器自動(dòng)化控制的目的。

以變電站一體化電源系統(tǒng)的斷路器期望動(dòng)觸頭速度信號(hào)vr（t），以及設(shè)定動(dòng)觸頭速度信號(hào)v（t）間的差值e（t），為單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制算法的輸入量xi（t），i=1，2，3。通過(guò)神經(jīng)元學(xué)習(xí)控制需要的輸入量x1（t）、x2（t）、x3（t），其中，x1（t）=e（t），x2（t）=Δe（t），x3（t）=e（t）-2e（t-1）+e（t-2），Δe（t）為動(dòng)觸頭速度信號(hào)插值變化率。

神經(jīng)元以關(guān)聯(lián)搜索的方式，形成變電站一體化電源系統(tǒng)的斷路器參考電壓值控制信號(hào)，單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制算法的輸出公式為

式中：K 為比例系數(shù)；wi（t）為加權(quán)系數(shù)。

wi（t）的計(jì)算公式為

以斷路器電機(jī)操作機(jī)構(gòu)參考電壓輸出誤差的二次方，為外環(huán)控制的性能指標(biāo)，性能指標(biāo)函數(shù)公式為

F1的下降方向是wi（t）的調(diào)整方向，wi（t）的梯度為

wi（t）的調(diào)整公式為

式中：i=P，I，D。

1.3 斷路器自動(dòng)化控制器的內(nèi)環(huán)控制

依據(jù)式（12）與式（13）可得到對(duì)應(yīng)的4 條模糊控制規(guī)則H1、H2、H3、H4，通過(guò)Larsen 推理法，可獲取：

通過(guò)Lukasiewica 模糊邏輯推理λH2∨H3，得到：

在式（14）內(nèi)添加式（15）可獲?。?/p>

按照KE·E（t）與KΔE·ΔE（t）的組合類(lèi)型，平分平面KE·E（t），KΔE·ΔE（t），得到4 個(gè)區(qū)域Z1、Z2、Z3、Z4。

在KE·E（t），KΔE·ΔE（t）處于Z1內(nèi)時(shí)，在式（16）內(nèi)添加λH1，λH2，λH3，λH4得到：

同理獲?。?/p>

整理式（17）與式（18）得到：

2 性能與分析

以某變電站一體化系統(tǒng)的斷路器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該變電站一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 變電站一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of integrated substation system

圖1 中，實(shí)線為電路線，虛線為通信線。利用DC/DC 模塊連接光伏陣列與蓄電池，可為蓄電池及時(shí)充電，確保其電量充足。利用雙向AC/DC 模塊完成變電站一體化電源系統(tǒng)的并網(wǎng)功能。通過(guò)直流電源為變電站一體化電源系統(tǒng)內(nèi)的控制裝置與保護(hù)裝置等提供電源。利用通信電源為電源系統(tǒng)內(nèi)的通信設(shè)備提供電源。采用逆變電源為電源系統(tǒng)內(nèi)的交流設(shè)備提供電源。該變電站一體化電源系統(tǒng)內(nèi)的斷路器參數(shù)如表1 所示。

表1 變電站一體化電源系統(tǒng)內(nèi)的斷路器參數(shù)Tab.1 Circuit breaker parameters in integrated power supply system of substation

利用本文方法對(duì)該斷路器分、合閘操作進(jìn)行自動(dòng)化控制，分閘與合閘操作的自動(dòng)化控制結(jié)果如圖2 所示。

圖2 分閘與合閘操作的斷路器自動(dòng)化控制結(jié)果Fig.2 Results of automatic control of circuit breaker in opening and closing operationa

從圖2（a）中可以看出，變電站一體化電源系統(tǒng)的斷路器分閘過(guò)程中，斷路器動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)速度峰值出現(xiàn)在0.05 s 左右，本文方法自動(dòng)化控制的動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)速度變化曲線，始終在動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)速度的上限與下限之間，并未出現(xiàn)越界情況，說(shuō)明本文方法可有效自動(dòng)化控制斷路器的分閘操作。從圖2（b）中可以看出，變電站一體化電源系統(tǒng)的斷路器合閘過(guò)程中，斷路器動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)速度峰值出現(xiàn)在0.07 s 左右，合閘過(guò)程中，本文方法自動(dòng)化控制的動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)速度變化曲線，也始終在動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)速度的上限與下限之間，并未出現(xiàn)越界情況，說(shuō)明本文方法可有效自動(dòng)化控制斷路器的合閘操作。

分析本文方法在自動(dòng)化控制斷路器合閘過(guò)程中，斷路器電機(jī)操作機(jī)構(gòu)電壓的變化情況，分析結(jié)果如圖3 所示。

圖3 合閘時(shí)斷路器電機(jī)操作機(jī)構(gòu)電壓的變化情況Fig.3 Voltage change of the circuit breaker motor operating mechanism during closing

分析圖3 可知，使用本文方法自動(dòng)化控制斷路器執(zhí)行合閘操作時(shí)，最大電壓值在540 V 左右，并未超過(guò)額定電壓值，說(shuō)明本文方法可有效避免線圈損壞問(wèn)題出現(xiàn)，確保斷路器可正常工作，提升變電站一體化電源系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

利用斷路器動(dòng)觸頭跳變信號(hào)衡量本文方法自動(dòng)化控制斷路器的操作穩(wěn)定性，分析不同電容下，本文方法斷路器自動(dòng)化控制合閘操作時(shí)的操作穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同電容下斷路器自動(dòng)化控制的操作穩(wěn)定性Fig.4 Operational stability of automatic control of circuit breakers under different capacitors

從圖4（a）中可以看出，當(dāng)電容為4500 μF 時(shí)，本文方法自動(dòng)化控制斷路器合閘操作時(shí)，當(dāng)時(shí)間在0.05 s 以?xún)?nèi)時(shí)，動(dòng)觸頭跳變信號(hào)點(diǎn)與理想跳變信號(hào)完全重合，當(dāng)時(shí)間超過(guò)0.05 s 時(shí)，動(dòng)觸頭跳變信號(hào)點(diǎn)與理想跳變信號(hào)相比，存在小幅度的波動(dòng)情況，但波動(dòng)幅度較小，說(shuō)明在電容為4500 μF 時(shí)，本文方法自動(dòng)化控制斷路器合閘操作時(shí)的操作穩(wěn)定性較優(yōu)。從圖4（b）中可以看出，當(dāng)電容為45000 μF 時(shí)，本文方法自動(dòng)化控制斷路器合閘操作時(shí)，動(dòng)觸頭跳變信號(hào)點(diǎn)始終在理想跳變信號(hào)附近波動(dòng)，波動(dòng)幅度相比電容為4500 μF 時(shí)的波動(dòng)幅度略有提升，但總體波動(dòng)幅度依舊較小，說(shuō)明在電容為45000 μF 時(shí)，本文方法自動(dòng)化控制斷路器合閘操作時(shí)的操作穩(wěn)定性也較優(yōu)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文的研究成果將為變電站一體化電源系統(tǒng)的斷路器自動(dòng)化控制提供新的思路和方法，有助于提高變電站一體化電源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。本文方法通過(guò)自動(dòng)化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器的智能控制，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確的開(kāi)關(guān)操作，同時(shí)減少人為操作失誤和設(shè)備損壞。同時(shí)，本文將進(jìn)一步豐富和發(fā)展變電站一體化電源系統(tǒng)領(lǐng)域的相關(guān)理論和技術(shù)，為今后的研究和實(shí)際應(yīng)用提供參考和借鑒。此外，隨著智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)的斷路器自動(dòng)化控制方法將更加智能化和自適應(yīng)化。因此，未來(lái)的研究可以進(jìn)一步拓展斷路器自動(dòng)化控制方法的思路和應(yīng)用范圍，以適應(yīng)未來(lái)變電站一體化電源系統(tǒng)的需求和發(fā)展。