摘要：分析了使用傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)高壓斷路器智能操作控制的復(fù)雜性。以模糊理論為基礎(chǔ)，研究了系統(tǒng)電氣參數(shù)與系統(tǒng)狀態(tài)的模糊關(guān)系，形成了對斷路器剛分速度的控制規(guī)則和模糊控制方法，給出了模糊控制器的硬件結(jié)構(gòu)。模擬控制表明，該模糊控制器具有優(yōu)良的控制性能，其精度和速度完全能滿足斷路器智能操作的要求。 　　 關(guān)鍵詞：斷路器；模糊理論；智能操作；電力系統(tǒng)故障 目前，已投入運(yùn)行的斷路器滅弧裝置的開斷能力主要是按開斷短路電流設(shè)計(jì)的，不論開斷于何種工作條件，斷路器的運(yùn)動特性是不可調(diào)的，即都按單一的空載特性分閘。但在實(shí)際運(yùn)行中，大多數(shù)的開斷操作是在正常條件（如負(fù)載或無載）下進(jìn)行的，這些情況的開斷不需很大的分閘速度就能熄弧。全速分閘不但使斷路器的機(jī)械裝置受到不應(yīng)有的沖擊，影響系統(tǒng)的壽命和可靠性，還可能因而產(chǎn)生操作過電壓，給其它設(shè)備的安全運(yùn)行造成威脅。鑒于此，國內(nèi)學(xué)者已提出斷路器智能操作的新概念［1］。所謂智能操作是指動觸頭從一個位置到另一個位置的自適應(yīng)控制的轉(zhuǎn)換。 　　 在斷路器的開斷過程中，智能操作的一個重要特征是可以自動調(diào)節(jié)和控制斷路器合適的分閘速度，即當(dāng)分閘命令到來時(shí)，根據(jù)反映當(dāng)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)的電流、電壓、功率因數(shù)等參數(shù)的數(shù)值及各參數(shù)之間的關(guān)系來確定所需開斷速度的大?。?］。由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性和故障的多樣性，使得系統(tǒng)狀態(tài)與系統(tǒng)各參數(shù)之間的關(guān)系很難用嚴(yán)格的邏輯和數(shù)學(xué)方法來描述，因此，采用精確的數(shù)學(xué)模型控制是非常困難的。本文以電力系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)斷路器開斷速度特性，綜合運(yùn)用模糊推理方法，提出了SF6高壓斷路器操作機(jī)構(gòu)的模糊控制模型。隨著該模糊系統(tǒng)的不斷完善，將大大提高斷路器智能操作的可靠性和實(shí)用性。 　　 1 模糊控制模型的數(shù)學(xué)描述 　　 1.1模糊關(guān)系矩陣 　　 對于液壓分閘操作的斷路器，一種有效的分閘速度調(diào)節(jié)方法是根據(jù)不同的開斷條件改變液壓操作機(jī)構(gòu)的管道綜合損失系數(shù)。研究表明，通過調(diào)節(jié)安裝在排油管路中的調(diào)節(jié)閥開度可使管道綜合損失系數(shù)在較大范圍內(nèi)變化［3］。在本控制器的設(shè)計(jì)中，閥的開度用等效孔徑來表示。因此，根據(jù)分閘時(shí)系統(tǒng)有關(guān)電氣參數(shù)值來調(diào)節(jié)排油閥的孔徑，可使斷路器獲得合適的分閘速度。如上所述，反映電力系統(tǒng)狀態(tài)的電氣參數(shù)與對應(yīng)孔徑之間的關(guān)系很難用精確的數(shù)學(xué)方法來表達(dá)，但它們之間確實(shí)存在著某種聯(lián)系，根據(jù)模糊控制理論，這種聯(lián)系可以用模糊關(guān)系矩陣來描述［4］，U＝｛u1，u2，…，un｝，為系統(tǒng)電氣參數(shù)值組成的集合。V＝｛v1，v2…，vm｝,為液壓機(jī)構(gòu)排油閥等效孔徑組成的集合。 　　在模糊控制理論中，U、V為存在模糊關(guān)系的兩個論域，并可由U、V作出一個新的論域U×V。U×V上的模糊集R∈F（U×V）被稱為U與V之間的模糊關(guān)系，用矩陣表示為 　　 　　 其中：R為所謂的模糊關(guān)系矩陣；rij＝μR（u,v）為u與v關(guān)于R的關(guān)系程度，稱為u與v關(guān)于R的隸屬函數(shù)，其值域?yàn)椋?，1］。rij的大小表示ui存在時(shí)vj出現(xiàn)的可能程度，特別地，rij＝0表示vj與ui的存在無關(guān)；rij＝1表示ui的存在導(dǎo)致vj出現(xiàn)的可能性很大。在斷路器的智能操作中，rij的大小表示電氣參數(shù)對排油閥孔徑的影響程度。 　　 1.2模糊控制規(guī)則 　　 模糊控制的核心是模糊決策，模糊決策的基礎(chǔ)是模糊控制規(guī)則。模糊規(guī)則是根據(jù)專家的知識和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的，它的形式為語言變量表示的模糊條件語句。一條模糊控制規(guī)則由前提和結(jié)論兩部分組成。為方便討論，只考慮開斷電流I的量值a和相位p（電流滯后電壓的相角）對排油閥孔徑d的影響。因而在該模糊控制系統(tǒng)中，模糊控制的前提部分是電流a和相位p的論域A和P中的模糊集，結(jié)論部分為排油閥孔徑d的論域D的模糊集，論域A、P和D的模糊集分別由如下形式表示 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（負(fù)大）、NM（負(fù)中）、NS（負(fù)小）、ZE（零）、PS（正?。?、PM（正中）、PL（正大）分別為參數(shù)的語言值。 在以計(jì)算機(jī)為中心的控制系統(tǒng)中，為方便數(shù)據(jù)處理，通常將輸入?yún)?shù)的值進(jìn)行尺度變換和離散化。在該控制系統(tǒng)中，電流離散后的論域?yàn)椋?，14］，共15級；相位離散后的論域?yàn)椋郏?，＋4］，共9級；控制輸出（排油閥等效孔徑）的論域?yàn)椋?，22］，單位為mm，共15級。輸入、輸出參數(shù)在離散域上的模糊隸屬函數(shù)分別如表1、表2和表3所示。 [IMG=離散域上F（A）的隸屬函數(shù)]/uploadpic/THESIS/2008/1/2008010712204755674Z.jpg[/IMG] [IMG=離散域上F（P）的隸屬函數(shù)]/uploadpic/THESIS/2008/1/2008010712205375818K.jpg[/IMG] [IMG=離散域上F（D）的隸屬函數(shù)]/uploadpic/THESIS/2008/1/2008010712210228983M.jpg[/IMG] 　　一般而言，開斷的電流越大，所需的分閘速度越高；反之，開斷的電流越小則所需的分閘速度越低。但是在開斷小容性電流（相角p接近－90°）時(shí)，所需的分閘速度就應(yīng)比開斷相同數(shù)值的正常負(fù)載電流大，以便提高弧隙的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度，避免出現(xiàn)重?fù)舸╇妷骸５陂_斷小感性電流時(shí)（相角p接近90°）需要有較小的分閘速度，以降低操作過程中可能產(chǎn)生的截流過電壓［5，6］。對于以電流和相位為輸入、排油閥等效孔徑d為輸出的雙輸入單輸出模糊控制系統(tǒng)，根據(jù)專家知識和經(jīng)驗(yàn)，不同的電流和相位的組合形成了不同控制規(guī)則，所有的規(guī)則構(gòu)成的表格，稱為模糊控制規(guī)則表，如表4所示?！　? 表4中每一格表示一條規(guī)則，上表一共包括23條規(guī)則，每條規(guī)則由相應(yīng)的模糊條件語句表示，例如，表中規(guī)則欄的左上方第1格和第2格可以用一條規(guī)則來表示：“如果A＝NL或NM，且P＝NL，則D＝NS”；又如，第3格表示“如果A＝NS，且P＝NL，則D＝PS”。 　　 2 推理規(guī)則及計(jì)算 　　 對于一個有L條控制規(guī)則的系統(tǒng)，基本的推理方法有兩種，即綜合法和并行法。在采用綜合法推理時(shí)，由每條規(guī)則求出相應(yīng)的模糊關(guān)系Rl（l＝1，2，…。L），并由此計(jì)算出總的模糊關(guān)系R＝R1∪R2∪…∪RL，控制時(shí)根據(jù)實(shí)際輸入（經(jīng)離散和模糊化）的模糊集A′和P′，運(yùn)用R進(jìn)行模糊推理運(yùn)算，求出合成的輸出模糊集D′＝（A′×P′）R。并行法推理則是根據(jù)每條規(guī)則Rl求出相應(yīng)的輸出D′l＝（A′×P′）Rl,然后計(jì)算合成的輸出模糊集D′＝D1′∪D2′∪…∪DL′。 　　 運(yùn)用適當(dāng)?shù)娜ツ：呗?，由輸出模糊集可得控制輸出的精確值d。 　　 由于用模糊關(guān)系求輸出D的計(jì)算較復(fù)雜，不便于在線實(shí)時(shí)控制，因此，本模糊控制器的設(shè)計(jì)，首先根據(jù)給定控制規(guī)則和算法，求出輸入、輸出的對應(yīng)關(guān)系表，在線控制時(shí)只須根據(jù)輸入?yún)?shù)值查表即可得到控制輸出。采用極小模糊推理規(guī)則時(shí)，控制表格的計(jì)算過程如下： 　　 （1）設(shè)電流離散級數(shù)為j級，相位為i級，根據(jù)查表1、表2得到的電流和相位的模糊集的隸屬函數(shù)值μF（A）（j），μF（P）（i），計(jì)算對應(yīng)規(guī)則的激勵強(qiáng)度α＝min｛μF（A）（j），μF（P）（i）｝； （2）根據(jù)表3、表4，運(yùn)用模糊推理合成法，計(jì)算按點(diǎn)給定的輸出模糊集Dl＝min｛α，μF（D）（k）｝，l＝1，2，…16； （3）計(jì)算D＝D1∪D2∪…∪D16； （4）采用重心法進(jìn)行去模糊化運(yùn)算，得控制輸出 （5）對所有的i和j分別計(jì)算d,最終可得模糊控制總表，如表5所示。 模糊控制總表通過離線計(jì)算得到，存放在模糊控制的規(guī)則庫中，在線控制時(shí)只須由輸入電流a和相位p的實(shí)測值，經(jīng)離散、量化到相應(yīng)的論域中，便可查表得到實(shí)際的控制輸出量d。 　　 需要指出的是，表5由表1～表4計(jì)算得到，如果相關(guān)參數(shù)的隸屬函數(shù)的取值或控制規(guī)則表有所變化，表5的內(nèi)容會出現(xiàn)相應(yīng)的改變。此外，在表5中電流及相位的取值同時(shí)覆蓋了整個論域，在斷路器的實(shí)際運(yùn)行過程中，表5中的有些開斷條件將不會出現(xiàn)，例如在P＝－4（空載長線相位特性）時(shí)，A不可能取14（相當(dāng)于額定短路電流值）。 　　 3 控制舉例及討論 　　 在模糊控制的實(shí)際應(yīng)用中，斷路器端口的電流和電壓信號分別由電流互感器和電壓互感器拾取，經(jīng)二次分壓、信號調(diào)理及檢測等處理后，得到電流的有效值A(chǔ)及電流與電壓的相差P，經(jīng)論域變換和量化后，輸入到控制單元。并通過查表可立即得到控制輸出量，并通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)相應(yīng)的孔徑d，由此得到最佳的斷路器的分閘速度。 　　 例如：對于額定短路開斷電流為40kA的斷路器，在正常負(fù)載下開斷時(shí)，若電流測量值為3 150 A（論域變換后的值為1），相位測量為28°（論域變換后的值為1），則查表5可得控制輸出d＝9.9mm；而在額定短路開斷電流開斷時(shí)，電流的測量值為40kA（論域變換后的值為14），相位為82°（論域變換后的值為4），則輸出d為22.0mm；對于空載長線和空載變壓器的小電流開斷，如果兩次測量的電流值均為31.5 A（論域變換后的值為0），而相位分別為－90°和90°（論域變換后的值分別為－4和4），則輸出d分別為11.9mm和11.2 mm。以上例子說明，模糊控制器能根據(jù)系統(tǒng)不同開斷狀態(tài)給出不同的輸出，從而使斷路器有不同的分閘速度。 文獻(xiàn)［3］對額定短路開斷電流為40kA的SF6斷路器進(jìn)行了仿真分析，得出了在不同的開斷條件下斷路器能成功開斷所對應(yīng)的排油孔徑，如表6所示。表中的開斷條件主要包括線路充電電流開斷（31。5 A）、BTF（端子短路故障）開斷（含10%Ike、30%Ike、60%Ike、100%Ike的4種試驗(yàn)方式）?？梢钥闯?，對于不同開斷的開斷條件，模糊控制輸出和仿真分析結(jié)果基本吻合（計(jì)算結(jié)果數(shù)值上的差異是因二者的排油孔徑論域的取值不同而導(dǎo)致）。 　　 上文討論了開斷電流值及其相位對剛分速度的影響。實(shí)際控制時(shí)還可以根據(jù)具體情況增加其它的模糊輸入?yún)?shù)，如對于雙電源系統(tǒng)，就可以利用其它參數(shù)和分析手段，在模糊輸入?yún)?shù)中增加系統(tǒng)失步故障參數(shù)，以及利用故障測距技術(shù)區(qū)分系統(tǒng)的近端故障，以便調(diào)整輸入、輸出論域的模糊集的隸屬函數(shù)。也可以根據(jù)實(shí)際的控制效果優(yōu)化模糊控制規(guī)則表，以得到最佳的控制效果。由于采用查表法，隱含的模糊推理運(yùn)算是離線的，因而在線控制速度非常快。 4 模糊控制器硬件結(jié)構(gòu)及工作原理 　　 所研究的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。電網(wǎng)電壓和流過斷路器的電流分別由PT和CT拾取，經(jīng)二次分壓，A／D轉(zhuǎn)換器等環(huán)節(jié)送入數(shù)字處理器。為了能實(shí)現(xiàn)快速采集和數(shù)字濾波處理，處理器采用32位高速數(shù)字信號處理器TMS320C30。由于該處理器具有很高的處理速度（每秒可完成33×106次浮點(diǎn)運(yùn)算），對于常規(guī)的數(shù)值計(jì)算和處理可在ms內(nèi)完成［7］，其處理速度完全能滿足斷路分閘控制的要求。 　 　　 　　 處理器上電復(fù)位后，對電流電壓進(jìn)行不間斷采集，采集結(jié)果按先進(jìn)先出的環(huán)形隊(duì)列方式儲存于指定的RAM區(qū)域中，從而保證該RAM區(qū)的數(shù)據(jù)始終能反映電網(wǎng)的最新狀態(tài)。電力系統(tǒng)無故障時(shí)，通過對采集值的處理和計(jì)算，可測量母線電壓、回路電流及功率因數(shù)等參數(shù)。在斷路器進(jìn)行正常分閘操作時(shí)（非故障分閘），分閘信號觸發(fā)處理器的INT0中斷，中斷服務(wù)程序根據(jù)所測得的參數(shù)進(jìn)行模糊推理，并根據(jù)推理結(jié)果控制排油閥的開度，從而使斷路器獲得合適的分閘速度。電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，電網(wǎng)中的電流突然增大而電壓突然減小，如果電流和電壓的變化量超過整定值，波形突變檢測電路迅速作出反應(yīng)［8］，并觸發(fā)處理器的INT1中斷。INT1中斷服務(wù)程序完成對短路電流和電壓的采集，并通過數(shù)字濾波處理計(jì)算出短路電流的基頻分量及衰減直流分量，以便精確地進(jìn)行模糊推理，向調(diào)節(jié)閥輸出準(zhǔn)確的控制量。由于TMS320處理器具有很高的處理速度，上述計(jì)算和控制均在收到繼電保護(hù)裝置發(fā)出分閘命令之前完成。 因?yàn)镮NT1中斷信號只在故障發(fā)生時(shí)才產(chǎn)生，所以INT1中斷服務(wù)程序可以根據(jù)故障前后所采集到的參數(shù)值分析故障原因，以及進(jìn)行故障測距和故障類型的分析，為重合閘操作提供可靠的技術(shù)手段。在本系統(tǒng)中，不論電力系統(tǒng)是否發(fā)生故障，采集到的數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果均可通過串行接口傳送給微機(jī)（上位機(jī)）。 5 結(jié)論 　　 本文基于模糊理論給出了斷路器智能分閘操作的控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是：①可以根據(jù)開斷條件自動調(diào)節(jié)斷路器的分閘速度。②能實(shí)現(xiàn)操作機(jī)構(gòu)和滅弧室的良好配合，提高液壓?機(jī)械裝置的可靠性和使用壽命，有利于其他設(shè)備的安全運(yùn)行。③由于采用高性能、低價(jià)格的數(shù)字信號處理器作為主控單元，該控制系統(tǒng)不僅實(shí)時(shí)性好、可靠性高，而且成本低，對于每臺價(jià)值幾十萬甚至上百萬的超高壓斷路器，控制系統(tǒng)不超過總成本的2%。該系統(tǒng)的應(yīng)用將使斷路器的操作技術(shù)產(chǎn)生重大突破，這在學(xué)術(shù)上和工程應(yīng)用上具有重要的意義。 參考文獻(xiàn)： [1]馬志瀛，徐黎明，李治。超高壓斷路器設(shè)計(jì)的兩個理論基礎(chǔ)及智能操作。見：王大乾。500 kV高壓開關(guān)設(shè)備制造運(yùn)行技術(shù)論文集。浙江上虞：中國電機(jī)工程學(xué)會變電專委會，1997。 [2]馬志瀛，陳曉寧，徐黎明。超高壓SF6斷路器的智能操作。電氣世界，1998，（4）：3～5 [3]徐黎明。壓氣式SF6高壓斷路器開斷性能仿真分析和智能操作：［博士學(xué)位論文］。西安：西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，1998。 [4]李人厚，秦世引。智能控制理論和方法。西安：西安交通大學(xué)出版社，1994。 [5]陳慈萱，馬志瀛。高壓電器。北京：水利電力出版社，1987。 [6]李光琦。電力系統(tǒng)暫態(tài)分析。北京：水利電力出版社，1995。 [7]汪亞南。TMS320系列高速單片機(jī)原理與應(yīng)用。成都：電子科技大學(xué)出版社，1991。 [8]Takamu G,Osamu N,Masaru I， et al。400 Vclass high-speed current limiting circuit breaker for electric power system, IEEE Trans on Power Delivery,1994,9（3）:1 428～1435。