高压断路器智能操作的模糊控制

摘要：分析了使用传统方法实现高压断路器智能操作控制的复杂性。以模糊理论为基础，研究了系统电气参数与系统状态的模糊关系，形成了对断路器刚分速度的控制规则和模糊控制方法，给出了模糊控制器的硬件结构。模拟控制表明，该模糊控制器具有优良的控制性能，其精度和速度完全能满足断路器智能操作的要求。 　　 关键词：断路器；模糊理论；智能操作；电力系统故障

目前，已投入运行的断路器灭弧装置的开断能力主要是按开断短路电流设计的，不论开断于何种工作条件，断路器的运动特性是不可调的，即都按单一的空载特性分闸。但在实际运行中，大多数的开断操作是在正常条件（如负载或无载）下进行的，这些情况的开断不需很大的分闸速度就能熄弧。全速分闸不但使断路器的机械装置受到不应有的冲击，影响系统的寿命和可靠性，还可能因而产生操作过电压，给其它设备的安全运行造成威胁。鉴于此，国内学者已提出断路器智能操作的新概念［1］。所谓智能操作是指动触头从一个位置到另一个位置的自适应控制的转换。 　　 在断路器的开断过程中，智能操作的一个重要特征是可以自动调节和控制断路器合适的分闸速度，即当分闸命令到来时，根据反映当时系统状态的电流、电压、功率因数等参数的数值及各参数之间的关系来确定所需开断速度的大小［2］。由于电力系统的复杂性和故障的多样性，使得系统状态与系统各参数之间的关系很难用严格的逻辑和数学方法来描述，因此，采用精确的数学模型控制是非常困难的。本文以电力系统理论为基础，根据断路器开断速度特性，综合运用模糊推理方法，提出了SF6高压断路器操作机构的模糊控制模型。随着该模糊系统的不断完善，将大大提高断路器智能操作的可靠性和实用性。 　　 1 模糊控制模型的数学描述 　　 1.1模糊关系矩阵 　　 对于液压分闸操作的断路器，一种有效的分闸速度调节方法是根据不同的开断条件改变液压操作机构的管道综合损失系数。研究表明，通过调节安装在排油管路中的调节阀开度可使管道综合损失系数在较大范围内变化［3］。在本控制器的设计中，阀的开度用等效孔径来表示。因此，根据分闸时系统有关电气参数值来调节排油阀的孔径，可使断路器获得合适的分闸速度。如上所述，反映电力系统状态的电气参数与对应孔径之间的关系很难用精确的数学方法来表达，但它们之间确实存在着某种联系，根据模糊控制理论，这种联系可以用模糊关系矩阵来描述［4］，U＝｛u1，u2，…，un｝，为系统电气参数值组成的集合。V＝｛v1，v2…，vm｝,为液压机构排油阀等效孔径组成的集合。 　　在模糊控制理论中，U、V为存在模糊关系的两个论域，并可由U、V作出一个新的论域U�V。U�V上的模糊集R∈F（U�V）被称为U与V之间的模糊关系，用矩阵表示为 　　 　　 其中：R为所谓的模糊关系矩阵；rij＝μR（u,v）为u与v关于R的关系程度，称为u与v关于R的隶属函数，其值域为［0，1］。rij的大小表示ui存在时vj出现的可能程度，特别地，rij＝0表示vj与ui的存在无关；rij＝1表示ui的存在导致vj出现的可能性很大。在断路器的智能操作中，rij的大小表示电气参数对排油阀孔径的影响程度。 　　 1.2模糊控制规则 　　 模糊控制的核心是模糊决策，模糊决策的基础是模糊控制规则。模糊规则是根据专家的知识和经验总结出来的，它的形式为语言变量表示的模糊条件语句。一条模糊控制规则由前提和结论两部分组成。为方便讨论，只考虑开断电流I的量值a和相位p（电流滞后电压的相角）对排油阀孔径d的影响。因而在该模糊控制系统中，模糊控制的前提部分是电流a和相位p的论域A和P中的模糊集，结论部分为排油阀孔径d的论域D的模糊集，论域A、P和D的模糊集分别由如下形式表示

F（A）＝NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL F（P）＝NL，NS，ZE，PS，PL F（D）＝NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL

其中NL（负大）、NM（负中）、NS（负小）、ZE（零）、PS（正小）、PM（正中）、PL（正大）分别为参数的语言值。

在以计算机为中心的控制系统中，为方便数据处理，通常将输入参数的值进行尺度变换和离散化。在该控制系统中，电流离散后的论域为［0，14］，共15级；相位离散后的论域为［－4，＋4］，共9级；控制输出（排油阀等效孔径）的论域为［8，22］，单位为mm，共15级。输入、输出参数在离散域上的模糊隶属函数分别如表1、表2和表3所示。

表1离散域上F（A）的隶属函数μF（A） F（A） A

表2离散域上F（P）的隶属函数μF（P） F（P） P

表3离散域上F（D）的隶属函数μF（D） F（D） d

　　一般而言，开断的电流越大，所需的分闸速度越高；反之，开断的电流越小则所需的分闸速度越低。但是在开断小容性电流（相角p接近－90�）时，所需的分闸速度就应比开断相同数值的正常负载电流大，以便提高弧隙的介质恢复强度，避免出现重击穿电压。但在开断小感性电流时（相角p接近90�）需要有较小的分闸速度，以降低操作过程中可能产生的截流过电压［5，6］。对于以电流和相位为输入、排油阀等效孔径d为输出的双输入单输出模糊控制系统，根据专家知识和经验，不同的电流和相位的组合形成了不同控制规则，所有的规则构成的表格，称为模糊控制规则表，如表4所示。　　 表4模糊控制规则表PA 表4中每一格表示一条规则，上表一共包括23条规则，每条规则由相应的模糊条件语句表示，例如，表中规则栏的左上方第1格和第2格可以用一条规则来表示：“如果A＝NL或NM，且P＝NL，则D＝NS”；又如，第3格表示“如果A＝NS，且P＝NL，则D＝PS”。 　　 2 推理规则及计算 　　 对于一个有L条控制规则的系统，基本的推理方法有两种，即综合法和并行法。在采用综合法推理时，由每条规则求出相应的模糊关系Rl（l＝1，2，…。L），并由此计算出总的模糊关系R＝R1∪R2∪…∪RL，控制时根据实际输入（经离散和模糊化）的模糊集A′和P′，运用R进行模糊推理运算，求出合成的输出模糊集D′＝（A′�P′）R。并行法推理则是根据每条规则Rl求出相应的输出D′l＝（A′�P′）Rl,然后计算合成的输出模糊集D′＝D1′∪D2′∪…∪DL′。 　　 运用适当的去模糊策略，由输出模糊集可得控制输出的精确值d。 　　 由于用模糊关系求输出D的计算较复杂，不便于在线实时控制，因此，本模糊控制器的设计，首先根据给定控制规则和算法，求出输入、输出的对应关系表，在线控制时只须根据输入参数值查表即可得到控制输出。采用极小模糊推理规则时，控制表格的计算过程如下： 　　 （1）设电流离散级数为j级，相位为i级，根据查表1、表2得到的电流和相位的模糊集的隶属函数值μF（A）（j），μF（P）（i），计算对应规则的激励强度α＝min｛μF（A）（j），μF（P）（i）｝； （2）根据表3、表4，运用模糊推理合成法，计算按点给定的输出模糊集Dl＝min｛α，μF（D）（k）｝，l＝1，2，…16； （3）计算D＝D1∪D2∪…∪D16； （4）采用重心法进行去模糊化运算，得控制输出 （5）对所有的i和j分别计算d,最终可得模糊控制总表，如表5所示。 表5模糊控制总表ΡΑ

模糊控制总表通过离线计算得到，存放在模糊控制的规则库中，在线控制时只须由输入电流a和相位p的实测值，经离散、量化到相应的论域中，便可查表得到实际的控制输出量d。 　　 需要指出的是，表5由表1～表4计算得到，如果相关参数的隶属函数的取值或控制规则表有所变化，表5的内容会出现相应的改变。此外，在表5中电流及相位的取值同时覆盖了整个论域，在断路器的实际运行过程中，表5中的有些开断条件将不会出现，例如在P＝－4（空载长线相位特性）时，A不可能取14（相当于额定短路电流值）。 　　 3 控制举例及讨论 　　 在模糊控制的实际应用中，断路器端口的电流和电压信号分别由电流互感器和电压互感器拾取，经二次分压、信号调理及检测等处理后，得到电流的有效值A及电流与电压的相差P，经论域变换和量化后，输入到控制单元。并通过查表可立即得到控制输出量，并通过驱动机构调节相应的孔径d，由此得到最佳的断路器的分闸速度。 　　 例如：对于额定短路开断电流为40kA的断路器，在正常负载下开断时，若电流测量值为3 150 A（论域变换后的值为1），相位测量为28�（论域变换后的值为1），则查表5可得控制输出d＝9.9mm；而在额定短路开断电流开断时，电流的测量值为40kA（论域变换后的值为14），相位为82�（论域变换后的值为4），则输出d为22.0mm；对于空载长线和空载变压器的小电流开断，如果两次测量的电流值均为31.5 A（论域变换后的值为0），而相位分别为－90�和90�（论域变换后的值分别为－4和4），则输出d分别为11.9mm和11.2 mm。以上例子说明，模糊控制器能根据系统不同开断状态给出不同的输出，从而使断路器有不同的分闸速度。

文献［3］对额定短路开断电流为40kA的SF6断路器进行了仿真分析，得出了在不同的开断条件下断路器能成功开断所对应的排油孔径，如表6所示。表中的开断条件主要包括线路充电电流开断（31。5 A）、BTF（端子短路故障）开断（含10%Ike、30%Ike、60%Ike、100%Ike的4种试验方式）。可以看出，对于不同开断的开断条件，模糊控制输出和仿真分析结果基本吻合（计算结果数值上的差异是因二者的排油孔径论域的取值不同而导致）。 　　 上文讨论了开断电流值及其相位对刚分速度的影响。实际控制时还可以根据具体情况增加其它的模糊输入参数，如对于双电源系统，就可以利用其它参数和分析手段，在模糊输入参数中增加系统失步故障参数，以及利用故障测距技术区分系统的近端故障，以便调整输入、输出论域的模糊集的隶属函数。也可以根据实际的控制效果优化模糊控制规则表，以得到最佳的控制效果。由于采用查表法，隐含的模糊推理运算是离线的，因而在线控制速度非常快。

4 模糊控制器硬件结构及工作原理 　　 所研究的模糊控制系统结构简图如图1所示。电网电压和流过断路器的电流分别由PT和CT拾取，经二次分压，A／D转换器等环节送入数字处理器。为了能实现快速采集和数字滤波处理，处理器采用32位高速数字信号处理器TMS320C30。由于该处理器具有很高的处理速度（每秒可完成33�106次浮点运算），对于常规的数值计算和处理可在ms内完成［7］，其处理速度完全能满足断路分闸控制的要求。 表6不同开断条件下的控制输出d　 　　 图1模糊控制系统结构原理框图 　　 处理器上电复位后，对电流电压进行不间断采集，采集结果按先进先出的环形队列方式储存于指定的RAM区域中，从而保证该RAM区的数据始终能反映电网的最新状态。电力系统无故障时，通过对采集值的处理和计算，可测量母线电压、回路电流及功率因数等参数。在断路器进行正常分闸操作时（非故障分闸），分闸信号触发处理器的INT0中断，中断服务程序根据所测得的参数进行模糊推理，并根据推理结果控制排油阀的开度，从而使断路器获得合适的分闸速度。电力系统发生故障时，电网中的电流突然增大而电压突然减小，如果电流和电压的变化量超过整定值，波形突变检测电路迅速作出反应［8］，并触发处理器的INT1中断。INT1中断服务程序完成对短路电流和电压的采集，并通过数字滤波处理计算出短路电流的基频分量及衰减直流分量，以便精确地进行模糊推理，向调节阀输出准确的控制量。由于TMS320处理器具有很高的处理速度，上述计算和控制均在收到继电保护装置发出分闸命令之前完成。

因为INT1中断信号只在故障发生时才产生，所以INT1中断服务程序可以根据故障前后所采集到的参数值分析故障原因，以及进行故障测距和故障类型的分析，为重合闸操作提供可靠的技术手段。在本系统中，不论电力系统是否发生故障，采集到的数据及计算结果均可通过串行接口传送给微机（上位机）。

5 结论 　　 本文基于模糊理论给出了断路器智能分闸操作的控制系统，其特点是：①可以根据开断条件自动调节断路器的分闸速度。②能实现操作机构和灭弧室的良好配合，提高液压?机械装置的可靠性和使用寿命，有利于其他设备的安全运行。③由于采用高性能、低价格的数字信号处理器作为主控单元，该控制系统不仅实时性好、可靠性高，而且成本低，对于每台价值几十万甚至上百万的超高压断路器，控制系统不超过总成本的2%。该系统的应用将使断路器的操作技术产生重大突破，这在学术上和工程应用上具有重要的意义。