自动建模

自动建模（精选九篇）

自动建模 篇1

在汽车车灯新产品的研究开发过程中, 逆向工程技术和思想越来越受到重视。车灯产品的造型大致可分为数据测量、三维建模和结构设计三个阶段。数据测量阶段是利用三坐标测量仪对汽车车灯的每个部件进行测量, 以获取所有部件的三维坐标数据;三维建模阶段是利用测量的三维坐标数据, 通过专业的三维软件 (UG、CATIA) 进行车灯产品造型;结构设计阶段是根据具体情况将车灯产品的某些结构进行设计和改进。

由于汽车车灯存在种类和数量繁多的配光纹, 对这些配光纹进行测量和建模的工作量巨大, 通常占据整个产品造型工作量的20%甚至更多。因此能否提高这些配光纹的造型效率将直接影响汽车车灯新产品开发周期和开发成本。

虽然车灯配光纹数量较多, 但每种配光纹的建模都符合一定的规律, 因此对于手工造型的工程师而言, 这是一项枯燥和重复的工作。因此, 若能对某种三维软件进行菜单功能的二次开发, 实现所有配光纹建模的自动化, 则将极大地提高配光纹的测量和造型效率, 同时产生可观的经济效益。

六角伪电铸纹如图1所示。汽车车灯的六角伪电铸纹的加工方法非常特殊, 它不采用数控铣进行加工, 而是制作一个电铸纹的电极利用数控电火花进行加工, 因此真正的六角电铸纹在电火花加工之前不需完整的电铸纹3D模型, 而只需建立电铸纹的顶点曲面, 然后利用电铸纹电极对顶点曲面进行电火花加工即可。

电铸纹的电极是利用许多个电铸纹单元合并而成, 图2 (a) 为单个电铸纹单元, 图2 (b) 为电铸纹电极。

电铸纹通过电火花进行加工虽然加工精度高, 配光效果好, 但加工效率非常低, 加工成本太高。一块面积为100mm×100mm的六角电铸纹加工费用大概需要10万人民币。因此, 为了降低车灯模具的制造成本, 通常将某部分的六角电铸纹利用数控铣进行加工, 而利用这种方法加工出来的六角电铸纹我们称之为六角伪电铸纹。

数控铣加工的前提条件是建立完整的电铸纹3D模型, 由于电铸纹单元的几何结构比较复杂, 因此本文基于UG二次开发环境, 利用二次开发语言open-grip, 实现了汽车车灯六角伪电铸纹建模的自动化。

2 六角电铸纹单元的几何结构

图3为六角伪电铸纹单元的顶部具体结构。顶部结构共有7个点, 包括3个近端点、3个远端点和1个顶点。近端点与顶点之间的距离等于正方体的边长, 远端点与顶点之间的距离等于正方体边长的姨2倍, 近端点与远端点之间的距离也等于正方体边长。顶点只与3个近端点采用直线相连接, 顶点与近端点的连线、近端点与远端点的连线之间全部正交, 由此生成的3个平面也彼此正交。

六角电铸纹除了顶部结构之外, 还有轴线方向。轴线方向就是拔模线方向, 即上下模的开模方向。电铸纹单元的轮廓沿轴线视图方向为标准的正六边形, 因此电铸纹电极沿此方向类似如图4所示的形状。

3 六角伪电铸纹建模程序的开发过程

根据六角伪电铸纹的加工原理可得, 电铸纹电极的排布规则的关键是准确定位每个电铸纹单元的顶点在车灯曲面上的位置, 因此伪电铸纹自动建模程序的难点在于当前拔模方向上伪电铸纹的顶点具体位置。

由于电铸纹数量很多, 而且电铸纹顶点的测量难度很大, 通常情况下只测量纵横两排电铸纹的顶点, 然后将这些顶点拟合成两条顶点曲线。因此六角伪电铸纹自动建模程序运行之前的原始数据包括电铸纹顶点曲面、两条顶点曲线和拔模线, 如图5所示。

电铸纹顶点是通过网格划分实现的, 它们是组成网格的两组曲线的交点。因此, 此自动建模程序也分为两个模块:网格划分和电铸纹建模。

3.1 网格划分

根据电铸纹电极的排列规则, 可通过以下几个步骤实现六角伪电铸纹网格的自动划分: (1) 将两条顶点曲线投影到与拔模线相垂直的平面内; (2) 两条投影的顶点曲线在平面内平行复制成两组曲线; (3) 将平面内的两组曲线沿拔模线方向投影到伪电铸纹的顶点曲面生成网格的两组曲线; (4) 求顶点曲面上两组曲线的交点; (5) 将伪电铸纹单元沿拔模线方向复制到顶点曲面的某些交点。

根据电铸纹电极的制作原理, 两条顶点曲线在与拔模线垂直的平面上的投影内应该是两条相互正交的直线。但是由于测量和拟合误差的存在, 两条投影曲线并不正交, 而且每条投影曲线本身可能并不是直线。因此顶点曲线投影之后、平面直线复制之前必须对两条投影曲线进行处理, 使之成为相互正交的两条直线。

3.2 六角伪电铸纹建模

顶点曲面的网格的生成是电铸纹建模的前提条件。电铸纹建模是此程序的第二个模块。

六角伪电铸纹的具体几何形状则由电铸纹顶点和拔模线方向确定, 每个电铸纹的定位由网格的每个交点决定, 电铸纹建模的任务是将预先生成的六角伪电铸纹复制到顶点曲面的某些网格交点上。

由于六角电铸纹的几何特点, 相邻两排电铸纹并不完全对齐, 而是相互交叉, 如图6所示, 因此所有的网格交点并不都是伪电铸纹的顶点, 电铸纹建模之前的重要任务是辨别真正的电铸纹顶点。

主程序流程如图7。

4 应用实例

以下是一个汽车车灯六角伪电铸纹建模的应用实例。

图8是一款后照灯, 图中指示部分的内部分布数量众多的六角变形电铸纹, 调用自动建模程序计算所需时间。

图8后照灯所示部分的内部结构如图9所示。该结构深色的区域全部分布六角伪电铸纹, 总数量大约为600个。

六角伪电铸纹结构虽然只包括3个面和9条直线, 但必须生成1个顶点、3个近端点和3个远端点, 这7个点共需偏置14条曲线, 因此单个六角伪电铸纹的手工建模时间大约需要4min, 600个电铸纹共需2400min, 合40h。而调用六角伪电铸纹自动建模程序, 则所有时间只需约0.5h。

5 结论

本文基于汽车车灯六角伪电铸纹造型的基本思路, 利用UG/open-grip二次开发语言, 实现了六角伪电铸纹建模的一次生成。

汽车车灯的配光纹种类还有很多, 如侧配光纹、柱状配光纹、三角形配光纹、鱼眼配光纹、金字塔配光纹等, 手工造型工作量巨大, 因此可以根据本文的基本思路开发上述种类配光纹的自动建模。实践证明, 该系统能极大程度提高车灯造型的效率和精确度。

自动建模 篇2

基于OOCPN的自动化钢料加工车间调度系统建模

通过分析造船生产中的钢料自动化加工车间系统的`组成和加工特点,结合有色Petri网和面向对象技术的优点,建立了基于OOCPN的钢料车间调度系统模型.该建模过程直观清晰、易于理解,为后续的车间调度优化提供了有效的模型.

作 者：刘玉君 郑园园 邓燕萍  作者单位：大连理工大学,船舶工程学院,辽宁,大连,116024 刊 名：造船技术  PKU英文刊名：MARINE TECHNOLOGY 年，卷(期)： “”(5) 分类号：PT311 关键词：钢板   加工车间   面向对象   Petri网建模  

自动巡航系统建模与仿真 篇3

关键词：巡航控制系统 PID控制 SIMULINK仿真

中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）05（c）-0235-01

自动巡航控制系统是为提高车辆纵向运动主动安全性而设计的自动辅助驾驶系统，是实现车辆自动化和智能化的一个重要组成部分。汽车电子自动巡航控制系统主要由巡航控制开关、车速传感器、电子控制单元（ECU）、汽车制动开关、执行器等组成。其工作原理是控制目标车辆的纵向运动状态，从而保持期望的车辆速度和与前方引导车之间的安全距离。在保持安全车间距离的要求下跟踪前车行驶，实现较少驾驶员的操作，减轻其疲劳程度。该文中仅以整车为研究对象，建立速度与车辆纵向力学之间的关系，从而直接获得期望的速度，系统包含控制器和理想速度与汽车纵向力学模型。

1 系统数学模型的建立

动力性是汽车各种性能中最基本，最重要的性能。为此，我们将从分析汽车行驶时的受力出发，建立行驶方程式。在对于驱动动力学研究中，首先要知道汽车在行驶过程中所受阻力主要是由车轮滚动阻力、空气阻力和坡度阻力组成的。这里谈论的行驶阻力代表了车辆对发动机输出动力和功率的需求，而提供这一需求的供应链则由汽车的动力传动系统完成，此外，路面附着系数也会影响到这种供求关系的平衡，直接影响到汽车的动力性能。[2]

为了更好地描述车辆在行驶过程中的复杂受力情况，可以采用化整为零的方法，把整车分割成驱动力、摩擦阻力、空气阻力和坡度阻力四大部分，分别对其研究，最后综合这三部分建立起汽车纵向动力学数学模型。汽车行驶方程式为

（1）

式中 Ft为汽车的驱动力；

Fw为空气阻力；

Ff为汽车质量；

Fi为汽车的坡度阻力；

Fj为加速阻力。

（2）

此公式表明了汽车行驶时驱动力和外界阻力之间的相互关系的普遍状况。当发动机的转速特性，变速器的传动比，主减速比，传动效率，车轮半径，空气阻力系数，汽车迎风面积以及汽车质量等初步确定后，便可利用此式分析在附着性能良好的典型路面（混凝土，沥青路面）上的行驶能力，即确定汽车在节气门全开始可能达到的最高车速，加速能力和爬坡能力。由此被控对象输入量为汽车驱动力Ft和输出量为汽车行驶速度v之间的关系。[3]

（3）

2 系统仿真模型的建立

总体力学仿真中包含：摩擦阻力模型、空气阻力模型、坡度阻力模型等。将以上模型进行封装得到最后的力学仿真模型如图1所示。

3 控制策略的制定

该文采用PID控制策略进行车速的控制，PID控制为比例积分微分控制，它是根据汽车实际行驶车速与设定车速之间的偏差，参考过去、针对现在、预估未来等各种状况，实现系统参数不变的汽车巡航控制。 PID控制算法的表达式为：

（4）

式中为比例系数；

为积分时间常数；

为微分时间常数。

对PID和纵向力学模型进行整体建模，得到闭环传递系统，将PID、纵向力学仿真模块进行封装。在MATLAB/Simulink中建立模型如图2所示

4 结论

在Simulink中搭建完成了汽车巡航控制系统仿真模型，对巡航控制选用的PID控制策略进行了仿真分析。通过在不同车速下的仿真分析我们可以看出PID的控制结果在很短的时间内我们得到了最佳的控制速度，得到了较好的控制策略。

参考文献

[1]赵秀春，徐国凯，张涛，等.基于模糊控制的车辆自适应巡航系统设计[J].大连民族学院学报，2013（5）：30-35.

[2]于志生.汽車理论[M].机械工业出版社2012.

自动建模 篇4

近年来,我国的电网发展异常迅速,湖北-晋东南和“皖电东送”特高压交流输电工程相继建成,大型新能源基地相继并网运行,全国性的大型互联电力系统正在加速形成。在这种形势下,电网的频率特性和联络线的功率特性就发生了很大变化。频率是最为重要的电能质量指标之一,频率问题一直以来都受到了人们的高度关注。自动发电控制系统(Automatic Generation Control,AGC)是进行频率和联络线功率控制的重要设备。大型互联系统新的动态特性对AGC系统带来了新的挑战。如何有效应用AGC系统应对挑战成为人们不得不考虑的问题。而由于电力系统的连续特性,数字仿真是进行AGC系统相关问题研究的重要手段,仿真模型准确与否对于仿真研究有着至关重要的影响。因此,有必要对AGC系统的控制理论、数字仿真技术和应用情况做出总结,以便为今后的研究提供参考。

在过去几十年中,国内外学者对AGC仿真计算模型、控制方式、评价标准、具体实现手段及应用等进行了大量深入研究,提出了一些卓有成效的理论和方法,从而大大改善了AGC系统的控制性能。有研究者对传统的AGC控制理论与仿真技术进行了总结:文献[1]系统总结了AGC系统的控制策略方面的研究进展。文献[2]系统全面地论述了包括AGC系统在内的电力系统数字仿真技术的发展情况。有的文献针对新能源并网的条件下AGC控制做了专门研究。文献[3]提出了风电场三层AGC控制模型,包括能量管理层、风机控制层和总调度层,采用基于此模型的控制策略之后,风电厂造成的波动情况可得到有效改善,但该文没有研究厂内AGC系统和整个电网AGC系统的配合问题。文献[4]提出一种基于马尔科夫法的用于超短期负荷预测的小波神经网络,使用该网络进行负荷预测可以使预测误差大为下降,AGC的频率调整质量显著提升。但是,还没有人对过去尤其是近期的AGC的控制技术、针对AGC系统的仿真研究情况做出系统全面的总结。

针对上述问题,本文系统总结了AGC系统的控制技术和建模仿真及应用方面的工作,指出了目前研究存在的一些问题,并对AGC系统未来的研究方向做出了展望,对AGC系统的不足之处提出了一些改进措施。

1 AGC简介

AGC是以能量管理系统(Energy Management System,EMS)和机组协调控制系统为基础的先进的闭环控制系统,包括计划跟踪、区域控制和机组控制3部分,负责二次调频工作。AGC的主要目标有4个:1)维持系统频率在额定频率附近;2)维持联络线的交换功率为计划值;3)在保证频率和交换功率的基础上,尽可能降低调整出力的成本,以合理分配电厂的出力;4)紧急情况下协调各个区域的功率支援,帮助系统频率尽快恢复。

AGC的主要控制方式包括:定频率控制方式(Flat Frequency Control,FFC)、定交换功率控制方式(Flat Tie-Line Control,FTC)及联络线功率频率偏差控制方式(Tie line Bias Frequency Control,TBC)[5]。根据系统采用的控制方式,区域控制误差(Area Control Error,ACE)关注点有所不同:

(1)在FFC模式下,ACE仅有频率偏差分量,该方式的目的在于使频率偏差趋近于0。

(2)在FTC模式下,ACE仅包含区域交换功率偏差量,该方式的目的在于使交换功率偏差最终趋近于0。

(3)在TBC模式下,ACE包含了频率偏差和联络线功率偏差2个分量,该模式的控制目标是使频率和联络线的偏差趋近于0。

FFC方式不能保证交换功率偏差为0,因此多用于大系统的主系统或独立系统;FTC无法保证系统频率维持在额定值附近,只可以用在小型或中型容量的系统;TBC控制方式首先响应的是本区域的负荷变化,可保证频率和交换功率最终都维持在规定水平,因此成为目前广泛采用的区域控制办法[3]。在一个互联系统中,可通过使用不同的区域控制方式达到优势互补的效果[6]。根据上述各类控制方式的特点,一般控制办法是对某一区域采用FFC,其余区域则采用TBC[7]。

目前,A1/A2标准和CPS1/CPS2标准是最为常用的标准。A1标准要求任何1个10 min间隔内,ACE必须过0。A2标准要求ACE的10 min平均值要在规定的范围内。CPS1标准要求某一段时间(如1 min)内,控制区的ACE与频率偏差乘积应当满足统计误差的要求。CPS2标准要求ACE的10 min平均值应当在规定数值以内。

2 AGC系统的控制

2.1 电网AGC系统的控制方法

互联电网可采用集中分区域的控制办法[5],其中,“集中”是指控制指令的生成在1个调度集控中心完成,“分区”是指在实施控制的时候,要使得各区域的电厂只负责本区域的功率扰动。

AGC系统目前广泛采用依据CPS评价标准建立的控制策略。该控制策略以频率偏差为中心,把控制区划分为不同区域,根据各个区域的特点分别进行控制[8]。与基于A1/A2标准的控制策略相比,基于CPS的控制策略不再要求ACE频繁地过0,提高了效率,减少了非必要调节。

文献[1]认为进行准确的模型预测可强化调节效率,但同时加大了计算量,为此文献[1]提出“鲁棒控制”的概念,以应对来自负荷的干扰。进行ACG控制时,考虑到负荷的成分复杂且多变,有必要进行短期或超短期的负荷预测,AGC再根据负荷预测曲线制定调节容量等参数[9]。这类办法也可以称为动态调整法。然而由于预测工作存在的误差和AGC系统本身的延时,功率缺额将不可避免。为弥补这种缺额,可依据历史水平得到所需的容量裕度[10]。为精确地进行机组调整,机组的在线实时调整不可缺少。

尽管AGC系统仅仅负责二次调频的任务,但这并不是意味着它与一次调频无关。与一次调频的良好配合将有助于减轻AGC系统的调整任务[11]。

2.2 发电厂AGC系统的控制方法

AGC系统的控制目标最终要落实到发电机上。文献[12]总结了各类发电机组的特点,指出单循环燃气轮机一般不参与AGC的运行,联合循环燃气轮机响应速率低于前者,常参与AGC运行;水电机组响应速率很高,可参与对变化较快的负荷分量的调节;蒸汽机组和核电机组响应速率低,应当参与对缓慢变化负荷的调节。

目前,火电机组和水电机组依然是参与AGC调频工作的主力,其调节速率一般分别为0.01～0.05 p.u/min和0.3～1.5 p.u./min,其中的标幺值基准为本机组的最大输出功率。火电机组的优点是出力不受自然条件的限制,缺点是其调节成本高,对环境不够友好,火电厂一般采用单机控制方式直接控制各机组;水电机组的优点是对环境友好,发电过程简单,功率调节范围大,缺点是其出力受到水势的约束,调频能力有限,水电厂采用全厂监视控制系统进行频率调整。在执行调频任务时,应当合理地搭配使用两类发电厂,互为补充。

2.3 其他AGC控制方法

2.3.1 先进AGC控制策略研究现状

文献[13]针对微电网提出了基于模糊神经控制的AGC控制策略。神经网络控制方法可提高微电网发电系统的效率,降低其发电量损失,相对传统控制系统具有一定的优越性。但是该法理论复杂,在实际应用中推广尚有困难。

文献[1]提到的智能控制技术具有自我调整能力强、自我“学习”能力强及对模型的精确性方面的要求低等优点,但是该法存在过于依赖初始条件的缺点。针对传统控制器没有考虑非线性环节这一问题,文献[14]采用人工智能控制器参与AGC,使得系统的动态响应比起采用传统的控制手段更为优越文献[15]指出可基于智能预测、智能调度、智能控制3个模块构建智能AGC系统,以实现AGC在智能电网下的控制目标。

虽然上述方法具有较好的控制性能,但是目前这些方法中尚无一种成功应用于实际系统。不过这些方法对智能电网背景下的AGC的建设仍具有借鉴意义。

2.3.2 对传统控制办法改进的研究现状

文献[16]基于滑膜变结构控制理论,在原有的传统控制系统中加入了1个内回路反馈环节。新型的AGC系统可克服网络时延不确定性的影响。

文献[17]构造了由决策层,命令生成层和执行层组成的控制器结构,成功实现了复合多目标控制。与传统的控制系统相比提升了系统的稳定性。

文献[18]提出了“分时段分机群”的控制办法,该法把一个区域内的发电机组按照其响应速度进行排序以确定各机组的优先级,让调节能力最强的机组尽最大可能承担调整的任务。

基于变结构理论建立的控制系统的优点只在理想条件下成立,该系统的缺点是:没有考虑系统中非线性环节和数据传输延迟对于AGC调节性能的影响;受系统的限制因素,其鲁棒性可能会受到影响。

3 层控制器比起传统的PI控制器,其调频效果更

好,但是其结构更为复杂,不太适合大规模的工业化生产和使用。通过采用“分时段分机群”的办法,可以充分利用一切可以调动的资源,优化资源配置,有利于大规模系统调频工作的实现。

西班牙电网采用了一种经过修改的分层式的控制结构,改变了ACE的计算方法,使频率偏差系数正比于市场参与因子,高效合理地实现AGC控制目标[19]。

华东电网采用了“集中调频”和“分级控制”的办法执行调频工作,保留了高层次电网管理单位对于下属机构的控制权,同时扩大了资源调配的范围,但也存在一定的延时问题。

3 AGC建模仿真

数字仿真是进行电力系统分析的必要手段。由于AGC系统的动作时间是从几秒钟到几十分钟不等[20],从时域仿真的角度划分属于中长期动态过程。中长期稳定计算需要准确、真实的中长期动态元件模型[21,22]国外常用的PSS/E、Eurostag以及我国的PSD-FDS程序都可进行A(GC系统的仿真分析工作

3.1 PSS/E中的AGC模型

由西门子公司开发的PSS/E程序强大的自定义模型功能可以使得用户根据需要来搭建符合需求的A(GC模型。文献[23]运用PSS/E程序中的扩展动态仿真功能和自定义模型功能,实现了全过程仿真。其模型框图如图1所示。

图1所示模型利用PSS/E中的扩展自定义功能实现,相关方程式如下:

初始化表达式为:

输出表达式为:

步长发生变化时的表达式为:

式中:Y为状态变量;PSS/E为其分配存储数组STORE;X为ACE。

根据AGC模型采用的具体的控制模式确定其计算方式:如果采用FFC方式,则X=Δf,如果采用FTC方式,则X=ΔPT;如果采用TBC方式,X=Δf+ΔPT。Δf为实际频率和额定频率之差;ΔPT为联络线实际交换功率和计划交换功率之差;K为步长放大倍数,K的取值不同,则数值积分的计算步长不同;为标准计算步长,即即0.02S。τold和STOREold分别指变步长数值积分改变步长前的原有步长和存储数组;τnew和STOREnew分别为步长改变后的计算步长和存储数组。

该模型基于Z变换的办法得到。虽然此模型可以较为准确地模拟AGC在电力系统中所起的作用,但是,这种自定义模型不是1种通用模型,没有普遍的适用性。

3.2 Eurostag中的AGC模型

Eurostag是由法国国家电力公司和比利时Tractebel公司联合开发的中长期仿真程序。利用其中的模型库和自定义功能,文献[22]搭建的AGC模型见图2。

图2所示模型的输入量包括系统的联络线实际交换功率、计划交换功率、实际频率、额定频率。由功率计算模块1计算所有联络线的实际交换功率之和Ptie,Ptie经过惯性环节模块2处理之后,在模块3与联络线计划交换功率比较,形成联络线交换功率偏差。模块5输出系统标准频率,而系统的实际频率经过模块7的延时环节修正后,在模块4与标准频率相减形成频率偏差。频率偏差和功率偏差于模块6形成ACE。而后,经过限幅环节模块10校验的频率偏差分量、ACE分量和由模块8形成的积分分量在模块9形成最终的AGC控制信号。

该模型可以模拟电力系统遭受大扰动之后AGC系统的影响和作用,但是该模型只能进行CPS标准控制策略的仿真计算,目前也只是适用于小规模算例,不适合大规模系统的仿真计算。

3.3 PSD-FDS中的AGC模型

PSD-FDS全过程动态仿真程序中的AGC仿真模型基于我国D5000平台建立,该AGC模型控制框图见图3和图4。

网络侧部分的输入量包括系统的实际频率f、标准频率fo、联络线的实际交换功率Pt、计划交换功率Po。输出量为ACE信号。频率输入量和交换功率输入量分别形成频率偏差Δf和功率偏差ΔPt。Δf经校验后与控制区的对应自然频率偏差极限BIA SK相乘,形成ACE的频率分量Sf,而ΔPf经过校验后形成ACE的功率分量Ptiediff。2个分量根据控制区具体的控制方式形成ACE。而后根据不同的评价标准产生相应的ACE信号。

机组侧部分的输入量为网络侧模型形成的ACE信号、机组的基准功率PBP与当前实际出力PM,输出量为AGC控制信号。ACE控制信号形成AGC机组的调节功率Pacij,Padj与机组功率基准值PBP相加形成机组期望功率Pdes。经过调节限值校验后,Pdes与机组的当前出力PM相减,形成机组功率调节量。最后,经过必要的校验后,形成AGC控制信号。

该模型基于实际AGC系统建立,使用时仅需在PSD-FDS仿真平台中按照规定格式输入相关数据,通用性强。多个工程上的应用已经证明了其应用价值。PSD-FDS程序中的AGC模型将理论和实际紧密结合,更加符合工程实际的要求,对于我国的数字仿真技术研究工作起到了极大的推动作用。

4 结论与展望

现阶段,面向电网安全运行的实际需求,AGC系统的许多问题有待进一步去探索和解决。下一阶段的研究工作可按以下4个方面开展:

(1)强化负荷预测理论技术的研究。可利用人工智能理论,结合历史记录数据的分布规律,探索出精度高且符合实际需求的预测机制,推动AGC控制朝着更加精确高效的方向发展。

(2)强化新能源背景下的大电网AGC控制手段和控制策略的相关研究。风力发电和光伏发电是目前技术实现上比较成熟的2类新能源发电,通过考虑风速、光照强度变化对于系统出力的影响,探索构建能够抑制风电、光伏出力波动的成熟的AGC控制策略是下一步的研究方向。

(3)加强评价标准建设。我国在特高压系统的控制策略方面的研究已取得了一些初步成果,建立了特高压联络线功率控制评价标准——T标准[24]。接下来可以完善特高压联络线控制标准,强化新能源并网环境下的控制评价标准建设。

(4)利用实际系统自动调度软件中的数据库,完善基于实际的AGC模型,大幅减少模型仿真时造成的误差。根据新的考虑新能源或是特高压输电这类新技术影响的控制手段和控制策略,在原有AGC模型的基础上,完善适应电网发展变化的改进模型。

摘要：频率是评判电能质量的关键指标之一,现代电力系统依靠自动发电控制系统(AGC)来保证系统频率质量,并维持各个区域的联络线潮流为计划值。系统梳理了国内外AGC的研究现状,阐述了实际电力系统中AGC的控制办法、数字仿真中的AGC模型研究现状以及AGC系统应用情况,指出了目前AGC研究存在的一些缺陷,并对AGC未来的发展做出了展望。

自动建模 篇5

关键词：跟踪接收机,中继终端,单脉冲,单通道

目前, 通过数据中继卫星系统返向Ka频段链路回传遥感信息等数据, 是中低轨航天飞行器数据传输的手段之一。星间链路建立时, 由于中继星天线波束宽度为0.4°, 中继终端天线波束宽度为0.8°, 只靠程控跟踪实现星间Ka频段天线的相互跟踪, 天线指向损失对链路性能影响较大, 所以星间天线常使用自动跟踪模式实现相互跟踪, 国内中低轨航天器中继终端多采用TE21模单通道单脉冲角跟踪体制。

1 中继终端自动角跟踪系统的组成及其工作原理

中继终端自动角跟踪系统的组成如图1所示, 主要由Ka天线子系统和跟踪子系统构成。跟踪子系统的主要设备有Ka输入滤波器、Ka低噪声放大器、Ka镜像抑制滤波器、Ka单通道调制器、Ka/C下变频器、跟踪接收机、伺服控制单元、综合控制单元等。

Ka天线子系统的主要功能是通过中继终端天线环焦双反射面馈源喇叭接收中继卫星信标信号。当中继天线准确指向中继卫星波束时, Ka喇叭只产生TE11模, TE11模信号进入到跟踪子系统和信号接收通道。当中继终端天线指向偏离中继卫星信标波束时, 将在Ka馈源喇叭中激励起差模TE21信号。差模TE21信号进入跟踪子系统差模信号接收通道。天线转动机构接收伺服控制单元的驱动信号, 按照驱动信号完成天线指向。

跟踪子系统首先将Ka天线子系统送来的和、差信号进行低噪声放大, 为减小信号传输通道相位不一致性对跟踪性能的影响, 通过单通道调制器将和、差信号合成为一路信号, 下变频至C波段后进入跟踪接收机。跟踪接收机完成对接收角误差信号的频率捕获跟踪, 最后由误差提取电路分离出y轴、x轴误差信号, 送往伺服控制单元, 驱动天线转动完成自动跟踪。

本文重点研究中继终端自动角跟踪系统中的天线、单通道调制器和跟踪接收机, 这三部分的工作原理如图2所示。

图2中星间链路天线输出的和信号按一定精度完成0～360°范围内的电控移相, 差信号用低频调制信号进行四相调制, 然后进行合成, 合成后的信号, 通过环路滤波器的滤波, 不断消除本地载波和信号载波的频差, 使本地载波和信号载波同频同相, 然后进行相干解调分离出方位误差信号、俯仰误差信号。Vc (t) , Sc (t) 为方波基准信号, 用来实现差信号的四相调制, Vc (t) , Sc (t) 为CMOS电平, 并且相位相干, Vc (t) 的频率为Sc (t) 频率的2倍。

设来波为调角信号, 分析时假定天线和、差信道在接收频带内辐射特性保持不变, 以及和、差信道及来波均为理想 (左旋) 圆极化波。

和信号为[1]:

$\dot{U}{}_{\text{s}}=Af{}_{\text{s}}(\theta )\exp (\text{j}\omega t)(1)$

差信号为[2,3]:

$\dot{U}{}_{\text{d}}=Af{}_{\text{d}}(\theta )\exp \left[\text{j}\left(\omega t+\phi -\frac{\text{π}}{2}\right)\right](2)$

差信号经四相调制后变为[4]:

$\dot{U}{}_{\text{d}}=Af{}_{\text{d}}(\theta )\exp \left[\text{j}\left(\omega t+\phi -\frac{\text{π}}{2}+\beta (t)\right)\right](3)$

经混频、中放、和、差信号合并后, 得合成信号[5,6]:

$\begin{array}{l}\dot{U}=A\sqrt{1-{\rm M}}f{}_{\text{s}}(\theta )\exp (\text{j}\omega t)+\\ A\sqrt{{\rm M}}f{}_{\text{d}}(\theta )\exp \left[\text{j}\left(\omega t+\phi -\frac{\text{π}}{2}+\beta (t)\right)\right](4)\end{array}$

式中:fs (θ) 和fd (θ) 分别为以和方向图峰值归一化的和、差方向图, 假定θ很小, 故有:

$\begin{array}{l}f{}_{\text{s}}(\theta )\approx 1(5)\\ f{}_{\text{d}}(\theta )\approx \mu \theta (6)\end{array}$

式中:M为耦合系数;μ为相对差斜率;θ, φ是以天线电轴为z轴的球坐标中目标的角坐标;β (t) 为[7]:

$\beta (t)=\{\begin{array}{l}0,t=0~t{}_1\\ \text{π}/2,t=t{}_1~t{}_2\\ \text{π},t=t{}_2~t{}_3\\ 3\text{π}/2,t=t{}_3~t{}_4\end{array}(7)$

根据式 (4) 可得实信号为[8,9]:

$U=C(t)\cos [\omega t+\phi {}_{\text{c}}(t)](8)$

式中:C (t) 为合成信号的包络;φc (t) 为合成信号的瞬时相位偏移[10]。

$C(t)=\{A{}^2(1-{\rm M})+A{}^2{\rm M}(\mu \theta ){}^2+2A{}^2\sqrt{(1-{\rm M}){\rm M}}\mu \theta \sin [\phi +\beta (t)]\}{}^{\frac{1}{2}}(9)$

在θ很小, 且 (1-M) ≫M的情况下, 式 (9) 可简化为[11]:

$C(t)=A\sqrt{1-{\rm M}}\left\{1+\frac{{\rm M}}{2(1-{\rm M})}(\mu \theta ){}^2+\sqrt{\frac{{\rm M}}{1-{\rm M}}}\mu \theta \sin [\phi +\beta (t)]\right\}(10)$

在不同时间β (t) 取值如式 (7) 所示时, 得C (t) 为[12]:

t=0～t1:$C{}_1=A\sqrt{1-{\rm M}}\left\{1+\frac{{\rm M}}{2(1-{\rm M})}(\mu \theta ){}^2+\sqrt{\frac{{\rm M}}{1-{\rm M}}}\mu \theta \sin \phi \right\}(11)$

t=t1～t2:$C{}_2=A\sqrt{1-{\rm M}}\left\{1+\frac{{\rm M}}{2(1-{\rm M})}(\mu \theta ){}^2+\sqrt{\frac{{\rm M}}{1-{\rm M}}}\mu \theta \cos \phi \right\}(12)$

t=t2～t3:$C{}_3=A\sqrt{1-{\rm M}}\left\{1+\frac{{\rm M}}{2(1-{\rm M})}(\mu \theta ){}^2-\sqrt{\frac{{\rm M}}{1-{\rm M}}}\mu \theta \sin \phi \right\}(13)$

t=t3～t4:$C{}_4=A\sqrt{1-{\rm M}}\left\{1+\frac{{\rm M}}{2(1-{\rm M})}(\mu \theta ){}^2-\sqrt{\frac{{\rm M}}{1-{\rm M}}}\mu \theta \cos \phi \right\}(14)$

滤去直流分量后, 得[13]:

t=0～t1:$C{}_1=A\sqrt{{\rm M}}\mu \theta \sin \phi (15)$

t=t1～t2:$C{}_2=A\sqrt{{\rm M}}\mu \theta \cos \phi (16)$

t=t2～t3:$C{}_3=-A\sqrt{{\rm M}}\mu \theta \sin \phi (17)$

t=t3～t4:$C{}_4=-A\sqrt{{\rm M}}\mu \theta \cos \phi (18)$

除了对差信号进行四相调制外, 这种自跟踪系统具有圆波导多模两信道自跟踪系统的所有特性, 并且和、差信道的相对相移应调整到零。

2 跟踪接收机的仿真

根据图2, 利用Matlab/Simulink软件建立了其仿真模型如图3所示, 整个模型由信号源Fai、信号源Ceita、天线Antenna、单通道调制器Single Channel Modulator、跟踪接收机Tracking Receiver、示波器Scope组成。其中, 信号源Fai输出信号φ, 信号源Ceita输出信号θ, 示波器Scope用来显示输出的误差信号, FuYang端口输出俯仰误差信号, FangWei端口输出方位误差信号, Pulse 0-PI端口输出Vc (t) , Pulse 0-PI/2端口输出Sc (t) 。

假设θ在±0.4°范围内变化, φ在±π rad范围内变化, 并且θ和φ都是慢变化的。假设经过四相调制的差信号以-12 dB方式与经过0～360°移相器的和信号耦合, 取M=0.057 6。取载波频率为1 MHz, μ=1, fs (θ) =1, Vc (t) 的频率为400 Hz, Sc (t) 的频率为200 Hz。

设信号源Ceita 输出信号$\theta =\frac{0.4\text{π}}{180}\sin (2\text{π}t)$;信号源Fai输出信号φ=0, 开始第一次仿真, 示波器Scope显示输出的俯仰误差信号和方位误差信号如图4所示, 仿真结果与式 (15) 、式 (16) 计算出的结果一致。

设信号源Ceita 输出信号$\theta =\frac{0.4\text{π}}{180}\sin (2\text{π}t)$;信号源Fai输出信号φ=π/2, 开始第二次仿真, 示波器Scope显示输出的俯仰误差信号和方位误差信号如图5所示, 仿真结果与式 (15) 、式 (16) 计算出的结果一致。

设信号源Ceita 输出信号$\theta =\frac{0.4\text{π}}{180}\sin (2\text{π}t)$;信号源Fai输出信号φ=π, 开始第三次仿真, 示波器Scope显示输出的俯仰误差信号和方位误差信号如图6所示, 仿真结果与式 (15) 、式 (16) 计算出的结果一致。

设信号源Ceita 输出信号$\theta =\frac{0.4\text{π}}{180}\sin 2\text{π}t$;信号源Fai输出信号φ=3π/2, 开始第四次仿真, 示波器Scope显示输出的俯仰误差信号和方位误差信号如图7所示, 仿真结果与式 (15) 、式 (16) 计算出的结果一致。

3 结 语

用Matlab/Simulink软件对中继终端自动角跟踪

系统中的天线、单通道调制器和跟踪接收机进行了建模与仿真, 仿真结果与理论一致, 这个仿真模型可以作为跟踪接收机的合理仿真平台。

自动建模 篇6

目前,发达工业国家与地区供电企业正在大面积推广配电自动化,基本实现了配电变电所出线断路器、线路分段开关的远程监控,做到了配电网故障及时检测、处理及修复。由于历史原因,我国电力系统长期存在着“重发、轻输、不管用”的现象,再加上配电网自身规模庞大、结构复杂、设备老化,尤其进入负荷高峰期就会出现线路过载、频繁跳闸等现象,严重影响供电质量[1,2]。

本研究针对配电网络的特点,把各设备概括分层结构分类,并将面向对象技术应用到配电网络的建模中。

1 配电网络拓扑分析

配电网络的拓扑分析是配电网络进行状态估计、潮流计算、故障定位、隔离及供电恢复、网络重构等其他分析的基础。现在比较成熟的拓扑分析大多是用于输电网的,而配电网与输电网存在很大的不同,在配电网中包含上百条馈线段和数百条母线以及大量的供方设备和需方设备,设备条目繁多,数量大,变动也很频繁,较大地影响了配电网的拓扑形成和搜索速度。

为了使配电网拓扑速度有所提高,本研究提出“在空间上将系统分为5层,并且将静态全局拓扑和动态局部拓扑相结合”。

静态全局网络拓扑比较费时,尤其是对全局数据的排序,但一般只要在新的网络刚形成或网络中有许多开关状态发生变化时进行拓扑;仅仅对结点数据进行排序工作,与开关状态无关。这部分一般单独静态运行,其结果存储起来,供以后的网络拓扑使用[3,4]。

而一般运行中,网络只有少数开关状态或少数设备开断,此时根据动态局部拓扑分析变化的状态对拓扑结果的影响,对原有拓扑模型进行局部修改形成新的拓扑结果。由此大大缩小了搜索的范围,极大地提高了拓扑速度。

2 配电网络模型分层结构

整个配电网络的起点是各个变电站对象,在每个变电站中包括了电源(变电站10 kV的母线)和馈线(变电站10 kV侧)。馈线从变电站中出发,形成以出线开关为根结点的树状结构,馈线再被分段开关分为多个以开关为边界点的馈线段。馈线段又可以看成是以来自电源方向的分段开关为根结点的子树结构,其结点是该馈线段的各个设备。馈线段内部是不可控的,只能控制边界开关。由此馈线的树状结构正是由开关和馈线段组成。而联络开关又将不同变电站出发、同一电压等级的馈线连接在一起形成配电子网。由此可以清楚地将配电网络拓扑模型分成5层(如图1所示)。

3 模型数据存储结构

根据配电网络分层结构的分析,考虑到节约数据存储空间,在搜索时间的基础上对每层提供不同的数据存储方式,以起到对配电网络拓扑快速辨识的作用。

首先,在配电网络对配电子网络的存储中使用指针数组net形式。基于本拓扑分层,在静态全局拓扑后,各配电子网的结构不会随开关的开合或局部电气设备的加入、退出而产生变化,而且数量稳定且有限。因此,使得开关变化对配电网络的拓扑变化更局部化,搜索范围更小。

进入下一层,在配电子网络中存储馈线树结构是通过邻接表subnet形式,由配电子网络的指针数组指向各个馈线树所在的配电子网络的邻接表首地址。在邻接表的顶点表结点中存储的是该配电子网络的所有馈线树的根结点(电源)的结点号。在边表结点中存储的是由联络开关连接的另一个馈线树的根结点。在其边表上还需增设存储边上信息的域,这个域需要用来存储与联络开关相邻的两个馈线段子树结点号以及该联络开关结点号。邻接表的存储方式在空间上是边集数组存储方式的两倍,但搜索时间可以大大减少,而且联络开关数量并不太多,对空间占用有限。

馈线树的结构则是用“孩子—兄弟”二叉链表feeder的形式来表示。构成“孩子—兄弟”二叉链表的结点结构是:1个数据域和3个指针域,一个指向父结点,一个指针指向它的长子,另一指针指向它的一个兄弟。这种存储结构的最大优点是:它和二叉树的二叉链表表示完全一样。可利用二叉树的算法来实现对树的操作。馈线树的所有结点包括馈线段子树结点号、电源结点号和开关结点号。

最后是馈线段内部结构的存储。馈线段是以电源方向的分段开关为根结点、联络开关和分段开关为边界的树结构。虽然馈线段内仍然是树结构,但本研究并不以树结构存储内部负荷设备节点。定义从来自电源方向的边界点为起点,至分段开关或联络开关的路径为干线,其余路径为支线。由于联络开关开合变化而引起的网络重构,使得馈线段中部分干线潮流方向逆转,而这种变化对支线没有影响。因此,在馈线段内将干线和支线分别以链表形式存储,并建立干线数组feeder section用以存储各条干线末端连接的分段开关或联络开关的结点号。

4 静态全局拓扑生成策略

静态全局拓扑的过程是从变电站和开闭所的出线开关开始,逐条馈线进行搜索。将馈线看成是根结点的树状结构。而馈线段又可以看成是以来自电源方向的分段开关为根结点的子树结构[5,6,7]。本研究根据配电网络分层结构的分析,以配电网络拓扑快速辨识为目的,将静态全局拓扑分成4个生成阶段:馈线段生成、馈线树生成、配电子网络生成和静态开关状态生成。

(1) 深度优先搜索馈线段结点生成。

馈线段是以电源方向的分段开关为根结点、联络开关和分段开关为边界的树结构,则定义从来自电源方向的边界点为起点,至分段开关或联络开关的路径为干线,其余路径为支线。

(2) 广度优先搜索馈线树生成。

在广度优先搜索馈线树生成之前,需要建立好电源指针数组和联络开关链表。其中,电源指针数组记录所有电源结点地址,联络开关链表包含所有联络开关结点号,以及需要通过馈线树搜索查找出开关所连接的两端结点。这些信息对局部动态网络快速搜索产生很大的帮助,可以快速地搜索到结点所在位置,而不用全局搜索。此外,在搜索中还需建立一条搜索队列,用于馈线树各个结点的广度搜索。

(3) 配电子网络生成。

配电子网络是由联络开关连接在一起的馈线树的集合。这个结构在静态全局拓扑后,不会随开关的开合或局部电气设备的加入、退出而产生变化,而且数量稳定且有限。因此,使得开关变化对配电网络的拓扑变化更局部化,搜索范围更小。配电子网络是以邻接表的形式将各个馈线树通过联络开关连接起来。而所组成的各个配电子网络则记录在配电网络指针数组里。此外,在搜索中还需要使用堆栈来暂存结点。

(4) 静态开关状态生成。

根据已生成的静态拓扑和初始化的开关状态,需要对整个配电网络进行搜索,从而确定各个设备线路是否带电。

5 动态局部拓扑生成策略

基于上文中配电网络的分层结构和数据存储形式,不需要进行全局的搜索,只需根据变化开关所在馈线树的电源结点号查询馈线树,通过广度搜索找到开关结点所在位置,对开关两端结点上电或停电。

分段开关和联络开关有所不同,分段开关开/合变化引起馈线内部连通性和电气连接的变化,而联络开关开/合变化引起的是馈线之间的连通性和电气连接的变化。开关开/合变化会引起以下几种情况:

(1) 开关断开前两端均不带电。断开后仍不带电。

(2) 开关断开前两端均带电。这种情况需要先判断是否已经存在环网状态,如是环网,则两端仍带电,但环网一般情况下会变回辐射网;如不是环网,则有一端结点及其子树会断电。

(3) 开关闭合前两端均不带电。闭合后仍不带电。

(4) 开关闭合前只有一端带电。闭合后原本不带电的另一端结点及其子树将会带电。

(5) 开关闭合前两端均带电。闭合后原本的馈线树辐射状将变成环网状,然而为了保持配电网络的辐射状结构,选择该开关为环网标志,在以后的计算中令其作为开断点,以等效为辐射状态。

由此动态开关状态变化引起动态局部拓扑生成。

6 配电网络拓扑生成用例

静态全局拓扑生成的一个用例,如图2所示。其中假设1、14、23、27、28、36是同一电压等级的不同母线,分段开关有13个,联络开关4个,还有馈线段13个。

在对该用例进行拓扑生成前,电源指针数组和联络开关链表需要事先建立完毕。其中电源指针数组中存储的是各个电源结点的地址。联络开关链表中需要包含该联络开关所连接的两个结点号和所在的两个馈线树的电源结点号,当然在静态全局拓扑生成之前是空缺的。

电源指针数组和部分的联络开关链表,如图3所示。

在此基础上,从电源指针数组中依次搜索电源结点的地址,生成以各电源结点为根结点的馈线树二叉链表。其结点结构是:4个数据域和3个指针域,一个指向父结点,一个指针指向它的长子,另一指针指向它的一个兄弟。其中由于每个联络开关都分属两个馈线树,因此在此需要设定联络开关结点的父结点为空。而其父结点可以直接查询联络开关链表得到。

用例中的所有结点所生成的馈线树二叉树链表,如图4所示。

在建馈线树二叉链表的同时,需要将联络开关链表中空缺的所连接的两个结点号和所在的两个馈线树的电源结点号补上。

完成之后的联络开关链表,如图5所示。

联络开关链表补充完整后,可以搜索得到哪些馈线树通过联络开关连接在一起形成配电子网络。读取电源1,查找联络开关链表得到通过联络开关11和8连接到两个馈线树的电源分别是14和27。如此生成一行邻接表。将14和27放入堆栈中,搜索完1后逐一弹出同样搜索。当遇到已搜索过的电源,则不放入堆栈。这样直到第一个配电子网络邻接表生成。然后再到电源指针数组中依次读取没有搜索过的电源并继续去联络开关链表查找。最后可以得到两个邻接表,如图6所示。因此可知该例子生成了2个配电子网络。

然后将配电子网络邻接表的首地址放入配电网络指针数组中(如图7所示),从而生成配电网络(除馈线段结点)。

此外,馈线段结点的生成是在馈线树生成的过程中进行的。在此以馈线段结点7的生成过程为例说明,如图8所示。

先新建一个干线链表,依次存储结点6、7、40、41、8。发现叶结点8为开关,说明是一干线,将该干线首地址存入干线数组指针中。然后复制这个干线链表,回溯搜索带未搜索子结点的结点,并注意将复制的干线链表从尾部删除结点。直到剩下6、7结点,继续进入42、44、46搜索,发现叶结点46不是开关,说明是一支线。则新建一支线链表,将干线链表从尾部依次将结点移除放入支线链表首部,直到回溯搜索到带未搜索子结点的结点,此时生成一支线44、46。而干线链表还剩6、7、42、44,继续搜索加入45、9,发现叶结点9为开关,则又是一干线。

如上所述继续搜索整个馈线段结点直到遍历完毕,生成的干线支线的链表结构,如图9所示。

由此,整个配电网络的结点都存储完毕,这样的存储方式将为此后开关的动态变化提供快速的识别跟踪,大大缩小了搜索范围,减少了搜索时间。

7 结束语

本研究介绍了基于配电网络系统的多层数据存储结构,并且提出了静态全局拓扑和动态局部拓扑相结合的网络生成思路,大大缩小了运行时的搜索范围,对网络结构变化实现了快速辨识,简化了实际模型。

试验结果表明,本研究的拓扑生成方法对配电自动化实现有很好的参考价值。

参考文献

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[4]竺炜,穆大庆.电力网络实时拓扑分析的两种算法的实现[J].长沙电力学院学报,2001,16(2):23-25.

[5]陈星莺,孙恕坚,钱锋.一种基于追踪技术的快速电力网拓扑分析方法[J].电网技术,2004,28(5):22-24,34.

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自动建模 篇7

在直流控制保护等应用领域,由于系统复杂,程序规模庞大,使用图形化编程软件开发应用程序[3]。 文献 [4]阐述了新一代控制保护系统图形化编程软件设计与实现,采用面向对象的层次化方法管理应用程序,可形成高效紧凑灵活的C代码,并支持可视化调试等功能。 IEC 61850在直流应用方面,文献[5]提出一种直流输电控制保护内部故障录波信息采集和远传技术实现的新方案, 故障录波信息往主站推送时采用IEC 61850标准协议 。 文献 [6] 探讨了直流系统的IEC 61850模型建立问题, 重点介绍了数据对象类的扩充模型,但未提及IEC 61850建模的具体思路步骤。 在图形化编程模式下,变量分布于各个页面,不适合采用交流装置先有固定LNode Type,后实例化配置逻辑节点的建模方式,为避免应用程序变量和模型配置脱节不对应,需在进行编程同时完成建模工作。

1 IED建模设计方案

IED(智能装置 )能力采用IEC 61850-6中定义的变电站配置SCL语言描述。 SCL基于可扩展的XML格式定义,信息表示晦涩,一般用户很难快速配置[2]。 为此设计一种适用于直流应用的图形化编程模式下的IED自动建模方案,包括图形化建模符号设计与处理、 IED层次模型和程序结构映射实现、 以及模型文件的形成方案。

1.1操作流程设计

装置的IED模型是个层次化结构[7],如图1所示。 在IED节点下, 有若干个连接接入点(Access Point)。 Access Point下有1个服务器(Server),Server包括若干逻辑设备(Ldevice),Ldevice包括若干LN。

在进行直流控制保护系统的IED建模时, 首先需遵循IEC 61850标准的各项规范; 并结合应用的特点和功能,对数据模型(DOType,LNode Type)进行适当扩充。 关键技术是层次结构的映射和分布式图形化建模。 基于图形化符号实现IED建模,其操作流程如图2所示。

根据图2给出步骤,具体操作如下:

(1) 设计图形化建模符号. 定义符号的输入输出管脚、图形外观、属性;定义符号的数据模型, 通常1个符号和1个DOI对应,例如DO类型建模符号包括双点触发事件、单点触发事件、遥控、遥测、遥调等;此外还需编写符号的属性处理脚本。

(2) 根据直流工程需求。 定义候选逻辑节点列表 (ln Class名称 、描述 )、定义候选DO描述列表 ;在预定义格式的ini文件中配置。

(3) 在图形化页面内建模,绘制事件、四遥等建模符号,通过连接线,将程序中的功能块函数输出变量和建模符号输入点相连接, 即实现了程序变量和数据实例s Addr属性映射配置,并双击符号,在弹出的对话框中选择建模符号对应的ln Calss、标题描述、其他属性。

(4) 进行图形化程序数据和IED主要层次结构Access Point,LDevice映射配置。

(5) 调用代码生成工具 ,形成装置代码和XX.cid文件,汇总图形化页面内建模符号,执行符号脚本 ,动态创建LNode Type,LN,数据集等关键内容。

1.2建模符号设计

通过符号编辑工具Symbol Edit进行建模符号的图形、属性、脚本编辑。建模符号分图形、数据两个库文件描述。图形包括输入点、输出点、包围矩形框、需要在界面上显示的属性字符文本等,采用XML描述。 建模符号的数据由若干一维、二维属性、参数组成。 以双点触发事件符号为例,其属性定义如表1所示。

双点触发事件符号的DOType定义如下[6]:

此外还可定义建模符号的脚本, 编程工具提供了一套开放API接口,可在python脚本中调用[8]。 当新增加建模符号时,不需额外增加处理代码,实现编程工具和应用建模的解耦。双点触发事件脚本段示例如下:

在上述脚本段中,symb为当前符号,cid为IED建模处理接口对象, 先通过输入点trip0,trip1获取连接的变量名,当输入点有变量连接时,根据符号的标题和描述,调用API接口动态创建逻辑节点和DOI,设置短地址s Addr信息、将事件添加到ds Alarm数据集。

1.3标题描述配置文件设计

在可视化页面双击建模符号后, 需选择符号对应的组标题、描述。 组标题和逻辑节点的ln Class对应,装置开发人员只需选择熟悉的标题、 描述, 不需要设置ln Class,DOType等专业内容 ,降低了配置的难度 。 工具通过读取标题描述配置文件后,下拉展示候选内容。 配置文件由熟悉具体应用工程和IEC 61850模型的开发人员共同创建。 编程工具定义了逻辑节点、DO描述等配置文件的字段格式。LN配置文件定义了逻辑节点类名(ln Class)、LN组标题(ln Desc),例如:

DO描述配置文件定义DO名称 、DO描述等信息,例如:

标题描述配置文件存放在工程目录。

1.4建模符号和变量关联

图形化页面由程序功能块、配置建模符号、连接线组成。在程序页面中定义变量,通过绘制相关符号和数据流拉线实现应用逻辑与建模配置。 用户从建模符号库中挑选触发事件、遥控等符号,释放到图形化页面, 然后绘制连接线, 将功能函数块的输出和建模符号的输入进行关联,实现程序和建模的同源维护,避免了程序的变量和模型中短地址不匹配的风险。如图3所示, 函数UNPPACK的输入b0连接到单点触发事件的输入点,连接线定义变量名为flag0,则程序代码片段为:

1.5IED和程序结构映射设计

图形化编程层次数据参照IEC 61131-3的数据模型,按照层次化数据组织管理,如图4所示。

(1) 配置位于模型的最上层,它包括硬件模型、处理资源、页面程序等,通常和装置对应。

(2) 资源位于模型的第二层, 包括可支持系统运行的程序和目标HEX文件,通常和装置中的微处理器对应。

(3) 应用则可把资源程序拆分为粒度适中的若干应用, 应用由若干页面组成; 应用包括数据和任务函数,在周期任务中使用其他应用的输出,自身的输出也传递给其他应用。

在图4中, 将Acess Point和资源进行对等映射, LDevice则是1个或多个应用的集合 。 在IED节点下创建若干Access Point, 例如用于MMS层收发的实例S1、用于过程层GOOSE收发的实例G1、用于过程层SMV收发的实例M1。 创建逻辑设备可选LD0 ( 公用)、PROT(保护)、CTRL(控制)等名字[1]。在资源配置页面内,通过创建配置符号Acess Point Cfg中定义其所属的逻辑节点列表,通过创建配置符号LDevice Cfg设置关联的应用列表,实现图形化编程数据和IED层次数据的映射配置。

2 CID文件形成设计方案

在工程配置节点,调用代码生成工具,可形成装置代码和模型文件XX.cid,概要处理过程如图5所示。

CID文件自动形成原理如下 :(1) 代码生成工具读取工程管理文件,导入程序页面,对页面符号进行拓扑排序,生成图形页面对应的代码[8]。 (2) 形成IED层次结构。 根据映射配置符号 , 创建Access Point, LDevice实例; 逻辑设备可管理多个应用和页面内的建模符号。 (3) 动态创建LN。 汇总逻辑设备内页面符号,提取各类建模符号,执行符号的脚本。在脚本中,调用API接口 , 从标题描 述配置文 件中获取 对应的ln Class;根据符号块设置的DO描述,从DO描述配置文件中获取对应的DO默认名。 将连接线上的变量填入到DAI的s Addr字段。将具有相同ln Class的DO实例用链表管理,并处理链表内DO重名,为避免MMS通信过程中读取数据模型时单帧报文过大,按照35个DO进行分组, 形成若干个LN。 (4) 形成数据模板。 LNode Type根据自动创建的LN实例化数据, 一一对应形成 ;DOType在符号库 建模数据 文件中定 义 。 DAType、Enum Type通过basedata.ini文件预先定义 。 (5) 形成数据集。 例如用ds Parameter汇总单区定值, 用ds Setting汇总多区定值, 用ds Warning汇总告警信号,用ds Alarm汇总故障信号等,在脚本中根据符号的类型,自动将FCDA添加到数据集中。 (6) 形成报告控制块。 通过report.ini设置数据集和报告块关联关系,可自动创建报告控制块。 (7)形成其他节点。 定义Sub Network ,Services,Header等图形化配置符号 , 分析相关符号配置内容,形成变电站、服务、文件头等节点信息。

3结束语

介绍了直流保护系统中IED自动建模方案,以图形化符号可视化连线的方式完成程序和模型关联,通过代码生成工具,执行相关脚本,可创建逻辑节点,完成数据项的配置,并输出IED模型文件。 该方案已经在多个直流工程中进行了应用。

摘要：文中介绍了PCS-9550直流控制保护系统的智能装置IEC 61850自动建模配置方案,该方案首先定义了IED层次模型和图形化程序结构映射规则,并设计了若干图形化建模符号、数据类模板、处理脚本。在图形化页面中通过连接线将变量和建模符号的输入相连接,并设置符号的描述和其他建模属性,在生成代码时,通过执行符号对应的脚本,动态创建逻辑节点,形成数据实例DOI内容,自动形成IED的模型文件,提高了工程实施效率。

关键词：直流控制保护,IED建模,层次数据映射,脚本

参考文献

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[2]叶翔,刘辉,周永忠.智能变电站图模一体化设计软件实现方案[J].江苏电机工程,2014,33(3):41-44

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[7]Communication Networks and Systems for Power Utility Automation-Part 6:Configuration Description Language for Communication in Electrical Substation Related to IEDs[S].Ed 1.0.2003.

自动建模 篇8

广域分布式地县一体化调度自动化系统的实现技术主要原理为:充分利用电力通信资源, 通过若干条专用的通信数据网络通道, 把地区调度自动化系统和分布在该地区各县的县调自动化系统广域远程互联, 使之逻辑上成为一套调度自动化系统, 实现数据资源、技术资源、设备资源的共享, 节约系统维护成本及建设成本, 提高调度自动化系统的可靠性, 实现异地冗灾与备用, 适应大二次系统的管理整合。地区主系统与传统独立的地调系统的总体结构类似, 建设模式也基本类似。在具体的配置上存在一定的差异, 需在传统建设模式基础上重点考虑如下技术要求:网络配置需满足多个县调高速接入的要求, 硬件配置需满足大数量存储和处理的容量及性能要求, 软件配置需满足系统广域互联后的性能要求。

2 调度子系统接入模式

2.1 远程终端模式

远程终端模式是最基本的接入模式, 也是其他各种接入模式的基础, 主系统设置在地调, 县调仅是地调的一个远程终端, 只配置若干台远程工作站, 该模式仅适用于数据规模小、运行要求相对不高的县调。此模式系统体系结构简单清晰, 硬件投资很少, 软件实现相对方便, 系统管理和维护也比较容易, 但此模式县调不具备数据采集能力, 一方面, 随着县调规模的扩大或互联县调节点的增加将加重地调主系统数据采集的负担, 导致系统性能降低;另一方面, 县调系统运行的可靠性相对较低, 在地调主系统异常或地县联网中断等故障情况下, 县调系统将退出, 影响县调的监控。

2.2 广域分布式采集模式

系统的数据采集功能由分布在地调及县调的多个广域节点共同完成。主系统设置在地调, 县调除配置各类工作站外, 还配置前置服务器及相关的采集装置。县调按就近采集的原则负责该县所辖变电站的采集, 主要考虑专线通道的采集, 亦支持网络通道的采集。地调及各县调分布采集的数据均汇总至地调主系统的后台统一处理, 此模式的适用范围较为广泛, 可应用于各类大、中、小型县调。此模式县调具备数据采集能力, 一方面分担了采集任务, 降低了地调主系统的采集负担, 可扩展性较强, 地调主系统的采集性能不会随县调规模的扩大或互联县调节点的增加而降低;另一方面, 县调系统运行的可靠性相对较高, 在地调主系统异常或地县联网中断等故障情况下, 县调系统的实时监控功能仍可正常运行, 可以将故障带来的影响降至最小。

2.3 异地容灾备用模式

在上述的广域分布式采集基础上, 县调再额外配置相应的灾备服务器, 用于电网模型、图形、参数、历史数据及核心文件的在线实时备份, 以便灾难性事故发生时的系统快速恢复和电网数据资源的保护, 结构示意图见图3。每个地区可以选择一个各方面条件适宜的县调配置此模式, 该县调地理位置距地调主系统相对较远, 通讯条件好, 具备通过网络通道采集地调所辖厂站的条件, 并且具有较高的管理和维护水平。较之上述的广域分布式采集模式, 此模式功能更为丰富, 可以实现方便、实时、全面的备用, 在可靠性方面有质的飞跃, 为地区电网的安全运行提供了有力的技术保障。其系统结构更为复杂, 系统管理和维护的复杂度也随之提高。

2.4 地县系统互联通信通道组网方式

互联通信通道建设是地县一体化建设的一项关键技术, 合理的设计可以实现地区调度自动化系统和分布在不同地理位置的县调自动化系统高效、可靠、安全的广域远程互联, 通过通道互联实现地县调自动化系统主干网以及II区DTS网段的互联。地调侧调度自动化系统局域网配置包括双网结构的主干网以及独立的采集网;县调侧根据不同的建设模式采用不同的网络配置, 主干网络互联主要有以下几种组网方案可供选择:

2.4.1 星型结构组网

1) 光纤星型组网:

该方式保证网络带宽可达千兆, 同样造成纤芯资源的紧张, 同时也没有能够充分利用SDH链路层的路由保护功能来提高电力信息网承载的可靠性。

2) 以太网接口星型方式:

该方式利用SDH设备以太网板接口捆绑N个SDH/2M, 该方式能保证地-县连接的有效带宽, 通过SDH链路层路由保护提高可靠性, 但在网络流量低时带宽的利用率有限。

由于灾备县调采用同样的方法建设主干网, 因此, 该方案对通信光纤或通信设备提供的以太网逻辑链路的数量和带宽有较高要求。

2.4.2 环型结构组网

1) 光纤环网组网, 通过光纤将地县调交换机进行互联, 该较方案增加了保护功能, 保证网络带宽, 但需独占纤芯。

2) 以太网接口环型方式, 即地县交换机通过SDH设备以太网接口互联。该方式网络拓扑具有很强的生存性和自愈能力, 相对于方案二可以显著提高带宽的利用率。

该方式统一考虑了灾备县调的互联网络建设, 有一定优越性。对于部分地区内部通信网存在多环的情况下, 对灾备节点的选择从通信通道上提出了要求。

3 结束语

以上论述了地县一体化调度自动化系统的县级调度接入方案以及地区调度和县级调度的组网方式, 从理论上阐述了地区和县级调度自动系统互联的建模方式, 可作为地、县级供电局调度自动化主站系统规划、设计、建设依据与参考。在具体建设实践中, 还需对厂站数据采集方式、DTS及PAS等建模方式进行分析。

摘要：从不同角度提出地县一体化调度自动化系统的多种建模方式, 分析比较县调接入地区调度的三种模式, 说明了不同接入模式的优劣性及适用范围, 并在此基础上阐述了地县系统互联通信的组网方式。

关键词：地县一体化调度,自动化系统,组网方式

参考文献

[1]国网电力科学研究院.广域分布式地县一体化调度自动化系统总体设计方案[R].南京:江苏省电力公司, 2009.

[2]李红蕾, 戚伟, 陈昌伟.智能电网模式下的配网调控一体化研究[J].陕西电力, 2010 (5) :91-93.

自动建模 篇9

1. Petri网理论在离散事件系统建模中的优势

现有主要的理论建模方法包括实体流图法、活动周期图法、Euler网方法和Petri网方法。

实体流图法以临时实体产生、流动、消亡及其经历永久实体服务的过程为主线, 建立系统的工作流程和实体之间的逻辑关系, 具有简便易行的特点, 是一种最基本的建模方法。活动周期图法针对实体的行为模式和活动逻辑进行建模, 可以直观地表示各类实体在其生命周期中的活动和状况变化, 清晰地描述实体之间的关系。Euler网方法同时具备活动周期图和Petri网方法的基本特点, 在连续与离散事件混合系统建模方面的能力比较强[5]。

Petri网方法比较严密规范, 并可借助数学方法对系统中发生的并发、冲突和死锁等现象进行分析。Petri网是一种用简单图形表示的组合模型, 具有直观、易懂和易用的优点, 它能够较好地描述系统的结构, 表示系统中的并行、同步、冲突和因果依赖等关系, 并以网图的形式, 简洁、直观地模拟离散事件系统, 分析系统的动态性质[2]。以上建模方法适用范围不同, 都存在优缺点, Petri网方法在自动化立体仓库有一定的优势。但它有局限性, 如果对象是一个复杂的大系统时, Petri网规模庞大, 可能会引起“组合爆炸”问题[6], 给分析带来困难, 为了发挥其优点消除缺点, 本文针对自动化立体仓库的建模工作主要在Petri网理论上, 采用分解系统和复合模型的建模方法。

2. 基于Petri网的自动化立体仓库建模步骤

(1) 系统调研。对系统调研, 了解系统运行状况和采集系统数据资料的过程, 深入了解系统的总体流程、各种建模参数, 以便建立系统模型。

(2) 分解系统。把整个系统分解成若干个子系统, 以便对它们分别进行建模分析。

(3) 复合建模。建立对象模型、建立Petri网图、建立系统变迁事件表和建立系统Petri网可达树。

(4) 分析模型。通过以上模型的建立, 可以分析自动化立体仓库系统能否顺利作业, 有无瓶颈、死锁等状况发生。

通过以上步骤对自动化立体仓库进行Petri网建模不但达到建模的目的, 而且可有效地避免“组合爆炸”等问题的发生。

3. Petri网方法的应用举例

某企业刚新建了一个自动化立体仓库, 该自动化立体仓库主要储存托盘物料。

3.1 系统调研

通过系统调研, 对整个系统有了比较深入的了解, 整个系统可分为入库作业系统、拣选作业系统、出库作业系统。以入库作业为例, 需要入库的货物卸货完毕后进行人工组盘, 人工组盘后以托盘形式进行货物的存储。托盘被叉车搬运到入库站台, 进行信息录入、读RFID等入库操作, 在处理过程 (如:重量检测、尺寸检测等) 中如发现问题应进行人工整理, 然后再次进行刚才入库处理作业。相关作业处理完毕后, 输送系统将托盘运到自动化立体仓库堆垛机取货台, 准备入库。该立体仓库入库流程如图1所示。

3.2 分解系统

将各系统分解成子系统, 以便后面复合建模。以入库作业系统为例, 将入库作业系统分为进货子系统和储存子系统。

3.3 复合建模

对各子系统进行复合建模, 即建立对象模型、建立Petri网图、建立系统变迁事件表和建立系统Petri网可达树。以入库作业系统的进货子系统为例进行复合建模, 根据自动化立体仓库设备关系, 建立该自动化立体仓库进货子系统的对象模型。其中:

P={p1, p2, …, pm}是有限库所节点的集合, m≥0。T={t1, t2, …, tn}是有限变迁节点的集合, n≥0。对象模型如图2所示。

根据该自动化立体仓库进货子系统对象模型建立该自动化立体仓库进货子系统的动态Petri网模型, 如图3所示。

模型中各个库所与变迁的含义如表1所示:

根据自动化立体仓库进货子系统Petri网模型, 得到子系统的变迁事件表, 如表2所示。

为了建立该模型的可达树, 把物流层和信息管理层统一标识为:Mn= (p0, p1, p3, …, p13, p14) 。由自动化立体仓库进货子系统Petri网模型, 可得初始标识M0= (1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0) , 分析P e t r i网模型, 论证是否存在变迁序列使得目标标识Mz=M0= (1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0) 可达。

经过对该自动化立体仓库进货子系统Petri网模型分析, 得到可达树如图4所示。

从可达树中发现, 初始标识M0= (1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0) 经过变迁序列σ=T1T2T3T4T5T6T7T8T9到达了目标标识Mz= (1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0) =M0, 即回到了初始状态。这说明, 该自动化立体仓库进货子系统的Petri网模型是可达的、畅通的, 货物和信息都能顺利到达理想位置, 进货作业可以顺利进行。

4. 结论

本文采用了分解系统和复合模型的建模方法, 不但保持了Petri网的分析和验证能力, 而且避免了基本Petri网“组合爆炸”现象的发生。通过实例验证了该方法的有效性, 从而达到了研究自动化立体系统能否顺利作业, 有无瓶颈、死锁、冲突等状况发生的目的, 进而对系统进行下一步仿真打下基础。

摘要：针对自动化立体仓库的离散事件系统建模, Petri网理论具有自身的优势, 但在建模时可能存在“组合爆炸”问题。本文以某自动化立体仓库为例, 采用了分解系统和复合模型的建模方法, 不但保持了Petri网的分析和验证能力, 而且避免了“组合爆炸”问题。

关键词：自动化立体仓库,Petri网,组合爆炸,复合模型

参考文献

[1]易继锴, 侯媛彬.智能控制技术[M].北京:北京工业大学出版社, 2007:23-29.

[2]袁崇义.Petri网原理与应用[M].北京:电子工业出版社.2005.3.

[3]田宝, 祝中华.基于着色赋时Petri网的自动化立体仓库系统建模[J].工业自动化, 2008, 37 (2) :34-38, 63.

[4]SU Yong-ding, QIU Jing, LIU Guan-jun.Modeling of testability requirement based on generalized stochastic Petri nets[J].Joumal of China Ordnance, 2009, 1:60-64.

[5]王维平等.离散事件系统建模与仿真 (第二版) [M].北京:科学出版社.2006.