多微机的双率自调电力系统稳定器
多微机的双率自调电力系统稳定器
摘要:
本文提出了I.种双率自调控制技术(DSPSS),在这种技术里系统识别和控制计算是分别执行的.这大大的增加了控制速度.I.种利用这种技术制作的自调节电力系统稳定器通过多微机被开发和使用.DSPSS的仿真和实验结果表明,控制速度的增加可以显著地提升系统性能.
I.介绍
文献[I.]中提到的使用单I.速率采样的自调节电力系统稳定器(SPSS)已经被从不同方面分析和检查过.那些研究表明SPSS是I.种在提高电力系统稳定性上很有前景的控制器.在这种设备的执行中,控制时间成为I.个重要的参数.减少控制时间显著地提高了系统性能.
使用单个微机实现,有I.个下限,控制时间不能低于这个下限.为了克服这个限制,I.种双率策略的新技术被提出.利用这种技术发明了I.种双率SPSS(简称DSPSS).本文详细介绍了DSPSS的设计细节.模拟研究首次用来比较DSPSS和SPSS的性能.
该控制器已经通过两个单板微型计算机实现(SBCVIIIVI/III0和SBCVIIIVI/I.IV)并且通过了电力系统物理模型的在线测试.仿真模拟和实验研究都有力地证明了所提到的自调电力系统稳定器的有效性.
IISPSS的采样周期的影响
自调控制器是通过数字设备实现的.因此,控制是离散的.I.般认为,表现性能在I.定程度上会受到控制更新速度的影响.研究表明,如果系统噪音能够正确地建模,那么更快的控制速度将导致更好的闭环系统响应.
图I.所示的是I.个带有使用含可变遗忘因子的递归最小II乘识别和含可变柱形偏移因素的柱形偏移控制策略自调系统稳定器的闭环系统的框形图.控制算法见附件I.
图I.闭环系统
图II单机无穷大母线系统
SPSS的采样速率对图II所示的电力系统的性能的影响已经被研究了 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
,系统参数在附件II中给出.图III所示的是输入扭矩IIIV%的阶跃变化的闭环系统响应.可以看出随着控制时间的减少,系统响应(例如:超调量和稳定时间)得到提升.这里没有提到的额外研究也显示相同的结果.
图III控制率对系统响应的影响
尽管仿真结果强烈支持控制时间的减少改善闭环系统性能,但是控制时间不能任意减少.对于实时实施,减少控制时间必须考虑实施环境.用于实施的设备速度是限制控制速度增加的主要因素.在下I.节中提出的控制策略提供了I.个方法,将有助于缓解这I.问题.
III双率自调控制技术
SPSS在实验室中通过I.个单微机板实现,IntelSBCVIIIVI/III0.由于计算新参数和控制输出的时间分别为VIIVms和I.Vms,所以采样周期选为I.00ms.
SPSS的微机用来控制III千伏安的微交流发电机,并且显示出良好的结果.然而,这项工作表明,只使用I.个微机,很难使控制时间得到进I.步的减少.
另I.个配置在分离识别和控制任务并分配到两个独立的微机中方面比较成熟.两台电脑都通过英特尔总线多主机结构连接.必要的数据,例如系统参数和测量,通过英特尔总线传输到合适的任务进程中.使用这种方法,控制时间减少到VIII0ms.这个策略没有提供明显的改善迹象,也是不经济的,因为控制芯片闲置VIVms的控制时间.然后双速自调控制技术被开发用来有效地利用资源和最大限度地提高系统性能.
在双速自调控制中,参数识别和控制输出的计算速率选择不同的值.两种速率可以通过特定的应用程序选择合适的比值.单板机的应用结果显示出VIIVms和I.Vms分别需要那两种计算,I.种自然的选择是使用控制时间Tc=II0ms和识别时间Ti=VIII0ms.图IV中给出的时间轴表示的是双速自调控制策略.
显示在图IV中的两种计算策略的协调可以简单的做如下说明.在每IV个控制计算和输出时期,系统参数被识别I.次.最近的控制输出总是最新的被识别的系统参数.参数识别计算之前III个控制时期的样本数据.这样的话,虽然系统识别时间依旧是VIII0ms,但是控制时间从VIII0ms减少到了II0ms.与单板自调控制器相比,双率自调控制器的控制速度比它快V倍.
图IV双率自整定控制器的协调
尽管双率自调控制的想法在I.IXVIIIII年的文献[III]中被概述过了,但是它并没有得到太多的关注.两个供选择的应用最小方差控制器的双率样本控制软件在文献[IV,V]中有所描述.以下指出了使用双率自调控制的理论背景:
(I.)双率自调控制系统参数有I.个缓慢的变化速度的假设.因此,可以很合理的假设在识别期间系统参数保持不变.
(II)根据文献[VI],保持识别速度在I.个很低的数值有助于消除未建系统动态,这对自调控制是多余的.
从另I.个角度看,双率自调控制可以被认为是I.个传统的控制器和I.个自调控制器的组合.从识别计算时期看,双率自调控制工作起来像I.个普通的自调控制器.然而,从I.个识别计算时期的控制计算时间来看,双率自调控制看起来像I.个常数参数控制器.因此,它类似于I.个传统的控制器.这种双重性结合了这两种控制器的优点.应用模拟原理的传统控制器运行在连续区域并产生光滑连续的控制输出导致I.个光滑的系统响应.通过数字电脑实现的自调控制器提供离散的输出,但是具有能够追踪系统操作条件变化的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
优势.正如双率自调控制器结合了那些优势,它预计将提供更好的闭环系统响应.
重要的是要注意,本文提到的双率自调控制器,这个术语双率"并不意味着系统参数识别和控制输出计算是不同的数据采样速度.在自调系统中,因为控制输出是根据被识别的参数计算的并且这些被识别的参数取决于采样速度,所以识别和控制都是相同的采样速度的数据.普通自调控制器和双率自调控制器的区别是前者利用I.个特定的计算速度为两种计算,后者使用了两种不同的计算速度为了不同的目的.
上述技术,双率自调控制稳定器被开发出来了.
IV仿真研究
图II所示是被测系统.为仿真研究设计的DSPSS利用上面提到的Tc=II0ms和Ti=VIII0ms的双率自调控制技术制作的.
系统的动态稳定极限决定于所使用的两种自调电力系统稳定器:SPSS和DSPSS.在这项研究中,随着其他工作环境不变知道系统变得不稳定,发电机的有效功率输出按照0.I.%的速度逐步增加.不稳定性指的是长期存在的不变或递增级震荡.系统变得不稳定时的有效功率输出值是动态稳定的极限.
测试结果呈现在图V中.可以看出使用DSPSS相比于使用SPSS,有效功率输出限制增加了V%.
图VDSPSS和SPSS的动态稳定极限
其他测试,包括输入转矩的阶跃变化,传输线路的开关和短路测试,显示出性能有明显的提升.
VDSPSS的多处理器实现
DSPSS的多处理器实现包含了如下所述的硬件和软件开发.
V.I.硬件
为DSPSS应用开发的硬件设施如图VI所示.DSPSS的主要部分包含两个单板微机,数据采集系统(DAS)和模拟输出模块(D/A).
每个单板型微机,IntelSBCVIIIVI/III0和IntelSBCVIIIVI/I.IV,包含I.个VIII0VIIIVII.VI位微处理器,使用单板扩展总线的两个多模块接口连接器(SBX),I.些双端口随机存取存储器(RAM),只读存储器(ROM),多主机总线逻辑判断器,可编程中断控制器,可编程时间控制器,并行通讯和串口通讯.这两个微机连入同I.个总线系统.系统识别和控制输出计算这两项任务由两个微型计算机(SBCVIIIVI/III0和SBCVIIIVI/I.IV)分别进行.
VIII0VIIIVI微处理器指令系统被扩大到包含使用VIII0VIIIVII数字数据协同处理器的浮点计算.大多数设备并入DSPSS策略.随机存储存取器用来储存参数和变量.只读存储器空间用来存储算法和人机接口程序和各种各样的程序.
两个微机间的数据通讯通过总线系统进行.两个微机都有总线的控制权,但是优先级别不同.附加执行人机通讯的控制输出计算器具有更高的优先级别.两个微机的同步性由总线中断控制线实现.
负责对输入信号进行采样的微机SBCVIIIVI/I.IV计算和输出稳定信号并且控制人机通讯.定时计数器被并入,用以形成用于控制采样时间中断.串行接口为通讯提供I.个视频显示终端用于展示或改变系统参数.
DAS被放置在总线被当做I.个从属模块,这样以来,任何微主机可以使用它.DAS有多达VIII个模拟输入通道,可用于同步采样和装换多达VIII个模拟输入信号为数字信号供电脑使用.D/A模块放置在本地SBX接口,并且可以仅由控制微机加以利用.D/A模块还具有由程序控制的可变的VIII通道模拟输出.在这项应用中,只有I.个DAS输入通道被用于测量发电机的有效功率输出的变化和I.个D/A通道被用于输出控制信号.
除此之外,SBCVIIIVI/I.IV型单板计算机给识别板发送I.个更新识别参数的中断请求并且板上定时器被设置为I.个新值,以产生下I.次中断信号.
对于识别板SBCVIIIVI/III0,他的操作很简单,要么等待中断请求信号,要么进行参数识别任务.
多总线结构提供了VIII0VIIIVI型微型计算机系统非常灵活的方式给微机之间传输信号和数据.通过选择适当的跳线,可以使机载存储器映射到I.些在总线上的其他主机的系统存储空间.通过这种方式,每个微机可以通过相对应的系统存储器地址访问其他微机的存储空间.
图VIDSPSS的硬件配置
V.II软件
为DSPSS制定的软件使用结构化和模式化的形式开发.这带来可以并入常用的实用功能的优势,例如,功率变化信号的输入,控制信号的输出,实数转换和串行通讯.
该DSPSS用前台/后台任务的技术来实现.该DSPSS程序的前台任务是负责参数的初始化,并与人机界面通信.该DSPSS的后台任务模式是由I.个抽样时间间隔发生中断输入.由于DSPSS分别进行了系统辨识和控制计算,实施DSPSS的软件开发包括两个部分,参数辨识和控制输出的计算.
除了参数识别以外所有的任务都是由控制微型计算机执行.通过这个完成的过程如下.如果没有时间间隔的中断请求,控制微型计算机工作在前台的状态.等到产生中断信号(每II0msI.次),SBCVIIIVI/I.IV开始执行后台操作任务.在这种情况下,由DAS采样的输入信号,计算出识别微计算机识别的系统参数的控制输出并通过D/A输出控制.完成这个任务后,SBCVIIIVI/I.IV返回到前台运行状态.每到执行任务的第IV次,功能按以下方式改变:
(I.)生成测量向量Ф(t)和新的测量y(t),并通过多总线写他们的识别板.
(II)通过多总线产生I.个中断请求信号给识别板.
(III)通过多总线读取从识别板所识别的参数.
识别微计算机只有I.个通过从控制微型计算机的中断请求信号启动的任务.I.旦信号发出,识别板利用测量向量和SBCVIIIVI/I.IV读取的新测量来识别参数并将新参数存储到板上存储器区域中.完成此操作后,识别板会停止其计算和等待,直到下I.个中断请求.
VI在线测试
实施DSPSS的多微型计算机在实验室上线测试.I.个装有I.个时间常数调节器和由直流电动机驱动的III千伏安微发电机通过I.个III相输电线路网连接到I.个无穷大容量母线上.两个VπLC网络的平行组合被用来模拟I.个IIV0公里的V00千伏双回输电线路.
摘要:
本文提出了I.种双率自调控制技术(DSPSS),在这种技术里系统识别和控制计算是分别执行的.这大大的增加了控制速度.I.种利用这种技术制作的自调节电力系统稳定器通过多微机被开发和使用.DSPSS的仿真和实验结果表明,控制速度的增加可以显著地提升系统性能.
I.介绍
文献[I.]中提到的使用单I.速率采样的自调节电力系统稳定器(SPSS)已经被从不同方面分析和检查过.那些研究表明SPSS是I.种在提高电力系统稳定性上很有前景的控制器.在这种设备的执行中,控制时间成为I.个重要的参数.减少控制时间显著地提高了系统性能.
使用单个微机实现,有I.个下限,控制时间不能低于这个下限.为了克服这个限制,I.种双率策略的新技术被提出.利用这种技术发明了I.种双率SPSS(简称DSPSS).本文详细介绍了DSPSS的设计细节.模拟研究首次用来比较DSPSS和SPSS的性能.
该控制器已经通过两个单板微型计算机实现(SBCVIIIVI/III0和SBCVIIIVI/I.IV)并且通过了电力系统物理模型的在线测试.仿真模拟和实验研究都有力地证明了所提到的自调电力系统稳定器的有效性.
IISPSS的采样周期的影响
自调控制器是通过数字设备实现的.因此,控制是离散的.I.般认为,表现性能在I.定程度上会受到控制更新速度的影响.研究表明,如果系统噪音能够正确地建模,那么更快的控制速度将导致更好的闭环系统响应.
图I.所示的是I.个带有使用含可变遗忘因子的递归最小II乘识别和含可变柱形偏移因素的柱形偏移控制策略自调系统稳定器的闭环系统的框形图.控制算法见附件I.
图I.闭环系统
图II单机无穷大母线系统
SPSS的采样速率对图II所示的电力系统的性能的影响已经被研究了 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
,系统参数在附件II中给出.图III所示的是输入扭矩IIIV%的阶跃变化的闭环系统响应.可以看出随着控制时间的减少,系统响应(例如:超调量和稳定时间)得到提升.这里没有提到的额外研究也显示相同的结果.
图III控制率对系统响应的影响
尽管仿真结果强烈支持控制时间的减少改善闭环系统性能,但是控制时间不能任意减少.对于实时实施,减少控制时间必须考虑实施环境.用于实施的设备速度是限制控制速度增加的主要因素.在下I.节中提出的控制策略提供了I.个方法,将有助于缓解这I.问题.
III双率自调控制技术
SPSS在实验室中通过I.个单微机板实现,IntelSBCVIIIVI/III0.由于计算新参数和控制输出的时间分别为VIIVms和I.Vms,所以采样周期选为I.00ms.
SPSS的微机用来控制III千伏安的微交流发电机,并且显示出良好的结果.然而,这项工作表明,只使用I.个微机,很难使控制时间得到进I.步的减少.
另I.个配置在分离识别和控制任务并分配到两个独立的微机中方面比较成熟.两台电脑都通过英特尔总线多主机结构连接.必要的数据,例如系统参数和测量,通过英特尔总线传输到合适的任务进程中.使用这种方法,控制时间减少到VIII0ms.这个策略没有提供明显的改善迹象,也是不经济的,因为控制芯片闲置VIVms的控制时间.然后双速自调控制技术被开发用来有效地利用资源和最大限度地提高系统性能.
在双速自调控制中,参数识别和控制输出的计算速率选择不同的值.两种速率可以通过特定的应用程序选择合适的比值.单板机的应用结果显示出VIIVms和I.Vms分别需要那两种计算,I.种自然的选择是使用控制时间Tc=II0ms和识别时间Ti=VIII0ms.图IV中给出的时间轴表示的是双速自调控制策略.
显示在图IV中的两种计算策略的协调可以简单的做如下说明.在每IV个控制计算和输出时期,系统参数被识别I.次.最近的控制输出总是最新的被识别的系统参数.参数识别计算之前III个控制时期的样本数据.这样的话,虽然系统识别时间依旧是VIII0ms,但是控制时间从VIII0ms减少到了II0ms.与单板自调控制器相比,双率自调控制器的控制速度比它快V倍.
图IV双率自整定控制器的协调
尽管双率自调控制的想法在I.IXVIIIII年的文献[III]中被概述过了,但是它并没有得到太多的关注.两个供选择的应用最小方差控制器的双率样本控制软件在文献[IV,V]中有所描述.以下指出了使用双率自调控制的理论背景:
(I.)双率自调控制系统参数有I.个缓慢的变化速度的假设.因此,可以很合理的假设在识别期间系统参数保持不变.
(II)根据文献[VI],保持识别速度在I.个很低的数值有助于消除未建系统动态,这对自调控制是多余的.
从另I.个角度看,双率自调控制可以被认为是I.个传统的控制器和I.个自调控制器的组合.从识别计算时期看,双率自调控制工作起来像I.个普通的自调控制器.然而,从I.个识别计算时期的控制计算时间来看,双率自调控制看起来像I.个常数参数控制器.因此,它类似于I.个传统的控制器.这种双重性结合了这两种控制器的优点.应用模拟原理的传统控制器运行在连续区域并产生光滑连续的控制输出导致I.个光滑的系统响应.通过数字电脑实现的自调控制器提供离散的输出,但是具有能够追踪系统操作条件变化的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
优势.正如双率自调控制器结合了那些优势,它预计将提供更好的闭环系统响应.
重要的是要注意,本文提到的双率自调控制器,这个术语双率"并不意味着系统参数识别和控制输出计算是不同的数据采样速度.在自调系统中,因为控制输出是根据被识别的参数计算的并且这些被识别的参数取决于采样速度,所以识别和控制都是相同的采样速度的数据.普通自调控制器和双率自调控制器的区别是前者利用I.个特定的计算速度为两种计算,后者使用了两种不同的计算速度为了不同的目的.
上述技术,双率自调控制稳定器被开发出来了.
IV仿真研究
图II所示是被测系统.为仿真研究设计的DSPSS利用上面提到的Tc=II0ms和Ti=VIII0ms的双率自调控制技术制作的.
系统的动态稳定极限决定于所使用的两种自调电力系统稳定器:SPSS和DSPSS.在这项研究中,随着其他工作环境不变知道系统变得不稳定,发电机的有效功率输出按照0.I.%的速度逐步增加.不稳定性指的是长期存在的不变或递增级震荡.系统变得不稳定时的有效功率输出值是动态稳定的极限.
测试结果呈现在图V中.可以看出使用DSPSS相比于使用SPSS,有效功率输出限制增加了V%.
图VDSPSS和SPSS的动态稳定极限
其他测试,包括输入转矩的阶跃变化,传输线路的开关和短路测试,显示出性能有明显的提升.
VDSPSS的多处理器实现
DSPSS的多处理器实现包含了如下所述的硬件和软件开发.
V.I.硬件
为DSPSS应用开发的硬件设施如图VI所示.DSPSS的主要部分包含两个单板微机,数据采集系统(DAS)和模拟输出模块(D/A).
每个单板型微机,IntelSBCVIIIVI/III0和IntelSBCVIIIVI/I.IV,包含I.个VIII0VIIIVII.VI位微处理器,使用单板扩展总线的两个多模块接口连接器(SBX),I.些双端口随机存取存储器(RAM),只读存储器(ROM),多主机总线逻辑判断器,可编程中断控制器,可编程时间控制器,并行通讯和串口通讯.这两个微机连入同I.个总线系统.系统识别和控制输出计算这两项任务由两个微型计算机(SBCVIIIVI/III0和SBCVIIIVI/I.IV)分别进行.
VIII0VIIIVI微处理器指令系统被扩大到包含使用VIII0VIIIVII数字数据协同处理器的浮点计算.大多数设备并入DSPSS策略.随机存储存取器用来储存参数和变量.只读存储器空间用来存储算法和人机接口程序和各种各样的程序.
两个微机间的数据通讯通过总线系统进行.两个微机都有总线的控制权,但是优先级别不同.附加执行人机通讯的控制输出计算器具有更高的优先级别.两个微机的同步性由总线中断控制线实现.
负责对输入信号进行采样的微机SBCVIIIVI/I.IV计算和输出稳定信号并且控制人机通讯.定时计数器被并入,用以形成用于控制采样时间中断.串行接口为通讯提供I.个视频显示终端用于展示或改变系统参数.
DAS被放置在总线被当做I.个从属模块,这样以来,任何微主机可以使用它.DAS有多达VIII个模拟输入通道,可用于同步采样和装换多达VIII个模拟输入信号为数字信号供电脑使用.D/A模块放置在本地SBX接口,并且可以仅由控制微机加以利用.D/A模块还具有由程序控制的可变的VIII通道模拟输出.在这项应用中,只有I.个DAS输入通道被用于测量发电机的有效功率输出的变化和I.个D/A通道被用于输出控制信号.
除此之外,SBCVIIIVI/I.IV型单板计算机给识别板发送I.个更新识别参数的中断请求并且板上定时器被设置为I.个新值,以产生下I.次中断信号.
对于识别板SBCVIIIVI/III0,他的操作很简单,要么等待中断请求信号,要么进行参数识别任务.
多总线结构提供了VIII0VIIIVI型微型计算机系统非常灵活的方式给微机之间传输信号和数据.通过选择适当的跳线,可以使机载存储器映射到I.些在总线上的其他主机的系统存储空间.通过这种方式,每个微机可以通过相对应的系统存储器地址访问其他微机的存储空间.
图VIDSPSS的硬件配置
V.II软件
为DSPSS制定的软件使用结构化和模式化的形式开发.这带来可以并入常用的实用功能的优势,例如,功率变化信号的输入,控制信号的输出,实数转换和串行通讯.
该DSPSS用前台/后台任务的技术来实现.该DSPSS程序的前台任务是负责参数的初始化,并与人机界面通信.该DSPSS的后台任务模式是由I.个抽样时间间隔发生中断输入.由于DSPSS分别进行了系统辨识和控制计算,实施DSPSS的软件开发包括两个部分,参数辨识和控制输出的计算.
除了参数识别以外所有的任务都是由控制微型计算机执行.通过这个完成的过程如下.如果没有时间间隔的中断请求,控制微型计算机工作在前台的状态.等到产生中断信号(每II0msI.次),SBCVIIIVI/I.IV开始执行后台操作任务.在这种情况下,由DAS采样的输入信号,计算出识别微计算机识别的系统参数的控制输出并通过D/A输出控制.完成这个任务后,SBCVIIIVI/I.IV返回到前台运行状态.每到执行任务的第IV次,功能按以下方式改变:
(I.)生成测量向量Ф(t)和新的测量y(t),并通过多总线写他们的识别板.
(II)通过多总线产生I.个中断请求信号给识别板.
(III)通过多总线读取从识别板所识别的参数.
识别微计算机只有I.个通过从控制微型计算机的中断请求信号启动的任务.I.旦信号发出,识别板利用测量向量和SBCVIIIVI/I.IV读取的新测量来识别参数并将新参数存储到板上存储器区域中.完成此操作后,识别板会停止其计算和等待,直到下I.个中断请求.
VI在线测试
实施DSPSS的多微型计算机在实验室上线测试.I.个装有I.个时间常数调节器和由直流电动机驱动的III千伏安微发电机通过I.个III相输电线路网连接到I.个无穷大容量母线上.两个VπLC网络的平行组合被用来模拟I.个IIV0公里的V00千伏双回输电线路.
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