基于模糊PID算法的水电站电力通信机房远程控制方法

杨克嘉

(四川铁能电力开发有限公司,四川 成都 610000)

水电站在电力发电中具有举足轻重的作用，在水电站的机房控制和数据传输中，需要结合物联网和无线传感器网络通信技术，进行水电站电力通信机房远程控制和自适应调节，建立水电站电力通信机房远程控制系统模型，结合应用物联网和微网控制技术，构建水电站电力通信机房远程控制模型，提高通信的输出的稳定性和可靠性，相关的水电站电力通信机房远程控制方法在水电站的电力输出控制和电力参数调节方面具有重要意义[1]。

对水电站电力通信机房远程控制是通过通信信道的输出稳定性分析和信道均衡控制实现的，采用自适应编码和总线控制技术，结合模块化参数调节，进行水电站电力通信机房远程控制的自适应控制，提高传输和交换能力[2]。其中，主要的水电站电力通信机房远程控制方法有神经网络控制方法、积分控制方法和输出电流二次谐波控制方法等[3]，李少林和王伟胜等人提出基于频率响应区间划分的风电机组虚拟惯量模糊自适应控制的方法[4]，以电压源方式并网，在系统频率响应动态过程中实现电力通信控制，但该方法进行电力通信机房控制的线性化模型参数调节能力不好。文献[5]中提出基于载波频率的纹波分析直流微网阻抗检测均流控制方法，采用模型化参数分析，结合系统频率特征检测，解决直流微电网中线路阻抗带来的谐波影响，但该方法的抗干扰能力不强。针对传统方法存在的弊端，提出基于模糊PID算法的水电站电力通信机房远程控制方法，结合通信控制的硬件模块化设计和算法设计，通过系统频率响应特性分析，进行非稳态调节，提高输出稳定性，最后进行水电站电力通信机房远程控制的仿真测试，得出有效性结论。

1 电力通信机房控制组件结构和控制对象

1.1 电力通信机房控制组件结构

构建水电站电力通信机房远程控制的组件结构模型，以中央控制器作为输出端，建立电力通信机房控制组件通信输出控制的测量模型参数，采用全局均衡调度，进行电力通信机房控制过程中的均衡分配，以变换器间完全均流的控制参数作为均衡配置对象，通过脉冲注入检测的方法，进行电力通信机房控制组件配置和补偿控制，在阻抗测量过程中，通过脉冲调节和信道均衡调度，进行电力通信机房控制的模糊自适应分配。采用35、20、10kV开关作为输出电压电流的控制中断，在不同变换器间通过电压电流纹波分析和阻抗特征分析，进行直流微网运行中的稳定性调节。在电力通信机房控制组件中，开关机构内有一个合闸限位器，用于合闸闭锁，了解决直流微电网中线路阻抗稳态控制的问题，如果开关正常运行时，如果合闸条件不满足，电气解锁回路不导通，电流高频谐波分量输出平衡[6]。构建水电站电力机房通信的信道输出模型，建立水电站电力通信系统的控制器模块、存储结构模块、数据汇聚模块以及TCP服务控制模块。控制系统总体结构如图1所示。

图1 水电站电力通信机房的总体结构

根据图1所示的电力通信机房控制组件结构分析和总体结构模型，建立水电站电力通信系统的控制器模块、存储结构模块、数据汇聚模块以及TCP服务控制模块，其中，控制器模块包含了通信机房的信道特性仪配套装置，实现断路器特性试验的中转作用。通过回路检测及人机控制，进行水电站电力通信机房远程传输，在直流微网内部多变换器作用下，模拟断路器实际运行状态，实现发电设备容量调控，水电站电力通信机房远程控制系统设计中，通过DAS技术、NAS技术进行信道分配，采用NCL(Neighbor Channel List)列表分配机制，构建水电站电力通信机房远程控制的信道传输队列结构，水电站电力通信机房远程控制的实现技术结构模块如图2所示。

图2 水电站电力通信机房远程控制的实现技术结构模块

1.2 水电站电力通信信道模型及均衡

通过对水电站输出线路的阻抗测量，以差动电流二次谐波含量作为控制约束参数，通过模糊PID控制算法实现水电站电力通信信道均衡控制，提取环节干扰控制参数，通过高频谐波振荡控制的方法，结合下垂控制与虚拟阻抗控制[7]，建立水电站电力通信信道模型，如图3所示。图3所示的信道模型中国，采用RRC连接请求控制方法，结合NAS安全承诺，在一次调频、二次调频等作用下，输出水电站电力通信机房的惯量参数，提升系统惯量水平。

图3 水电站电力通信信道模型

2 水电站电力通信机房远程控制算法及实现

2.1 模糊PID控制算法

采用模糊PID控制算法，构建水电站电力通信机房远程控制模型参数，给出水电站电力通信机房的系统频率响应线性化模型，如图4所示。

图4 系统频率响应线性化模型

结合图4模型，通过系统频率响应区间划分的，得到水电站电力通信机房远程控制的等值运动方程为：

(Tjeps+Deq)Δf(s)=ΔPG+ΔPW-ΔPL

(1)

式中，Tjep—等效阻尼系数；s—频率响应波动；Deq—系统动态参数；Δf(s)—联合系统频率,kHz；ΔPG—水电站的自有功率W,kW；ΔPW—输出功率增益；ΔPL—电机组虚拟功率,kW。

通过模糊PID控制算法实现水电站电力通信信道均衡控制，得到频率响应表达式：

(2)

式中，KG—电机组一次调频参数；TGT—电机组电力通信的有功功率变化量W；TCH—电网频率回归稳态值；TRH—系统频率扰动极值。

结合PID神经网络控制方法，建立电机组虚拟惯量综合控制开环传递函数：

(3)

式中，TJeq—水电站电力通信输出的时间相关参数；Kd—单位功率因数；KP—电压外环直流谐波参数；RW—通信信道干扰强度。

无功电流的参考值，此时水电站电力通信机房无功电流的参考值ijeps=0。根据上述PID控制算法设计，实现对电力通信机房的远程控制律设计，采用变压器、开关、压变和母线联合监测的方法，进行水电站电力通中的数据转发和多模态监测[8]。

2.2 硬件及软件结构

对水电站电力通信机房远程控制系统的硬件设计是建立在MultiHopLQI开发平台基础上，结合嵌入式组件开发的方法，建立水电站电力通信机房远程控制系统的交叉编译平台输出端，通过B/S构架协议，进行水电站电力通信机房远程控制的总线开发和软件触发，在信号和信道的调理过程中，通过误差反馈进行信道补偿，在人机交互模块中，采用Linux内核加载的方法，从交直流电源中遗憾如人机对话协议，通过USB接口模块对测试的参数进行输出及调试，实现水电站电力通信机房的人机交互控制。使用EETX(Extra Expected number of Transmission)构建通信的帧结构模型，在信标帧上附加了LEEP帧的信息，在根节点的汇聚树中广播EETX帧，通过TinyOS2.x传输路径协议模型建立机房远程通信控制的CTP路哟传感协议，实现路由引擎控制。通信链路结构图如图5所示。

图5 通信链路结构图

构建水电站电力通信机房远程控制系统的主控模块，基于IEEE488.2标准控制协议，进行水电站电力通中的数据转发和多模态监测，在ITU- 656 PPI通信模式下进行水电站电力通信机房远程控制系统的总线集成传输控制，采用ISA/EISA/Micro Channel扩充总线实现水电站电力通信机房远程控制系统的总线收发控制。水电站电力通信机房远程控制的信标帧和路由交换结构模型如图6所示。根据上述算法和硬件软件开发设计[9]。

图6 通信机房远程控制的信标帧和路由交换结构模型

3 实验测试分析

通过系统仿真测试测试本文方法在实现水电站电力通信机房远程控制的应用性能[10]，仿真实验平台如图7所示。

图7 仿真实验平台

电站电力通信信道的通带增益为34dB，以电力通信机房的输出容量、阻抗以及变压参数为约束参量，参数变量见表1。

表1 仿真系统参数

根据表1的参数设定，基于Matlab/Simulink仿真的方法，进行通信机房控制性能分析，得到控制参数计算结果见表2。

表2 控制参数解算结果

根据参数解算结果，进行控制稳定性测试，得到不同方法进行控制的稳态曲线如图8所示。分析图8得知，传统方法进行水电站电力通信机房控制的频率振荡衰减快，动态过程会变慢，本文方法的稳态性较好，具有较高的频率响应动态特性。

图8 控制曲线

4 结语

电力工业是国民经济中的重要支柱。到目前为止，我国水电站的发电量，在全国总发电量中已经超过20%.显然，水电站同时因为其本身特点，已经成为电力工业中的重要力量。PID控制是一种应用非常广泛的控制方式。利用模糊PID控制算法，具有改善被控对象的动态和稳态性能的作用。将模糊PID控制算法引入水电站电力通信机房的控制系统中，对提高水电站电力通信机房远程控制的稳定性与控制收敛性，具有良好的效果。与常规方式相比，其能够自动、较快的跟踪控制系统，有效避免人工操作的主观性和随意性，提高了系统的安全性，并减少了运行人员的调节负担。