基于模糊控制的數(shù)字式自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置

1、基于模糊控制的數(shù)字式自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置胡國強(qiáng)，賀仁睦，涂曄海(華北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 102206)摘要：介紹了一種以 dsp 為微處理器的數(shù)字式自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置，采用模糊控制技術(shù)對發(fā)電機(jī)電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了快速、平穩(wěn)地達(dá)到并網(wǎng)條件；應(yīng)用線性插值算法預(yù)測相角差來自動(dòng)捕捉合閘時(shí)機(jī)；除了傳 統(tǒng)的同期功能外，還具有事件記錄、錄波等功能。經(jīng)測試，該裝置能實(shí)現(xiàn)高精度、快速、可靠、平穩(wěn)的并 網(wǎng)操作。關(guān)鍵詞：準(zhǔn)同期；dsp；模糊控制；調(diào)節(jié)；線性插值中圖分類號(hào)：tm762文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：1007-2691 (2004) 04-0010-06hu guo-qiang, he ren-mu, t

2、u ye-hai(school of electrical engineering, north china electric power university, beijing 102206, china)this paper presents a digital automatic synchronizer which adopts dsp as microprocessor. this deviceadjusts the generator voltage and frequency by means of fuzzy control technology in order to ach

3、ieve switch condition rapidly and smoothly. this paper also provides a way of forecasting difference of angle by adopting the linear interpolation method which can grasp synchronization opportunity rapidly and reliably and has the functions of event record and wave record. the testing indicates that

4、 this device can realize synchronization operation with high-accuracy, rapidness and reliability.synchronization; dsp; fuzzy control; adjustment; linear interpolation把模糊控制技術(shù)應(yīng)用到發(fā)電機(jī)電壓和頻率調(diào)節(jié)中的方法還尚未見公開報(bào)道。本文介紹了一種以 d s p 為微處理器，使用模 糊控制技術(shù)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓和頻率來快速、平穩(wěn)達(dá) 到并網(wǎng)條件，以線性插值算法預(yù)測相角差來自動(dòng)捕 捉合閘時(shí)機(jī)，并具有事件記錄、錄波等功能的數(shù)字 式自動(dòng)準(zhǔn)同期裝

5、置，達(dá)到高精度、快速、可靠、平 穩(wěn)的并網(wǎng)操作。引言同步發(fā)電機(jī)的并列操作在電力系統(tǒng)中是一項(xiàng)重要而經(jīng)常的操作，它直接涉及到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定和 發(fā)電機(jī)的安全?，F(xiàn)有的微機(jī)準(zhǔn)同期裝置多為 8 位單 片機(jī)數(shù)字式，雖然能完成自動(dòng)同期操作，但是調(diào)試 困難、精度低，并且只有傳統(tǒng)的同期功能，已難以 適應(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展 1 。隨著數(shù)據(jù)處理和綜 合自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)字信號(hào)處理器 (digitals i g n a l p r o c e s s o r ，d s p ) 芯片作為微處理器成為當(dāng)前自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置發(fā)展的方向。對發(fā)電機(jī)電壓 和頻率的調(diào)節(jié)，一般是根據(jù)頻差值、電壓差值的大 小和方向，確定相應(yīng)的調(diào)節(jié)量對機(jī)

6、組進(jìn)行調(diào)節(jié) 2 。準(zhǔn)同期并列的基本原理并列的理想條件為待并發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)兩側(cè)電壓的 3 個(gè)狀態(tài)量全部相等，即待并發(fā)電機(jī)頻率與系統(tǒng) 頻率相等；發(fā)電機(jī)電壓與母線電壓幅值相等；相角差收稿日期：2003-12-03.作者簡介：胡國強(qiáng) (1974 ), 男, 華北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院博士研究生.=模糊控制的應(yīng)用當(dāng)電壓差和頻率差其中之一不滿足并列條件 時(shí)，要發(fā)出調(diào)節(jié)脈沖進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使其快速達(dá)到并 列條件。本裝置采用模糊邏輯控制理論，以偏差的 絕對值及變化率為變量進(jìn)行高速運(yùn)算獲取適應(yīng)被控 對象工況的控制量來調(diào)節(jié)調(diào)速器和勵(lì)磁系統(tǒng)達(dá)到調(diào) 節(jié)頻率和電壓的目的。根據(jù)同期的特點(diǎn)，以調(diào)節(jié)頻率（速度）為例說 明模糊控制算法

7、的應(yīng)用。設(shè)調(diào)速脈沖如圖 2 所示。為零。但實(shí)際并列操作中，并列的條件允許有一定的偏離。本文介紹的同期裝置在同步發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)按 準(zhǔn)同期方式并列操作時(shí)，必須滿足下述 3 個(gè)條件：（1）待并發(fā)電機(jī)電壓g 與電網(wǎng)電壓 x 的電壓差s = gx 應(yīng)小于允許值，即s 0 . 5 % x ；（2）待并發(fā)電機(jī)電壓頻率 g 與電網(wǎng)電壓頻率 x的頻率差x 應(yīng)小于允許值，即0 .1 hz；g（3）在并列斷路器主觸頭閉合瞬間，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓相位差 =1 。x應(yīng)小于允許值，即g在實(shí)現(xiàn)時(shí)，利用 d s p 實(shí)時(shí)采集發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)并列的所需信息，并對待并發(fā)電機(jī)的電壓和頻率作 出自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓幅值差、頻

8、率差能同時(shí)滿足并列條件，然后快速捕捉合閘時(shí)機(jī)，在脈動(dòng)電勢 s 到達(dá)兩電壓向量重合之前一定時(shí) 間 y j （越前時(shí)間）發(fā)出合閘指令，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)同期自動(dòng)圖調(diào)速脈沖圖 2 中， 為調(diào)速脈沖周期；1 為調(diào)速脈沖寬并列操作。脈動(dòng)電勢s 與越前相角 y j隨 s 變化規(guī)度（整定值）；2 為調(diào)速脈沖間隔（調(diào)節(jié)值）。采律如圖 1 所示。因 y j = s y j ，當(dāng) y j為定值時(shí)，發(fā)出用模糊控制原理來調(diào)節(jié)2 實(shí)現(xiàn)速度控制。合閘脈沖時(shí)的越前相角與滑差角頻率s成正比3 。， d第 1 步：把輸入變量離散化。輸入d變量的基本論域均為1 ，1 ，輸出變量的基本論域?yàn)?0 ，1 0 ，輸入變量的量化論域均為= ，+ 1

9、 ，. . . ，0 ，結(jié)果見表 1 。1 ， ，取 = 6 ，離散化，d表的離散化表d圖恒定越前時(shí)間準(zhǔn)同期并列的原理圖，d d 基本論域量化d論域 d ( ( ( ( ( (1, 0.8)( ( ( ( ( (1, 0.8)6543210123456應(yīng)用模糊控制對電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)0.650.50.350.20.050.10.650.50.350.20.050.10.8,0.65,0.5,0.35,0.2,0.05,0.8,0.65,0.5,0.35,0.2,0.05,模糊邏輯控制模糊邏輯適用于描述定性的、不精確的或不確 定的系統(tǒng)，模糊邏輯控制由輸入、輸出變量模糊 化、模糊推理和決策算法、模

10、糊判決等部分組成。 通常它以被控對象輸出變量的偏差及偏差變化率作 為它的輸入變量，而把被控量定為模糊控制器的輸 出變量，反映輸入輸出語言變量與語言控制規(guī)則的 模糊定量關(guān)系及其算法結(jié)構(gòu)。在實(shí)現(xiàn)過程中，計(jì)算 機(jī)先把采集到的控制信息經(jīng)語言控制規(guī)則進(jìn)行模糊 推理和模糊決策，求得控制量的模糊集，再經(jīng)模糊 判決得出輸出控制的精確量作用于被控對象，使被 控過程達(dá)到預(yù)期的控制效果 4 。(0.1, 0.25(0.25, 0.4 (0.4, 0.55 (0.55, 0.7 (0.7, 0.85 (0.85, 1(0.1, 0.25(0.25, 0.4 (0.4, 0.55 (0.55, 0.7 (0.7, 0.

11、85 (0.85, 1第 2 步：定義模糊子集。量化論域上的模糊子集通常定義如下：1 負(fù)大（n b）,取 6 附近；二維控制量查詢表，其中，各個(gè)模糊子集都描述了專家經(jīng)驗(yàn)，每一格內(nèi)的數(shù)據(jù)都是一條專家經(jīng)驗(yàn)。 第 4 步：得到精確輸出量。由第 3 步的結(jié)果可2 負(fù)中（n m）,3 負(fù)小（n s）,4 負(fù)零（n o）,5 正零（p o）,取 4 附近；取 2 附近； 取比零稍小點(diǎn)附近； 取比零稍大點(diǎn)附近；以得到輸出量2 對應(yīng)的模糊子集，然后從表 4 中找出對應(yīng)的精確輸出量，即可得到作用于被控對象的實(shí)際控制量。（負(fù)零（n o）和正零（p o）兩項(xiàng)也可取為一項(xiàng)，即6 正?。╬ s）,7 正中（p m）,8

12、 正大（p b）,選用正態(tài)函數(shù)4 零（z o）,取 0 附近；）取+ 2 附近；取+ 4 附近； 取+ 6 附近。= e x p表控制量對應(yīng)表調(diào)整方向結(jié)果模糊集2減速脈沖增速脈沖正大 正中 正小零 零 負(fù)小 負(fù)中 負(fù)大/作為25 1 10 10 0 10 1 5 111模糊子集的隸屬函數(shù)，當(dāng) 取 n b，n m ，n s ，n o ，p o ，p s ，p m ，p b 時(shí)，對應(yīng)的參數(shù) a 可分 別取 6 ，4 ，2 ，0 ，+ 0 ，+ 2 ，+ 4 和+ 6 ；用同樣的方法可以對調(diào)壓脈沖也進(jìn)行模糊控制，在此就不贅述。參數(shù)取大于零的正數(shù)。 值大，曲線寬；裝置設(shè)計(jì)值小，曲線窄。輸入變量的賦值表

13、如表 2所示。對于輸入變量d，可以類似地建立量化論d域函數(shù)賦值表，在此就不重述。硬件設(shè)計(jì)d s p 是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，具有 程序和數(shù)據(jù)分開的總線結(jié)構(gòu)，流水線操作流程，能 在一個(gè)指令周期內(nèi)完成乘法和加法運(yùn)算，能并行地 將運(yùn)算用到的兩個(gè)參數(shù)傳入相應(yīng)的運(yùn)算用寄存器， 能夠快速進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。其專用的硬件乘法器和特殊的 d s p 指令（如循環(huán) 次指令）以及浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理能力減少了 cp u 的軟件開銷。由于 d s p 具有豐富的軟硬件資源，因而使其比單片機(jī)更適用 于比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。本裝置選用 m o t o r a l a 公司的 1 6 位浮點(diǎn)處理 器 d s p 5 6 f 8

14、 0 7 為微處理器，它可直接支持 8 0m h z 以上的時(shí)鐘，具有良好的性能價(jià)格比，它的 存儲(chǔ)器分為程序 f l as h 、程序 ra m ，數(shù)據(jù) f l a s h 、 數(shù)據(jù) ra m 和 bo o t f l a s h ；片內(nèi)集成了 4 個(gè)靈活 的 1 6 位定時(shí)器單元，每個(gè)定時(shí)器單元包括 4 個(gè) 1 6 位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；2 個(gè)異步串行通信接口和 1 個(gè)同步串行外部設(shè)備接口 5 。它采用了增強(qiáng)型存儲(chǔ)器接口，具有靈活的數(shù)據(jù)/地址總線，簡化了設(shè)計(jì) 過程，充分利用了存儲(chǔ)空間，提供了強(qiáng)大的信號(hào)處 理功能。本裝置采用 f f t 算法求出電壓幅值，得出電 壓差；通過硬件測頻電路計(jì)算出電壓

15、的頻率，從而得到頻差；利用兩路電壓比較電路，把發(fā)電機(jī)和電 網(wǎng)的交流電壓信號(hào)變換為與它們同頻率的方波信 號(hào)，然后將這兩個(gè)方波信號(hào)進(jìn)行異或，異或輸出信 號(hào)的寬度反映了兩交流信號(hào)相角差的變化情況。因表輸入變量 的賦值表 6 5 4 3 210123456nb 1.0 0.8 0.4 0.1 0nm 0.2 0.7 1.0 0.7 0.200000000000000000000000000000000000nsno po ps pmpb0000000000000.2 0.7 1.0 0.700000000000.1 0.5 1.0000000001.0 0.5 0.10000.7 1.0 0.7 0.

16、20 0.2 0.7 1.0 0.7 0.20 0 0.1 0.4 0.8 1.0第 3 步：進(jìn)行模糊判決，查詢控制量查詢表。應(yīng)用最大隸屬度原則，選取隸屬度最大的元素作為 控制量。本裝置根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)確定出如表 3 所示的表控制量查詢表d/d正大正中正小零負(fù)小負(fù)中負(fù)大正大正中 正小 正零 負(fù)零 負(fù)小 負(fù)中 負(fù)大零零 負(fù)中 負(fù)中 負(fù)大 負(fù)大 負(fù)大 負(fù)大正小零 負(fù)小 負(fù)小 負(fù)中 負(fù)中 負(fù)大 負(fù)大正中正小 零 零負(fù)小 負(fù)小 負(fù)中 負(fù)大正中正中 正小 零零 負(fù)小 負(fù)中 負(fù)中正大正中 正小 正小 零零 負(fù)小 負(fù)中正大正大 正中 正中 正小 正小 零 負(fù)小正大正大 正大 正大 正中 正中 零零此，通過用異或

17、信號(hào)寬度計(jì)數(shù)就能知道兩交流信號(hào)的相角差。對發(fā)電機(jī)機(jī)端電流的檢測可以監(jiān)視斷路 器合閘時(shí)發(fā)電機(jī)的沖擊電流，硬件中還有人機(jī)接 口、遠(yuǎn)方控制接口、開入和開出控制量。裝置硬件 原理圖如圖 3 所示。1 / 2 周期，即 1 8 0 ，因此 可按下式求得：(1)= 180 ，式中 （系統(tǒng)電壓方波的寬度）和 （異或波形的寬度）的值可從定時(shí)計(jì)數(shù)器讀入求得。本裝置是每周 波采樣 24 個(gè)點(diǎn)，故采樣間隔是 0.833 3 ms。數(shù)字式自動(dòng)準(zhǔn)同期并列裝置按下式計(jì)算理想的導(dǎo)前合閘相角 y j , 它可以計(jì)及含有加速度的情況：1(2)yj = s d c + 2s 2dc ,式中s 為第 個(gè)計(jì)算點(diǎn)的滑差角速度，其值可按

18、下式求得：1(3)s =,2圖裝置原理圖式中 和1分別為本計(jì)算點(diǎn)和上一計(jì)算點(diǎn)的角度值； 2為兩計(jì)算點(diǎn)間的時(shí)間； d c 為微處理器發(fā)出軟件設(shè)計(jì)（1）理想合閘角的計(jì)算方法 在開始同期操作的過程中，在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的電壓差、頻率差都滿足并列條件的前提下，根據(jù)異或信號(hào)寬度（具有一定的變化規(guī)律），計(jì)算兩信號(hào)的 相角差，預(yù)測將要到來的合閘時(shí)機(jī)（合閘時(shí)刻相角 差小于允許值），并在合閘時(shí)機(jī)到來之前一定時(shí)刻， 發(fā)出合閘信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)事件記錄和錄波記錄功能， 以便用數(shù)據(jù)和圖形來表征合閘前后數(shù)據(jù)的變化。如圖 4 所示，待并發(fā)電機(jī)電壓和電網(wǎng)電壓經(jīng)過合閘信號(hào)到斷路器主觸頭閉合時(shí)需經(jīng)歷的時(shí)間。設(shè) 為出口繼電器動(dòng)作時(shí)間，則

19、cd c = d l + c 。( 4)由下式求得：滑差角速度的變化率s /(5)s s=s 1。為了運(yùn)算及編程方便，在誤差允許范圍內(nèi)，把計(jì)算式簡化為yj = s dc 。（2）捕捉合閘時(shí)機(jī)的線性函數(shù)插值算法(6)方波整形電路后輸出的方波信號(hào)為x ，進(jìn)行g(shù) ,異或的輸出信號(hào)也是一列寬度不等的矩形波s ，這如果相角差 處在 0 1 8 0 區(qū)間，則不存在任何并網(wǎng)的機(jī)會(huì)，直到 進(jìn)入 1 8 0 3 6 0 區(qū)間才有并 網(wǎng)的機(jī)會(huì)。( a) 當(dāng)壓差和頻差都滿足允許值后，用 d s p列矩形波表示了相角差 的變化。借助于定時(shí)計(jì)數(shù)器可讀取矩形波寬的大小，求得兩電壓相角差 。計(jì)數(shù)器分別連續(xù)計(jì)數(shù)1 ，：當(dāng)時(shí)，

20、說明相1角差 處在 0 1 8 0 區(qū)間，則連續(xù)計(jì)數(shù)1 ，直到；當(dāng)時(shí)，表明相角差 處在 1 8 0 36 0 1 1 區(qū)間，按照式（1）計(jì)算1 ，。( b ) 按照式 ( 2 ) ，( 3 ) 分別計(jì)算出s ， y j ，由式 ( 6 ) 計(jì)算出如下：1和，構(gòu)造線性插值函數(shù) =圖s 相位變化g x1(7)= +,gx s1兩方波異或就得到圖中的一系列寬度不等的矩形波。顯然，這一系列矩形波的寬度 與相角差 相 對應(yīng) 3 。電網(wǎng)電壓方波的寬度為已知，它對應(yīng)于把 +1= +1 代入上式中預(yù)測出下一計(jì)算點(diǎn)的 +1，若是則轉(zhuǎn) (a) 重新開始，若不判斷是否有+1 yj ,是則繼續(xù)向下進(jìn)行。( c ) 把

21、 y j代入公式（7）的左邊，求出頻；當(dāng)時(shí)則認(rèn)為 沒有變化，此時(shí)，表明s + 1s取s + 1 ，用式（2）求得 y j的值，繼續(xù)向下執(zhí)從第 計(jì)算點(diǎn)開始延時(shí)的時(shí)間發(fā)合閘脈沖，可s =以使在相角差為零的時(shí)刻斷路器合閘并網(wǎng)。當(dāng)?shù)诙螐模╞）開始執(zhí)行時(shí)要計(jì)算并進(jìn)行比行。( 3 ) 同期子程序 同期子程序流程圖如圖 5 所示。較s 和 s + 1 ，當(dāng) 時(shí), 則認(rèn)為s 變化s + 1s較大，不應(yīng)繼續(xù)捕捉合閘時(shí)機(jī)，而應(yīng)轉(zhuǎn)去測頻和調(diào)圖同期子程序流程圖率差、電壓差滿足并列條件后，經(jīng) 5 11 s 即可實(shí)現(xiàn)合閘操作，發(fā)出合閘指令到完成并網(wǎng)操作需1 2 0 1 3 0 m s 。數(shù)據(jù)的錄波圖見圖 6 。裝置測試

22、本裝置經(jīng)過湖南省電力試驗(yàn)研究所測試，在頻圖同期裝置錄波圖2 彭曉濤, 王少榮, 程時(shí)杰 (peng xiaotao, wang shaorong,cheng shijie). 高性能微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置 (a high per- formance microprocessor based automatic quasi-synchron- ization device) j. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化(automation of electricpower systems), 2002,26 (9): 75-77.3 楊 冠城 (yang guancheng). 電 力 系統(tǒng) 自動(dòng) 裝 置原 理 (principle of power system automatic device) m. 北京: 水利電力出版社 (beijing: hydraulic and electric power press), 1995.4 王平洋，胡兆光（wang pingyang, hu zhaoguang）. 模糊 數(shù)學(xué)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用（application of fuzzy mathe-matics in power system）m. 北京: 中國電力出版社 (be- ijing: china elec