分布式控制模式

分布式控制模式（精选十篇）

分布式控制模式 篇1

近年来, 高校毕业生规模逐年加大, 就业形势面临多重压力。虽然毕业生人数众多, 但仍存在着“求职难”和“用工荒”并存的尴尬局面。在科学技术日新月异的社会环境中, 符合社会和企业急需的工程应用型人才严重短缺已成为不争的事实, 成为制约毕业生就业和用人单位招聘的现实矛盾。这就需要高校进一步加大工程应用型人才的培养力度, 改进教学模式, 不断强化工程教育理念, 根据社会用人需求优化课程教学大纲内容, 着力培养学生的工程实践能力。

目前, 高校开始更加重视工程教育, 以解决学生工程应用知识面狭窄、学习缺少自主性和创造性、缺乏适应社会生存和成长的团队合作精神和交流沟通能力等问题, 更加注重强化学科教育和工作实践相结合, 培养学生系统深厚的应用技术实践能力[1]。在20世纪80年代和90年代, 为应对工程技术人才短缺和工程教育质量不能适应社会用人需求的问题, 众多国家掀起了工程教育改革的浪潮, CDIO工程教育成为影响最广泛、接受国家最多的一种教育模式[2], 其独特的培养模式和方法在高等教育中得到了普遍推广, 收到了很好的教学效果。

在现代工业发展中, 分布式控制系统是过程自动控制的一种主流系统, 是控制工程师必须掌握的基本技能之一。《分布式控制系统》课程是高校信息类学生的一门专业课, 其主要依托于控制论、信息论、系统论的知识体系基础, 内容涵盖了自动控制原理、计算机控制系统、智能控制技术、通信工程以及工程设计技术等方面的知识, 是一门系统性强、理论和实践体系明晰的课程, 教学目标着眼于培养学生的工程设计与应用能力。结合该课程所具有的明显的工程应用背景, 使其更加适用于工程化教学。课程围绕分布式控制系统的概念、特点、结构、原理, 主要讲授硬件配置、软件组态, 以及操作、维护、安装调试等方面的知识, 要求学生掌握各类网络拓扑结构在分布式控制系统中的应用, 培养学生利用各类知识掌握分布式控制系统的工程化设计的基本过程。由于该课程具有较强的专业技术性, 课程学习的前沿知识面较广, 学生理解理论较难, 通过理论学习上升到实践更加具有挑战性。传统的课程讲授主要是从计算机控制系统开始, 循序介绍硬件结构、软件组态、控制算法、通信原理等内容, 通过实验对知识进行融会贯通, 学生的工程理念难以建立, 知识体系框架容易零散, 工程能力的培养无法提升到应用实践层面。

二、工程教育教学理念

工程教育的目的是在学生从事职业前培养其具备较好的工程能力和深厚的技术基础知识, 为学生成为社会所需、实践能力强的合格工程师提供专门技术、社会意识和创新精神等方面的学习教育。因而对课程进行工程化教学模式的研究具有重要的意义, 将有利于对学生进行系统化的工程能力培养和知识体系构建。在工业技术、可持续产品、过程和系统的复杂环境中, 知识、能力和态度的结合是加强高效、创业和卓越所必需的必要因素[3]。CDIO (conceive—构思、design—设计、implement—实施、operate—运行) 便是2004年由美国马萨诸塞州剑桥的麻省理工学院、瑞典哥德堡的查尔摩斯工业大学、斯德哥尔摩的皇家理工学院、林雪平的林雪平大学等四所高校在沃伦伯格基金会资助下共同开发和实施的一种全新工程教育理念和实施体系[4]。这种教育模式以CDIO教学大纲和标准为基础, 通过主动的、实践的、课程之间具有有机联系的方式使学生易于学习和获取工程能力, 培养学生的科学与技术知识、终身学习能力、交流和团队工作能力[3]。“构思”阶段主要包括确定顾客需求, 考虑技术、企业战略和有关规章制度、发展理念、技术和商业计划;“设计”阶段集中在创建设计, 主要包括计划、图纸和描述产品、过程和系统实施方案设计等;“实施”阶段指完成从设计方案到产品的转化过程, 包括硬件制造、解码、软件编程、测试和验证, 以及设计方案的确认;最后的“运行”阶段则主要是用投入实现的产品、过程和系统对前期程序进行评估的过程, 为用户提供预期的价值, 包括对系统的维护、改进、回收和淘汰等[1,3]。

三、工程教学模式下的课程设计

CDIO工程教育教学模式没有固化的规定, 但应建立具体的由相互支持的技术领域和个人、人际交往能力以及产品、过程和系统的建造能力等高度交叉的能力所组成的课程计划, 使学生能够通过现代工程实践获得丰富的设计实践经验[3]。CDIO教学模式以培养学生的全面发展为核心, 教育学生明确如何在社会工作中, 围绕团队工作环境的变化, 构思、设计、实施、运行复杂、高附加值的产品、过程和系统。本文对教学内容组织和工程化教学大纲进行研究设计, 从教学导向上解决工程理念在学生实操能力中的根植问题。

1. 教学内容组织。

在教学内容组织过程中, 要着重做好以下四点:一是既要将“分布式控制系统”课程内容与控制论、信息论、系统论等学科基础理论相衔接, 又要将自动控制原理、计算机控制系统、智能控制技术、通信工程以及工程设计技术等先导课程的内容进行横向与纵向的连贯设计, 充分体现CDIO模式中关于集成课程设计的理念。二是选择精品教材, 在进行理论教学过程中, 注重加强工程科学基础知识的讲授, 拓展工程专业知识内容;同时, 结合现代工业技术领域的新理论、新技术、新产品来设计实践与应用教学内容, 并随着工程技术的发展演变及时更新教学内容[6]。三是开展一体化学习经验教学, 教师在授课过程中要注重培养学生的情商和沟通技能以及工程设计的能力, 在生产实习、毕业设计等教学环节中要有意识地聘请企业专家、一线工程师指导学生的学习活动, 让学生充分参与到实践教学内容的设计中。四是培养学生主动学习, 教师在授课过程中要主动营造轻松愉快、积极活跃的课堂教学氛围, 注重发挥教师的主导作用, 调动学生学习过程中的积极性, 提高学生的学习兴趣, 鼓励学生主动学习。

2. 工程化教学大纲设计。

CDIO工程化教学大纲的设计, 应给出4个层次的具体内容:“技术知识与推理”、“个人能力、职业能力和态度”、“人际技能、团队工作和沟通”、“在企业和社会环境下, 系统的构思、设计、实施和运行”[3,5]。

在“技术知识与推理”层面, 主要包括相关科学知识、核心工程基础知识、高级工程基础知识三方面内容。相关科学知识可细分为计算机文化基础、计算机控制技术、自动控制理论、控制工程基础、数据通信技术等。核心工程基础知识可细分为:体系结构, 包括硬件 (现场控制站、操作站、冗余技术、系统通讯设备、典型的分布式控制系统构成事例) 、软件 (软件概述、控制层软件、监督控制软件、组态软件、典型分布式控制系统软件应用分析) ;控制算法 (PID控制、前馈控制、解耦控制、时滞补偿控制、选择性控制、串级控制、均匀控制、比值控制、推断控制、顺序控制等) ;数据通信 (基本概念、网络标准、网络协议) ;性能指标 (可靠性、易操作性、可组态性、安全性、提高系统利用率的措施) 。高级工程基础知识可细分为:软硬件组建 (硬件选配、软件选配) ;工程设计 (图形符号和文字符号、工程设计流程、安装调试与验收、典型分布式控制系统工程应用) 。

在“个人能力、职业能力和态度”层面, 研究加强工程推理和解决问题的能力培养方面的设计, 通过以换热器、精馏塔、锅炉、管式加热炉、变换炉、薄页纸生产线、轧钢过程等实际工程实例为研究对象, 以工程分析的方式培养学生发现问题和表述问题的能力, 通过模型构建、定性分析等手段, 研究解决工程问题的方法。在“人际技能、团队工作和沟通”层面, 结合生产实习、课程设计、毕业设计等环节, 引导学生自主建立学习团队, 明确任务分工, 选择一个分布式控制目标对象, 通过团队协作方式, 完成对研究对象的分布式控制策略设计。在“在企业和社会环境下, 系统的构思、设计、实施和运行”层面, 培养学生感悟工程职业目标和角色内涵, 增强学生的工程师社会责任感, 使学生认识社会企业的运行机制、企业文化、企业战略规划等, 系统地教授学生如何完成一项工程设计的构思、设计、实施、运行等全过程。

参考文献

[1]王坤, 罗云林.基于CDIO的《控制理论与工程》课程综合改革研究[J].教育教学论坛, 2014, (48) :114-116.

[2]张慧平, 戴波, 刘娜, 张立新, 王凤全, 魏文渊.基于CDIO教育理念的自动化课程的改革与实践[J].电气电子教学学报, 2009, 31 (增刊) :138-141.

[3]克劳雷, 等.重新认识工程教育——国际CDIO培养模式与方法[M].顾佩华, 沈民奋, 陆小华, 译.北京:高等教育出版社, 2009.

[4]王硕旺, 洪成文.CDIO:美国麻省理工学院工程教育的经典模式——基于对CDIO课程大纲的解读[J].理工高教研究, 2009, 28 (4) :116-119.

[5]刘会英, 盖玉先, 徐宁.探索适合我国国情的CDIO工程教育模式[J].实验室研究与探索, 2011, 30 (7) :106-110.

分布式控制恒功率舞台吊杆的研究 篇2

【关键词】恒功率变频调速；交流励磁同步电动机；矢量控制变频器；分布式控制系统；舞台专用吊杆

文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2016.10.009

【Abstract】This paper proposed a concept of the stage boom on distributed control and constant power， and also analyzed the feasibility about constant power control of motor speed， the optimal ratio of constant torque and constant power section， vector control of excitation synchronous motor and frequency converter.

【Key Words】constant power variable frequency speed regulation； AC excitation synchronous motor； vector control inverter； distributed control system； stage boom

1 前言

舞台吊杆卷扬机是剧场使用量最多、最普遍的设备之一，目前国内剧场舞台吊杆卷扬机一般为恒转矩调速，即电动机在额定速度以下调速，从剧场使用情况分析，大吊重景片在高速运行的几率并不多，而小吊重景片在高速运行的几率很高，这样就造成了很大的功率浪费。另外，吊杆卷扬机的控制一般是集中控制，所有电气元器件集中在控制柜中，当剧场需要增减吊杆设备、更换电气元器件或电气系统改造时，集中控制系统很难改变，只能更换部分或全套电气柜。

以国家大剧院歌剧院的电动吊杆为例，载荷750 kg，速度1.8 m/s，电动机的选择是按照高速和高载选择的，电动机功率高达30 kW，总共61台。根据演出使用的统计，吊杆小载荷的情况下速度多在1.0 m/s～1.2 m/s，而满载荷时的速度多在0.3 m/s～0.5 m/s，换景时吊杆速度多在0.6 m/s～0.8 m/s，高速和高载选择电动机功率带来的问题是装机容量的大量闲置。

分布式的模块化控制设备与卷扬机为一体机，仅通过电力电缆、网线连接设备，使用安装简单，设备增减和改造灵活。而采用恒功率调速可以兼顾大吊重适用于低速运行，小吊重可达到高速运行的目的，既满足剧场演出需求，又能降低电动机功率，减小剧场装机总容量，节省剧场投资和用电量。分布式控制恒功率舞台吊杆外观见图1。

恒功率调速电动吊杆的研究核心是：恒功率调速的可行性分析；恒转矩段与恒功率段的最佳配比；工作在恒功率段交流电动机的选配；电动机与变频控制器的性能匹配等研究内容。分布式控制恒功率舞台吊杆部件组合图见图2。

从国外舞台机械的情况看，德国、日本舞台机械一些厂家已经在新建剧场中使用或在老剧场改造中使用分散控制的恒功率调速电动吊杆。如：在广州大剧院建设期间，电动吊杆全部采购进口卷扬机，曾经考虑引进分散控制的恒功率调速电动吊杆，因资金的原因搁浅。而在上海大剧院改造时，采用了分散控制的恒功率调速电动吊杆，一是解决了老剧场改造用电负荷增容问题，二是大大减少了现场设备调试时间。

2 恒功率（弱磁）调速的可行性分析

2.1 恒功率调速的理论基础

目前舞台吊杆调速主要是恒转矩调速，但电动机在高速轻载运行情况下，而采用恒转矩调速，系统效率下降，造成了设备和能源的浪费。为此提出了舞台吊杆恒功率调速系统的研究思路。具体的技术原理：保持电源电压为U1不变，频率越高，磁通Φm 越低，是一种降低磁通升速的方法。

2.2 交流异步电动机恒功率（弱磁）调速特性的分析

恒功率吊杆分两段工作，即在低速时，工作在恒转矩段，转矩（吊重）保持不变，功率随速度升高而降低；运行在中、高速时，工作恒功率段，转矩（吊重）随速度升高而降低，功率保持不变。

恒转矩吊杆的大范围工作在恒功率段，因此，恒功率特性是研究恒功率吊杆有效运转的关键技术。

交流异步电动机在恒功率（弱磁）调速段，随频率和转速的升高，异步电动机的最大转矩按升速倍数的平方关系下降，因此不适合用于恒功率（弱磁）调速范围大（大于2）的场合。

2.3 交流同步电动机恒功率（弱磁）调速特性的分析

2.3.1 电动机的调速

调速系统按驱动电动机类型分为直流调速和交流调速两大类，交流调速的驱动电动机分为异步机和同步机两大类。异步机又分笼型异步机及双馈异步机两类。同步机又分永磁同步机、励磁同步机、开关磁阻电动机等。

由于交流异步电动机在恒功率（弱磁）段的转矩输出不佳，因此，励磁同步电动机和内置式永磁同步电动机可以工作在恒功率（弱磁）段。

2.3.2 同步电动机的恒功率（弱磁）调速

在恒功率（弱磁）调速段，随频率和转速的升高，异步电动机的最大转矩按升速倍数的平方关系下降，因此不适合用于恒功率调速范围大的场合。同步电动机无此问题。但永磁同步电动机调速的最大问题是恒功率（弱磁）调速困难，只有内置式永磁同步电动机才能弱磁，表面式永磁同步电动机不能弱磁。励磁同步电动机和内置式永磁同步电动机适合用于恒功率调速范围大的场合。

励磁同步电动机是同步电动机最常见的类型，转子磁通势由励磁电流产生，它通常由静止励磁装置通过集电环和电刷送到转子励磁绕组中，也可以采用无刷励磁的方式，即在同步电动机轴上安装一台交流发电动机作为励磁电源，感应的交流电经过固定在轴上的整流器变换成直流电供给同步电动机的励磁绕组，励磁电流的调节可以通过控制励磁交流发电动机的定子磁场来实现。

nlc202309081719

3 恒转矩段与恒功率段的最佳配比分析

根据恒功率（弱磁）调速特性见图5，吊杆工作在恒转矩段与恒功率段的比例多少才能达到最佳，提高恒转矩段比例，减少恒功率段的比例。

第一种方案：当恒转矩段=恒功率段时，恒功率调速范围为2，可以采用笼型异步电动机，采用标准基频为50 Hz，最高工作频率为100 Hz。恒功率段调速比为2：1。以国家大剧院歌剧院电动吊杆为例，载荷750 kg，速度1.8 m/s，电动机功率为30 kW，恒转矩调速。当引入2倍恒功率段调速时，理论上功率可减少一半，即只需15 kW，但采用笼型异步电动机时，由于其恒功率调速的减转矩特性，实际功率还要加大1-2档为18.5 kW～22 kW，实际电动机功率降低了38%～27%。该方案采用笼型异步电动机驱动，电动机造价低，但电动机功率降低不明显，恒功率调速的优点表现不明显。

第二种方案：当恒转矩段<恒功率段时，恒功率调速范围为3时，采用标准基频为50 Hz，最高工作频率为150 Hz。恒功率段调速比为3：1。以国家大剧院歌剧院电动吊杆为例，载荷750 kg，速度1.8 m/s，电动机功率为30 kW，恒转矩调速。当引入3倍恒功率段调速时，理论上功率可减少3倍，即只需11 kW，但采用笼型异步电动机时，由于其恒功率调速的减转矩特性，高频时转矩下降很快，因此笼型异步电动机不能满足要求，采用励磁同步电动机，实际功率为11 kW，实际电动机功率降低了64%。该方案采用励磁同步电动机驱动，电动机造价高于笼型异步电动机，但电动机功率降低明显，恒功率调速的优点有所表现。

第三种方案：当恒转矩段<<恒功率段时，恒功率调速范围为4时，采用标准基频为50 Hz，最高工作频率为200 Hz。恒功率段调速比为4：1。以国家大剧院歌剧院电动吊杆为例，载荷750 kg，速度1.8 m/s，电动机功率为30 kW，恒转矩调速。当引入4倍恒功率段调速时，理论上功率可减少4倍，即只需7.5 kW，采用励磁同步电动机，实际功率为7.5 kW，实际电动机功率降低了75%。该方案采用励磁同步电动机驱动，但电动机功率有很大降低，恒功率调速的优点表现突出，该方案电动机转速已高达6 000 RPM，普通减速机选型困难，造价高，随着转速升高噪声也升高。

为了克服第三种方案工作频率/转速过高所带来不利影响，可以考虑降低基频，选为25 Hz的励磁同步电动机，最高工作频率降低到100 Hz，转速也降低至3 000 RPM，有效地的解决了高频、高速所带来的问题。

由于舞台吊杆电动机实际运行工况为S3工作制，选用S1工作制的电动机在S3工作制可达到11 kW的短时功率，因此，具有一定的短时功率欲量。

笔者认为恒功率舞台吊杆最佳恒转矩段与恒功率段在全调速段的配比为1：3，即全调速段的1/4为恒转矩调速段，3/4为恒功率调速段。比例太小电动机功率的降低的不明显，恒功率的特性优点表现不突出，比例太大电动机最高频率、最高转速太高，因此，经过多次研究试验，其结果最佳恒转矩与恒功率比在全调速段的最佳配比为1：3为宜。

4 励磁同步电动机与变频器的矢量控制

通常同步电动机都运行于恒转矩区域，因此只要控制转子磁链为定值就可以。可是随着交流同步电动机应用领域的扩大，有些场合需要电动机运行于恒功率区域，恒功率特性的实现对于感应电动机来说，相对比较容易实现，只要控制转子磁链，使其与电动机转速成反比地减小即可。为了控制磁链，需要设计转子磁链控制器，来控制励磁电流。转子磁链的控制框图见图6。

由于从磁链控制器的输出iM*到的传递函数内部包含电流控制器，因此比较复杂，可是大多都把磁链控制的交叉角频率设计为数十到数百rad/s，如果电流控制的交叉角频率达到数千rad/s，则在磁链控制的交叉角频率附近可以认为iM*=iM，即

磁链控制不仅能够实现伺服系统的恒功率特性输出，还对电源投入时磁通的建立有影响。如果控制励磁电流一定，则磁链以电流的一阶滞后速度上升。可是在电源投入瞬间，还来不及建立磁链，如果希望电动机马上以恒转矩运行，就会出现转矩电流过大，或者转矩不足、不能驱动负载的现象，这时，通过磁链控制，可以使磁链快速建立起来，能够在电源投入后迅速驱动负载。

异步电动机与同步电动机矢量控制的对比：

① 异步电动机矢量控制按转子磁链定向，可以实现磁链和转矩解耦，同步电动机不存在这个关系，所以按气隙链定向。

② 异步电动机磁路各向同性，可以定义转子任何方向为d轴，不需要转子位置d轴定位，同步电动机d轴固定为励磁绕组轴线，需要d轴定位。

③ 同步电动机的磁链主要靠励磁电流建立，需要一套直流励磁装置，但可以通过控制励磁电流来维持电动机功率因数cos?=1，减少变频器容量。异步电动机靠定子电流磁化分量来建立磁链，无励磁装置，电动机功率因数不可控，变频器容量增大10%～15%。

④ 两种电动机矢量控制系统中的定子电流控制（ACC）部分相同，电压模型也相同，只是计算公式中的漏感值不同，同步电动机用定子漏感，异步电动机用定转子全漏感。

⑤ 两种系统的转速控制部分完全相同。

⑥ 两种电动机的电流模型完全不同。

5 吊重对运行速度的自动限制

恒功率吊杆的最大特点是利用演出现场大吊重不高速的原则，利用电动机恒功率的特性，使电动机容量大大降低。但是吊重与运行速度之间有一个最佳的配比，为了安全起见，恒功率吊杆在运行时必须严格保证这个最佳配比。

因此，系统采用吊重传感器实时检测起吊重量，并通过可编程控制器（PLC）根据起吊重量实时计算最高有效速度并自动限制最高速度的运行，以确保恒功率特性的有效性和安全性。

6 分布式控制系统

控制系统采用分布式控制系统与传统的集中式控制系统不同的是，集中控制是将多台控制设备集中在统一的控制柜中，分布式控制系统是将各个吊杆卷扬机的控制设备分散在各个吊杆卷扬机一体化安装的模块化结构，仅通过电源供电电缆及网络电缆的兀接与控制台连接，控制设备是嵌入在机械设备之中形成机电一体的模块化模式。当吊杆数量增加或减少时，只需简单的解除或增加兀接就完成了，非常方便快捷，实现了快速增减设备的数量，特别是在改造时尤为重要，分布式控制系统框图见图7。

7 结语

图8是分布式控制恒功率吊杆样机，在北京北特圣迪科技发展有限公司机械工厂现场进行速度与载荷测试。

恒功率调速卷扬机与分布式模块化控制系统的研究成果能够满足剧场演出需求，并大大降低电动机功率，从而减小装机总容量，节省投资和用电量，是新一代绿色环保创新的项目，标志着中国舞台机械研制技术与国际同类技术的接轨，带动舞台机械行业整体技术研发和集成水平的提升，将影响中国舞台机械吊杆系统的更新换代。

目前国内剧场建设风起云涌，电动吊杆是剧场中设置最多、使用率最高的设备之一，从节能、技术创新、演艺设备发展的趋势等角度，分散控制的恒功率调速电动吊杆在今后的剧场建设及剧场改造中将发挥巨大的应用潜力。

说明：本研究是基于国家文化科技提升计划项目《舞台恒功率吊杆系统集成技术研发及典型应用》课题，由国家大剧院、北京北特圣迪科技发展有限公司、中国传媒大学联合研发，研发团队由国家大剧院徐奇、王军等，北京北特圣迪科技发展有限公司刘长荣、于雪松、张红强、冯宪武，中国传媒大学任慧、刘章等组成。

分布式控制模式 篇3

电压是配电网电能质量最重要的考核指标之一, 配电网负荷端无功功率补偿不足、补偿设备配置不合理将导致配电网电压水平偏低, 而无功优化配置是解决这一问题的重要手段[1]。

配电网无功优化配置是指在有功规划已完成的前提下, 在统筹考虑现有及未来网架结构、装置状况及负荷情况的基础上, 确定无功补偿设备的安装地点、类型、补偿容量及优化分组从而达到配电网经济运行的目的。国内很多学者在无功补偿配置分析中采用了优化技术。

对于补偿地点的选取, 文献[2-4]分别提出采用灵敏度分析、无功裕度排序、无功电流损耗最小等方法, 确定无功补偿节点的集合;对于补偿容量的确定, 文献[5]采用最小负荷方式确定无功补偿容量, 文献[6]提出地区高压配电网无功补偿容量的确定方法并获得了较好的效果;对于优化分组问题, 文献[7-8]分别提出了以年总支出费用最小和考虑网损费用与分组投资相折中的方法。另外, 文献[9]提出了计及动态无功补偿装置的中压配电网理论线损计算方法, 有利于运行人员对配电网线损的分析与计算。

以上方法均具有一定的理论价值, 同时也存在种种缺陷。在补偿地点选取方面多数文献都采用优化方法选取部分节点进行补偿, 算例亦采用IEEE标准算例, 而根据文献[10] (以下简称《规范》) , 我国配电变电站原则上均安装有并联电容器并以低压侧集中补偿为主, 从而上述方法在国内推行的指导性不大;在补偿容量方面, 固定补偿模式虽能减轻投资, 但是补偿容量无法调节, 当负荷低谷时容易造成无功倒送;在优化分组方面, 国内大多采用的等容分组方式虽能延长电容器组整体使用寿命, 但对于无功负荷的动态跟踪效果较差, 且当分组容量选取不合适时, 投切一组电容器容易造成电压越限。

鉴于此, 本文提出一套针对配电网无功电压集中分布控制模式的无功优化配置方法。该方法顺承了国家电网公司《电力系统电压质量和无功电力管理规定》 (以下简称《规定》) 、《国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则》 (以下简称《原则》) 与《规范》中的相关规定, 采用电容器集中补偿、变压器分接头配合小容量动态补偿分布控制相结合, 运用统一的经济性数学模型解决了无功补偿容量的确定、容量匹配、电容器优化分组三个问题。

1 配电网无功优化配置的成本函数

我国配电网以辐射状接线为主, 由于各级配电站低压侧补偿仅对变压器损耗及上一级配电网进线潮流产生影响, 故可认为配电站运行成本包括高压侧进线的网损费用及变压器的损耗费用。本文研究的无功补偿设备包括电容器组和动态无功补偿装置。根据《规范》, 在假设配电网所有配电站均装设无功补偿设备的基础上, 不必讨论补偿节点的选取, 无功优化配置可以单个配电站为例进行分析, 从而降低了问题的复杂程度。

配电站无功优化配置的数学模型为无功补偿的投资成本与运行成本的折中, 目标函数为

其中:C、LC、SC分别表示总成本、无功补偿投资成本以及配电站的运行成本, 下面分别进行讨论。

1.1 投资成本

电容器是配电网最主要的无功补偿设备, 考虑在配电站低压侧装设容量为QC1的自动投切并联电容器, 配合容量为QC2的动态无功补偿装置对无功电压进行协调控制, 总补偿容量为

电容器的投资成本一般包括硬件成本和运行维护费用, 由于电容器工作较为稳定, 因而运行维护费用较低, 投资成本主要是硬件成本。文献[11]提出并联电容器的投资成本应包含两部分, 即“与分组数成正比”的部分和“随容量增长”的部分, 由此可将电容器的投资成本描述为

其中:M为电容器分组数;0b是不考虑容量差别的单组分组成本费用;1b是单位容量电容器的成本费用。上式第一部分包含每组电容器相应的断路器、隔离开关成本, 与电容器分组数成正比;第二部分为电容器的造价, 与补偿容量成正比。

而对于动态无功补偿装置, 认为其成本为容量的线性函数为

其中:0c为固定成本;1c为单位容量的成本费用。于是装设无功补偿的总投资成本可以统一写为

1.2 运行成本

典型的配电站接线如图1所示。

假设优化配置前有功规划已经完成, 设负荷已知。当功率流过高压侧进线及变压器时, 产生的损耗之和为

其中:PLoss T、QLoss T分别为变压器有功损耗与无功损耗;UN为高压侧母线额定电压;TR、XT分别为折算到高压侧的变压器串联支路电阻和电抗;LR、XL分别为线路电阻和电抗;0P、0Q分别为变压器空载有功损耗与无功损耗。

以上面推导公式为基础, 对如图2所示的配电站典型日负荷曲线进行补偿分析, 设某时段t的负荷为PD, t、QD, t, 投入的无功补偿容量为QC, t, 则此时的变压器损耗为

变压器与高压侧进线的损耗之和为

根据《规定》第五章第二十一条, 新建变电站和主变压器增容改造时, 应合理确定无功补偿装置容量, 以保证35~220 k V变电站在主变压器最大负荷时, 其高压侧功率因数应不低于0.95;《原则》第二十五条规定, 10 k V及其他电压等级配电网的无功补偿, 应补偿到变压器最大负荷时其高压侧功率因数不低于0.95。

考虑在最大负荷时段将总补偿容量CQ全部投入, 此时高压侧功率为

高压侧功率因数为

根据上文规定, 上式有0.95的下限约束为

求解上式可得总补偿容量CQ的一个取值范围为

同时, 无功补偿的配置应考虑不同负荷情况下的电压跌落。考虑在最大负荷时段, 配电站相应母线的电压跌落有最大值为

根据《规定》中对最大负荷时段电压跌落的限制, 式 (22) 有上限约束。

依据式 (23) 可得到总补偿容量CQ的另一个取值范围为

另一方面, 《规定》对低谷负荷时段变电站功率因数和电压跌落亦有相关规定, 而该时段的补偿容量需通过电容器和动态补偿协调确定, 属于运行优化部分, 本文不予进一步讨论。

联立式 (21) 和式 (24) , 从而得到总补偿容量CQ的取值范围为

其中

针对不同的CQ取值, 可相应将图2的典型日负荷曲线按时段划分为QCQD, t和QC (27) QD, t两个部分。

在QCQD, t的时段里, 通过电容器组的自动投切与动态补偿装置的连续调节, 认为可以将无功负荷基本平衡掉并留有一定偏差Q, 因而该时段配电站的运行成本为

其中:为电价系数;1t为QCQD, t的时段数;本文认为Q与电容器的分组情况和动态补偿容量有关, 而与具体时段的无功负荷无关。

而在QCQD, t的时段里, 将电容器组和动态补偿装置全部投入仍然无法完全补偿无功负荷, 因而该时段配电站的运行成本为

其中, t2为QCQD, t的时段数。从而整个规划期内配电站的运行成本为

其中, T为规划周期。

2 集中分布控制模式下的容量匹配

本文采用文献[12]所述的无功集中优化与电压分布控制模式, 将配电网无功电压控制分为无功集中优化补偿与电压就地分布控制两级。前者以电容器组为控制对象, 针对负荷的较大变化进行集中补偿;后者以变压器分接头为控制对象并增加小容量动态补偿装置, 对电压和功率因数进行就地控制。两者之间存在一个容量匹配问题, 即总补偿容量CQ当中, 电容器补偿容量QC1占多大, 动态补偿容量QC2又占多大?

由于电容器只能分组投切而不能连续调节, 在讨论容量匹配之前, 我们需要先讨论电容器的优化分组。

2.1 考虑经济性的电容器优化分组

电容器的分组方式主要有等容分组与不等容分组两大类, 我国配电网主要采用等容分组方式。等容分组配合自动投切装置虽能延长设备整体的使用寿命, 但每组容量相同因而组合方式较少, 满足不了配电自动化控制对电容器合理分组的要求。本文采用不等容分组方式进行分析。

将电容器补偿容量QC1分为M组, 各组容量满足:

根据《原则》第十九条对变电站装设的无功补偿装置单组容量的上限约束, 本文认为只要分组中最大单组MQ满足该约束, 其他单组自然满足。最大单组容量应满足式 (32) 。

其中, QM, lim为《原则》中规定的各电压等级变电站单组电容器容量的上限。

本文认为可先将总补偿容量CQ按最大单组容量MQ等容分成若干大组, 在此基础上再将一组MQ拆分成若干小组 (可不等容) , 从而通过大组对无功基荷进行基本平衡, 再由各小组跟踪补偿剩余无功。

设补偿容量为MQ的电容器大组组数为1m, 小组组数为2m, 从而有

对于电容器小组, 本文推荐采用容量比为1:2:4: (43) :2m2-1的差比容分组方式, 该方式下可达到最佳的分组效果。组合级差满足式 (37) 。

与单纯的等容分组相比, 电容器小组的存在增加了电容器的组合级数, 减小了级差, 提高了优化分组的补偿效果, 与动态补偿装置配合时也减少了动态补偿容量和投资;而等容大组的存在又减少了总分组数, 兼顾了分组的经济性。

2.2 容量匹配

将配电站无功优化配置的目标函数展开为

满足式 (25) 、式 (32) 、式 (34) ~式 (37) 的约束条件。另外, 动态补偿容量QC2应小于电容器最小单组容量 (即等于组合级差) , 否则最小单组就会被动态补偿装置所取代。因此, 目标函数的约束条件应加上式 (39) 。

为简化计算, 无功补偿偏差dQ取电容器组合级差与动态补偿容量QC2的差为

至此, 集中分布控制模式下的容量匹配数学模型建立完毕, 通过对模型进行求解, 可得到最优的配电站无功补偿总容量CQ、电容器 (集中补偿) 容量QC1、动态补偿 (分布控制) 容量QC2以及电容器的优化分组。

2.3 求解方法

上面的数学模型中包含较多的变量, 可利用变量之间关系进行简化。根据式 (2) 用CQ和QC1表示QC2, 并根据式 (35) 用1m和MQ替换QC1, 从而有

将式 (41) 、式 (37) 代入式 (39) , 有

将式 (41) 、式 (37) 代入式 (40) , 有

最后将式 (34) 、式 (41) ~式 (43) 代入式 (38) , 将目标函数化简为

此时模型只含有1m、2m、CQ和MQ四个变量, 不妨固定1m、2m和CQ单独分析MQ:此时上式等号右边第1项、第4项为定值;第2项由于动态补偿单位成本1c必然高于电容器单位成本1b故为负值, 且随MQ单调递减;第3项由于Q (29) 0故为正值, 且随MQ单调递增。

考虑国产10 k V电容器均有标准规格, 从而电容器大组容量MQ只能取以下标准规格:[0.1, 0.3, 0.6, 1.2, 1.8, 2.4, 3.0]Mvar。而电容器大组和小组均不宜过多, 均取5组为上限, 且小组应至少有两组, 从而约束条件简化为

该模型为混合整数非线性规划问题, 宜对式 (25) 算出的总补偿容量取值范围QC, mi nQCQD, m ax进行离散化处理, 简化为离散量约束的非线性规划问题, 采用人工智能类算法进行寻优。

3 算例分析

以安徽省巢湖市银屏镇配电网为算例, 取2010年1月11日SCADA监测数据为规划期内的典型日负荷曲线, 采用Matlab软件编程, 对本文所述的配电网无功电压集中分布控制模式下的容量匹配方法进行验证。配电网结构如图3所示, 模型中需要的参数取值如表1~表3所示。

优化计算结果如表4所示。

4 结论

本文提出一套针对配电网无功电压集中分布控制的容量匹配方法, 解决了配电站无功补偿容量的确定、容量匹配、电容器优化分组三个问题。在数学模型中, 提出电容器的优化分组应采用等容大组与不等容小组相结合的方式, 并考虑了分组对投资成本的影响, 适用于配电网无功电压集中分布控制, 具有一定的工程指导意义。

摘要：提出了一种适用于配电网的无功补偿容量匹配方法。该方法基于无功电压集中分布控制模式, 以配电站为分析对象, 以电容器组搭配小容量动态补偿装置作为补偿手段, 以投资成本与运行成本之和最小化为目标函数, 将补偿容量的确定、集中与分布控制的容量匹配、电容器的优化分组三个问题统一起来建模。在数学模型中, 提出电容器的优化分组应采用等容与不等容相结合的分组方式, 并考虑了分组对投资成本的影响。通过算例验证了所提方法, 丰富了集中分布控制理论, 具有一定的工程指导意义。

关键词：配电网,容量匹配,电容器,动态补偿,负荷曲线,优化分组

参考文献

[1]王守相, 王成山.现代配电系统分析[M].北京:高等教育出版社, 2007:174-175.WANG Shou-xiang, WANG Cheng-shan.Moderndistribution power system analysis[M].Beijing:HigherEducation Press, 2007:174-175.

[2]余健明, 杜刚, 姚李孝.结合灵敏度分析的遗传算法应用于配电网无功补偿优化规划[J].电网技术, 2002, 26 (7) :46-49.YU Jian-ming, DU Gang, YAO Li-xiao.Application ofgenetic algorithm combining sensitivity analysis tooptimized planning of reactive power compensation fordistribution networks[J].Power System Technology, 2002, 26 (7) :46-49.

[3]刘传栓, 张焰.电力系统无功补偿点及其补偿容量的确定[J].电网技术, 2007, 31 (12) :78-81.LIU Chuan-shuan, ZHANG Yan.Confirmation ofreactive power compensation node and its optimalcompensation capacity[J].Power System Technology, 2007, 31 (12) :78-81.

[4]高丽萍, 王建勋, 刘会金.基于改进遗传算法的配电网无功规划优化[J].电力电容器与无功补偿, 2010, 31 (4) :5-9.GAO Li-ping, WANG Jian-xun, LIU Hui-jin.Reactiveplan optimization of distribution network based on theimproved genetic algorithm[J].Power Capacitor&Reactive Power Compensation, 2010, 31 (4) :5-9.

[5]张斌.基于粒子群算法的配电网无功补偿优化规划[J].电力系统及其自动化学报, 2010, 22 (2) :157-160.ZHANG Bin.Reactive power compensation ofdistribution network based on particle swarmoptimization[J].Proceedings of the CSU-EPSA, 2010, 22 (2) :157-160.

[6]王超, 张永东, 腾杰, 等.地区高压配电网无功规划分析和应用[J].电力系统保护与控制, 2009, 37 (22) :68-70.WANG Chao, ZHANG Yong-dong, TENG Jie, et al.Reactive power planning in high voltage powerdistribution network[J].Power System Protection andControl, 2009, 37 (22) :68-70.

[7]张勇军, 陈超, 廖民传.配电网节能改造优化建模研究[J].电力系统保护与控制, 2010, 38 (15) :60-64.ZHANG Yong-jun, CHEN Chao, LIAO Min-chuan.Research on optimal model for energy savingreconstruction of distribution networks[J].Power SystemProtection and Control, 2010, 38 (15) :60-64.

[8]刘莉, 王承民, 侯昀, 等.配网并联电容器的优化分组问题研究[J].电气应用, 2005, 24 (12) :39-42.LIU Li, WANG Cheng-min, HOU Yun, et al.Theresearch on optimal parallel shunt capacitor banks in thedistribution network[J].Electrotechnical Application, 2005, 24 (12) :39-42.

[9]刘甲庆, 张皓, 章健.中压配电网计及动态无功补偿装置的理论线损计算[J].电力系统保护与控制, 2010, 38 (6) :92-95.LIU Jia-qing, ZHANG Hao, ZHANG Jian.Theoreticalline loss calculation on medium voltage distribution withdynamic reactive power compensation devices[J].PowerSystem Protection and Control, 2010, 38 (6) :92-95.

[10]GB50227-2008并联电容器装置设计规范[S].GB 50227-2008 code for design of installation of shuntcapacitors[S].

[11]Baran M E, Wu F F.Optimal capacitor placement onradial distribution systems[J].IEEE Transactions onPower Delivery, 1989, 4 (1) :725-734.

分布式控制模式 篇4

针对工业设计实验室建设中存在的问题，探索分布式资源环境下创新实验平台建设模式，为提高工业设计实验室创新水平，以及创新人才培养进行有益的尝试。提出通过利用大量的分布式实验资源，构建共享创新实验平台，为学生提供一个开放式的创新平台，实现创新人才的培养。探索思考了分布式资源环境下的工业设计创新实验室发展建设新模式。

关键词：

分布式资源 创新 设计 实验平台

中图分类号：G622

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2015）07-0094-03

随着设计类人才的需求量逐年增加，社会对设计类毕业生的能力要求也越来越高。工业设计专业学生的核心专业能力.设计创新实践能力的培养需要依托完备的各类实验室资源，通过大量的设计实践来提升设计能力。但是，由于大部分高校工业设计专业办学历史较短，工业设计实验室建设滞后，实验设备不齐全，出现了实验室建设现状与专业人才创新能力培养需求的不匹配一些问题，很难完全满足实验教学需求，影响了工业设计专业学生设计创新能力的发展。如何进一步优化校内实验资源配置，提高实验室综合效益，寻求校外实验资源，拓展实验资源渠道，已成为工业设计专业实验室建设亟待解决的重要问题。

1 分布式资源理论介绍

分布式资源实际上是分布式智力资源环境的简称，在这个环境中，所有设计实体和智力单元之间交换的是信息或由信息构成的知识，知识服务的请求方发布的是信息，知识服务的提供方提供的信息或者知识。所有这些都可以在信息高速公路上传递，连同信息和知识在设计实体和智力单元内部的流动，构成了现代现代设计的基本模式。

工业设计专业的实验教学以设计实践为主，设计活动是该专业实验过程的主要呈现形式。在分布式资源环境中，设计是以已有知识为基础，以获取新知识为中心的创造性活动。在知识经济时代，基于知识的设计理论研究，尤其是基于网络环境的分布式知识资源的获取和重复利用策略的研究，已经成为创新设计的研究重点之一。

设计活动中无论是已有的或者新的理论、方法和技术，还是新的产品系统或工艺，本质上都属于知识的范畴。分布式知识资源环境中知识以资源单元的形式成分布式存在状态，能否实现对知识的获取重用是实现创新的关键。在分布式资源环境中，资源单元掌握着各自领域中领先的单元技术，而设计实体则掌握了系统或产品的集成技术，在资源单元和设计实体的合作过程中，相互之间的耦合作用将加速技术的进步，而恰当的知识如何在恰当的时间以合适的形式流向知识的需求方是设计创新的关键。

2 创新实验平台研究现状分析

2.1 国内研究现状

在国家对高校实验室管理建设研究的不断推动下，全国高校开展了实验室建设新模式的探索和研究。实验系统的建设思想明显受到计算机网络技术的影响，基于网络化、模块化、开放性等原则，实验系统也逐渐由传统的集中模式转变为分布模式，成为具有开放性、可互操作性、分散性、网络化、智能化的网上实验系统。

国防科学技术大学提出了基于Internet/lntranet的分布式实验系统设计目标和体系结构，并对系统组建的关键技术进行了研究，为未来实验室建设提供新的思路。复旦大学结合利用计算机辅助技术提出了一种分布式实验系统的设计与实现方式，这一实验模式为探讨自动化、网络化在推动产、研、学一体化发展中的应用方式打下基础。大连理工学院将仿真实验与互联网技术相结合，提出了分布式机械仿真实验室的概念。通过网上虚拟实验室，可以实现工业生产现场、科研院所实验室、最终用户现场等各方面专业技术人才的动态联盟。清华大学利用国家教育科研网（CERNET）开发了运行在CERNET环境中分布式国家重点实验室信息管理系统，为实验室日常管理的科学化规范化、公共信息资源系统的共享提供了新的模式。广东石油化工学院针对普通高校与中小企业校企合作共建受限的问题进行了分析，提出了分布式创新实验平台的建设方案。这种分布式校企共建模式为以应用型人才培养为主的普通工科院校提供了有价值的借鉴。空军工程大学提出了新型分布式网络工程实验室建设方案，采用创新的模块化设计、分块建设的规划设i+，在兼容性、可扩展性、开放性、经济性、可管理性等方面具有独特的优势，可有效克服建设经费、场地、实验室管理维护等制约条件。

2.2 国外研究现状

美国国家研究委员会提出：现代实验室是一个无墙的中心，通过计算机网络系统，研究人员或实验人员能在其中从事科学研究和工程设i+，不必顾及时间和地理位置的限制，共同协作；能共享仪器、设备、数据、计算资源以及数字图书馆等信息资源。美国illinois大学的Nmrscope系统，通过Intemet，研究人员在任何地方都能使用illinois大学的仪器。美国Johns Hopkins University的化学工程系的卡尔威教授（Professor MichaelKarweit）建立了一个工程虚拟实验室，学生可以通过电脑网络来做实验，尝试解决工程上遇到的各种问题。

2.3 实验室建设发展趋势分析

通过以上文献研究分析，实验室建设发展趋势主要体现在以下几方面：

（1）创建分布式共享实验平台成为实验室发展的趋势。在实验室建设过程中，自身实验资源与其他实验资源以分布式状态存在，针对实验任务需求，借助共享实验平台调用所需实验资源，实现各方面实验资源的“互通有无”。这样既能拓展自身实验资源，也能避免实验室的重复建设。

（2）互联网与物联网等先进技术为分布式实验室建设提供了技术支持。基于分布式实验资源的实验室建设，除了需要实验需求信息的共享之外，甚至需要实现直接对实验资源的远程共享，这需要借助互联网与物理网等先进技术来实现真正意义上的实验室共享。

（3）分布式共享实验平台没有统一标准。虽然对分布式共享实验平台建设有了很多的研究和实践，但是研究者都是根据各自的条件进行共享标准和技术参数。如何实现更大范围，更加通用的分布式共享实验平台标准需要深入研究。

nlc202309030102

3 工业设计创新设计实验平台建设模式研究

3.1 工业设计专业创新设计实验平台建设特点

工业设计专业是以培养应用型设计人才为目标，具有较强的实践性和文理交叉性。学生不仅具有坚实和宽广的基础理论知识，同时还应当经过比较系统的机械制造、美学、经济等多方面知识的学习训练。“应用型”学生的培养需要依托各类实践教学的不断训练，单独依靠工业设计实验室很难满足该专业学生综合能力的培养，创新能力的提升受到较大制约。实验室的建设更新速度往往滞后于人才需求的变化，已成为学生创新能力培养和专业发展的短板之一。

工业设计专业最大的特点就是“创新”，优秀设计本身具有很强的科学性和逻辑性，必须依靠科学的实验验证分析来支持设计过程，这需要科学分析型实验设备的支撑。随着实验对象越来越复杂，单纯依靠自身的实验资源已经很难完成，实验室建设的社会性愈发显著，借助自身之外的实验资源已成为必然趋势。在自身实验资源不完备的情况下，借助校内外的实验资源，实现分布资源的整合利用，构建创新实验平台显得很有必要。实验室建设由原来的“垂直式实验资源模式”（图1），转变成为“分布式实验资源模式”（图2）。

工业设计专业的实践教学过程由一个个设计创新活动组成，对实验资源的需求同样存在多样化，单纯依靠自身实验资源很难满足教学需求，需要借助分布式资源来丰富实验室资源。对于分布式资源的利用关键在于“资源共享机制”的建立，只有建立各个资源所有者共同认可的共享机制才能真正实现资源的有效共享，最终实现共赢。现在常用的方式主要是借助互联网技术来搭建资源的共享平台，同时制定一些列资源共享约束性制度。由于工业设计实验室建设需求的多样化，需要众多存在于校外的实验资源，与校外实验资源构建共享平台的研究还很不足，工业设计专业在这方面尤其突出，需要对分布式资源共享机制进行研究完善。

3.2 工业设计专业实验资源分布体系理论研究

分布式资源环境下的共享创新实验平台建设关键是实验资源的获取与共享，每个实验室可以看作一个资源单元，大量的资源单元以分布式状态存在，不同需求主体可以根据自身的需求来对资源单元进行选择性整合。每一个需求主体同时既可以获取其他资源单元，也可以当作一个资源单元为其他需求主体提供服务，整个需求链条依托于一个共享平台，最终构建了一个动态的资源生态链（如图3）。

分布式资源环境中高校、科研院所、企业、团体协会、政府等都可以成为资源单元，实验资源以分布方式存在于这些资源单元之中。每一个大的资源单元还可以继续细分，形成内部分布式资源单元生态链。工业设计实验室首先要明确自身资源优势和不足，通过资源分布体系的梳理整合，发现实验室实验资源上的“缺口”，同时对外提供自身的优势实验资源，进而有针对性与校内的其他实验室、校外科研机构、企业、政府团体等进行合作，获取本专业人才培养中急需的实验资源。设计活动中除了实验设备等硬件实验资源之外，教学过程中大量的设计创意方案也是无形的设计资源，这对于生产企业来说具有较大吸引力，这些资源可以作为工业设计实验室与其他机构进行合作的优势资源。

3.3 工业设计共享创新实验平台构建模式研究

随着数字化技术、社交网络和移动技术的飞速发展，人与人之间的互联互通开始成为现实。新技术和新工具必将有力地促进机构内外的各种协作，并催生和助力组织之间的共享创新。共享创新根据创新主体不同可以分为以高校为主体、以企业为主体、以科研院所为主体、以政府为主体、以协会社团为主体等不同的共享创新模式。机构内部的“垂直式共享创新”便于资源的统筹管理，但是存在资源局限性，不能与更多的资源实现共享，共享创新能力较低。多个机构之间的“水平式共享创新”理论上能获得海量的资源，共享创新活力旺盛，但同时也存在机构间合作约束机制的平衡问题，怎样找到合作机构间的利益平衡点是实现“水平式共享创新”的关键。工业设计实验室与校外机构的共享创新主要以教师为主体，依托教师高水平的科研项目或者企业技术难题，联合校外机构的软硬件设备，进行科技创新型的共享创新，最终实现“产学研共享创新”（如图4）。

4 总结

观念更新是共享创新实验平台构建的前提。实现共享创新实验平台构建的基础是合作，转变传统的个体研究和“单兵作战”的旧模式，大力倡导联合攻关和“兵团作战”的新观念。共享创新实验平台构建既需要高等学校内部的合作，更需要高等学校与科研院所和企业的合作，高等学校的科研管理部门在其中要发挥关键性的组织协调作用。机制创新是共享创新实验平台构建的关键。为了实现各个创新主体共享信息，整合资源，共享创新，需要在机制上解决五个方面的问题。一是组织管理的机制问题，二是绩效评价的机制问题，三是权益分配的机制问题，四是资源共享的机制问题，五是信息沟通的机制问题。绩效评价和权益分配又是五个问题的重中之重，因为评价系统事关价值导向，不同的绩效评价将制约着实验平台构建的方向、目标和力度；同时实验平台构建涉及多个利益实体，权益分配问题如果不能妥善解决，则会在很大程度上影响和阻碍创新的健康发展。

分布式控制模式 篇5

微电网是可自治运行的小型发配电系统,往往集成多种类型的分布式电源DG(Distributed Generator)[1,2]。传统下垂控制按照容量比例分配功率,但是由于不同类型DG的发电成本及运行特性各异,按容量分配功率易造成系统运行成本偏高。为了降低系统运行成本,需考虑各DG的成本优化分配功率,实现微电网经济运行。

微电网的经济优化运行一般采用集中式方法,由中心控制器采集全网信息,并利用集中式优化算法(例如数学规划方法[3,4]或粒子群优化算法等启发式算法[5,6])进行模型求解,得到优化调节指令,并下发给各本地控制器,从而实现全网经济优化。文献[3]建立多目标优化模型,通过混合整数规划进行能量优化。文献[5,6]分别运用粒子群优化算法和遗传算法解决功率经济分配问题。集中式优化方法[3,4,5,6]调节精度高,但是当网络节点较多时通信量过大,对通信线路要求较高,可扩展性差;依赖中心控制器,一旦故障将导致控制失败,可靠性差。此外,启发式算法表现不稳定,不能保证收敛到最优解,因此稳定性较差。

为了克服上述集中式方法的不足,有学者提出基于无通信的自治经济下垂控制。文献[7,8,9]针对发电成本不同的DG,设计基于本地信息的非线性下垂控制,使得成本高的DG少出力,成本低的DG多出力,从而降低系统运行成本,但是该方法基于DG的运行成本,而非边际成本,因此只能实现经济较优,而非最优运行。此外,由于本地信息不同,自治控制无法进行全网优化,功率分配精度低,并且缺乏电压和频率的二次调节。文献[10]针对直流微电网,提出线路阻抗补偿的方式以提高功率分配精度,但是该方法需事先得知线路阻抗的大小,因此具有局限性。文献[11]提出一种自治三级控制,可实现各DG边际成本一致,但是其采用低通滤波器降低非线性下垂控制对系统稳定性的影响,动态响应较慢。文献[12]利用一致性算法实现边际成本一致,但是需挑选主导节点控制边际成本的增减方向,削弱了系统的可靠性。

本文提出基于边际成本的改进下垂控制,以实现降低系统运行成本的目的。同时引进分布式经济运行策略,通过优化所提下垂控制的参考电压,解决其功率分配精度易受线路阻抗影响的问题,实现微电网经济运行。该分布式策略基于节点地位对等的稀疏分布式网络,无中心节点,可靠性高。仿真分析验证了所提策略的有效性与优越性。

1 基于边际成本的改进下垂控制

为降低系统运行成本,本节分析不同类型DG的运行成本,在传统下垂控制的基础上提出基于边际成本的改进下垂控制。

1.1 传统下垂控制

由于低压电网的线路阻抗主要呈现阻性[13],因此基于P-U和Q-f特性的传统下垂控制如下:

其中,Umax、Umin分别为最大和最小允许电压;fn为额定频率;fmax为最大允许频率;Pi,max、Qi,max分别为DGi最大允许有功和无功功率。

1.2 基于边际成本的改进下垂控制

DG的运行成本主要考虑燃料费用、维护费用和逆变器的运行效率。不同类型的DG成本不同,但其成本函数可统一简化为二次函数的形式[10]:

其中,αi、βi、γi为DGi的成本系数,对于不同类型的DG如光伏电池PV(Photo Voltaic)、燃料电池FC(Fuel Cell)和微型燃气轮机MT(Micro-Turbine),系数大小及物理意义不同[10];nDG为DG台数。

由于无功成本相比有功成本较小,因此可忽略[7],本文主要考虑有功功率的成本,系统的总运行成本Ctotal如下:

系统稳定运行,各DG的边际成本一致时,系统的总运行成本最小[12]。

在传统P-U下垂控制的基础上,考虑各DG的边际成本,设计改进下垂控制如下:

其中,Li(Pi)为DGi的边际成本,定义为式(6);λL,P为下垂成本系数,各DG取值相同,满足式(7)。

其中,ΔUmax为最大允许电压偏差量,一般为母线额定电压的5%。

1.3 与传统下垂控制的比较

传统下垂控制按照各DG容量比例分配功率,如图1(a)所示,由于未考虑DG的运行成本,若成本高的DG容量大,会导致系统运行成本偏高。所提改进下垂控制按照各DG边际成本一致分配出力,如图1(b)的U-L和L-P曲线所示,边际成本高的DG出力少,边际成本低的DG出力多,从而实现各DG边际成本相等,综合的U-P下垂曲线如图1(b)所示,因此,所提改进下垂控制可实现降低系统总运行成本的目标。

和传统下垂控制类似,基于边际成本的经济下垂控制尽管能基于本地信息自治进行功率分配,但由于线路阻抗分布不均,各DG输出电压不等,由图1(b)的U-L曲线可知,各DG的边际成本不相等,因此改进下垂控制的控制精度较低,各DG边际成本不能实现精确一致。为此,本文进一步提出基于一致性算法的分布式经济运行控制,消除线路阻抗的影响,提高控制精度。

2 分布式经济运行控制

2.1 分布式经济运行控制总体架构

分布式经济运行控制总体架构如图2所示。

每个DG具有一个分布式控制器DCr(Distributed Controller),负责DG间通信和一致性计算。在分布式稀疏通信网络中,各DCr仅与相邻DCr交互信息,各DCr地位对等,不存在主导DCr,可靠性高。

以DGi为例,其DCri采集本地电压Ui、频率fi和边际成本Li信息,并将其发送给相邻控制器,同时接收相邻控制器的电压、频率和边际成本信息,利用一致性算法获得目标有功功率Pi*、全网平均电压Uave和平均频率fave,将其输出给本地二级控制器。

二级控制基于一致性结果,通过PI控制器产生有功修正量δUi,P和电压修正量δUi,U修正下垂控制的参考电压,实现各DG边际成本一致,并恢复全网平均电压至额定值;频率修正量δfi修正参考频率,可恢复频率至额定值。

该策略通过对各DG输出电压和频率的调控,提高下垂控制的功率分配精度,降低系统运行成本,实现微电网经济稳定运行。

2.2 基于离散一致性的DCr

(1)离散一致性算法。

一致性算法起源于分布式计算与决策,目的是使系统中的个体状态渐近趋向于初始状态的平均值,已在随机网络、多机器人系统、集群控制等诸多领域有广泛应用。

用图G=(V,E)表示一致性问题中节点的通信网络拓扑,V={1,2,…,n}表示节点的集合,表示节点的边。表示节点i的邻居节点的集合。

一致性算法不需要节点和其他所有节点通信,仅需与相邻节点通信,便可使各节点共享系统的状态变量均值,通信量少且较为均衡。由于实际系统为离散控制系统,本节介绍离散一致性算法,表示为:

其中,xi为节点i的状态变量;k为离散时间变量;n为节点数。矩阵形式为:

其中,D为系统的状态转移矩阵,dij为其元素,若节点i与节点j之间有链路,则dij>0,反之则为0。节点i利用自身和邻居的状态信息加权线性叠加更新xi。

若图G是强连通图并且是平衡图或D构造为双随机矩阵时,系统一致收敛于状态变量的平均值[14],即:

文献[14]提出一种Metropolis方法构造矩阵D为双随机矩阵,以适应网络结构的变化,保证算法具有良好的收敛性,表示为:

其中,max(ni,nj)为节点i及其邻居节点j所拥有的邻居数目中的最大值,ni、nj分别为节点i、j的邻居节点数;j∈Ni表示节点j是节点i的邻居节点。

离散一致性算法收敛所需迭代次数K按照下式计算[14]:

其中,ε为允许误差;λ2为矩阵D的第二大特征值,决定了一致性的收敛速度。

(2)DCr的实现。

DCr分别通过一致性算法求取平均边际成本Lave以用于二级功率优化,求取全网平均电压用于二级电压调节。此外,考虑虽然稳态时全网频率统一,但是在发生扰动的暂态过程中,各DG的频率会因变化不同步产生偏差。为了实现各DG的实时同步频率调节,通过一致性算法获取平均频率。

DCr的信息处理流程如图3所示。在DCr中设置时钟,周期设为Ts,驱动各DCr采集及交互信息,保证系统有序运行。令t=t0+k Ts,简记为t=k。时钟启动,DCri采集本地边际成本Li[0],与邻居DCr交互边际成本信息,检测是否收到邻居的功率饱和标识,若没有,则采用原始双随机矩阵D;若收到通知,则修改矩阵D,再按式(13)计算Li[k+1]。

其中,n′为输出有功功率未饱和DG数目;Li[k]为DGi在第k次迭代时的边际成本。

下一时钟周期,继续交互边际成本信息和一致性迭代,如此循环直到收敛得到Lave。根据式(14)得到目标有功功率Pi*,并输出给本地二级控制器进行参考电压的修正。本次迭代过程结束,重复进行下一轮迭代。

在系统重载时,由于边际成本低的DG出力大,其输出有功功率易饱和。控制时为了防止其功率越限,采取功率判断策略:由Lave得到目标有功功率,判断其是否越限,若越限,则将其限制在最大功率值,使该DG输出有功功率达到饱和状态,DCri向相邻DCr发送功率饱和标识,并且退出边际成本一致性网络,由于网络拓扑发生改变,其余DCr相应地修改边际成本一致性矩阵D,再参与平均边际成本的计算。

由于全网平均电压和频率的计算不受DG有功功率是否饱和的影响,各DCr在时钟驱动下,按式(15)和(16)进行电压和频率一致性迭代,收敛得到Uave和fave,并输出给本地二级控制器进行参考电压和参考频率的修正。

其中,n″为下垂控制DG数目;Ui[k]、fi[k]分别为DGi在第k次迭代时的电压和频率值。

2.3 二级控制

(1)参考电压的修正。

有功功率和电压控制的本质都是对各DG的输出电压进行控制。

为输出目标有功功率,利用Pi*与实际有功功率之差进行PI调节,得到有功电压修正量δUi,P如式(17)所示。

其中,kP,p、kI,p为有功电压修正中PI控制器的参数。

一方面改进下垂控制同传统下垂控制一样不可避免地会带来电压跌落的问题,另一方面在调节有功功率的过程中,电压有可能越限。为了稳定负荷点的电压,基于Uave同步进行电压调节,产生平均电压修正量δUi,U:

其中,g为方式选择位,当DG输出有功功率未饱和时,g=1,参与电压调节,当DG输出有功功率饱和时,输出最大有功功率,g=0,不参与电压调节;kP,u、kI,u为平均电压修正中PI控制器的参数。

下垂控制的参考电压优化为:

(2)参考频率的修正。

利用PI调节产生频率调节量δfi,如式(20)修正下垂控制的参考频率,通过同步频率控制,使频率稳定在额定值。

其中,kP,f、kI,f为频率修正中PI控制器的参数。

3 算例分析

3.1 算例模型

为验证所提方法的有效性及优越性,基于MATLAB/Simulink环境建立交流微电网模型如图4所示,包括通信网络和电力网络两部分。

微电网电压等级为380 V,系统参数如表1和表2所示,各DG容量相等。λL,P取为。DCr的时钟周期Ts会影响系统的稳定性[15],为了满足采样定理并提高系统的稳定性,综合实际网络特性,本文选定Ts=1 ms。

由式(12)可知一致性的收敛速度由矩阵D的λ2决定,而D由通信拓扑确定。因此,通信拓扑会影响一致性算法的收敛速度[16]。本文算例选定环网式通信拓扑,利用式(11)构造双随机矩阵D如下:

3.2 仿真结果与分析

下面通过3个仿真算例分析,将所提策略与文献[7]经济下垂控制及传统下垂控制进行对比。仿真0.4 s时,Load1突增负荷17+j7 k V·A,0.7 s时Load3突增负荷16+j7 k V·A。

文献[7]中无通信自治经济下垂控制,考虑各DG的运行成本,如下式:

其中,C″i(Pi)=C′i(Pi)-C′i(0),C′i(Pi)=Ci(Pi/Pi,max);λC,P为比例因子,按表2参数,则λC,P取为。

3.2.1 算例1:负荷变化

0~0.1 s采用基于边际成本的改进控制,0.1 s后,启动分布式二级优化策略,仿真结果如图5所示。

仿真过程包含以下4个阶段。

①0~0.1 s,由图5(a)、(e)知改进下垂控制的功率分配精度低,各DG边际成本不一致。这是由于线路阻抗的影响,各DG未能实现边际成本相等。

②0.1 s后,启动二级优化策略,相邻DCr间进行通信,利用一致性算法得到所需信息,通过二级控制优化下垂控制的参考电压和频率。由图5(c)—(e)可看出,各DG边际成本趋于一致,全网平均电压和频率恢复至额定值。

③0.4 s时,由图5(c)—(e)可看出,负荷突增导致各DG边际成本出现偏差,电压跌落,频率上升,但经过短时优化调节,系统过渡到稳定状态,仍能实现边际成本一致,平均电压和频率恢复至额定值。

④0.7 s时Load3负荷突增,由图5(a)和(e)可看出,此时系统负荷较重,成本较低的DG4输出有功功率饱和,稳定在20 k W,并退出二级优化;剩余4个未饱和DG继续参与优化策略,边际成本实现一致。

此外,由于稳态时全网频率一致,图5(b)中稳态时各DG无功功率相等。

从图5(f)可看出边际成本经过13次一致性迭代,并从图5(a)—(d)的分析可得,迭代13次的精度可满足控制要求,系统的暂态和稳态性能较好。

图6为是否施加分布式二级优化控制的系统成本对比。可知,二级优化控制可有效地降低系统成本,这是由于其优化下垂控制的参考电压和频率,提高了下垂控制的功率分配精度。

图7(a)、(b)分别为经济下垂控制和传统下垂控制的有功功率波形,不同方法的系统成本对比如图7(c)和表3所示。可得如下结论。

①传统下垂控制按照容量比例分配功率,但是分配精度易受线路阻抗影响。由于未考虑各DG的成本,无法经济分配功率,其系统成本最高。

②经济下垂控制的成本居中,只在一定程度上降低系统成本。一方面,由图7(a)可看出,0.4~0.7 s时,经济下垂控制下成本较高的DG1比成本低的DG4出力大。该自治控制基于本地信息,与其他DG无信息交流,无法从全网角度优化功率分配,因此易受线路阻抗的影响,各DG不能精确按照成本大小出力,导致系统成本偏高。另一方面,经济下垂控制按运行成本大小分配出力,没有使各DG边际成本一致。

③所提策略的系统成本最低,采用基于边际成本的改进下垂控制,利用基于稀疏通信网络的分布式策略,提高下垂控制的控制精度,实现边际成本一致。0.7 s后,由于边际成本最低的DG4出力饱和,成本节约性能略有降低。

以上分析验证了所提策略能够适应负荷的变化,降低系统运行成本。

3.2.2 算例2:线路阻抗变化

将表1中的线路阻抗参数更改为Z1-2=0.1+j0.015 7Ω,Z2-3=0.2+j0.031 4Ω,Z3-4=0.3+j0.062 8Ω。3种控制方法的有功功率波形及系统成本对比如图8所示。

图8(b)、(c)的有功功率波形与图7(a)、(b)不同,可见线路阻抗变化对经济下垂和传统下垂控制的控制精度有较大影响。图8(a)与图5(a)的有功功率波形相同,线路阻抗变化未影响所提策略的功率分配精度。由图8(d)可知,所提策略的系统成本仍最低。可见,由于采用分布式策略,通过边际成本一致优化分配全网功率,无论线路阻抗如何分布,都能有效降低系统成本。

由上述分析可得,所提策略无需测得线路阻抗的大小,便可实现控制目标,更具有适应线路阻抗变化的能力。

3.2.3 算例3:成本系数变化

将表2中DG2的成本系数改为和DG3相同,3种方法的仿真结果如图9所示。

图9(c)与图7(b)波形相同,由于传统下垂控制按容量比例分配功率,成本参数的变化不影响其功率分配。由9(b)与图7(a)对比知,成本参数变化影响经济下垂控制的功率分配。

成本参数相同的DG输出有功功率应相等。从图9(b)可看出,经济下垂控制的DG2和DG3输出有功功率产生偏差,由于自治控制仅基于本地信息控制,控制精度易受线路阻抗影响。由图9(a)可看出,DG2和DG3输出有功功率相等,所提控制通过分布式策略对下垂控制进行优化调节,功率分配精度高。

从图9(d)可知,本文策略的系统成本最低,所提策略精确按照边际成本一致分配功率,有效地降低了系统成本。

4 结语

针对传统下垂控制在功率经济分配方面的不足,考虑不同类型DG运行成本的不同,本文提出基于边际成本的改进经济下垂控制。为解决其功率分配精度依赖线路阻抗的问题,提出分布式经济运行控制策略,通过相邻DG间的信息交互,利用一致性算法评估得到全局状态平均信息,从而优化分配全网功率。仿真分析表明本文策略能够适应负荷波动,无需测得线路阻抗值,便可实现各DG的边际成本一致,降低系统运行成本,微电网经济稳定运行。

摘要：由于微电网中不同类型分布式电源的运行成本各异,传统下垂控制按照容量比例分配功率,易导致系统成本偏高。提出基于边际成本的改进下垂控制,按各分布式电源边际成本一致分配功率。为进一步解决其功率分配精度易受线路阻抗影响的问题,提出基于一致性算法的分布式经济运行控制策略,通过优化下垂控制的参考电压,实现各分布式电源边际成本一致,从而有效降低系统运行成本。该分布式经济运行控制策略利用稀疏分布式网络,无中心节点,仅需相邻分布式电源间交互信息,可靠性高。MATLAB/Simulink仿真验证了所提方法能较好地实现自治微电网的经济运行。

分布式波束控制专用芯片设计 篇6

现代大型有源相控阵雷达天线分布着数千个辐射单元,需要在有限的空间和资源上实现对雷达波束的灵活控制[1]。文章主要研究一种包括多通道波束运算、数据存储与加载、宽带波束形成、阵面分裂与重构、在线全状态信息检测等功能于一体的波控专用ASIC芯片,通过分布式雷达波控系统,实现相控阵雷达波束的灵活快速布相和复杂控制。

1 芯片设计背景与目的

1.1 背景技术

传统机械扫描体制雷达天线,雷达波束控制不具备快速切换的能力,雷达可靠性较低,限制了雷达对多目标的跟踪制导能力,抗干扰手段不足,不具备高分辨率SAR(Synthetic Aperture Rada,合成孔径雷达)成像能力[2,3]。随着军事需求的不断推动以及数字集成电路、微波技术、信号处理技术的发展和进步,雷达系统需要研制一种基于分布式控制系统的高波段、高集成度、集成大规模天线单元的多功相控阵雷达,该系统的核心之一便是分布式的波束控制芯片。

第一代分布式波束控制芯片研制于相控阵体制雷达体制早期论证时期。该芯片具备单核四通道运算能力,能够进行雷达波束指向的实时变换[4,5]。但由于属于原理性验证阶段,该芯片运算速度较慢、运算能力不足,不具备宽带延时算法,不支持干扰、反干扰天线阵面时序控制,不支持通信、制导等雷达综合处理方式,无法适应武器传感器系统多功能、一体化的发展趋势。

1.2 芯片开发目的

为适应现代战场雷达作战性能,应对战场环境变化要求,有源相控阵雷达需具备更远目标搜索距离、同时多目标搜索与跟踪、通信与制导、高分辨成像、高强度电子战对抗、隐身与反隐身作战能力等,同时具备高集成度、低成本、高可靠性等特性。

为此,必须设计一款芯片,通过建立多核构架运算、数据存储系统,支持宽、窄带波束形成算法,使得在芯片控制下的雷达阵面能够实现实时宽带延时补偿,可变辐射能量控制以及雷达阵面任意形态孔径重构,并能够根据阵面分布形式的不同进行积木式组合。

2 芯片设计技术方案与实施方式

2.1 芯片设计技术方案

该芯片为全正向设计ASIC,采用0.3μm的COMS工艺,基于分布式雷达控制系统而设计,适用于大规模相控阵雷达阵面控制系统,分布式多芯片系统构架如图1所示。

该芯片使用时独立嵌入在成百上千甚至上万个雷达T/R组件内,各个芯片同时工作,通过相互配合形成对雷达阵面的波束控制。

单芯片采用主从调度下的4核运算处理模式,并行处理多通道的波束运算;内嵌大容量EEP-ROM,用于存储运算时所需参数;芯片工作电压5V,裸片面积不大于7.2mm*7.2mm。

芯片具备小型化、低功耗、低成本等特点。

芯片的接口采用自定义快速同步串口,各工作模式共享统一的专用指令集。系统对芯片进行操作时可采用单点或总线方式进行控制,指令采用广播式发送方式,各芯片根据指令集独立工作。

芯片除内嵌的基本运算、存储逻辑单元外,还嵌入了包括宽带实时补偿算法、阵面辐射能量管理算法、关键信号脉宽、占空比监测保护算法、发射加权算法、阵面坐标变换算法等软IP核;同时集成了可配置Schmitt电路、DeCap去耦电路等健壮性保护电路,芯片逻辑设计如图2所示。

2.2 芯片设计实施方式

芯片设计时具体实施方式如下:

(1)芯片详细规范规定了器件型号、器件等级、外形参数、电性能参数、可靠性及考核测试要求。

(2)芯片内部包括一块主控制器、4块独立运算器、时钟分配管理器、数据总线、串行数据输入输出单元等。芯片内部模块之间的数据交换都通过数据总线完成。

(3)芯片采用NCSIM进行RTL代码(Verilog HDL)仿真及验证设计,构造芯片的C模型为算法参考并在FPGA验证平台上进行后仿真、样片验证。

(4)圆片测试采用标准晶圆测试平台,测试项目包括:DC参数,DFT及功能测试(常温),并进行了高温(125℃)、低温(-55℃)、常温(25℃)下的直流参数、DFT及产品功能测试。

3 芯片设计收益

该分布式波束控制芯片技术可广泛应用于有源相控阵雷达各领域,填补了国内该技术领域空白,显著提升了战术相控阵雷达性能。同时其批量价格低廉,具有十分广泛的工程化应用前景。其关键技术指标包括:

(1)4核并行运算,能够并行16通道实时运算;能够满足多种不同频率、不同数据类型的误差系统补偿功能。

(2)可实现高精度瞬时宽带延时补偿运算,使雷达具备较强的SAR成像与目标识别能力。

(3)在多芯片组成的雷达天线阵面系统下,可实现雷达阵面RF辐射能量管理控制,实现雷达辐射能量的动态调节。

(4)配合多波位数据缓存,可实现雷达波束的脉内快速捷变,使雷达的干扰与反干扰策略能力得到较大提升。

(5)在多芯片组成的阵面系统下,可实现任意子孔径级(若干天线单元)、任意天线单元级的射频通道开关快速切换,实现雷达阵面快速可重构。

(6)在芯片IO端设计了特殊可配置施密特触发器,可有效解决复杂环中IO抗噪声问题,并能够根据环境、温度变化调整施密特触发器阈值电压。

(7)在芯片内集成了关键信号积累、监测IP,可实现对关键信号的脉宽、占空比、相互时序关系等的实时监控,一旦发生信号异常立即锁定,保护T/R组件免受损坏。

4 结束语

该分布式波控专用芯片将波束运算、定时控制、数据存储等关键IP进行了整合集成,在满足雷达波束控制功能的情况下,大大简化了系统的复杂性,平均每个天线单元的波束控制系统仅占用2 mm*2mm尺寸空间,因此该芯片具备较强的工程化应用适应性。目前该型芯片已广泛应用于多型有源相控阵体制雷达系统,累计使用超过10万片。根据其使用与反馈情况,着手论证并进行下一代雷达系统波束控制专用芯片的研制规划。

随着芯片制造工艺水平的提升,下一代波束控制专用芯片将会进一步在通道数、运算时间等指标上提升其波束运算能力,采用更高速可靠的数据传输接口形式,芯片的体制由专用ASIC向多核可编程SoC转变,满足不断变化的雷达系统需求。

参考文献

[1]张光义,赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京:电子工业出版社,2006.

[2]郑清.相控阵雷达波控系统技术研究[J].现代雷达,2006,28(4):53—55.

[3]田可,周继.基于FPGA的波控系统设计与实现[J].应用技术,2008,35(3):1—3.

[4]陶军,彭为,张健.X波段T/R组件波控运算芯片设计[J].现代雷达,2007,29(6):77—79.

分布式智能灯光冗余控制系统设计 篇7

随着经济和城市建设的快速发展,人们对城市夜景观的要求也越来越高,从最初提供亮度的基本功能到现在提出多方面的需求,到现代环境艺术照明,最近几年又出现了专业的户外大型音乐灯光表演[1,2]。这种表演以音乐为线索,以灯光为主体,融合了舞台灯光和城市景观照明两者的特点。音乐灯光表演为城市夜景增添了一道亮丽的风景线,让人耳目一新,为之所震撼,成为城市灯光景观发展的热点方向。

针对户外音乐灯光表演场地大、灯具多且分布分散,地理环境复杂等特点,灯光控制界推出了无线DMX512实时传输表演信号的方式。这种方式在一定程度上解决了布线难的问题,但在实际项目中也反映了其致命缺点:信号延迟、容易受到干扰、系统扩展性差等,表演效果和可靠性得不到保证。在重庆“朝天扬帆”大型户外音乐灯光表演项目改造过程中,我们提出了一种分布式音乐灯光表演控制解决方案[3],为确保万无一失,在关键区域更是进行了冗余设计。

2 分布式灯光控制系统设计

如图1所示,系统由一个控制中心、无线通信网络和多个现场控制终端组成。现场控制终端具有很好的独立性、互换性和扩展性。每个现场控制终端存储了表演方案数据库,均能做到自主表演。随着表演规模的扩大,只需相应的增加现场控制终端即可,十分方便。

控制中心与各现场控制终端之间只需传输少量的控制信号和同步信号,使控制简单可靠。控制中心由音乐灯光主控制器、无线电台和音响系统组成。音乐灯光主控制器为一台工业控制计算机,作为整个控制系统的核心,用于表演方案的编辑调试和控制指令的发送。系统使用频率为230MHz的数传电台来构建通信网络,并向无线电委员会申请了专用频率,保证了系统的通信畅通可靠。

现场控制终端由终端控制器、无线电台和DMX解码器等设备组成。考虑到户外设备的可靠性、美观性等要求,现场控制终端采用体积小巧的研华ARK系列嵌入式工业控制计算机。DMX解码器为USB-DMX512,用于将计算机中的表演方案转换为电脑灯能识别的DMX512信号。整个现场控制终端做成一个标准的设备,在系统扩展的时候特别方便。

3 冗余控制系统设计

“朝天扬帆”音乐灯光表演为国内外游客准备了一场耳目一新的视听大餐,带来了很好的文化艺术价值和经济价值,并在很多城市建设中也得到了很好的推广。这期间用户也提出了更高的可靠性要求,为此项目组将工业控制中的冗余思想运用到音乐灯光控制系统中,将系统的可靠性推向了极点。

3.1 冗余技术简介

高可靠性是控制系统的第一要求。提高分布式系统可靠性有很多途径和方法,其中之一就是冗余技术[4]。所谓冗余即备用(Redundancy),冗余技术是控制系统可靠性设计中常采用的一种技术,是提高控制系统可靠性的最有效方法之一。

1:1热冗余也就是一种常用而有效的冗余方式,即通常所说的双机热备。它指两个独立的控制器具有相同的功能,都可以独立完成所有的控制任务,并且保持同步。但它并不是两个控制器简单的并联运行,而是需要硬件、软件、通讯等协同工作来实现。将互为冗余的两个控制器构成一个有机的整体,需要解决一些关键技术,通常包括以下几个技术要点:

(1)信息同步技术

信息同步技术是互为冗余的两个控制器之间实现无扰动切换技术的前提,只有按控制实时性要求进行高速有效的信息同步,保证工作、备用控制器步调一致地工作,才能实现冗余控制器之间的无扰动切换。

(2)故障检测技术

为了保证系统在出现故障时及时将冗余部分投入工作,必须有高精确的在线故障检测技术,实现故障发现、故障定位、故障隔离和故障报警。故障检测包括电源、控制器、数据通讯链路、输入输出信号等。

(3)仲裁技术和切换技术

精确及时地发现故障后,还需要及时确定故障的部位、分析故障的严重性,对工作、备用设备故障状态进行分析、比较和仲裁,以判定是否需要进行工作/备用之间的状态切换。控制权切换到冗余备用控制器还必须保证快速、安全、无扰动。

3.2 智能灯光冗余控制系统设计

针对本文所研究的音乐灯光控制系统的特点,本系统采用双机热备的方法来实现系统的冗余设计。由前文所述,冗余控制涉及到信息同步、故障检测、仲裁和信号切换几方面,下面将详细介绍该系统的工作原理。

由于现场控制终端是一个标准设备,具有很好的独立性和互换性,所以只需要对现场控制终端进行双机热备设计即可。如图2所示,两个完全相同的现场控制终端A和现场控制终端B互为冗余,冗余控制器由一台小型可编程序控制器(PLC)担任,通过冗余控制器来实现故障检测、仲裁和信号切换功能。

故障检测技术是冗余控制的关键技术之一。现场控制终端产生故障时,直接反映到DMX512信号异常,最终表现为所控制的灯具停止表演。所以可将DMX512信号正常与否作为系统故障检测的依据。在本系统中,使用PLC对DMX512信号的电压值进行采集,从而判断控制系统是否发生故障。

两个互为冗余的热备控制终端具有完全相同的软硬件配置,具有独立的通信、控制等功能。对整个控制系统而言,就相当于增加了一个控制站点。不同之处就是两个控制终端同时工作,但只有一个控制终端的DMX信号被输出到灯具。

互为冗余的两套现场控制终端在正常情况下处于同步运行状态,控制信号由其中一个输出,相应的控制器称为主控制器,另一个则称为后备控制器。当信号监测设备监测到某路信号异常时,如果发生异常的设备为当前主控制器,则将输出信号端口切换至后备控制器,并对原主控制器进行故障自处理;如果发生异常的设备为后备控制器,则只需对后备控制器进行故障自处理即可。

3.3 控制电源冗余设计

电源的可靠性是控制系统正常运行的前提。在本系统中我们考虑了两路电源,即市电和UPS电源。根据表演需要,我们选择了体积小巧的山特M T-1 0 0 0 P r o UPS电源。众所周知,UPS电源的供电能力会随着使用时间的增长而快速缩短。为了保证电源的可靠性,并尽可能延长UPS电源的寿命,我们也设计了一个相应的电源冗余切换系统,其结构如图3所示。

在该系统中,通过PLC对市电的状态进行检测。如果市电正常,则控制系统使用市电供电;如果市电断电,则切换为UPS电源为控制系统供电。市电接到接触器的常闭触点,UPS电源接到接触器的常开触点,PLC根据市电的状态输出信号来控制电源的切换。

4 结束语

本文所述的分布式智能灯光控制系统为户外灯光控制提供了一种新颖而有效的解决方案,通过冗余技术,更是满足了高可靠性要求的场合。这种新的控制方案在重庆“朝天扬帆”、陕西“风舞欢歌”、“西乡情怀”等大型户外音乐灯光表演中得到了很好的应用。事实证明该系统实施起来灵活便捷,运行稳定可靠,具有很高的推广价值。

参考文献

[1]张晋国.城市夜景照明及发展趋势的构想[J].城市照明,2006,(4):30-31.

[2]马礼民.现代灯光控制系统新观念[J].音响技术,2006,(2):4-6.

[3]韩兴连,林景栋,覃曾锋.基于分散控制的智能灯光控制系统[J].照明工程学报,2008,(3):67-70.

选煤厂完全分布式控制结构探讨 篇8

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。

参考文献

[1]王国琰, 王光豪, 周少秋.现场总线配控集成低压成套开关装置[J].国内外机电一体化技术, 2005 (2) :63-65.

[2]赵伟, 黄文娟, 陈玉良.基于PLC的选煤厂集控系统的设计与应用[J].价值工程, 2010 (5) :120-121.

[3]杨东平, 刘鹏.工业以太网在选煤厂集控系统中的应用[J].自动化技术与应用, 2007 (11) :97-98, 126.

[4]肖笛.浅谈我国低压成套开关设备的发展动向[J].电气开关, 2010 (3) :78-79.

[5]王隽.我国低压成套开关设备的“智能化”走势[J].陕西电力, 2007 (6) :37-38.

[6]王永胜.智能仪表技术及工业自动化应用发展探讨[J].自动化博览, 2009 (6) :44-47.

[7]赵茂泰.智能仪器原理及应用[M].北京:电子工业出版社, 1999.

分布式控制模式 篇9

【关键词】分布式；计算机控制系统；舞台机械；研究；开发

前言

在全面推进社会主义精神文明建设步伐的过程中，文化建设的快速发展促使大众对舞台艺术的呈现效果提出了更高的要求。在此背景下，舞台建设与改造工程随之兴起，而为了进一步提高舞台控制水平，以赶超国外现有舞台控制技术，则就需要以分布式计算机控制技术与舞台机械控制相融合。只有不断设计技术的自主研发，才能够打破当前技术靠引进这一弱势的束缚，以降低技术成本投入，在确保满足舞台机械控制之需的同时，为进一步促进我国舞台技术的发展步伐奠定基础。

1、舞台机械分布式计算机控制系统所提出的基本要求

对于舞台表演而言，舞台作为艺术呈现的场所，相应机械设备的功能将直接影响到舞台艺术的最终呈现效果，因此，要想进一步提升舞台艺术的表现力与感染力，则就需要提高对舞台的重视程度。而在相应机械控制系统上，其不仅关系到表现效果，同时也涉及到了设备与人员的安全性问题，所以在实际进行这一控制系统研发的过程中，要以实现系统安全可靠性设计为出发点，确保设备在这一控制系统下实现安全可靠运行，避免失误动作的出现；同时，要求舞台升降、选装以及移动等功能的发挥能够定位精准，且相应噪音较低，不影响到表演的质量。此外，还需要保证在控制操作上能够灵活方便。

2、分布式舞台机械计算机控制系统的设计

2.1设计原则

在实际进行舞台可分布式控制系统设计的过程中，要求要确保系统的可靠性极高，能够具备较强的抗电磁干扰能力，针对重点机械设备，采用双机系统以确保在主机发生故障时，实现自动切离装换到另一台设备上；第二，要具备实时性，即要求能够在限定的时间内到达指定位置，能够针对发出的指令信息进行及时快速相应与处理，同时具备自动警报功能；第三，要具备良好的操作性。要求这一控制系统能够将控制信息进行直观的展示，且操作、维护维修等工作的开展简单方便，提高设备运行的质量与效益。

2.2抗干扰设计与软件选择

第一，在抗干扰设计上。需要以闭环控制系统的设计来规避外界干扰，确保能够实现对电磁干扰的抵御，在实际设计的过程中，采用交流稳压电源，实现PLC控制系统的搭建，且确保二者分开，以隔离变压器的设置来向PLC控制系统供电，比例为1：1；同时，要实现变压器的正确安装；在接地系统的设计上，要将PLC控制设备等进行共同接地处理，或是以串联以及分别接地的方式进行处理，在此过程中，要注重接地线与接地电阻的选择；在输出与输入部分实现抗干扰设计，要以防止反电势以及防漏电流等方式来落实；针对低信噪比的模拟量信号所产生的干扰问题，可采用数字滤波进行抗干扰处理。第二，软件设计。工控组态软件采用的是MCGS系统，能够满足分布式控制系统功能设计之需，且界面具备着良好的一致性，且使用方便、通用性极强。

2.3升降台控制系统的设计

基于舞台下，要求相应出演环境能够确保表演者的安全，而升降台的控制系统需要实现独立设计，以确保在某个控制系统发生故障时，不影响到其它系统的运行，而在设计原理上是一样的，以主升降台为例，SIMATIC S7-3000/400PLC的各个模块的配置，然后以STEP7软件进行软硬件组态控制系统的搭建，并以此来实现PLC控制程度的编制，同时实现对信号检测部分的设计。

3、分布式舞台机械计算机控制系统的实现

3.1组态软件MCGS

其主要功能为：能够借助Windows功能的充分利用，实现对数据信息的实时动态采集分析与处理，并以线程为单位进行分时并行处理；在数据处理上的功能较强，可实现对现场数据的统计处理并实现数据信息的实时提供。同时相应工具箱能够实现对常用硬件设备的支撑，且具备良好的自主开发功能，并能够是按系统数据报表的显示与打印。

3.2通信的实现与监控系统的实现

以组态模块化思想进行通信模块的设计，针对所涉及到的驱动软件，将其设计成标准模块程序，进而实现通信功能，在设置的过程中，需要添加设备驱动后来实现参数的设置，在此基础上进行设备调试。在监控系统的实现上，需要确保监控系统具备实时处理、分布式控制与管理以及可视化操作的基本功能，同时建立相应的安全机制，确保能够实现对数据的现场采集、处理，并能够实现自动报警。

3.3升降台控制系统的实现

针对升降台的设计，在实际搭建的过程中，首先需要针对相应剪叉结构的运动模型进行研究与计算，结合该模型的特征，基于PID控制器特点下，搭建出基于PID的Adaline网络控制算法，通过仿真运行后，证明这一控制方法下相应的控制精准度较高，且收敛速度较快，能够为确保升降台实现精准的定位以及均匀的运动奠定基础，进而提升了升降台控制系统的安全可靠性。

总结

综上，基于舞台机械控制下，借助分布式计算机控制技术的融入，能够为实现舞台机械控制系统功能的进一步优化奠定技术基础。在实际应用这一技术进行该控制系统设计的过程中，要在明确设计原则的基础上，针对抗干扰、软件选择以及升降台进行设计，然后借助组态软件MCGS来实现这一控制系统的搭建。通过仿真实验表明该控制系统能够为满足设计要求、为确保系统实现安全可靠运行提供保障，进而能够为进进一步推进我国舞台控制技术的发展注入动力。

参考文献

[1]周杨.分布式舞台机械控制系统的研究与设计[D].江苏科技大学，2010.

[2]宋振瑞.智能舞台控制系统软件设计与实现[D].江苏科技大学，2010.

[3]李振恩.舞台台面计算机控制系统的研究与开发[D].兰州理工大学，2013.

分布式控制模式 篇10

1 实际工作中存在的典型问题

在分布式电源接入配电网的实际工作中, 影响分布式电源接入方案的具体因素在一定程度上相互耦合、彼此叠加, 这给分布式电源接入的方案优化带来了一定的困难。具体而言, 可选择的接入方案具有多种可能性, 比如相应变电站和线路的负荷水平、特性、接入点处架空线路与电缆线路是否并存、环网结构与辐射型线路是否并存、每回线路接入点距线路首端的相对位置等, 这都需要进行综合优选分析。

2 电源接入方案的优选模式研究

2.1 建立配电网典型供电模型

为了使研究结果具福州电网的特点, 通过结合福州配电网的实际情况, 构建了福州配电网典型供电模型。通过收集、处理中压线路的基本属性和结构参数数据, 按照电缆网和架空网两种方式构建了中压配电网典型供电模型。上述供电模型如图1和图2所示。

2.2 电源接入容量范围的初步限制

从不产生逆潮流和福州配电网峰谷差影响时的分布式电源接入容量两方面考虑, 经计算, 分布式电源接入福州配电网的容量范围初步限制有以下2点: (1) 分散接入馈线。接入容量的范围为 (0, 0.47]倍单回线路最大负荷 (0.47为福州市区负荷谷值与负荷峰值的比值) 。 (2) 专线接入母线。接入容量的范围为 (0, 0.25]倍单台主变最大负荷。

3 优选模式的应用

3.1 接入电压等级和接入模式的选择

根据变电站和线路最大负荷水平、区域负荷特性, 计算分布式电源接入中压线路和变压器出口母线的极限容量, 以此作为分布式电源接入容量的范围限制, 并确定其适合接入的电压等级和接入模式, 如3所示。

从图3中可以看出, 分布式电源接入总容量在400 k W及以下的分布式电源均就地接入低压配电网;当400 k W<接入总容量≤0.47倍的线路最大负荷 (电缆为1.760 1 MW、架空线路为1.898 8 MW) 时, 选择分散就地接入中压线路;当0.47倍的线路最大负荷<接入总容量≤0.25倍的主变最大负荷 (5.937 5 MW) 时, 选择专线接入最近的变压器出口母线;接入总容量>0.25倍的主变最大负荷时, 不宜接入10k V及以下配电网。

3.2 比值关系的方案优选

如果分布式电源适合分散接入10 k V线路, 但接入点处存在一回电缆线路和一回架空线路均可被选择的情况, 则可考虑接入容量与极限容量的比值优选方案;如果分布式电源的接入容量在 (0.2, 1.760 1]MW之间时, 则分布式电源的接入容量与极限接入容量的比值越接近、越高越有利。因此, 应选择电源容量与线路极限容量比值较高的线路接入;如果分布式电源的接入容量在 (1.760 1, 1.898 8]MW之间, 虽然接入容量超出了电缆线路极限容量的范围, 但不考虑以专线接入10 k V母线, 而选择就地接入10 k V架空线路, 则可提高建设经济性。

3.3 接入点相对位置的方案优选

如果接入容量<1.760 1 MW, 适合就地接入10 k V电缆线路, 但接入点处存在来自另一变电站的相同线路, 则应从接入位置的角度考虑, 选择位于线路末端的线路接入。

3.4 接入线路可靠性要求的方案优选

同一主变所属的2条线路均沿同一路径至线路末端接入点, 一条为联络线路, 另一条为辐射型线路时, 应从可靠性的角度考虑。在环网结构中, 重要的负荷比较集中, 因重要负荷对供电可靠性的要求较高, 所以分布式电源应选择环网线路接入, 从而提高供电的可靠性。在某些极端情况下, 可独立为某些重要负荷供电。

4 结束语

综上所述, 应根据报装容量优选接入电压的等级和模式, 依据分散接入中压线路的多方案优选情况, 并考虑接入容量与极限容量的比值关系、接入点相对位置的关系和接入线路的可靠性要求, 从接入线路的负荷水平和结构等多重因素交织的备选方案中优选出分布式电源的最终接入方案。

参考文献

[1]王志群, 朱守真, 周双喜.分布式发电接入位置和注入容量限制的研究[J].电力系统及其自动化学报, 2005, 17 (01) :53-57.