CN104201955A - 一种基于变论域模糊的特高压换流变分接开关控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变论域模糊的特高压换流变分接开关控制方法，属于特高压直流输电***控制领域。本发明控制方法分为三个阶段，第一阶段是模糊化输入数据，即触发角及其变换量；第二阶段是确定触发角及其变化量的论域；第三阶段是通过模糊规则表对经过论域变化的触发角及其变化量进行推理得到输出档位；本发明实现分接开关的更精确控制，可使在发生某阀组分接开关无法调整的故障时控制过程中更快找到精确的档位，提高特高压直流输电***的可靠性。

Description

一种基于变论域模糊的特高压换流变分接开关控制方法

技术领域

本发明涉及特高压直流输电***控制技术领域，特别是涉及一种基于变论域模糊的特高压换流变分接开关控制方法。

背景技术

高压直流输电***主要由交流***、整流站、长距离输电线路、逆变站组成。整流站通过换流阀组将交流电整流为直流电，直流电通过线路传输到逆变站后再经过逆变站阀组逆变为交流电以供使用。

现有特高压直流输电***整流侧由两个阀组串联组成，每个阀组电压的控制是通过对每个阀组各自的触发角和换流变分接开关的联合控制来实现的。提高阀组电压的方法是降低触发角和降低换流变分接开关档位，降低整流侧阀组电压的方法提高阀组触发角和提高换流变分接开关档位。同时为了保证阀组的稳定运行降低换相失败出现的几率，整流侧阀组的触发角有一个最佳运行范围，需要维持在12.5°至17.5°之间，换流变分接开关与角度控制协调配合在保证电压处于正常范围的情况下，使触发角也保持在最佳运行范围内。

特高压直流输电***中换流变分接开关的控制方法主要有自动定角度控制与自动定电压控制两种方式。自动定角度控制包括整流侧换流变压器自动定角度的控制，整流侧换流变压器自动定角度的控制目标是通过改变换流变分接头的位置来保证换流器触发角处于给定的范围内。通过换流变分接头档位调整，使得整流侧的触发角保持在12.5°至17.5°的正常范围之间。在整流侧，当触发角低于12.5°时，换流变分接开关控制***发出降低分接头命令；当触发角高于17.5°时，发出升高分接头命令。

当前自动定角度模式下换流变分接开关的档位调整载发现角度越限后的增加档位和降低档位的过程都需要逐档进行加减，这种调整在出现阀组触发角严重越限的情况下，只能逐档调节，调整过程较慢，不能实现分接开关的智能控制。

发明内容

本发明的目的是为了弥补目前特高压换流变分接开关控制方法在人工智能化方面的缺陷，以分接头控制快速调整、提高分接开关控制稳定性为目标，提出一种基于变论域模糊的换流变分接开关控制方法，实现分接开关的智能控制，可使在控制过程中快速找到能使***平稳运行的分接头档位，提高分接开关控制***的鲁棒性。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种基于变论域模糊的换流变分接开关控制方法，其特征在于，换流变分接开关控制方法通过换流变分接开关控制***实现，所述换流变分接开关控制***为双输入‐单输出***，采用分接头控制信触发角及其变化量作为模糊控制器的两个输入；两个输入通过变论域模糊控制***的模糊推理确定输出；包括如下步骤：

1)确定触发角及其变化量的论域

论域是指输入量的变化范围；伸缩因子用于改变论域的大小；伸缩因子的设计；如式(1‐1)所示；

α_angle＝(sumANGLE/30/DomainANGLE)^0.8

α_dangle＝(sumdANGLE/30/DomaindANGLE)^0.8         (1-1)

其中sumANGLE为记录的当前运行周期的前30的周期的触发角angle的加和值，DomainANGLE为外部输入的换流变触发角angle的域值；sumdANGLE为记录的当前运行周期的前30个周期的dangle的加和值，DomaindANGLE为外部输入的换流变触发角的变化量dangle的域值；

论域变化前，触发角angle的基本论域为[0,0.5244]，对应于角度的变化量为0°到30°，触发角变化量dangle的基本论域为[‐0.1311,0.1311]，对应的角度变换量为‐7.5°到7.5°；经过论域变化后，触发角angle的论域变为[0,0.5244*α_angle]，d触发角变化量angle的论域变为[‐0.1311*α_dangle,0.1311*α_dangle]。论域是指输入量的变化范围；

2)***变量的模糊化。

在所设计的特高压换流变分接开关模糊控制器根据三角形隶属度函数对输入变量进行模糊处理，其隶属度函数为三角形，如式(1‐2)所示；

$\mathrm{\μ}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{x-a}{b-a}\\ \frac{x-b}{a-b}\end{array}\right.\left(\begin{array}{ccccc}a& p& x& p& b\end{array}\right)---(1-2)$

式中x为输入量，a，b为模糊规则的界值，为隶属于a所隶属度值，为隶属于b的隶属度值，μ(x)表示输入x的隶属度函数；

对于angle的模糊规则取值，分别为负大大(NBB)、负大小(NBS)、负中大(NMB)、负中小(NMS)、负小大(NSB)、负小小(NBB)、零(ZO)、正小小(PSS)、正小大(PSB)、正中小(PMS)、正中大(PMB)、正大小(PBS)和正大大(PBB)；

触发角变化量dangle的论域在[‐0.1311*α_dangle,0.1311*α_dangle]之间，对于dangle的模糊规则为7个规则，分别为负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)和正大(PB)；

3)控制器控制档位调整量通过式(1‐3)计算：

其中ΔTAP为换流变分接开关控制器的档位调整量，α为输入的触发角值，为触发角变化量对应的分接开关档位调整量。

如果触发角隶属于(0，2.5°*α_angle)，且触发角的变化量隶属于(‐∞，‐7.5°*α_angle)，则换流变分接开关的调整为降低6档，其档位计算过程为ΔTAP＝(cos15°‐cos2.5°)/0.0125‐3＝6

如果触发角隶属于(2.5°*α_dangle，7.5°*α_dangle)且触发角的变化量隶属于(‐∞，‐7.5°*α_dangle)，则换流变分接开关的调整为降低5档，ΔTAP＝(cos15°‐cos5°)/0.0125‐3＝5。

本发明方法弥补传统换流变分接开关控制受故障干扰时调整速度较慢的缺点，在分接开关控制***中加入变论域模糊控制，实现分接头调整的优化控制。变论域模糊控制过程分为三个阶段：第一阶段是模糊化输入数据；第二阶段是通过规则库和变论域模糊推理算法对输入数据进行处理；第三阶段是去模糊化。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：本发明实现对换流变分接开关的智能快速控制，在发生分接某一阀组分接开关故障时，取代原有分接开关控制***的逐档调整，能够实现另一阀组分接开关的迅速调整，大大提高直流输电***的可靠性。

附图说明

图1为本发明换流变分接开关变论域模糊控制框架图。

图2为输入量触发角angle的论域变化情况。

图3(a)输入angle的隶属度函数。

图3(b)输入dangle的隶属度函数。

图4为仿真分接开关一般控制下的整流侧触发角α波形图。

图5为仿真分接开关变论域模糊控制下的整流侧触发角α波形图。

图6为仿真分接开关一般控制模式下的整流侧低端阀组换流变分接头档位。

图7为仿真分接开关变论域模糊控制模式下的整流侧低端阀组换流变分接头档位。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限如此。

实施例

本实施例是通过PSCAD/EMTDC软件仿真平台搭建±800kV特高压直流输电模型并加入了变论域模糊分接开关控制器实现的。

现有的换流变分接开关控制器升降档按都是按照一档来调整，无论整流侧触发角的偏差有多大，升降档的时候都只能按一档来调整，而每调整一次档位都需要一定的时间(分接开关的动作频率按秒级来计算)，加入辩论域模糊分接开关控制器后升降档位的变化量就不局限于一档，辩论域模糊控制器会根据整流侧触发角的偏差确定升降档的调整量。

本发明特高压换流变分接开关模糊控制***中，采用分接头控制信触发角及其变化量作为模糊控制器的输入，将根据角度及角度变化量计算的模糊控制器输出分接开关的调整量。

1)确定触发角及其变化量的论域

论域是指输入量的变化范围。伸缩因子可以改变论域的大小，变论域模糊控制器可通过修改输入量论域来达到优化控制效果的目的。伸缩因子的设计规则有很多，这里采用一种常用的比例伸缩因子，如式(1‐1)所示。

α_angle＝(sumANGLE/30/DomainANGLE)^0.8

α_dangle＝(sumdANGLE/30/DomaindANGLE)^0.8          (1-1)

其中sumANGLE为记录的当前运行周期的前30的周期的触发角angle的加和值，DomainANGLE为外部输入的换流变触发角angle的域值；sumdANGLE为记录的当前运行周期的前30个周期的dangle的加和值，DomaindANGLE为外部输入的换流变触发角的变化量dangle的域值；

如图2所示；论域变化前，触发角angle的基本论域为[0,0.5244]，对应于角度的变化量为0°到30°，触发角变化量dangle的基本论域为[‐0.1311,0.1311]，对应的角度变换量为‐7.5°到7.5°；经过论域变化后，触发角angle的论域变为[0,0.5244*α_angle]，d触发角变化量angle的论域变为[‐0.1311*α_dangle,0.1311*α_dangle]。论域是指输入量的变化范围；

2)***变量的模糊化。

在所设计的特高压换流变分接开关模糊控制器根据三角形隶属度函数对输入变量进行模糊处理，设触发角angle的论域为[0,0.5244*α_angle]，对应于角度的变化量为0°到30°*α_angle，触发角变化量dangle的论域为[‐0.1311*α_dangle,0.1311*α_dangle]，对应的角度变换量为‐7.5°*α_dangle到7.5*α_dangle°，其隶属度函数为三角形，如式(1‐2)所示。

$\mathrm{\μ}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{x-a}{b-a}\\ \frac{x-b}{a-b}\end{array}\right.\left(\begin{array}{ccccc}a& p& x& p& b\end{array}\right)---(1-2)$

式中x为输入量，a，b为模糊规则的界值，为隶属于a所隶属度值，为隶属于b的隶属度值，μ(x)表示输入x的隶属度函数。

对于angle的模糊规则取值，分别为负大大(NBB)、负大小(NBS)、负中大(NMB)、负中小(NMS)、负小大(NSB)、负小小(NBB)、零(ZO)、正小小(PSS)、正小大(PSB)、正中小(PMS)、正中大(PMB)、正大小(PBS)和正大大(PBB)；这些规则论域的划分是根据***的特性和调试经验而划分的。在本模型的特高压换流变分接开关模糊控制器采用的触发角angle规则论域见附图3(a)所示。

特高压换流变分接开关模糊控制器的触发角变化量dangle的论域在[‐0.1311*α_dangle,0.1311*α_dangle]之间，对于dangle的模糊规则为7个规则，分别为负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)和正大(PB)；特高压换流变分接开关模糊控制器中采用的触发角变化量dangle规则论域见附图3(b)所示。

3)本发明模拟控制器采用if-then-else的形式。前面已经对两个个输入触发角angle和触发角变化量angle进行了模糊化处理。随后即需要控制规则来描述整个控制的逻辑。

本控制器通过模糊控制13×7规则表1实现，规则表中的档位调整量通过式(1‐3)计算：

其中ΔTAP为换流变分接开关控制器的档位调整量，α为输入的触发角值，为触发角变化量对应的分接开关档位调整量；表中，NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)分别对应降3档、降2档、降1档、不改变、升1档、升2档、升3档。

表1 变论域模糊控制器控制规则表

	NB	NM	NS	ZO	PS	PM	PB
								NBB	‐6	‐5	‐4	‐3	‐2	‐1	‐1
NBS	‐6	‐5	‐4	‐3	‐2	‐1	‐1
								NMB	‐5	‐4	‐3	‐2	‐1	‐1	‐1
NMS	‐5	‐4	‐3	‐2	‐1	‐1	‐1
								NSB	‐4	‐3	‐2	‐1	‐1	‐1	‐1
NSS	0	0	0	0	0	0	0
								ZO	0	0	0	0	0	0	0
PSS	0	0	0	0	0	0	0
								PSB	1	1	1	1	2	3	4
PMS	1	1	1	2	3	4	5

PMB	1	1	2	3	4	5	6
								PBS	2	3	4	5	6	7	8
PBB	3	4	5	6	7	8	9

对于第一条规则：如果输入触发角angle为负大大(NBB)，输入触发角变化量dangle为负大(NB)，那么TCC调整量输出thisAction为负大大大(NBBB),因为触发角变小，为了使直流线路电压达到给定值，控制器调整TCC命令，使换流变分接头变比变小即调低分接头档位。用模糊语言可以描述为：

if angle is NBB，dangle is NB then

thisaction is NBBB

第一条规则对应于规则表中的第一行第一列，所代表的意义为如果触发角隶属于(0，2.5°*α_angle)，且触发角的变化量隶属于(‐∞，‐7.5°*α_angle)，则换流变分接开关的调整为降低6档，其档位计算过程为ΔTAP＝(cos15°‐cos2.5°)/0.0125‐3＝6

第二条规则对应于规则表中第一行第二列，所代表的意义为，如果触发角隶属于(2.5°*α_dangle，7.5°*α_dangle)且触发角的变化量隶属于(‐∞，‐7.5°*α_dangle)，则换流变分接开关的调整为降低5档，ΔTAP＝(cos15°‐cos5°)/0.0125‐3＝5，其它规则的计算类似。

模糊控制器参数设置

在PSCAD自定义模块环境下的特高压换流变分接开关模糊控制器外形如附图4所示。其中输入量angle为实时检测的触发角α，输入量tccin为换流变分接开关档位信号，输出tccout是经过模糊控制器计算的新的换流变分接开关档位信号。

位于图片上方区域的变量domainangle和domaindangle及图片下方区域的domainchange是为模糊控制器外部变量domainangle为实时控制angle域值变化的外部参数，domaindangle为实时控制dangle域值变化的外部参数，而domainchange为实时控制输出变量change的外部参数。这些外部参数的调节可实时控制模糊控制器的控制效果，并可在线修正。

本发明是基于变论域模糊控制器实现的。整个控制方法分为三个阶段，第一阶段是模糊化输入数据，即触发角及其变换量；第二阶段是确定触发角及其变化量、输出档位的论域；第三阶段是通过规则库和模糊推理算法对经过论域变化触发角及其变化量进行处理得到输出档位；第四阶段是对输出档位进行去模糊化。其控制流程如附图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1、确定控制目标，即换流变分接开关发生故障时控制***能快速地调整到准确换流变分接开关档位，使得整流侧的触发角保持在12.5°至17.5°之间***平稳运行。

步骤2、换流变分接开关控制***设计为双输入‐单输出***，***的输入量是在一个控制周期开始时采集待控制的换流变实时运行数据，控制***的第一个输入量是α，表示触发角，第二个输入量是触发角在两个控制周期之间的变化量，这两个输入通过变论域模糊控制***的模糊推理确定输出，控制***的输出量为换流变分接头的档位输入。

步骤3、利用三角函数对触发角α及其变化量进行模糊化

步骤4根据触发角的α的变化确定触发角、触发角的变化量、输出档位的论域。

步骤5、根据换流变分接开关控制***的基本工作原理确定变论域模糊控制规则。

步骤6、确定的变论域模糊实际上是一个多重模糊条件语句，它可以用用矩阵形式来表示这种模糊关系。

步骤7、模糊控制器的输出控制量是由经过论域变化的输入量与模糊关系按推理合成规则来求得。

步骤8、在下一次控制周期到来时，返回步骤1。

通过变论域模糊控制，当出现故障的情况导致整流侧触发角严重越限的情况下，换流变分接开关档位可以实现快速的调整。

仿真实验

仿真工况为双极解锁5000MW，整流侧高端阀组换流变分接头档位因为故障原因无法调整，固定在5档。

从图4、5运行波形图中可以看出，整流侧高端阀组换流变分接头档位因为故障原因无法调整，固定在5档情况下的运行工况平稳，双极电压分别达到±800kV，直流电流平稳，整流侧触发角在14.75°左右，逆变侧熄弧角在19.7°左右，整流侧高端阀组换流变分接头档位在5档。

对比相同情况下未采用变论域模糊控制的仿真波形图，由图6、7可以看出，在未采用变论域模糊控制器的情况下，整流侧触发角要经过约5秒的时间达到14°，而采用变论域模糊控制器的情况下控制效果更快更好。

Claims (3)

1.一种基于变论域模糊的换流变分接开关控制方法，其特征在于，换流变分接开关控制方法通过换流变分接开关控制***实现，所述换流变分接开关控制***为双输入‐单输出***，采用分接头控制信触发角及其变化量作为模糊控制器的两个输入；两个输入通过变论域模糊控制***的模糊推理确定输出；包括如下步骤： 

1)确定触发角及其变化量的论域 

论域是指输入量的变化范围；伸缩因子用于改变论域的大小；伸缩因子的设计；如式(1‐1)所示； 

α_angle＝(sumANGLE/30/DomainANGLE)^0.8

α_dangle＝(sumdANGLE/30/DomaindANGLE)^0.8           (1-1) 

其中sumANGLE为记录的当前运行周期的前30的周期的触发角angle的加和值，DomainANGLE为外部输入的换流变触发角angle的域值；sumdANGLE为记录的当前运行周期的前30个周期的dangle的加和值，DomaindANGLE为外部输入的换流变触发角的变化量dangle的域值； 

论域变化前，触发角angle的基本论域为[0,0.5244]，对应于角度的变化量为0°到30°，触发角变化量dangle的基本论域为[‐0.1311,0.1311]，对应的角度变换量为‐7.5°到7.5°；经过论域变化后，触发角angle的论域变为[0,0.5244*α_angle]，d触发角变化量angle的论域变为[‐0.1311*α_dangle,0.1311*α _dangle]。论域是指输入量的变化范围； 

2)***变量的模糊化。 

在所设计的特高压换流变分接开关模糊控制器根据三角形隶属度函数对输入变量进行模糊处理，其隶属度函数为三角形，如式(1‐2)所示； 

式中x为输入量，a，b为模糊规则的界值，为隶属于a所隶属度值， 为隶属于b的隶属度值，μ(x)表示输入x的隶属度函数； 

对于angle的模糊规则取值，分别为负大大(NBB)、负大小(NBS)、负中大(NMB)、负中小(NMS)、负小大(NSB)、负小小(NBB)、零(ZO)、正小小(PSS)、正小大(PSB)、正中小(PMS)、正中大(PMB)、正大小(PBS)和正大大(PBB)； 

触发角变化量dangle的论域在[‐0.1311*α_dangle,0.1311*α_dangle]之间，对于dangle的模糊规则为7个规则，分别为负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)和正大(PB)； 

3)控制器控制档位调整量通过式(1‐3)计算： 

其中ΔTAP为换流变分接开关控制器的档位调整量，α为输入的触发角值，为触发角变化量对应的分接开关档位调整量。 

2.根据权利要求1所述的变论域模糊的换流变分接开关控制方法，其特征在于，如果触发角隶属于(0，2.5°*α_angle)，且触发角的变化量隶属于(‐∞，‐7.5°*α_angle)，则换流变分接开关的调整为降低6档，其档位计算过程为ΔTAP＝(cos15°‐cos2.5°)/0.0125‐3＝6。 

3.根据权利要求1所述的变论域模糊的换流变分接开关控制方法，其特征在于，如果触发角隶属于(2.5°*α_dangle，7.5°*α_dangle)且触发角的变化量隶属于(‐∞，‐7.5°*α_dangle)，则换流变分接开关的调整为降低5档，ΔTAP＝(cos15°‐cos5°)/0.0125‐3＝5。