基于模糊控制的数字式自动准同期装置

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1、基于模糊控制的数字式自动准同期装置胡国强，贺仁睦，涂晔海(华北电力大学 电气工程学院，北京 102206)摘要：介绍了一种以 DSP 为微处理器的数字式自动准同期装置，采用模糊控制技术对发电机电压和频率进行调节，实现了快速、平稳地达到并网条件；应用线性插值算法预测相角差来自动捕捉合闸时机；除了传 统的同期功能外，还具有事件记录、录波等功能。经测试，该装置能实现高精度、快速、可靠、平稳的并 网操作。关键词：准同期；DSP；模糊控制；调节；线性插值中图分类号：TM762文献标识码：A文章编号：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把模糊控制技术应用到发电机电压和频率调节中的方法还尚未见公开报道。本文介绍了一种以 D S P 为微处理器，使用模 糊控制技术调节发电机电压和频率来快速、平稳达 到并网条件，以线性插值算法预测相角差来自动捕 捉合闸时机，并具有事件记录、录波等功能的数字 式自动准同期装

5、置，达到高精度、快速、可靠、平 稳的并网操作。引言同步发电机的并列操作在电力系统中是一项重要而经常的操作，它直接涉及到系统运行的稳定和 发电机的安全。现有的微机准同期装置多为 8 位单 片机数字式，虽然能完成自动同期操作，但是调试 困难、精度低，并且只有传统的同期功能，已难以 适应现代电力系统的发展 1 。随着数据处理和综 合自动化技术的发展，采用数字信号处理器 (DigitalS i g n a l P r o c e s s o r ，D S P ) 芯片作为微处理器成为当前自动准同期装置发展的方向。对发电机电压 和频率的调节，一般是根据频差值、电压差值的大 小和方向，确定相应的调节量对机

6、组进行调节 2 。准同期并列的基本原理并列的理想条件为待并发电机和电网两侧电压的 3 个状态量全部相等，即待并发电机频率与系统 频率相等；发电机电压与母线电压幅值相等；相角差收稿日期：2003-12-03.作者简介：胡国强 (1974 ), 男, 华北电力大学电气工程学院博士研究生.=模糊控制的应用当电压差和频率差其中之一不满足并列条件 时，要发出调节脉冲进行调节，以使其快速达到并 列条件。本装置采用模糊逻辑控制理论，以偏差的 绝对值及变化率为变量进行高速运算获取适应被控 对象工况的控制量来调节调速器和励磁系统达到调 节频率和电压的目的。根据同期的特点，以调节频率（速度）为例说 明模糊控制算法

7、的应用。设调速脉冲如图 2 所示。为零。但实际并列操作中，并列的条件允许有一定的偏离。本文介绍的同期装置在同步发电机和电网按 准同期方式并列操作时，必须满足下述 3 个条件：（1）待并发电机电压G 与电网电压 X 的电压差S = GX 应小于允许值，即S 0 . 5 % X ；（2）待并发电机电压频率 G 与电网电压频率 X的频率差X 应小于允许值，即0 .1 Hz；G（3）在并列断路器主触头闭合瞬间，发电机与电网的电压相位差 =1 。X应小于允许值，即G在实现时，利用 D S P 实时采集发电机和电网并列的所需信息，并对待并发电机的电压和频率作 出自动调节，使得发电机与电网的电压幅值差、频

8、率差能同时满足并列条件，然后快速捕捉合闸时机，在脉动电势 S 到达两电压向量重合之前一定时 间 Y J （越前时间）发出合闸指令，实现准同期自动图调速脉冲图 2 中， 为调速脉冲周期；1 为调速脉冲宽并列操作。脉动电势S 与越前相角 Y J随 S 变化规度（整定值）；2 为调速脉冲间隔（调节值）。采律如图 1 所示。因 Y J = S Y J ，当 Y J为定值时，发出用模糊控制原理来调节2 实现速度控制。合闸脉冲时的越前相角与滑差角频率S成正比3 。， d第 1 步：把输入变量离散化。输入d变量的基本论域均为1 ，1 ，输出变量的基本论域为 0 ，1 0 ，输入变量的量化论域均为= ，+ 1

9、 ，. . . ，0 ，结果见表 1 。1 ， ，取 = 6 ，离散化，d表的离散化表d图恒定越前时间准同期并列的原理图，d d 基本论域量化d论域 d ( ( ( ( ( (1, 0.8)( ( ( ( ( (1, 0.8)6543210123456应用模糊控制对电压和频率进行调节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,模糊逻辑控制模糊逻辑适用于描述定性的、不精确的或不确 定的系统，模糊逻辑控制由输入、输出变量模糊 化、模糊推理和决策算法、模

10、糊判决等部分组成。 通常它以被控对象输出变量的偏差及偏差变化率作 为它的输入变量，而把被控量定为模糊控制器的输 出变量，反映输入输出语言变量与语言控制规则的 模糊定量关系及其算法结构。在实现过程中，计算 机先把采集到的控制信息经语言控制规则进行模糊 推理和模糊决策，求得控制量的模糊集，再经模糊 判决得出输出控制的精确量作用于被控对象，使被 控过程达到预期的控制效果 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：定义模糊子集。量化论域上的模糊子集通常定义如下：1 负大（N B）,取 6 附近；二维控制量查询表，其中，各个模糊子集都描述了专家经验，每一格内的数据都是一条专家经验。 第 4 步：得到精确输出量。由第 3 步的结果可2 负中（N M）,3 负小（N S）,4 负零（N O）,5 正零（P O）,取 4 附近；取 2 附近； 取比零稍小点附近； 取比零稍大点附近；以得到输出量2 对应的模糊子集，然后从表 4 中找出对应的精确输出量，即可得到作用于被控对象的实际控制量。（负零（N O）和正零（P O）两项也可取为一项，即6 正小（P S）,7 正中（P M）,8

12、 正大（P B）,选用正态函数4 零（Z O）,取 0 附近；）取+ 2 附近；取+ 4 附近； 取+ 6 附近。= e x p表控制量对应表调整方向结果模糊集2减速脉冲增速脉冲正大 正中 正小零 零 负小 负中 负大/作为25 1 10 10 0 10 1 5 111模糊子集的隶属函数，当 取 N B，N M ，N S ，N O ，P O ，P S ，P M ，P B 时，对应的参数 a 可分 别取 6 ，4 ，2 ，0 ，+ 0 ，+ 2 ，+ 4 和+ 6 ；用同样的方法可以对调压脉冲也进行模糊控制，在此就不赘述。参数取大于零的正数。 值大，曲线宽；装置设计值小，曲线窄。输入变量的赋值表

13、如表 2所示。对于输入变量d，可以类似地建立量化论d域函数赋值表，在此就不重述。硬件设计D S P 是一种具有特殊结构的微处理器，具有 程序和数据分开的总线结构，流水线操作流程，能 在一个指令周期内完成乘法和加法运算，能并行地 将运算用到的两个参数传入相应的运算用寄存器， 能够快速进行数字信号处理。其专用的硬件乘法器和特殊的 D S P 指令（如循环 次指令）以及浮点数据处理能力减少了 CP U 的软件开销。由于 D S P 具有丰富的软硬件资源，因而使其比单片机更适用 于比较复杂的控制系统。本装置选用 M o t o r a l a 公司的 1 6 位浮点处理 器 D S P 5 6 F 8

14、 0 7 为微处理器，它可直接支持 8 0M H z 以上的时钟，具有良好的性能价格比，它的 存储器分为程序 F l as h 、程序 RA M ，数据 F l a s h 、 数据 RA M 和 Bo o t F l a s h ；片内集成了 4 个灵活 的 1 6 位定时器单元，每个定时器单元包括 4 个 1 6 位的定时器/计数器；2 个异步串行通信接口和 1 个同步串行外部设备接口 5 。它采用了增强型存储器接口，具有灵活的数据/地址总线，简化了设计 过程，充分利用了存储空间，提供了强大的信号处 理功能。本装置采用 F F T 算法求出电压幅值，得出电 压差；通过硬件测频电路计算出电压

15、的频率，从而得到频差；利用两路电压比较电路，把发电机和电 网的交流电压信号变换为与它们同频率的方波信 号，然后将这两个方波信号进行异或，异或输出信 号的宽度反映了两交流信号相角差的变化情况。因表输入变量 的赋值表 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：进行模糊判决，查询控制量查询表。应用最大隶属度原则，选取隶属度最大的元素作为 控制量。本装置根据专家经验确定出如表 3 所示的表控制量查询表d/d正大正中正小零负小负中负大正大正中 正小 正零 负零 负小 负中 负大零零 负中 负中 负大 负大 负大 负大正小零 负小 负小 负中 负中 负大 负大正中正小 零 零负小 负小 负中 负大正中正中 正小 零零 负小 负中 负中正大正中 正小 正小 零零 负小 负中正大正大 正中 正中 正小 正小 零 负小正大正大 正大 正大 正中 正中 零零此，通过用异或

17、信号宽度计数就能知道两交流信号的相角差。对发电机机端电流的检测可以监视断路 器合闸时发电机的冲击电流，硬件中还有人机接 口、远方控制接口、开入和开出控制量。装置硬件 原理图如图 3 所示。1 / 2 周期，即 1 8 0 ，因此 可按下式求得：(1)= 180 ，式中 （系统电压方波的宽度）和 （异或波形的宽度）的值可从定时计数器读入求得。本装置是每周 波采样 24 个点，故采样间隔是 0.833 3 ms。数字式自动准同期并列装置按下式计算理想的导前合闸相角 Y J , 它可以计及含有加速度的情况：1(2)YJ = s D C + 2s 2DC ,式中s 为第 个计算点的滑差角速度，其值可按

18、下式求得：1(3)s =,2图装置原理图式中 和1分别为本计算点和上一计算点的角度值； 2为两计算点间的时间； D C 为微处理器发出软件设计（1）理想合闸角的计算方法 在开始同期操作的过程中，在发电机和电网的电压差、频率差都满足并列条件的前提下，根据异或信号宽度（具有一定的变化规律），计算两信号的 相角差，预测将要到来的合闸时机（合闸时刻相角 差小于允许值），并在合闸时机到来之前一定时刻， 发出合闸信号，同时启动事件记录和录波记录功能， 以便用数据和图形来表征合闸前后数据的变化。如图 4 所示，待并发电机电压和电网电压经过合闸信号到断路器主触头闭合时需经历的时间。设 为出口继电器动作时间，则

19、CD C = D L + C 。( 4)由下式求得：滑差角速度的变化率s /(5)s s=s 1。为了运算及编程方便，在误差允许范围内，把计算式简化为YJ = s DC 。（2）捕捉合闸时机的线性函数插值算法(6)方波整形电路后输出的方波信号为X ，进行G ,异或的输出信号也是一列宽度不等的矩形波S ，这如果相角差 处在 0 1 8 0 区间，则不存在任何并网的机会，直到 进入 1 8 0 3 6 0 区间才有并 网的机会。( a) 当压差和频差都满足允许值后，用 D S P列矩形波表示了相角差 的变化。借助于定时计数器可读取矩形波宽的大小，求得两电压相角差 。计数器分别连续计数1 ，：当时，

20、说明相1角差 处在 0 1 8 0 区间，则连续计数1 ，直到；当时，表明相角差 处在 1 8 0 36 0 1 1 区间，按照式（1）计算1 ，。( b ) 按照式 ( 2 ) ，( 3 ) 分别计算出s ， Y J ，由式 ( 6 ) 计算出如下：1和，构造线性插值函数 =图S 相位变化G X1(7)= +,GX S1两方波异或就得到图中的一系列宽度不等的矩形波。显然，这一系列矩形波的宽度 与相角差 相 对应 3 。电网电压方波的宽度为已知，它对应于把 +1= +1 代入上式中预测出下一计算点的 +1，若是则转 (a) 重新开始，若不判断是否有+1 YJ ,是则继续向下进行。( c ) 把

21、 Y J代入公式（7）的左边，求出频；当时则认为 没有变化，此时，表明s + 1s取s + 1 ，用式（2）求得 Y J的值，继续向下执从第 计算点开始延时的时间发合闸脉冲，可s =以使在相角差为零的时刻断路器合闸并网。当第二次从（b）开始执行时要计算并进行比行。( 3 ) 同期子程序 同期子程序流程图如图 5 所示。较s 和 s + 1 ，当 时, 则认为s 变化s + 1s较大，不应继续捕捉合闸时机，而应转去测频和调图同期子程序流程图率差、电压差满足并列条件后，经 5 11 s 即可实现合闸操作，发出合闸指令到完成并网操作需1 2 0 1 3 0 m s 。数据的录波图见图 6 。装置测试

22、本装置经过湖南省电力试验研究所测试，在频图同期装置录波图2 彭晓涛, 王少荣, 程时杰 (Peng Xiaotao, Wang Shaorong,Cheng Shijie). 高性能微机自动准同期装置 (A high per- formance microprocessor based automatic quasi-synchron- ization device) J. 电力系统自动化(Automation of ElectricPower Systems), 2002,26 (9): 75-77.3 杨 冠城 (Yang Guancheng). 电 力 系统 自动 装 置原 理 (Pri

23、nciple of power system automatic device) M. 北京: 水利电力出版社 (Beijing: Hydraulic and Electric Power Press), 1995.4 王平洋，胡兆光（Wang Pingyang, Hu Zhaoguang）. 模糊 数学在电力系统中的应用（Application of fuzzy mathe-matics in power system）M. 北京: 中国电力出版社 (Be- ijing: China Electric Power Press), 1999.5 邵贝贝, 龚光华, 薛涛, 等 (Shao Be

24、ibei, Gong Guanghua, Xue Tao, et al). Motorola DSP 型 16 位单片机原理与实践 (Principle and practice of Motorola DSP type 16 bitssinglechip) M. 北京: 北京航空航天大学出版社 (Beijing: Beijing Aeronautics And Astronautics University Press),2003.(责任编辑: 李丽英)结论测试结果表明采用 D S P 能实现对浮点数的快速计算，利用模糊逻辑控制能确保同期装置快速平 稳地将发电机电压、频率调节到给定值，在频率

25、差、电压差满足并列条件后，利用插值函数法对合 闸时机进行预测，可快速、可靠捕捉合闸时机，能 较好地完成事件记录和录波功能，实现了发电机与 电网高精度、快速、可靠、平稳的自动准同期并列操作。参考文献：1 李俊霞, 涂仁川, 严兵, 等 (Li Junxia, Tu Renchuan, YanBing,et al).一种微机型自动准同期装置(A microprocessor- based automatic synchronizing device) J. 继电器 (Relay),2002,30 (9): 53-54.file:/D|/新建 Microsoft Word 文档.txtdf机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldffile:/D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56