分布式自动控制 篇1
配电网区别于输电网的主要一点就是配电网是单端电源供电系统, 其电流、功率的方向是恒定的, 因此继电保护的配置也是基于单端电源系统设计的。目前我国中、低压配电网主要是单侧电源辐射型供电网络。
而分布式小电源是未来智能电网的重要组成部分, 它不易受到主网稳定性的影响, 具有良好的“自愈”能力, 是清洁能源的重要组成部分。
本文超前的探索了分布式小电源在未来坚强智能化的配网中所遇到的问题, 特别是对自动控制装置的影响, 具有一定的启发作用。
1 自动控制装置介绍
1.1 自动重合闸装置
前加速自动重合闸主要用于35kV以下由发电厂或重要变电站引出的直配线路上, 以便快速切除故障, 保证母线电压。原理如下:
如图1所示, 每条线路上的限时电流速断保护和过流保护的动作时限均按阶梯形原则来配合。因而靠近电源端保护2处的时限就较长。为了能加速故障的切除, 可在保护2处采用前加速的方式, 即当任何一段线路上发生故障时, 第一次都是由保护2瞬时动作子以切除。如果故障是在线路AB以外 (如K3点) , 保护2的动作也是无选择性的。但在断路器2跳闸后, 立即启动重合闸重新恢复供电, 从而纠正了上述无选择性的动作。如果此时的故障是瞬时性的, 则在重合闸成功以后就恢复了供电。如果故障是永久性的, 则故障K3由保护1切除, 当保护1拒动时, 保护2第二次就按有选择性的时限动作于跳闸。该方法能够快速切除瞬时性故障, 提高重合闸成功率, 能保证厂用电和重要用户的电能质量。缺点是永久性故障切除时间可能较长, 有可能扩大停电范围。
一般情况下, 电缆故障大多是永久性故障, 因此自动重合闸前加速装置装设在配电网的架空线路上, 简单、经济。
1.2 备自投装置
根据《3~110kV电网继电保护装置运行整定规程》明确指出:对于该类电压等级的电网, 宜采用环网布置、开环运行方式, 并以自动重合闸和备用电源自动投入来增加供电的可靠性。
备用电源自动投切装置是当工作电源故障和其它原因被断开后, 能迅速自动地将备用电源或其它正常工作电源投入工作, 使工作电源被断开的用户不至于停电的一种自动装置。随着电网不断扩大, 地区电网短路电流的遮断变得越发困难, 而且为了减少电磁环网对电网安全性的影响, 在高一级电网已构成环网的情况下, 地区电网低一级电网将解环而呈辐射型分区分片供电。但解环后的电网的可靠性明显下降, 为此“备用电源自动投切装置”在地区电网变电站中作为一种“微机控制设备”被大量应用。
备自投装置应用在电网系统变电站和重要用户变电站内, 在增加供电可靠性方面得到充分肯定。但作为分区分片供电的地区电网而言, 备自投装置的控制策略必须针对地方电网进行单独研究。
2 分布式电源对自动重合闸装置的影响分析及仿真
2.1 对自动重合闸的影响定性分析
2.1.1 分布式电源所在馈线线路故障
如图2所示, 两条馈线都采用前加速自动重合闸装置, 分别装设在保护3, 4上。首先分析无分布式电源的情况:当K1发生瞬时性故障时, 保护3将瞬时动作并重合, 清除瞬时性故障。保护3立刻断开是希望故障点熄弧, 待故障切除再成功重合。当分布式电源接在母线B上且K1发生瞬时性故障时, 保护3断开后虽然系统侧不再提供故障电流, 但分布式电源会继续向故障点提供故障电流, 使得电弧不能立即熄灭, 以致保护3前加速装置重合不成功, 有可能导致永久性故障, 扩大停电范围。同样当分布式电源下游的K2发生瞬时性故障时, 前加速重合闸装置立即跳开, 但由于分布式电源也会给故障点继续提供故障电流, 从而导致重合闸不成功。
所以当分布式电源所在馈线发生瞬时性故障时, 由于分布式电源在前加速重合闸装置断开后依然供出故障电流, 导致重合闸失败, 从而变为永久性故障。为了避免前加速重合闸重合失败, 有两种方案:
1) 当故障发生时, 分布式电源立刻切除, 退出电网, 这样保证了系统侧重合闸的成功, 但缺点是如果故障为永久性故障, 分布式电源对下游的负荷供电将会中断。
2) 在线路AB靠近母线B处也装设保护装置, 故障K1发生时, 线路AB两侧的保护均动作, 这样就可以可靠切除故障了。此时分布式电源侧将会与下游负荷形成孤岛。这种方法保证了下游负荷的持续供电, 但孤岛运行的问题随之而来, 电压、频率等如何调整来保证电能质量, 故障切除后与系统并列时如何防止非同期问题。这需要馈线保护及自动装置的配合调整和分布式电源自身的控制来综合实现。
2.1.2 相邻馈线线路故障
如图3所示, 若K1处发生瞬时性故障, 保护4将瞬时动作切除故障并重合成功, 但当分布式电源向K1供出的故障电流过大时, 有可能会引起本馈线上游保护3的误动作, 由于保护3也装设了前加速重合闸装置, 也会引起保护3自动重合闸装置的误操作;若K1处发生永久性故障, 保护4会重合失败, 这时馈线的保护依次按整定的时限进行动作。当故障点K1在保护4的电流速断保护范围外时, 需要经延时由限时电流速断保护来切除故障, 而由于分布式电源的存在, 在延时期间分布式电源仍会向故障点提供故障电流, 有可能将引起保护3的误动作。所以需要考虑给分布式电源上游各保护加设方向元件来判断分布式电源的反供电流。
由上述两种情况的分析可以发现, 分布式电源所在馈线发生瞬时性故障时, 分布式电源的存在会导致前加速重合闸装置重合失败, 会形成永久性故障、扩大停电范围。而当相邻馈线故障时有可能会引起分布式电源所在馈线上游保护和重合闸装置的误动作。
2.2 仿真分析
系统侧电压选取10kV配电网的额定电压10.5kV, 即。
通过BPA计算出在某地区电网某条10kV母线短路时的短路电流是8.18kA, 因此系统最大运行方式和最小运行方式的系统阻抗值为:
可知, 馈线AB上的最大负荷电流分别为255A。
仿真图形见下图5和图6所示:
结果显示, 在有小水电接入后, 流入故障点的电流和正常工作电流大小相差不大 (10.2秒~10.4秒) , 因此对故障点的熄弧效果产生很大影响, 会造成熄弧失败。很明显分布式电源向故障点提供的故障电流会非同期重合闸而导致重合失败, 扩大停电范围。
3对备自投的影响分析
随着电网的不断建设, 网络结构更趋合理, 在110kV线路, 甚至到10kV线路中, 都有可能出现合环建设, 开环运行的情况。这将使得电网的可靠性得到提高, 在人为或者非人为的情况下实现线路转供, 减少停电时间。但由于现有的设备不足以实现转供的自动化, 因此在很多地方都需要加装备自投装置。
由于各地区电网的实际特点不同, 现有的备自投控制策略还存在很大的不足, 这也成为关系电网安全的一种隐患。通过对地区电网中现有备自投策略的深入分析, 得出现行策略的如下不足之处:
1) 现有备自投策略易受地方小电源干扰。目前备自投的故障掉电检测信号一般是电压和电流, 检测信号单一会导致备自投的误动和拒动现象的发生。对于某些变电站将失电的电压整定值定得太低 (如电压定为30%) , 当主电源侧的断路器跳开, 但由于地方机组的强力支撑作用并不会跌落太多, 从而导致备自投拒动现象的发生;另一方面, 若把电压整定值定得太高 (如电压定为70%) , 则在地方电源无功出力较小, 地方无功负荷较重时发生误动。
2) 现有备自投策略未考虑远方备用电源侧设备的安全性。目前备自投策略仅仅考虑了本地变电站母线电压或进线电流, 而没有考虑远方备用电源侧主变的容载比、线路的热稳定极限等, 易导致备用电源侧过负荷跳闸, 导致故障的进一步扩大。这就客观上需要在备自投控制策略中引入相应的支路功率测量信号进行相应的计算和投切闭锁。
仿真的模型示意图见下图7, 通过建立新的线路, 使得水电共线问题可以得到解决, DG接入点为图中的A点, 备自投加装在DG的母线侧, 若需要转供, 则通过备自投将线路接到C点处, 而与A点断开。
仿真中, 设置在10.2秒断开断路器BRK2, 检测此时发电机端的母线电压。下图为10.2秒前后的电压变化。
从图8中可以看出, 断开BRK2后发电机端母线的电压从6.272kV降到5.686kV, 降幅为9.3%, 但仍然过高的电压会影响到备自投的有效动作。
4改进措施简析
(1) 自动重合闸
当分布式小水电接入后, 任何一段线路发生瞬时性故障时, 传统保护跳开后, 分布式电源仍然向故障点提供电流, 故障点的电弧持续燃烧。如果这时分布式电源处的保护没有在重合之前检测到故障并将DG从电网上断开的话, 将导致保护1前加速装置重合不成功, 有可能导致永久性故障, 扩大停电范围。这就要求在含有小水电的馈线中延长重合闸的时间, 使得有足够的时间检测到故障并将DG从电网上断开, 达到灭弧的效果。
(2) 备自投装置
从第3节的仿真结果中可以看出, 小水电的存在可能会影响到备自投的成功动作, 因此可以考虑在备自投动作前先将小水电短时间切除, 待备自投成功动作后再将小水电接入电网。这种方法可以有效解决因小水电的存在而带来的对备自投工作的影响, 如果考虑到备自投装置在现行的配网中所存在的所有问题, 可以采用广域备自投方法, 充分考虑到地方小电源和安稳信号对备自投装置的影响, 并且能预判备自投动作后对地区电网的安全稳定影响, 提出合理的解决方法, 尽可能提高供电可靠性。
摘要：现阶段的网架结构中, 常规的保护装置和自动装置的设置并不十分合理, 不利于电网的安全稳定运行, 而且在一定程度上也不利于地方小电源的经济运行。一方面, 目前的保护只是单向的, 和小电源接入后电网结构呈现出的双向性不吻合, 因此有时会出现在故障时装置出现拒动或者误动的情况;另一方面, 如线路遇到故障时, 都直接将线路中的所有小电源全部切机。因此本文主要分析分布式小电源接入电网后对自动控制装置的影响, 就不同的小电源上网方式对不同的自动控制装置的影响分别进行了定性和定量分析, 并对解决方案进行了一定的探讨。
关键词：小电源,自动控制装置,EMTDC,BPA
参考文献
[1]李瑞文.含分布式发电的配电网规划研究.西安理工大学硕士学位论文, 2010, 3
[2]郭力, 王成山.含多种分布式电源的微网动态仿真.电力系统自动化, 2009, 1
[3]韩奕, 张东霞等.中国微网标准体系研究.电力系统自动化, 2010, 1
分布式自动控制 篇2
随着传统的数据库技术日趋成熟、计算机网络技术的飞速发展和应用范围的扩充,数据库应用已经普遍建立于计算机网络之上。这时集中式数据库系统表现出它的不足:数据按实际需要已在网络上分布存储,再采用集中式处理,势必造成通信开销大;应用程序集中在一台计算机上运行,一旦该计算机发生故障,则整个系统受到影响,可靠性不高;集中式处理引起系统的规模和配置都不够灵活,系统的可扩充性差。在这种形势下,以分布式为主要特征的数据库系统的研究与开发受到人们的注意。
分布式数据库是数据库技术与网络技术相结合的产物,它有效地扩展了数据库应用的空间,使得不同地域的用户可以共享数据库,提高了办事效率。但是分布式处理却有一个先天缺陷,就是设计的复杂性,设计一个好的分布式数据库非常困难。本文从数据库并发控制角度, 介绍几种常用分布式并发控制方法,了解分布式并发控制技术的实现途径和控制协议,探讨其在现实中的具体应用。
1 问题的引入
下面先来看一个例子,说明并发操作带来的数据的不一致性问题。
考虑飞机订票系统中的一个活动序列:
(1) 甲售票点(甲事务)读出某航班的机票余额A,设A=16。
(2) 乙售票点(乙事务)读出同一航班的机票余额A,也为16。
(3) 甲售票点卖出一张机票,修改余额A←A-1.所以A为15,把A写回数据库。
(4) 乙售票点也卖出一张机票,修改余额A←A-1.所以A为15,把A写回数据库。
结果明明卖出两张机票,数据库中机票余额只减少1。由此可以看出并发控制对分布式数据库的重要性。
2 分布式并发控制技术
2.1 封锁法
封锁法是并发控制一个非常重要的技术。所谓封锁就是事务T对某个数据项操作之前,先向并发控制中心申请加锁请求,如果不和其他事务冲突,加锁成功;且在事务T释放该锁之前,其他事务不得更新该数据项。锁分为读锁(共享锁)和写锁(排它锁)。即对同一数据项在同一时刻可以有多个事务持有对其的读锁,但对同一数据项在任何时刻只能有一个事务持有对其的写锁。
在封锁法中实现并发的最著名的算法是两段锁协议。
两段封锁协议规定:
(1) 在对任何数据进行读、写操作之前,事务首先要获得对该数据的封锁,而且;在释放一个封锁之后,事务不再获得任何其他封锁。
(2) 所谓“两段”锁的含义是,事务分为两个阶段,第一阶段是获得封锁,也称为扩展阶段,第二阶段是释放封锁,也称为收缩阶段。
可以证明,若并行执行的所有事务均遵守两段锁协议,则对这些事务的所有并行调度策略都是可串行化的。因此我们得出如下结论:所有遵守两段锁协议的事务,其并行的结果一定是正确的。遵守两段锁协议,在集中式数据库管理系统中可以破坏死锁的形成条件,以保证事务调度的正确性。但是在分布式管理系统中并不能保证不发生死锁。
在分布式环境下,如果分布式数据库系统中没有重复存储的数据,可以使用分布式锁技术。其实现方法是,对每个结点保留一个局部锁管理器,处理对存储在本地的数据加锁和释放锁的请求。当分布式数据库系统中有多处重复存储的数据时,可采用集中式锁技术,即仅有一个锁管理器,该管理器放在惟一一个结点上,所有的加锁和释放锁的请求都在该结点上处理。此外,在分布式环境下的锁方法,还有混合锁技术、主副本锁协议等。这些方法都可以有效地避免死锁。
其次,基于封锁的并发控制方法在分布式环境下还必须解决全局死锁问题。所谓全局死锁是指包括两个场地以上的死锁。分布式数据库系统是采用数据库图协议来避免死锁的。数据库图协议是建立在数据库图基础上的一种无死锁协议。一种简单的数据库图协议称为树协议。树协议中只可以有一种锁,即互斥锁。每个事务t对一个数据项只能加锁一次,且必须遵循以下规则:
a) T的第一个锁可以加到任何数据项上;
b) 数据项可以由T加锁的前提是其父节点已被加锁;
c) 数据项在任何时刻都可以被解锁;
d) 一个已经被T加锁并解锁的数据项不能由T再加锁。
可以证明任何满足树协议的事务调度是冲突可串行的,同时也能保证无死锁。但树协议也有缺点:在某些情况下,事务对不需要存储的数据项也要加锁。
2.2 时间印法
所谓时间印法就是在每个事务启动运行时,并发控制机制赋予其惟一一个时间印(通常为事务的启动时间),以实现多事务的可串行性。
时间印基本算法:
每个数据项都有时间印,分为读时间印和写时间印。读时间印即数据上一次被读出的时间,写时间印即数据最近被写入的时间。只有当时间印比数据项上的时间印大或者相当的事务才能执行对数据的操作并在操作完成后置数据项的时间印为事务和数据项时间印的最大值,否则拒绝,并撤销发出此操作的事务。并重新启动。这种方法使事务的并行等价于特定的串行序列,即按时间印递增的序列,一般不会产生死锁。
在分布式策略中,每个结点都使用本地的逻辑计数器或时钟产生局部的时间印,全局的时间印通过在局部的时间印前加上各结点的标识符来获得,这样获得的时间印是惟一的。
2.3 悲观并发控制
锁定系统阻止用户以影响其他用户的方式修改数据。如果用户执行的操作导致应用了某个锁,则直到这个锁的所有者释放该锁,其他用户才能执行与该锁冲突的操作。该方法主要用在数据争夺激烈的环境中,以及出现并发冲突时用锁保护数据的成本比回滚事务的成本低的环境中,因此称该方法为悲观并发控制。
2.4 乐观并发控制
在乐观并发控制中,用户读数据时不锁定数据。在执行更新时,系统进行检查,查看另一个用户读过数据后是否更改了数据。如果另一个用户更新了数据,将产生一个错误。一般情况下,接收错误信息的用户将回滚事务并重新开始。该方法主要用在数据争夺少的环境内,以及偶尔回滚事务的成本超过读数据时锁定数据的成本的环境内,因此称该方法为乐观并发控制。
3 分布式并发控制性能分析[1]
3.1 性能评价指标
3.1.1 通信开销
分布式处理往往涉及到不同的地域,通信开销是不可避免的。
3.1.2 局部处理开销
一般这种开销很难估计,可以通过对局部资源的占用情况来分析。维护和使用同步信息的情况(加锁,时间印)。
3.1.3 事务重新启动的次数和费用
事务重新启动是影响系统效率的重要指标。事务重新启动的次数愈多,系统的有效反应时间就下降,系统的吞吐量也降低。
3.1.4 事务阻塞的数量
许多同步技术都会阻塞事务,记挂起或有意延长事务的执行。
3.2 两段锁算法性能分析
通信开销在处理读写同步时,需要格外读锁,释放锁操作。局部处理开销主要是维护和利用锁和多版本的费用;重新启动开销取决于死锁解决技术的选择;阻塞开销直接与死锁解决技术有关。
3.3 时间印算法性能分析
基本的时间印算法不引起额外的超过基本要求的通信开销。局部处理开销主要是同步信息的处理和利用。由于时间印方法发生冲突时,总是重新启动,因此开销较大。阻塞开销受到各种优化方案的影响。
3.4 乐观,悲观算法性能分析
乐观,悲观都是极端情况,大多数应用需要尽可能考虑所有费用因素,但由于缺少定量的性能数据,很难给出简单的结果。
4 结束语
鉴于每种分布式控制方法都有一定的局限性,在实际的数据库设计和使用中,必须根据现实需求和外部系统对数据库的操作,来选择一个最适合实现数据库资源共享的并发操作及控制的方法,从而大大提高工作的生产率和效率。
参考文献
分布式自动控制 篇3
关键词：电气工程；控制系统；施工质量
1 分层分布式控制的特征
分层分布式控制系统从管理上分为高低两个层面（随着被控系统的负责程度，甚至可以在此基础上拓展为三层，或者更多层次）。其中，分层分布式控制系统的高级层面，是管理协调层。主要采用高级应用软件，沟通被控对象，实现越限超标报警（一般采用图像、音频、光电等单一方式或多种方式组合进行警示），并实施调度优化计算、命令下达、远程通信等管理协调工作。分层分布式控制系统的低级层面，是执行层。其主要工作是，负责采集数据、执行监控系统高级层面下达的命令。具体来说，分层分布式控制方式通过采取多套控制设备（或者专用电脑）按照工程功能或者按照地理位置分布监控被监控对象的不同设备或者系统。然后，这些控制设备（或者专用电脑）通过网线或总线进行同层面和高低层面的交互信息沟通。分层分布式控制方式不但具有远程監控方式的全部优点，还可以使监控系统的设计更加有针对性，并且对不同的间隔进行不同的功能安排。
2 分层分布式控制的施工质量问题
不可否认，电气工程在建设工程当中占有非常重要的地位。随着工程施工的全面实现机械化，以及分层分布式控制系统的自身特点，使得对该类型的电气工程施工提出了更高的要求。可以说，该类型的电气工程能否顺利地、高质量地完成，对整个工程的顺利完成以及安全与质量有着重大的影响。因此，只有保证分层分布式电气工程的质量，才能切实保障整个工程的顺利施工。虽然，分层分布式控制已普遍应用于包括变电站、发电站等在内的各种自动化系统中，且也已经积累了丰富的施工与运行经验。但是，依然存在以下几方面的问题。
其一，在人员素质方面。由于分层分布式控制系统的自身特征，需要具有高水平技术的安装人员进行线路和设备的安装。但是，通常在诸如此类电气施工，施工单位对分层分布系统的过于自信或者是盲目理解，并不能聘请相关高水平技术人员进行线路和设备的安装，也不注重施工人员的素质提升，最终使得电气工程的质量得不到保证而影响整体工程质量。不但如此，在工程建设过程中，一些工程施工人员或者工作人员使用低于标准甚至低质量的工程材料进行线路和设备的安全，不但给控制系统带来安全隐患，也给整体工程带来安全问题。
其二，在系统设计方面。虽然，在整个工程建设中，分层分布式控制系统工程只是其中很小的一部分，但是其独特的作用却是不容忽视的。然而，部分工程设计人员由于自身对控制系统重要性认识的不足或者不够重视，在不同程度上轻视了，或者忽略了电气控制工程的设计。譬如，在工程设计图纸中，不对控制系统进行标注，使得在施工过程中的实际安装中出现布线随意或者路线密集，轻则导致施工质量，重则使工期受到延误。更甚，遇到这种情况，现场施工安装人员，并不去和系统设计技术人员进行商讨，而只好依据过去的工作经验进行安装，从而给整个工程带来安全隐患。
其三，在安防设施方面。在电气工程的施工中，安防设施必不可少，其中尤以防雷设备的安装更是具有非常重要的地位。很显然的道理，只有做好防雷工作，才能确保电气工程的安全性。然而，在实际的工程施工过程中，总是存在一些工程安装人员由于自身的工作素质或者技术水平低下等原因，造成防雷设备设施存在着不同程度的安全隐患。譬如，一旦遇到雷雨天气，就会严重地影响电气设备设施的正常运行和使用，更有甚，造成人员伤亡，以及整个工程进度的延误。
3 分层分布式控制的施工对策
我们为了保证整个工程质量，唯有全面认识分层分布式控制系统工程的各个重要部位，保证各个施工环节的质量，更新电气工程知识，规范施工步骤，强化科学管理。除此之外，我们还需要对以下几方面强化控制。
首先，强化材料设备的质量控制。在电气控制系统工程施工过程中，应该强化对工程质量起到重要甚至关键作用的材料和设备进行必要的质量控制。唯有保证了这些材料和设备的质量，才有可能保障电气工程质量，进而，保障整个工程的质量与安全。对此，我们认为，应该对这些材料和设备进行“监管并举”。一方面，我们要对这些进入施工现场的材料和设备做到有准备的“监”。具体来说，就是在这些材料和设备进入施工现场前，不但要严格检验材料和设备的质量，要求这些设备和材料的销售单位出具相应的合格证、检验报告等证明文件，还要依据工程系统的设计要求，选配适当的材料和设备。一旦，遇有不符合要求的或者质量低于标准的的材料和设备，必须坚决予以清退，不能让其进入施工现场。另一方面，我们要对进入施工现场的材料和设备的使用，要做到合理的“管”。具体来说，就是要按照施工要求和施工进度，严格管理材料和设备的领出和使用。不但，要经过相应的工程技术人员的审定，还要出具相应的使用数量单据，并且要求相应的工程技术人员签字确认，注明使用材料的用途。最后，施工现场的材料和设备的保管人员要独立审核实际领取的材料设备与工程进度和设计要求是否一致，并做好相关记录工作。其次，提升施工人员的素质水平。在分层分布式控制系统的电气工程施工过程中，要注重施工人员的素质水平。一方面，要及时做好施工人员的培训工作和教育工作。既要对具体施工人员进行定期培训，还要求其必须持有相应的执业资格证，又要使这些施工人员通过培训和教育不断提高施工技术，具备分层分布式控制系统的质量和安全意识，认识到电气控制系统工程的重要性，进而，保证电气控制系统工程的质量与安全。另一方面，还要在实际施工中，就控制系统的具体特点对技术人员讲解相应的施工技术。通过介绍整体电气控制系统工程的布局情况以及需要注意的问题等，让施工技术人员在控制系统构建过程中做到心中有数。再次，重视系统设计的质量控制除了设备材料的质量以及施工技术人员的素质外，电气控制系统的设计则尤显重要。因此，在进行控制系统工程设计时，首先要选择信誉度高、社会影响好的工程设计单位。并且，在开展具体的设计工作时，针对整个工程质量和安全要求以及具体的细节，建议施工单位的施工技术人员也要尽可能参与相关控制系统工程图纸的设计中来，然后，对已设计完成的图纸进行集中审核与论证，一旦遇有问题就应该及时解决问题。
其中，在审核时需要强调以下几点：第一，控制系统工程设计是否与国家相应的规定冲突，是否与整个工程质量和安全要求相符；第二，已经完成设计的图纸是否与工程施工的实际情况相符；第三，在控制系统设计过程中是否科学考虑相关材料的运用和具体线路的布置；第四，是否经济合理有效考虑了线路和总线的走向与架设方式；第五，是否考虑了控制系统工程与整体工程的协调性，是否出现控制系统工程与整体工程发生冲突。如果出现不协调和冲突，应该秉承整体工程的质量和安全，积极与设计单位进行必要的论证、协调，适宜解决。另外，在具体的施工过程中，不但要与其它施工项目进行协调，还要继续保持与设计单位的沟通，进而，保证控制系统工程的高效、高质进行。最后，提升工程安防的技术水平分层分布式控制系统的稳定性和可靠性，在不同程度上受到控制系统工程的安防措施制约。其中，尤其关键的是防雷设施。
4总结
分布式自动控制 篇4
基于分布式控制的船用分油机自动控制装置
船用分油机的控制装置从早先的继电控制已发展到现在的`分布式远程监控.为提高系统性能,设计采用微处理器(MCU)为基础,结合CAN总线通讯模块,通过软件设计,组成一个完整的总线控制系统,实现远程监控,从而为无人机舱提供技术支持.
作 者：黄玮 Huang Wei 作者单位：中海发展股份有限公司货轮公司,广州,510220 刊 名：船舶 英文刊名：SHIP & BOAT 年，卷(期)：2009 20(3) 分类号：U665.26 关键词：分油机控制 MCU CAN总线选煤厂完全分布式控制结构探讨 篇5
目前我国选煤厂生产设备的集控模式多为配电和控制分离的形式:低压配电柜集中布置于若干配电室内, 完成受电、馈电、电动机控制等功能, 其中电动机控制中心 (Motor Control Center, MCC) 占配电柜总量的80%左右;控制系统的配置方式多为主站、分站结构, 多台PLC按控制系统功能划分, 分别装入专用的控制柜中, 置于配电室或单独的控制室内[1]。上述集控模式应用广泛, 具有很高的市场占有率。
随着生产规模的提升和网络控制技术的发展, 该模式显现出许多弊端: (1) 除PLC至监控中心上位机之间采用工业网络连接外, PLC柜、MCC柜、就地控制箱及现场执行器之间都需要二次接线, 需要大量的控制电缆来连接, 而控制电缆接线复杂且容易出现接线差错问题。 (2) 集控设计工作量大、电缆敷设工程量大、施工周期长。整个工程不仅需要采购大量的控制电缆, 还要花费大量的时间来施工, 严重影响施工工期。 (3) 系统复杂, 故障率高。
针对以上弊端, 本文提出了完全分布式控制结构, 实现了配电和控制的高度集成, 在系统性能、性价比、安装调试等方面具有明显的优势。
1 完全分布式控制结构及相关产品
1.1 总体结构
在物联网时代即将到来的大环境下, 为满足生产需求, 采用高度集成的智能化设备是未来工控领域发展的趋势。完全分布式控制结构以智能化设备为基础, 以PLC为网关, 通过网络将上位监控主机与智能MCC、智能就地控制箱、智能检测仪表、智能电动执行器及关键作业环节单机自动化装置等连接起来, 实现了配电和控制的集成化, 其结构如图1所示[2,3]。
完全分布式控制结构具有以下优势:
(1) 性能优势
每个智能MCC控制回路既相对独立, 又作为整个控制网络的有机部分。电动机的馈出回路无需大量的二次接线, 所有的检测控制点均由现场I/O来完成, 直接与控制对象的二次回路以导线相连, 实现配电和控制的高度集成。
(2) 设计优势
采用了现场总线技术, 电动机回路的二次接线及其相关的I/O点均集中在一个抽屉 (单元) 内, 配电柜二次接线端子用量极少;采用模块化设计, 节省了设计时间。
(3) 性价比优势
采用了成熟的现场总线产品, 极大地减少了器件的用量, 如PLC的I/O模块、框架、电源、控制柜等, 以及现场变送器、显示仪表、控制电缆、桥架等, 减少了故障率, 提高了控制系统的可靠性。
(4) 安装调试优势
减少了控制电缆的敷设及接线, 可缩短施工工期, 减少施工成本;容易实现工厂预安装, 缩短现场安装调试时间;控制系统调试简便, 有良好的工业软件支持。
(5) 运行维护优势
控制系统更加稳定可靠, 降低了设备的停机率, 并拥有丰富的诊断功能, 可实现预防性维护, 从而大大降低运行和维护成本, 提高生产效率。
1.2 智能MCC的发展和相关产品
智能MCC引入了数字集成技术, 利用带有微处理器的数字功能模块进行数据采集和控制, 与传统MCC相比提高了设备的保护、控制和检测功能[4,5]。
无锡中科电气设备有限公司推出的IntelliMCC方案运用DeviceNet现场总线技术, 将AB公司的E3 Plus智能化电子式过载继电器或施奈德公司的TeSys T电动机管理控制器集成于低压配电柜中, 是集电动机智能监控单元、总线通信、网关等于一体的高度集成的自动化控制系统。IntelliMCC是一种系统解决方案, 它包括监控中心 (主站) 、分站 (网关) 及带总线接口的仪器仪表, 实现了遥调、遥测、遥控、遥信、实时控制等功能。
罗克佳华公司生产的RKWG系列现场智能控制中心也是将E3 Plus智能化电子式过载继电器、PLC等智能控制单元嵌入的智能MCC应用。
1.3 智能仪表的发展和相关产品
智能仪表是构成完全分布式控制系统的基础。智能仪表是指采用微处理器技术和通信技术, 利用嵌入式软件协调内部操作, 使仪表具有智能化处理功能, 在对输入信号进行有效处理和故障诊断等基础上, 完成对工业过程的控制。检测仪表的智能化技术使得控制网络的适应性越来越强, 功能也越来越丰富, 而不再是功能单一的固定结构。智能仪表与常规仪表相比, 不但增强了仪表性能, 而且便于信息共享, 易于通过网络组成开放式的过程控制系统[6]。
智能电动机综合保护器、现场I/O模块、现场智能仪表是实现本方案的底层智能仪表, 与上位监控主机和智能MCC一起通过网络通信构建起选煤厂完全分布式控制系统。
1.3.1 智能电动机综合保护器
目前常用的智能电动机保护器主要有AB公司的E3 Plus、施奈德公司的TeSys T、西门子公司的SIMOCODE Pro等。它们都具有测量、诊断、保护、控制、显示、通信等功能, 其网络通信功能包括远程控制以及直接存取电动机运行和诊断数据。这些产品在国外厂家推出的智能MCC方案中都有成功的应用案例。
常用的国内品牌产品主要有上海纳宇电气有限公司的MC800系列电动机保护控制器、上海安科瑞电气股份有限公司的ARD3系列电动机保护器、江苏斯菲尔电气股份有限公司的WDH-31系列电动机保护控制器等。上述产品在功能上与前面介绍的国外产品差不多, 但在实际应用中, 国内产品大多数只用于电动机保护和通过网络对监测数据进行采集, 而通过网络进行远程控制的成功案例还不多。
1.3.2 现场I/O模块
目前可供选择的现场I/O模块主要有德国倍福公司的BK系列总线耦合器和KL系列I/O端子式模块等[1], 这些产品可使系统集成方便灵活, 满足工业工况及控制的要求, 并可以根据要求将控制系统构成一网到底的结构。
1.3.3 现场智能仪表
随着现场总线技术的广泛应用, 各制造厂家纷纷推出具有现场总线功能的智能测量仪表[7] (如物位传感器、压力传感器、流量传感器、密度传感器等) 和智能执行器 (如电动调节阀等) , 形成了较为完整的现场总线测控体系。
IP智能现场仪表是以基于嵌入式Internet的网络结构体系为主要特征的新型自动化仪表, 是现场智能仪表的发展方向。随着IP智能现场仪表的出现及成功运用, 基于嵌入式Internet的控制网络将成为工业控制网络发展的必然趋势[8]。
2 结语
在选煤厂集控方案中, 以智能MCC、智能仪表、就地智能控制箱为核心的结构将是一种理想的结构模式, 是具有前瞻性的体系结构, 除具有显著的技术优势外, 还能带来较高的经济效益。该结构与传统的配电屏加PLC柜式配置模式相比, 工程投资基本相当, 但能够缩短设计及施工周期, 降低运行及维护费用, 提高生产管理水平和生产效率, 将是选煤厂集控系统发展的方向。
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分布式自动控制 篇6
传感器网络是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网络,每个节点配备了一个或多个传感器[1]。本文所涉及传感器网络具体指具有多目标跟踪功能的感知网络。
传统的多目标跟踪方法,如MHT跟踪器[2],不适用于传感器网络。而现有的算法[3]仅基于如下情况:所跟踪目标的数量已知不变,并且它们的运动轨迹对于本地传感器已知。而在本文中,我们放宽了以上假设,形成对于分布式多目标的跟踪和特征管理算法DMTIM。本文在实现数据关联和多目标跟踪运用了马尔科夫链蒙特卡罗数据关联MCMCDA[4]的方法,实时对未知数量的多目标进行跟踪。
本文结构如下:分布式多目标的跟踪与特征管理算法概述;相关算法理论准备:多目标跟踪问题和马尔科夫链蒙特卡罗数据关联算法; DMTIM及其组成部分描述,包括数据关联、多目标跟踪、特征管理和信息融合;DMTIM算法仿真试验及评估见图1。
1 DMTIM算法概述
本文研究是基于传感器网络中多目标的跟踪和特征管理方法。传感器网络中每个传感器拥有自己的观测区域,且拥有与其邻近传感器通信的能力。如图(2)(左),一个简单的二传感器的系统,大圆圈代表传感器的观测区域。每个传感器能够对多目标进行跟踪并在观测区域内管理目标特征。该问题的难点在于观测区域内目标的数量会随时间而变化,因此我们必须寻求一种可扩展的,在相邻传感器中具有本地一致性的方法。
本文提出的可扩展的分布式多目标跟踪与特征管理DMTIM算法能对未知数量且数量随时变化的机动目标进行跟踪,对其特征进行有效的管理。并能够在一个分布式的传感器网络中进行实现。DMTIM的框架思路如下:对于每一个传感器,DMTIM中的多目标跟踪算法负责估算如下量:目标的数量,观测区域内所有目标的运动轨迹,以及在特征管理算法中将用到的混合矩阵和本地信息。然后,相邻的传感器通过相互通信对本地状态估算值和信任矩阵进行交换。同时,通过信息融合实现了本地一致性,进而实现全局一致性。
本文接下来将对DMTIM的算法模块进行详细地描述。不过在此之前还需要对相关理论—多目标识别和马尔科夫链蒙特卡洛数据关联—进行阐述。
2 理论准备
2.1 多目标跟踪
基于每个传感器视野范围内的目标数量会随时间不断变化,提出的DMTIM多目标跟踪适应于此类多目标数量不确定的情况。
在传感器观测持续的时间观测范围中所出现的目标数量。每一个目标都随机在范围内移动,直到在某时间点时消失。对于每一个时间点,在范围内所出现目标的数量都具有一个位置分布。所涉及的多目标跟踪的过程即不同目标轨迹实现分离的过程。在此假定一条轨迹至少包含两个观测值,因为我们不能由一个单一的观察值确定一条轨迹。
目前在解决多目标跟踪问题上有两种主要算法:最大后验法MAP[5]和贝叶斯(最小均方差法MMSE)。MAP法对观测目标进行分割,并根据分割对目标状态进行估算。MMSE算法计算条件期望来对期望方差进行最小化。然而,MMSE不适用于目标数量变化的情况。本文采用了MAP算法解决多目标跟踪问题。
2.2 马尔科夫链蒙特卡洛数据关联
马尔科夫链蒙特卡洛数据关联算法是离散多目标跟踪与识别算法模块的核心。并且是已知唯一能在多项式时间复杂问题下实现估值计算的方法。
而MCMCDA算法是马尔科夫链蒙特卡洛算法的特殊形式,其分布有五类动作组成。他们包括:1)发现/消失运动;2)分割/合并运动;3)扩展/减少运动;4)跟踪刷新运动;5)跟踪切换运动[6]。
MCMCDA的输入是一系列观测值,样本观测值的个数,初始状态,以及有界函数。输出接近MAP的估计值argmaxP(ω|Y)。
3 分布式多目标跟踪与特征管理算法
现在我们对分布式多目标跟踪与特征管理算法进行详细描述。我们运用一种信念向量来表示目标的特征。对于多目标的情况下,我们需要运用信念矩阵B(t),其各列由信念向量所组成。因此,向量Bij(t)表示目标j能被t时刻的i所确定的概率。
3.1 多目标跟踪(数据关联)
DMTIM多目标跟踪(数据关联)模块的输出为混合矩阵、状态估计值和本地信息。这三者的计算如下所述。
3.1.1 混合矩阵
假设在观测范围内有K个目标具有K个特征,因此特征管理意味着对多目标的特征进行匹配。对此,我们运用Identity-Mass-Flow[7]的方法。混合矩阵是一个K×K矩阵,其元素Mij(t)表示目标i在t-1时刻变成目标j的概率。而MCMCDA能够在多项式时间下对混合矩阵进行有效地估算。
3.1.2 状态估计
如上所述,MCMCDA能够对未知数量的多目标进行跟踪,并且能够实现轨迹的发生与终止。在每一个采样时间段,其测量值与前一段的测量值相叠加,从而构造出测量值集合Y。MCMCDA能求出
3.1.3 本地信息
本地信息表示为信任向量的形式。MCMCDA方法能够通过最新的,以及之前的测量值有效地计算出本地信息。当目标和轨迹的数量处于估计值的情况下,本地信息能够被同时计算出来。对于特征值k,定义Njk为时间点个数,第j个最新观测值与之前的观测值合并,观测值在之前的nbi个采样值中由k表征,其中nbi为之前的采样值数量。算法结束时对特征值k计算γk=(γ
3.2 特征管理
特征管理模块包括信任矩阵刷新和本地信息组,而多目标跟踪(数据关联)的混合矩阵和本地信息被用来刷新信任矩阵。
3.2.1 信任矩阵刷新
信任矩阵刷新模块包含存储在K×K信任矩阵B(t)中的特征信息。该信任矩阵的刷新如下:
可以看出,公式(1)使信任矩阵行、列之和保持不变。然而目标数量的变化使该方法不适用于分布式特征管理。数量的变化有两种情形:目标离开和进入观测区域。目标离开,对传感器中混合矩阵的相应列进行删除;目标的进入,又有两种情形:1)目标从相邻传感器区域进入;2)目标从未知区域进入。针对这些情况我们提出算法(2),一种可扩展,事件驱动,且基于查询的信任矩阵刷新算法。
算法1 信任矩阵刷新算法
3.2.2 本地信息关联
本地信息被运用来降低由香农信息所得的信任矩阵的不确定性。L×K信任矩阵的香农信息定义如下:
接下来的问题是将该信息关联到信任矩阵。信任矩阵具有如下性质:各列之和等于1;各行之后保持不变;各列之和的和与各列之和的和相等。如果将某列替换为本地信息,将无法保证以上性质。当且仅当本地信息能够降低信任矩阵的不确定性时才能与信任矩阵进行关联。本地信息融合算法在算法(2)中详细列出。
算法2 本地信息融合算法
3.3 信息融合
对于DMTIM算法,信息融合对于计算本地传感器所提供的系统全局信息相当重要。
3.3.1 特征信息融合
特征信息(信任向量)的融合能够被表述为最优化的问题。三个不同的成本函数,香农信息(Shannon information),切尔洛夫信息(Chernoff information),以及莱布勒距离(Kullback-Leibler distances)之和代表了不同的性能指标[8]。考虑到在本文所涉及的观测场景中所有的传感器都参与协同工作,因此我们采用香农信息的方法。
假设本地传感器提供了两个信任向量,bi∈[0,1]n(∑
并具有分量
3.3.2 状态估计融合
鉴于每个传感器都具有自身的跟踪轨迹,那么每个相同的目标可能具有来自不同传感器的多重轨迹。为了解决这一情况,我们运用轨迹数据融合方法[9]来对多重的轨迹进行合并。我们设ωi为来自传感器i的轨迹,NBi为包括i并与i相邻的一系列传感器。设Y′={τk(t):τk∈ωj,1≤t≤T,1≤k≤|ωj|,j∈NBi}为所有确定目标的一系列观测结果。通过重叠观测区域,可以由Y′得到一系列合并观测结果Y。于是得到一系列新的轨迹ωinit。然后对一系列合并观测结果运行算法,以得出本地稳定的跟踪轨迹,其初始状态为ωinit。
4 试验结果
在该节中,我们提供一个简单的场景来说明DMTIM算法的性能。环境中有两个固定传感器—空中交通管制雷达,在二维空间中对多架飞机进行跟踪。假定每个传感器观测范围的半径为10 km,并且当两传感器距离进入20 km的通信范围,它们之间可以实现相互通信。该场景中包含3架飞机,如图2(左)所示。被标注为A和B的飞机首先被预注册,被标注为X的飞机对于特征管理系统是未知的。左侧传感器被传感器1所标注,右侧传感器被传感器2所标注。
每个传感器中的多目标跟踪模块对目标的数量进行估算,并如图2(右)和图3所示对每个已知目标的轨迹进行估算。在图2(右)中,目标数量改变的事件被垂直的点线所标注,其中横坐标为试验所设定的时刻点(下同),纵坐标为传感器所识别目标个数。然后我们求解每个目标的信任向量,其计算和刷新过程描述如下:在某时刻1,传感器1感知到目标1,并且其信任向量为(b
以上描述为信息融合之前两传感器各自的本地信任向量。信息融合能够降低目标交叉运动所产生的不确定性。鉴于香农信息效率的优越性,在该试验中我们运用了该方法来实现信息的融合。图4(左)所示为传感器1的目标1和传感器2的目标2相互融合后的信任向量。图4(右)为实现状态估计融合后各传感器所估算的轨迹。
注:图中×,+,□分别表示飞机A,飞机B和飞机X。
5 结论
本文多目标跟踪和特征管理方法的核心是一个可扩展的分布式多目标跟踪和身份管理(DMTIM)算法,该算法能够在分布式传感器网络环境下对多目标进行跟踪,并能够有效地管理目标的特征。DMTIM算法由数据关联,多目标跟踪,特征管理,以及信息融合四部分所组成。数据关联和多目标跟踪的问题能够由马尔科夫链蒙特卡洛数据关联算法有效地解决,该算法能够对数量未知且数量随时间变化的多目标进行跟踪。DMTIM能够对某目标特征的本地信息进行有效地整合,以降低系统的不确定性,并通过信息融合来保持相邻传感器的本地一致性。
摘要：一种可扩展的分布式多目标跟踪和特征管理的算法(DMTIM),适用于对多目标进行跟踪的传感器网络。DMTIM由数据关联、多目标跟踪、特征管理,以及信息融合所组成。数据关联和未知数量多目标的跟踪通过马尔科夫蒙特卡罗数据关联实现。通过信息融合来获取所有相邻传感器的本地一致性,实现特征管理。试验证明,DMTIM算法能够通过传感器网络实现对多目标有效的跟踪和特征管理。
关键词：传感器网络,分布式多目标,特征管理,信息融合
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群塔施工中分布式控制系统的应用 篇7
针对以上问题，本文提出了研究开发塔机施工现场的分布式控制系统，该系统能够在不妨碍塔机工作的情况下，对施工现场的所有塔机进行统一管理、实时监控和智能化管理，消除塔机工作空间交叉和塔机司机误操作带来的安全隐患。
目前，国内还没有一套完善的、系统的塔机施工现场智能化实时监控分布式控制系统。该系统是建筑施工现场安全施工的关键技术之一，因此，其研究开发具有一定的现实意义。
1 塔机施工现场对分布式控制系统的要求
1)分散控制
群塔施工一般占地面积大，塔机数量多，分散布置在施工现场的周围，如图1所示，要对其进行实时监控和管理，控制系统必须满足分散控制的要求。
2)独立工作
在不产生安全隐患的情况下，各塔机不能因为分布式控制系统的原因而降低工作能力。起重能力、起升高度、幅度、回转角度要能够达到塔机生产厂家说明书中的规定值。
3)相互配合
塔机的互相配合是提高施工现场施工进度的重要原因之一，相互配合就必须有工作空间的交叉，分布式控制系统不能够限制工作空间的交叉，只能通过合理安排进入交叉空间的顺序和位置来避免碰撞。
4)集中操作
分散布置在大范围内的塔机，不能要求操作人员去现场对每台塔机进行直接控制或与塔机司机沟通。操作人员应能在中央控制室内对塔机进行实时监控和管理，且能检测并记录现场各塔机的工作参数。
5)实时监控
操作人员在中央控制室内对各塔机进行实时监控和管理，操作人员不仅能够实时监控各塔机的起重量、高度、幅度、角度，而且还能够检测相互位置关系、变化趋势、历史纪录等。
6)智能管理
塔机施工现场分布式控制系统通用性强，能够在不改变硬件系统的基础上满足塔机的任意位置布置和数量增减;该系统既能实现塔机的自动防碰撞，也能实现一个或几个塔机终止操作;操作人员在中央控制室只需与电脑进行简单的人机交互便可完成所有操作。
2 电控系统的构建
由于施工现场塔机大范围分散布置，电控系统的设计必须满足这种布置分散的特点，因此采用“工控机+可编程控制器”即“IPC+PLC”组成的分布式控制系统DCS(Distributed Control System)，实现塔机的分散控制、信息集中管理、集中操作，达到最优化控制的目的。电控系统框图如图2所示。
该电控系统纵向分为两级，操作管理级和过程控制级。操作管理级集中在中央控制室，主要包括工控机(主控电脑)、32路I/O卡(PCL-7 2 0+)、4端口高速R S-4 2 2/4 8 5卡(P C L-846B)。各板卡和工控机之间通过ISA总线通讯，可以根据需要进行功能的再扩展。操作管理级主要完成建筑施工过程中塔机的实时监控、人机交互和智能管理等。
过程控制级分散布置在各台塔机上，水平方向上是相互独立的。过程控制级主要用来完成实时性强的控制任务，塔机司机的现场操作、起重量、高度、幅度、角度传感器的检测和对起重量、高度、角度限制器的控制就是在这一层实现的。
该系统的中央控制室和塔机之间距离较远，一般在百米以上，为了满足长距离传输且不影响传输速率，工控机和PLC之间采用了RS-485串口通讯方式。工控机ISA总线上的PCL-846B卡提供高速R S-4 2 2/4 8 5通讯端口，由于一般的P L C自身只带R S-2 3 2通讯端口，故需C J 1 W-CIF11串口转换器进行RS-485和RS-232通讯的相互转换。操作管理级的工控机和过程控制级的各P L C可进行双向、不握手、高速数据传输。
3 分布式控制系统监控软件
建筑施工过程中塔机的实时监控、人机交互和智能管理均在中央控制室内完成，因此，操作人员应能在中央控制室监控到施工过程中塔机运行的各种参数，并对其进行控制和调整，其控制级别优于塔机司机的控制。为了完成上述目的，主控电脑上安装了监控软件。在Windows xp操作系统下采用三维力控组态软件编制了监控软件，该监控软件的结构如图3所示。监控软件主要由任务管理模块和界面管理模块两大部分组成。
3.1 任务管理模块
任务管理模块包括硬件管理、通讯、实时监控和数据处理，硬件管理模块主要对各种硬件在使用前进行自测试，保证硬件正常工作;通讯模块实时性最强，主控电脑和PLC之间串口通讯在这里完成;实时监控模块主要是对起重量、高度、幅度和角度进行显示，同时也能以动态曲线的形式进行观察，便于监视起重量和幅度变化的全过程;数据处理模块可以存储系统的初始化参数和实时数据库，同时也能打印数据报表。
3.2 界面管理模块
监控系统的界面主要完成人机交互的功能。参数设置界面提供了系统运行前控制参数的设置，包括塔机起升高度、最大起重量、最大和最小幅度、起重性能参数等，这些参数设置均可保存在工程设置中，下次使用时如果没有变化，这些参数不必再设置。
工作界面主要用来显示起重量、高度、幅度和角度，以数据的形式显示，如图4所示。如果想观察起重力矩实时变化趋势，只需切换到动态曲线界面即可。
如果塔机无法完成指定动作，可通过故障诊断界面检测，判断是由于塔机司机误操作引起的，还是由于塔机工作参数超出参数设置界面中控制参数范围引起的。对于一些硬件故障，通过该界面可以判断故障原因。
摘要：针对塔式起重机施工中存在的问题,提出研制塔机施工现场分布式控制系统。研究塔式起重机施工现场分布式控制系统特点,从电控系统和监控软件两方面详细论述了该系统的结构体系和工作原理,提出了以“IPC+PLC”为硬件控制平台,起重量、高度、幅度、角度混合控制的分布式控制系统。
关键词：塔式起重机,电控系统,分布式控制系统,组态软件
参考文献
空气包覆纱机分布式控制系统设计 篇8
空气包覆纱机是一种纱线加工机器, 它把从氨纶喂入装置中输送出来的氨纶以一定的牵伸比与无捻长丝 (锦纶/涤纶DTY) 经过空气包覆装置在压缩空气作用下网络包缠, 使两根或更多根具有不同物性的纤维交缠形成一根纱线——空气包覆纱ACY (AIR-COVERING YARN) 。空气包覆纱是一种新型弹力纱线, 兼具氨纶的弹性和纤维本身性能, 为无缝内衣、弹性服装和其它弹性织物优良的织造原料。
国内原有的空气包覆纱机大多由普通络筒机加装一套简易的氨纶输送装置、网络喷嘴装置而成, 成本低廉, 变换产品品种及更改工艺麻烦, 由于结构功能的限制, 只能低效生产一些档次低的或粗旦的空气包覆纱 (如用于牛仔服装) , 生产细旦纱线会出现纱线断头多、漏网多、牵伸倍数不均等缺陷。随着机电一体化控制理念的深入, 计算机技术、电子信息技术、自动化控制技术在纺织机械上得到了广泛的应用, 纺织机械的自动化、数字化、智能化程度逐渐提高。近年来, 国内出现一些新型空气包覆纱机, 采用变频调速技术, 减少了工艺齿轮、带轮等复杂机械结构的困扰, 能够生产一些高品质的细旦空气包覆纱线。但都属于集中控制型, 一台机器多个锭位只能以一种工艺生产一个品种, 无法满足厂家的小批量、多品种和高技术含量的柔性化生产要求。
本系统针对上述要求, 应用PLC、触摸屏、变频器和分布式控制器, 基于Modbus总线设计出分布式单锭单控控制系统。每一锭位开发出分布式控制器, 由它负责该锭位的启停、工艺参数调整和断纱报警接驳, 且具备防凸边、防叠绕、纱线上油等功能, 将集中式的锭位控制改为分布式的单锭单控, 增强了机器的通用扩展性, 提高了灵活性和数据处理速度, 保证每一锭位能够独立、高效和高品质生产。
1 空气包覆纱机工作原理与工艺流程
空气包覆纱机单锭技术方案机械结构如图1所示, 主要由:原纱架和氨纶喂入装置 (V1) 、牵伸喂入装置 (V2) 、空气包覆装置、主牵引装置 (主牵伸辊V 3) 、卷绕装置 (卷绕辊V 4、横动槽筒V 5等) 和上油装置等部分组成。工作原理如下:氨纶丝以一定牵伸倍数经氨纶喂入装置V1送出, 经短导丝器2到达牵伸喂入装置V2, 同时位于机架上方的活动式原纱架上的锦纶或涤纶DTY, 经导丝器1、3、纱线监纱器S锦、导丝器4也进入牵伸喂入装置V2。随后氨纶经氨纶监纱器S氨与锦纶进入空气包覆喷嘴6进行网络包缠, 进入主牵伸辊V3, 再经导丝轮, 上油装置进入高速卷绕装置V4, 经横动槽筒V5进行卷装, 工艺流程图如图2所示。
2 硬件设计
根据设备工艺要求, 设计出如图3所示的系统总体框图。人机界面采用威纶通触摸屏MT6100i, PLC采用三菱FX2N-16MR, 分布式控制器主要由两块MC51单片机组成。
1) 人机界面。触摸屏除了可以实现操作台上的按钮功能启动和停止外, 主要用来进行相关生产参数的设定、生产状态的显示、故障报警如某锭位断纱等。上述工艺参数和操作信号通过RS-232送至PLC。
2) 可编程控制器PLC。PLC是整个控制系统的核心, 由于锭位多, 最多可达48锭。现有的集中式控制方式, 设备控制完全由PLC实现, 各种信号集中到PLC, 统一进行数据采集和处理, 如要实现单锭单控, 控制信号将会数倍增加, 使PLC负荷极大, 会出现处理滞后以及数据丢失的情况。所以, 集中式控制方式只能采用整台机器多个锭位以一种工艺加工纱线产品。
本设计采用开放式的架构, 借鉴分布式网络的设计理念, 将各锭位功能分配到分布式控制器中, 所有锭位通过RS485接口, 基于Modbus协议形成一个小型局域网络, 具有结构简单, 成本较低, 适用于工业控制网络。由于PLC只需要接收触摸屏的请求命令以及最终数据的集中传输, 即使增加多个锭位也不会造成网络堵塞以及运算速度下降的问题。因此, 基于Modbus总线结构的分布式单锭单控空气包覆纱机可以适应各种锭位配置的需要, 毫无困难地增加或者删除锭位, 不影响整台机器的总体运行。
3) 分布式控制器。分布式控制器原理图如图4所示。
(1) 同步控制单元。由于包覆纱机对转速精度要求较高, 为实现速度的协调控制及成本考虑, 将主牵引辊V3作为整个速度链的主点, 利用变频器的闭环控制功能, 用编码器测量电机的实际转速并反馈给变频器, 组成精度较高的速度闭环控制系统。其他4个传动点需要根据实际情况来设定经验速比。在系统运行中, 还可随机调节最佳速比以达到速度的协调控制, 以达到间接的张力平衡。V1、V2、V4、V5变频器采用汇川MD021S0.2L-HT专用型变频器, 开环u/f控制方式, 驱动0.2kW三相异步交流电机V1、V2、V4、V5。V3变频器采用汇川MD380S0.4变频器, 有速度传感器矢量闭环控制方式, 驱动0.2kW三相异步交流电机V3。
变频器的频率给定信号包含速度频率、启动频率、刹车频率信号等, 通过分布式控制器RS485接口输出给变频器, 实现用数字频率给定取代模拟量频率给定, 易于控制, 同时避免了模拟量易受干扰的缺点。锭位的启动/停止信号除了可以由上位机给出外, 还可以通过该锭位上的启动/停止按钮实现。
(2) 辅助单元。包含上油驱动器、四级防凸驱动器、气路开关等。根据机械结构和工艺要求, 4个锭位合用一个上油驱动器、四级防凸驱动器。上油驱动器由单片机信号接收和处理电路、步进电机驱动器组成, 上油量可根据生产品种纤度不同在触摸屏设定。四级防凸驱动器除了上述电路之外, 还需增加一个光电传感器, 以检测纱线的行程, 有利于纱线良好成型, 避免纱线凸边、重叠。气路开关采用电磁阀式, 随着锭位开停而自动通断, 起到节能的作用。
(3) 监纱传感器。采用光电传感器监测氨纶、锦纶/涤纶DTY是否断纱, 断纱信号通过分布式控制器返回给PLC, 在触摸屏上显示, 并发出故障报警信号, 以便于操作人员及时接驳断纱。
3 软件设计
控制系统采用单主机/多从机的组网方式, PLC为主机, 分布式控制器设定为地址互不相同的从机, 设定范围为1~48, 这样各站点由唯一的标志码识别。三菱PLC与各分布式控制器之间通过RS485建立起Modbus总线通讯网络。
3.1 Modbus总线通讯协议
Modbus协议是一种串行的、非同步的主从通讯协议, 由于其开放性而被广泛采用。Modbus协议建立了主机查询的格式:设备 (或广播) 地址、功能代码、要发送的数据、错误检测码。Modbus通讯提供ASC II和RTU两种通讯格式。为了有较高的传输效率, 本设计选用RTU格式, RTU传输模式如表1所示。
RTU模式没有开始和结束标注, 如表1所示, 消息发送至少要以3.5个字符时间 (T1-T2-T3-T4) 的停顿间隔开始, 同样消息结束也必须至少以3.5个字符时间结束。8位地址指的是从机地址, 各从机设备有效的寻址范围为1-247, 地址0用于广播地址, 所有从机都能识别。8位功能码用于主机向从机发送信息时, 告诉从机所需要执行的动作。
在系统中, 主机PLC和各分布式控制器通过RS485/Modbus总线构成一个通讯链路, 采用主从方式的查询-响应机制。所有的通讯发起都从主机开始, 从机响应主机的各项通讯指令。主机可以向某一个从机发出查询, 也可以向所有从机广播信息。从机只响应单独发给它的查询, 而不响应广播消息。从机的响应信息也用Modbus协议组织, 它包括确认从机地址、确认动作的功能代码、返回数据和错误校验码。不正常响应时, 从机返回与原始代码相等效的一个功能代码, 并把最高有效位置为“1”。
3.2 上位机PLC通信程序
上位机Modbus协议的软件实现, 如图5所示, 首先主机对串口进行初始化, 对所有锭位发送运行参数消息帧, 然后以0.5s为一个周期对各个从机进行轮询, 实时判断从设备的响应消息是否正确, 帧错误或者响应超时都将产生一个错误, 并在人机界面显示并记录下来, 需要启动重新发送, 帧正确则继续查询。
3.3 PLC与分布式控制器通信
根据表1RTU数据传输模式, 数据帧第一个字符为地址数据, 所以单片机在接收数据时要区分接收到的数据是否是帧的第一个字符。单片机定时器采用中断计时的方式, 每接收到一8位数据后立即检测与上一数据的间隔是否大于3.5字符时间, 若大于则说明该数据帧发送已经结束, 单片机准备接收到下一帧。分布式控制器程序流程如图6所示, 单片机根据接收到的数据帧地址码判断是否是本机地址, 相同则继续接收, 否则抛弃;下一步计算CRC校验码, 并将校验结果与接收到的校验码进行比较, 若相同, 说明校验正确, 则继续解析报文, 否则生成CRC错误报文发送给上位机并且停止解析。当数据帧的地址码、CRC校验码都正确, 则解析主机功能码。
PLC与单片机通信主要包括读写各个寄存器单元等, 完成Modbus报文解析后, 生成返回报文响应。同时单片机把各种运行数据发送给各个执行单元, 变频器根据接收到的电机运行频率信号进行同步协调控制, 上油驱动器、防凸驱动器和气路开关均可实现单锭单控, 同时该锭位的断纱信号也通过主机轮询, 从机应答的方式不断的返回给PLC, 这样单片机与上位机之间的数据通过相应的功能码和地址就可以实现读写操作。
4 控制系统人机界面设计
触摸屏选用威纶通触摸屏MT6100i, 根据其配套软件EB8000完成触摸屏的画面组态设计。触摸屏主画面显示如图7所示。
显示画面说明如下:
1) 修改工艺参数:需先输入密码, 确认权限。
2) 输入工艺参数:氨纶牵引比、纱线超喂百分数、包覆主速、卷绕张力百分比、上油转速rpm、换筒时间和防凸边百分数, 启动/停止信号也可由触摸屏给出。
3) 工艺一览:此菜单显示各锭位当前的工艺号, 最多可以储存100个工艺号, 以备随时调用。
4) 其他:包括交接班 (产量记录) 、历史记录、调时、计时查询, 故障报警。
5 结论
基于RS485/Modbus协议的分布式控制系统应用于空气包覆纱机GV800, 实现了单锭独立开停、单锭独立设置工艺参数、单锭断纱报警接驳等多项功能。本系统工艺参数调整操作简单, 实时监控性强, 生产效率大大提高。生产的细旦纱线质量好, 外观成形优良, 能够满足出口用弹性服装的织造要求。
摘要：针对空气包覆纱机小批量、多品种及高技术含量的柔性化生产要求, 本文基于RS485/Modbus总线设计出新型分布式控制系统, 克服了集中式控制不能实现单锭单控的缺点。在介绍空气包覆纱机结构与工作原理的基础上, 对控制系统硬件构成、软件流程、modbus协议、人机界面等做了详细分析与设计。运行实践表明, 分布式控制方式增强了机器的通用扩展性, 提高了灵活性和数据处理速度, 保证每一锭位能够独立、高效和高品质生产。
关键词：空气包覆纱机,分布式控制系统,Modbus协议
参考文献
[1]纺织机械[M].北京:中国纺织机械器材工业协会.2002, N0.3.
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[3]赵松年, 李恩光, 裴仁清.机电一体化系统设计[M].北京:机械工业出版社, 2004.
[4]三菱电机.三菱FX系列PLC-三菱PLC编程手册[M], 2008.
[5]深圳市威纶通EB8000宏指令实例, 2012.
分布式自动控制 篇9
用户对供电质量要求的提高以及分布式电源的大量接入对配电网的保护控制技术提出了更高的要求[1,2,3]。现有的控制技术可分为基于当地测量信息的就地控制技术和由主站采集处理全局测量信息的集中控制技术。就地控制响应速度快, 但利用信息不全面, 控制性能不完善; 集中控制方式可以利用全局信息, 能够实现优化控制, 但涉及的处理环节多, 响应速度慢。分布式控制指终端装置通过对等通信网络交换测控信息进行控制决策的自治控制方式。它兼顾了就地控制与集中控制的优点: 因为能够利用多个站点的测量信息, 控制性能比较完善; 由于不依赖主站的参与, 控制响应速度比较快。
为便于叙述, 本文将支持分布式控制的配电终端统称为智能配电终端 ( STU) 。实现分布式控制, 需要解决故障测量数据、开关变位信息、闭锁信号和跳闸命令等实时控制数据在STU之间的快速传输问题。实时数据的快速传输在基于IEC 61850 的数字化变电站中使用通用面向对象变电站事件 ( GOOSE) 传输机制[4,5,6], 将GOOSE报文编码后直接映射到数据链路层 ( 简称GOOSE over MAC) 进行传输, 不经过网络层与传输层, 传输速度很快, 如文献[4]研究了用GOOSE传输跳合闸等信号实现备自投、过负荷联切、过负荷闭锁等站域控制功能, 但GOOSE over MAC方式配置基于MAC地址, 实现过程较复杂, 通用性差, 且通信互通覆盖范围仅限于同一局域网, 不能直接跨路由器传输, 应用范围受到影响[7]。和变电站自动化不同, 配电自动化设备沿线路安装, 点多面广, 并在很大的物理空间部署, 通信方式灵活多样, 还需要与变电站自动化系统、电网控制中心等智能电网其他部分交互, STU之间以及STU与控制中心之间信息交互时常需要跨网段通信, 需要采用广域网 ( WAN) 技术[8], 故变电站使用的GOOSE over MAC的传输机制不宜直接用于配电网。文献[7]描述了GOOSE在WAN中传输的网关和隧道方式, 这2 种方式关注基于IEC 61850的建模和逻辑表示, 缺少从通信网络实现的角度对技术细节的考虑。
本文提出基于用户数据报协议 ( UDP) , 用GOOSE机制传输实时报文 ( GOOSE over UDP) 的方案。基于UDP/IP多播实现配电网中实时数据如保护跳闸命令、开关状态及闭锁信号等的快速传输, 通过在IP层服务类型 ( TOS) 字段设置GOOSE报文为高优先级改善其传输性能。通信的可靠性通过应用层GOOSE重发机制来保证, 并搭建试验平台对该方案的数据传输实时性进行了测试。
1 分布式控制应用对通信系统的要求
配电自动化系统设备点多面广, 为提高通信系统的利用率, 减少投资, 分布式控制数据和其他运行监控与管理数据 ( 如“三遥”数据) 混合传输, 网络繁忙时数据传输延时会增大。如何在网络流量较大时保证STU之间的实时数据的快速可靠传输是分布式控制在配电网应用中的一个关键技术问题。
对通信系统实时性的要求一般是根据具体的应用来划分, 如IEC 61850 中对实时性的要求。变电站中, 实时性要求高的保护、控制应用一般要求在20 ~ 40 ms内完成, 快速报文的传输时间要求在4 ms以内, 配电网分布式保护、控制应用响应速度要求一般不大于100 ms, 控制信息传输延时小于10 ms即可满足要求[1]。参照IEC 61850 的划分方法对配电网中实时性传输报文进行了分类[9]。
为了保证配电自动化分布式控制应用的性能需求, 要求采用有效的方式使报文在不同STU之间及时地发送与接收, 在最坏情况下, 报文端对端传递延时能限定在一定的时间内。
2 GOOSE over UDP方式的实现
2. 1 GOOSE over UDP通信协议栈
IEC 61850 规定实时性要求高的GOOSE和采样值报文的通信直接从应用层映射到数据链路层, 来减小数据封装及解封装等的延时[6], 但基于MAC传输GOOSE, 配置与实现过程比较复杂、通用性差, 且不能直接跨网段传输。配电网中, STU沿线路安装, 点多面广, 设备需要与变电站自动化系统、电网控制中心等智能电网其他部分交互[8], STU之间以及STU与控制中心之间信息交换时常需要跨网段通信, 如在多联络结构线路中进行分布式馈线自动化操作时[10,11,12], 一个关联馈线组中的STU可能分属于不同的局域网, 实现分布式控制的STU之间需要通过WAN来实现快速报文的传递。所以, GOOSE over MAC的传输机制不能直接用于配电网。
结合配电自动化系统的特点, 可将GOOSE映射到UDP, 采用通用的UDP/IP协议栈进行传输。GOOSE over UDP的方式不需要构建专网; 可在WAN中传输; 编程及自动化设备等的通用性好; 配置、维护工作量小, 通信协议栈示意见图1。
基于IP的报文传输方式易于跨网段传输, 配置简单, 通用性好[7]。IP上层传输协议有TCP和UDP, 其中, TCP信息传输时需要建立连接, 实时性差, 且只能实现点对点通信方式, 而GOOSE采用多播通信方式。UDP不用建立连接可直接传输信息, 上层协议自由度大, 可在任意时间即时将报文发送出去, 传输速度快, 且能实现广播、多播、单播多种通信方式, 特别适合传输数据量小、实时性要求高以及终端数量多的应用场合, 与GOOSE通信的多播方式及实时性要求相契合。
2. 2 GOOSE报文的可靠传输
UDP协议只有较少的控制选项, 在数据传输过程中的延时较小, 应用层可以很好掌握数据发送时间和发送速率。UDP数据传输不需要建立连接, 不能保证数据传输的可靠性, 因此, 采用GOOSE重发机制来保证报文传输的可靠性。多次重发可能会造成广播风暴, 可利用报文重传时间间隔逐渐增大的方式来避免这一风险, GOOSE报文重发机制见图2。
在智能配电网中, 对控制应用的实时性要求比变电站自动化系统低, GOOSE报文传输时间小于10ms即可[1]。图2 中, GOOSE报文发送时间间隔可采用如下设置: T0为稳定状态时的重传时间间隔, 要求小于60 s, 可选20 s; ( T0) 为稳定状态时, 被事件缩短了的重传时间间隔, 小于T0; T1是事件发生后, 最短的传输时间间隔, 可选择为5 ms; T2是事件发生后, 报文第三次重传时间间隔, 要求T2> T1, 可选择10 ms; T3是事件发生后, 报文第四次重传时间间隔, 要求T3> T2, 可选择20 ms。
GOOSE通过St Num和Sq Num参数对报文的发送进行控制, 参数St Num包含产生一个新的GOOSE报文时加1 的计数器, 参数Sq Num包含一个每发送一个GOOSE报文时都会加1 的计数器, 在St Num发生变化时, 计数器Sq Num会被置为0。
2. 3 GOOSE在WAN中传输实现方式的性能比较
GOOSE over MAC的方式不能直接跨网段传输, 文献[7]描述了GOOSE在WAN中传输的网关和隧道方式, 这2 种方式关注了基于IEC 61850 的建模和逻辑表示, 缺少从通信网络实现的角度对技术细节的考虑。表2 列出了这2 种方式与GOOSE over UDP方式的一些重要性能的比较[7]。
可见, GOOSE over UDP方式有多方面优势。基于IP传输GOOSE可伸缩性和灵活性好; 配置管理简单; 可靠性高, 故障影响范围小; 传输延时和抖动小; 有利于包容底层多种物理实现方式 ( 以太网、无线网络、电力线等) ; 基于IP的网络体系结构为网络安全性提供了一个可扩展的构架。
3 GOOSE over UDP实时性测试
配电自动化系统中有光纤、电力线载波、GPRS /CDMA、卫星等多种通信方式。光纤通信因传输容量大、速率高、传输距离长、抗电磁干扰能力强和绝缘性能好的特点逐步成为电力系统通信中广泛应用的通信方式[13]。一般采用光纤工业以太网和以太网无源光网络 ( EPON) 来实现, 本试验采用光纤工业以太网。
3. 1 通信延时构成
根据IEC 61850-5 中对传输延时的定义[5], 完整的信息传输过程包括收发两端的处理时间和链路上的传输延时。时间为从发送端将信息发送到它的信息传输栈起到接收端从它的传输栈抽取出信息为止, 如图3 所示。
总的传输延时为t, 则有:
图中, ta为发送端内部处理延时, 包括发送端报文数据分段、报文封装以及报文排队到达GOOSE处理发送器的时间。tc为接收端内部处理延时, 包括GOOSE报文接收端的报文解析、数据连接拼装以及GOOSE报文到达通知和数据复制给GOOSE应用端的所有时间。ta和tc与收发两端装置的性能有关。tb为网络传输延时, 包括经过每个节点 ( 交换机、路由器等) 及对应通信链路段上的延时。设经过一个节点及对应通信链路段上的延时为t1, 共经过n个节点-通信链路段, 则有:
式中: dproc为节点处理延时, 包括进行差错检测、确定输出链路的延时, 通常小于1 ms; dqueue为排队延时, 取决于交换机、路由器拥塞程度; dtrans为传输延时; L为分组长度 ( bit) ; R为链路带宽 ( bit/s) ; dprop为传播延时; D为物理链路长度; S为信号传播速度 ( 铜缆的信号传播速度近似等于2 × 108m / s, 为光速的0. 7 倍) 。
3. 2 试验平台
为了测试GOOSE over UDP方式的实时性, 搭建如图4 所示试验平台。由4 台SICOM3000 工业以太网交换机通过光口串级连接构建一个100 Mbit / s的环网, 交换机电口接STU ( 用计算机来模拟) , 为避免环网广播风暴, 将交换机1 和4 之间的端口配置为阻塞状态, 在任一段链路出现故障时, 交换机可自动将故障段链路阻塞, 将原先设为阻塞状态的光口变为转发状态, 提高链路的可靠性。
图中, STU1 和STU2 用于收发GOOSE报文, STU3—STU6 用于产生网络背景流量。背景流量通过调整收发报文的大小和发送时间间隔来构造, 用网络协议分析软件Wireshark实时监控网络流量, 并对报文进行分析。影响报文传输实时性的因素有多个, 包括报文长度、经过交换机节点数、网络背景流量及报文的优先级等。
为排除报文收发两端STU1 与STU2 之间时间偏差的影响, 采用从发送端发出报文到发送端收到从接收端返回报文的时间除2 的方式计算传输延时, 发送间隔取2 ms, 每种情况测10 000 组。
3. 3 报文长度与传输延时的关系
无背景流量下, 2 个STU经过4 个交换机节点连接时, 测试报文长度不同时的传输延时 ( t) , 获得最大延时时间 ( tmax) 、最小延时时间 ( tmin) 、计算平均延时时间 ( tave) 及标准偏差 ( εstd) 如表3 所示。
经UDP传输时, GOOSE应用层报文长度范围计算如下: 以太网帧大小范围为64 ~ 1 518 B, 去掉帧头, 数据大小范围为46 ~ 1 500 B。IP报文头长为20 B, UDP报文头长为8 B, 得GOOSE应用层报文长度= 以太网帧数据长度- IP报文头长度- UDP报文头长度= 18 ~ 1 472 B, 报文长度间隔选取如表3 所示。
从表3 可以看出, 报文长度跟t并不成简单的线性关系, 基本呈报文长度越大, 延时越大的趋势。
实际工程应用中, GOOSE报文一般不会超过300 B, 最大为752 B, 因此, 后续试验将以752 B为例进行测试。
3. 4 跨交换机节点数与传输延时的关系
无背景流量下, 收发报文经1, 2, 3, 4 台交换机连接时的传输延时t, 测试结果如表4 所示, 可以看出, t随经过交换机节点数的增加而增大, 跨4 个交换机节点时, tmax为1. 925 ms, 不超过2 ms。
3. 5 网络背景流量与传输延时的关系
3. 5. 1 恒定背景流量下的传输延时
使用STU3 和STU5 连续收发报文生成背景流量, 改变其发送速度可以获得不同的网络负载率。实验测试了不同网络负载率下, 传输层分别经UDP, TCP以及在IP层利用TOS字段设置GOOSE报文为高优先级 ( 简称UDP ( Qo S) ) 时的传输延时t。
上述几种情况下的平均传输延时tave见图5。其中, UDP在各种网络负载率情况下的t都比TCP小很多。在网络负载率小于97% 时, 各种传输方式下的t基本不变, 在网络负载率大于97% 时, t急剧增大。
加入优先级之后, tmax变小, 从1. 751 ~ 3. 714 ms之间变化变为在1. 501 ~ 2. 011 ms之间变化, 每种网络负载率下的tmax和tmin的差值变小, 说明网络变得平稳, 延时抖动变小。
以网络负载率为30% 为例 ( 实际配电网通信系统中, 网络负载率一般不会超过30% ) , 绘制t概率分布如图6 所示, 可见, t基本都分布在tave附近。
3. 5. 2 突发背景流量下的传输延时
传输方式为UDP和UDP ( Qo S) 情况下, 用STU3 和STU5, STU4 和STU6 来产生背景流量。构造突发背景流量以模拟配电网中发生故障时, 背景流量突增的情况。配电网故障时, 一般有多个终端网络流量突然增大, 但持续时间较短, 因此, 试验中, 控制2 组STU网络流量突发时的网络负载率为90% , 分别测试持续时间为0. 1 s和0. 5 s两种场景, 总的平均网络负载率控制在30% 左右, 每组背景流量的构造见附录A图A2。以一组为例, 设背景流量突发时产生90% 的网络负载率, 持续时间为0. 1 s, 没有突发流量时网络负载率为10% 。若保持平均网络负载率为15% , 设10% 的网络负载率持续时间为x, 有
解式 ( 3) 得x = 1. 5 s。在两组背景流量同时为90% 的网络负载率时, 必将产生拥堵。
分别构造突发背景流量持续时间为0. 1 s和0. 5 s的情况, 测得的t等参数如表5 所示。
从表5 可以看出, 加入优先级后, 改善了tmax和εstd; tmax和tmin的差值变小, 说明网络变得平稳, 延时抖动变小; 经统计, 得t大于5 ms的数据从15 包减少到2 包, 说明传输延时较大的数据量减少了。
由于GOOSE报文不需要确认, 所以通过在报文发送端对发送的报文数量进行统计, 在接收端对收到的报文数量进行统计, 两者的差值即为丢失的报文数量, 从而可求得极端情况下的丢包率, 加入优先级之后, 测得丢包率在突发流量持续时间为0. 1 s时从0. 1% 减小到0. 04% , 在突发流量持续时间为0. 5 s时从0. 05% 减小到0, 均得到了改善。
3. 6 跨路由器时的传输延时
为测试GOOSE over UDP方式可跨不同网段传输的性能及其实时性, 选用华为公司AR1220F-S型号的路由器, 支持IP层TOS设置 ( 具体性能参数、IP配置见附录A表A2、表A4) , 将收发STU接入路由器不同网段接口, 测得此时tmax为1. 39 ms。
4 通信系统的安全性
GOOSE over UDP比基于MAC层的通信在本质信息安全方面有显著的优势[7]。防止网络风暴—通信量只被传输到基于多播地址表的授权端。可以避免跨越变电站的大范围网络风暴以及由此带来的安全性挑战, 如电子欺骗、重演攻击、拒绝服务。网关易于受到各种安全性威胁, 而GOOSE over UDP方式可以不用网关。网络体系结构以及多播地址表避免了信息泄露。
与变电站中主要应用光纤局域网不同, 配电自动化系统范围广、节点多、通信方式多样, 信息需跨网段传输, 不能照搬变电站信息安全防护的措施, 可结合IEC 62351 来考虑新的信息安全措施[8]。
5 提高控制可靠性的措施
电力系统中, GOOSE报文主要用于控制开关的跳/合闸等关键信息, 其可靠传输对分布式保护、控制应用的实现至关重要, 可从通信链路故障和STU故障两方面来提高分布式控制应用的可靠性[10,14]。
配电网分布式控制应用基于STU间的无缝通信实现, 实用的控制应用算法必须给出通信链路故障时的解决方案。利用GOOSE提供的心跳/重传机制, 可检查某个STU与其他STU的通信连接是否正常。如果在等待一设定时间后, 未收到某个STU的GOOSE报文, 其他STU会认为与该STU间的链路出现故障, 算法中应设计相应的异常处理机制。如果多个STU的GOOSE报文都未收到, STU应报告控制中心, 终止分布式控制应用操作。
通过给每个STU配置双通信通道的方式可以进一步增强通信链路的可靠性, 但会增加安装冗余通信网络的成本。
此外, 大多数STU都有自检功能, 出现故障的STU会发消息给其他STU, 算法中必须考虑STU出现故障的情况, 并进行任务的重新分配。
6 结语
分布式控制兼具就地控制速度快以及集中控制利用信息全面、性能完善的优点, 可更好满足智能配电网的要求。实时数据快速传输技术是实现分布式控制的关键支撑技术。
分布式自动控制 篇10
随着国民经济和科学技术的发展,电力系统规模逐步扩大,新型元件不断涌现,电网结构日益复杂,运行方式灵活多变,系统稳定问题日益突出。 作为保证电力系统安全稳定运行的第二、三道防线和提高电网输送能力的重要手段,区域安全稳定控制系统得到了广泛的应用。 一方面,在电力系统发生故障情况下,稳定控制系统的可靠正确动作可降低故障给电力系统造成的损失,使电力系统恢复安全稳定运行;另一方面,稳定控制系统的误动或拒动,轻则扩大事故影响,造成不必要的损失,重则对电力系统造成灾难性破坏。
稳定控制系统的高度复杂性对其测试工作带来了挑战,主要表现在以下几个方面。
a. 区域稳定控制系统所涉及的设备较多,且地理位置分散,多个厂站的稳定控制装置构成一个系统,配合工作共同实现区域稳定控制的功能,如南方电网的稳定控制系统横跨广东、广西、云南、贵州、海南五省,涉及厂站达数百个之多。 要对如此庞大的系统进行一次完整的系统测试,其工作量和难度都非常大,而且系统测试时对系统运行方式的真实模拟要求较高,常规的测试手段很难满足测试要求。
b. 大规模电力系统的稳定控制策略一般比较复杂,采用的稳定控制装置来自不同的厂家,型号多种多样,不同厂家的测试方法和手段也各不相同。 因此当前的系统测试大多采用分层、分级局部测试的方法,整个系统的全面测试较难实现。
c. 在稳定控制装置的开发和出厂验收测试过程中,为了保证软件逻辑的严密性,必须搭建与现场运行工况尽量接近的测试平台,这也是一个复杂的过程,用现有的测试手段实现起来比较困难。
因此,本文研制了新型的分布式稳定控制仿真测试系统,旨在为现场稳定控制系统级联调测试提供手段,以对电力系统稳定控制系统进行有效、可靠、完整的系统测试,将装置的软、硬件缺陷尽早地暴露出来,避免给电力系统安全稳定运行带来隐患,并简化测试人员的工作。
目前,稳定控制系统测试的方法主要有:用测试仪模拟故障强相关元件,针对单个稳定控制装置进行策略验证测试;动模试验;利用RTDS进行电力系统实时数字仿真试验。
上述3 种方法中,第1 种方法仅能对单台装置进行测试,显然无法满足现场对于系统及逻辑策略验证的需求。 第2 种方法试验效率较低,试验成本太大,只限于稳定控制装置研发和出厂验收阶段,无法对现场稳定控制装置进行测试。 第3 种方法可实现稳定控制系统的实时闭环试验,但是,限于计算节点的配置,大规模电力系统往往需要等值简化后才能进行仿真,需要测试人员对网络和RTDS有高度了解。 另外,RTDS试验也只限于稳定控制装置研发和出厂验收阶段,无法对现场稳定控制装置进行测试。 本测试系统提供的测试方法并没有追求达到RTDS的实时闭环测试的效果,旨在为现场系统级别的稳定控制系统的策略验证、逻辑判断提供简便易行的方法,在现场测试中受到了广泛的好评。
1 新型分布式区域稳定控制仿真测试系统
目前,电力系统分析计算软件已经发展得非常成熟,功能也越来越强大,可计算的系统规模也越来越大,可模拟几千个节点的电力系统;能够模拟的元件种类也很多,如换流变压器、SVC、SVG、TCSC等各种电力电子设备,还可模拟变压器的内部故障、励磁涌流、电流互感器饱和及电压互感器断线的暂态过程等,并且其仿真的正确性已经得到了公认。 本文利用BPA、PSASP、PSCAD等电力系统分析计算程序的强大功能来构造分布式稳定控制仿真测试系统。
分布式稳定控制仿真测试系统的结构如图1 所示,其设计方案和工作原理如下:通过仿真后台的仿真软件对所涉及的电力系统进行故障仿真,故障仿真的数据通过仿真测试装置执行输出,仿真测试装置通过GPS装置保证输出的严格同步,从而将仿真的系统故障同步输入到各安装处的稳定控制装置,检验系统故障时各稳定控制装置的逻辑策略、动作情况等。 整个系统包括仿真后台、HELP2000 稳定控制仿真测试装置(以下简称HELP2000)和外部GPS时钟源3 个部分。
1.1 仿真后台
采用通用的PC机或者工作站,安装BPA、PSASP、PSCAD等仿真软件,能够根据电力系统的网络模型,对电力系统的各种故障进行仿真,得到稳定控制装置所需的二次侧电流、电压量,通过程序对这些电流、电压数字值进行处理后,转变为HELP2000 所需的数字量。 通常BPA等软件的输出都是幅值、频率、相角信息,且间隔一定的时间(几十至几百毫秒)输出一个点,HELP2000 根据BPA等软件中输出的点的数据信息,定时实时计算故障模拟量,计算公式为:
S = Acos(ωt + dωdt·t·t / 2 + )
其中,A为幅值;ω=2πf,f为频率;t为定时的间隔;为相角。 每周期输出200 点的故障数据(可以根据测试系统的要求输出更多点),该数据通过DA转换变成交流模拟量信号,从而保证了故障过程中的暂态特性,满足稳定控制装置的系统测试要求。 如果数据来源于PMU等录波数据,将根据录波点数的不同,采用拉格朗日插值将每周期的数据插值到每周期200 点。
仿真后台的控制软件也可来自PMU或者稳定控制装置的COMTRADE格式的录波数据,装载到HELP2000 后,再现实际系统的故障,验证稳定控制装置的控制策略,分析动作逻辑。 PMU录波、现场装置录波数据用来测试稳定控制系统逻辑功能是非常有意义的,即使整个电网系统的结构、参数和运行方式发生大的改变,可能过一段时间也会恢复原样,而稳定控制系统对历史上曾经出现过的运行方式也需正确响应,因此该方法的实现在现实中具有很重要的意义。
仿真后台采用跨平台Qt设计方案,通过网络方式对HELP2000 和稳定控制装置进行分类管理控制。 该仿真后台集成了变电站自动化系统,将稳定控制装置纳入到仿真测试系统的网络中,在系统仿真试验的过程中可以实时监控稳定控制装置的动作情况,根据稳定控制装置的动作情况动态调整系统的运行状态,形成准实时闭环测试系统。 该系统受限于计算机和BPA等仿真软件的计算实时性,实际上是预先通过BPA仿真了稳定控制系统动作的各种情况,将各种仿真的数据(称之为故障状态模型)预先下载到HELP2000 中,HELP2000 在输出的过程中实时检测稳定控制装置的动作接点情况,然后根据动作的不同调用不同的故障状态模型进行输出,因而并不是严格意义上的闭环仿真,只能称之为准实时闭环仿真。 如果能将BPA等软件的模型算法放在测试装置中实时计算,并根据反馈接点调整算法,进行DA转换输出,才是严格意义上的闭环仿真,本文所设计的系统受软硬件水平限制,并从工程实际考虑,采用了文中所述的方法。
试验过程中,分布在各个变电站的HELP2000 接入到统一的GPS对时网络中,各台HELP2000 的系统时标严格同步;HELP2000 内部板卡将对时网络的对时信号精确解码,并转化为内部对时脉冲,保证内部板卡的步调严格一致;试验时各台HELP2000 通过定时,在同一时间触发故障,后续各台HELP2000根据各自对接的稳定控制装置的反馈情况触发不同的故障状态。 外部GPS对时和内部根据GPS信号解码的秒脉冲,保证了分布在各个试验场所的HELP2000的协调工作和输出故障信号的同步。
试验时,预设的故障状态如图2 所示。
仿真故障状态1 是故障运行的主态,在规定的时间内如果没有符合条件的接点动作,该状态将一直运行;状态分支的动作条件一般是动作接点和接点的动作时间,不同的接点触发不同的状态分支,相同的接点在不同的动作时间也会触发不同的状态分支。
试验时如果装置的动作和预设的故障状态分支都不一致,则存在装置动作的动作逻辑不对、反馈接点的接线出错、预设的状态分支不够完备3 种情况。
此时,试验完毕后根据仿真后台收集的动作接点SOE报文和稳定控制装置动作报文,分析是否是前2 种情况,一般如果仿真准备工作比较完备的话,试验即能验证稳定控制装置的策略和逻辑;当然也存在第3 情况,这种情况下只能重新分析系统的结构,增加故障情形,重新进行试验。
试验结束后,系统根据稳定控制装置的动作报文、接点的动作时间,以及HELP2000 输出故障的时刻,形成整组动作测试;另外还会形成完整的报告,并自动存档,供用户查阅。
1.2 HELP2000 稳定控制仿真测试装置
HELP2000 作为分布式稳定控制仿真测试系统故障的执行机构,与仿真后台通过以太网连接,支持GPS的IRIGB、分脉冲、秒脉冲模式的对时。 HELP2000作为仿真测试系统的重要组成部分,其功能要求包括网络通信、故障计算(实时按照模型公式计算输出BPA等软件的故障数据,并根据动作接点切换故障状态模型)、GPS对时、内部数据交换和同步等,十分复杂。 故本系统采用了模块化的插件式设计思路,硬件采用了POWEPC、DSP、FPGA、高速数据总线等多种解决方案,支持灵活扩展,而软件采用实时Linux操作系统,支持多线程调度,组成强大的软硬件系统,其结构如图3 所示。 各板卡均自带CPU并分布式排列在背板高速数据总线上;主控CPU采用高性能POWERPC芯片,嵌入式实时Linux操作系统,负责调度测试项目的进行,测试项目被主控CPU分解为与各扩展板卡相关的任务,通过数据总线下发到各扩展板;各扩展板卡的CPU采用高性能DSP芯片,负责实时计算系统故障,而对时板卡采用先进的FPGA解决方案,对外部时钟源进行解码,并从中得到精准的对时脉冲,通过对时总线保证各扩展板任务执行的协调、一致。
1.3 外部GPS时钟源
将分布在同一厂站不同位置以及不同厂站(如图1 中的甲地和乙地)的HELP2000 和稳定控制装置纳入到统一的时标之下,HELP2000 以外部时钟源为基准,从中分解出精确的内部板卡同步脉冲,用于内部板卡之间的同步。 通过此方式不同位置的HELP2000的多块板卡同步输出,对扩展区域的稳定控制装置进行同步测试,解决了区域稳定控制系统所涉及的设备较多、地理位置分散的难题,实现了系统级的测试。
2 新型区域稳定控制仿真测试系统的测试过程
a. 设定目标电网的故障情形, 由BPA、PSASP、PSCAD等软件进行仿真计算,以设定的时间步长输出指定元件的状态量的振荡波形数据。
b. 利用仿真后台的数据转换工具将BPA、PSASP、PSCAD等软件的仿真计算结果、PMU录波数据、稳定控制装置现场录波数据获得的系统动态过程数据进行转换,输出为HELP2000 支持的数据格式。
c. 将HELP2000 的模拟量、 开关量输出连接至对应的稳定控制装置,将稳定控制装置的输出接点反馈至HELP2000。
d. 通过稳定控制仿真测试软件平台将电力系统动态过程数据通过网络加载于分布在各处的HELP2000 , 精确定时同步输出系统故障, 如图4所示。
e. 实时监控系统仿真试验的全过程,获取并校核稳定控制装置的动作报文,检查策略执行结果,形成完整的系统试验报告。
整个仿真过程如图5 所示。
仿真后台的主要工作如下:
a. 调用BPA / PSASP / PSCAD等软件根据系统模型进行计算,以设定的步长输出制定元件各种动作情况下的故障状态数据模型;
b. 处理各元件的故障状态模型数据,与稳定控制装置的动作情况建立关系;
c. 将各种数据以统一的报文格式, 通过数据网络下载到指定的HELP2000,并定时运行故障。
HELP2000 的主要故障如下:
a. 根据公式实时计算故障数据,并进行DA转换;
b. 定时输出并实时监测稳定控制装置动作情况,切换不同的故障状态模型;
c. 通过对时网络同步系统时间及计算时刻, 保证系统中各测试装置输出同步。
3 稳定控制系统测试应用实例
本文分布式稳定控制仿真测试系统解决了当前区域稳定控制系统测试工作中存在的实际问题,在南方电网、新疆电网、大连石化电网等一大批实际工程中发挥了重要作用。
下面以南方电网高肇直流双极闭锁后稳定控制系统执行策略的验证为例说明新型区域稳定控制仿真测试的实现过程,各站点之间的通信连接关系如图6 所示。
系统故障时,高坡站稳定控制装置判断出南方电网发生高肇直流双极闭锁故障后,高坡站稳定控制装置向安顺站(南网)、青岩站(南网)稳定控制装置发切机命令,向罗洞站(南网)稳定控制装置发切负荷命令,安顺站(南网)稳定控制装置将高坡站稳定控制装置发来的切机命令转发至安顺站(贵州)稳定控制装置,肇庆站稳定控制装置将判断出的双极闭锁的开放信号发送至青岩站(南网)稳定控制装置。
系统测试时,在图6 所示的6 个接入站点中各配1 台HELP20000,6 台HELP2000 通过GPS装置实现故障数据同步,每台HELP2000 分别模拟高肇直流双极闭锁故障时各个接入点的运行状态,动态仿真了整个故障过程,试验过程中所有稳定控制装置均正确动作,验证了稳定控制策略与定值的正确性与合理性,为系统可靠运行提供了保障。
4 分布式稳定控制仿真测试系统的优势与不足
分布式稳定控制仿真测试系统的优势如下。
a. 与稳定控制系统的策略制定采用的数据源保持一致,充分利用现有的电力系统仿真计算技术的成果,不受系统规模、故障类型的限制,不需对目标电网进行任何简化、等值处理,可验证大规模电网的复杂策略,符合运行方式人员的日常工作习惯,且试验成本较低。
b. 试验过程简单,可应用于稳定控制系统的研发测试、出厂验收测试、现场调试测试、定期检修测试全过程;功能强大、界面友好的仿真软件将各种类型的故障数据处理完毕后,可存贮成各种故障菜单,既可用于系统级别的跨区域策略测试,也可进行单台稳定控制装置的研发测试、生产调试,灵活方便;可将PMU或现场稳定控制装置的录波数据在稳定控制系统上进行故障现场模拟,便于分析问题。
c. 稳定控制仿真测试装置HELP2000 便携、 可扩展,支持分布式部署,其输出的模拟量经过功率放大后,可加载于稳定控制装置的交流采样模块,构建多厂家稳定控制装置构成的稳定控制系统统一测试平台;同时稳定控制仿真测试系统提供COMTRADE格式的系统振荡数据,可与其他测试仪(如博电、昂立)基于GPS对时,构建统一测试平台。
d. 稳定控制仿真测试系统和稳定控制装置组成闭环系统,并处于同一GPS网络之中,具有统一的时标,根据稳定控制装置的动作接点和动作报文,结合可控的故障时刻,可以非常方便地测试稳定控制装置的整组动作时间。
e. 稳定控制仿真测试系统离线计算各种情况下的系统故障,可实时根据稳定控制装置的动作情况,动态切换系统运行状态,更加符合实际情况。
f. 与在线稳定控制系统相结合, 取电力系统的真实运行状态数据进行稳定控制装置的策略研究和功能测试,可用来测试在线稳定控制系统实时刷新的策略表,如图7 所示。
稳定控制仿真测试系统也存在一些不足,其所采用的闭环控制策略仅仅是对各种故障情形作了预设,根据装置的动作调取不同的故障进行输出,并没有根据装置的动作情况,实时反馈给故障仿真软件,重新仿真系统故障,因此并不是一种实时闭环系统,而仅仅是一种离线闭环系统。 针对这些不足,将在后续的工作中结合实际的情况,给出更好的解决思路。
5 结语
本文在充分研究当前区域稳定控制系统测试工作中存在的实际问题的基础上,设计并开发了新型分布式区域稳定控制仿真测试系统,实现了大规模跨区域电力系统稳定控制系统的动态整组测试。 工程实践表明,该测试系统可方便快捷地实现稳定控制系统的全面测试,提高了测试工作的效率和自动化程度,减轻了测试人员的工作强度,为确保稳定控制系统的安全可靠运行把关。
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