基于协同控制理论的航空电源车电力稳定控制系统设计

闫嘉伟 蒋超

关键词： 航空电源车; 电力系统; 协同控制; 节能减排; Prony分析; PSS控制

中图分类号： TN99?34; TM712                       文献标识码： A                  文章编号： 1004?373X（2019）01?0147?05

Abstract： The current electric power stability control method of aeronautical power supply vehicle has high energy consumption and low accuracy for system control， and has a great influence on the operation of electric power system. Therefore， a cooperative control theory based design method of electric power stability control system for aeronautical power supply vehicle is proposed. The overall framework of electric power system stability control system is designed. The type selection design is carried out for the database of the system according to the system framework. The simulation module of the system and Prony analysis method module with filtering function are described to realize the design of the system module and ensure the speed of data processing. The differential algebraic equation is established for the electric power system. The macro variables are constructed for the rotational speed and active power of the generator in the electric power system. The dynamic equation of the system trajectory tending to manifold is established to determine the PSS control law of the stable control system. The state of the steady?state system is analyzed. The parameters of system PSS control law are calculated to realize the design of electric power stability control system of aeronautical power supply vehicle. The experimental results show that the designed system can meet the requirements of energy saving and emission reduction， accurately monitor the working state of the electric power system of the aeronautical power supply vehicle， and ensure the stable operation of the electric power system of the aeronautical power supply vehicle， and has the advantages of simple calculation process， low energy consumption and high real?time control effect while the system is in steady?state.

Keywords： aeronautical power supply vehicle; electric power system; cooperative control; energy saving and emission reduction; Prony analysis; PSS control

0  引  言

随着国家经济的蓬勃发展以及科学技术水平的提高，人们的生活水平得到了很大的提高，社会各个行业和领域也呈现出了巨大的活力[1?2]。但随之而来的安全问题层出不穷，一定程度上对经济的发展和社会化进程产生阻碍[3]。航空电源车电力系统在生活生产过程中占据重要地位，航空电源车电力系统的安全问题成为影响人们生活生产的重要因素，因此需要对电力系统的运行状态进行稳定控制，从而保证电力系统运行的稳定[4]。目前广泛使用的电力系统稳定控制方法从一般的安全理念出发，利用电力系统安全保障体系和电力系统稳定控制体系构建电力系统安全稳定综合防御体系，将电力系统安全保障体系分为三道防线，首先强化电网结构，快速去除电力系统中的故障元件，然后利用最优的自动控制系统，稳定的控制措施，提高电网安全运行水平，最后利用安全的运行方式，在电力系统失稳时，防止大面积停电的发生[5]。

文献[6]提出电力系统安全稳定预防控制的在线计算方法，从实际工程中电力系统安全稳定问题出发，对各种预防控制计算方法对实际电力系统在线分析和控制要求的适应性进行分析对比。在此基础上，基于安全稳定性量化分析理论和方法，构建适合的控制性能指标，实现控制策略的启发式搜索以及计算任务的分配，从而完成电力系统的安全控制，但采用这种方法进行电力系统稳定控制，对电力系统运行影响较大，稳定控制的效果不好。文献[7]提出一种电力系统安全稳定控制方法，通过对影响电力系统安全稳定的因素进行归纳总结，确定电力系统交直流协调控制问题，并分析各研究热点的现状和应用，通过对电力系统中影响交互安全的机理进行论述，综合电力系统中交直流相互作用的现象和本质确定稳定控制策略，从而实现电力系统的稳定控制。但这种方法对电力系统安全稳定控制的效果不明显，且计算内容较多，能耗较多。文献[8]提出一种基于广域响应的电力系统稳定控制方法，从受扰轨迹快速预测、暂态失稳实时判别、暂态稳定实时控制三方面进行论述，通过理论与实践相结合的方法对电力系统稳定控制方法进行论述，并分析当前控制技术存在的问题。

针对上述问题，本文提出一种基于协同控制理论的航空电源车电力系统的稳定控制系统设计方法，根据航空电源车电力系统的稳定控制系统框架的设计，对实现电力系统的稳定控制系统模块进行设计，为保证控制的准确度，将协同控制理论引入稳定控制系统中，实现电力系统的稳定控制系统设计。实验结果证明，所提方法能够准确地对航空电源车电力系统的运行状态进行控制，且控制的实时性较好，控制花费的能耗较少。

1  航空电源车电力系统的稳定控制系统设计

1.1  系统功能模块设计

通过对航空电源车电力系统中应用较多信息系统的研究，本文设计的稳定控制系统主要分为两个功能模块：一个模块是数据采集分析模块，该模块的主要工作内容是经同步测量单元对数据进行采集，利用数据集中器对数据进行集成处理，将处理后的数据传输到MySQL数据库中;另一模块是对MySQL数据库中的数据进行Prony拟合分析[9]，将分析结果利用PSS进行全局结果整定，具体框架设计如图1所示。

图1中，同步测量单元利用电流和电压的互感器实现对电力系统中瞬时电流和电压的测量，将测量结果进行低通滤波，并利用GPS对每个测量结果给定一个时间标签，从而实现电力系统电压、电流数据的采集和处理，并通过总线将采集和处理后的数据传送到MySQL数据库中。

通过对比几种常见的数据库，及对文中控制系统功能的分析，本文选用MySQL数据库，该数据库具有较好的开源性，并且满足本文设计的系统要求，具有结构简单、容易操作及与MFC有良好交互性的特点。

数据库主要表的设计效果直接影响数据库的使用性能，因此需要对数据库主要表进行设计，本文对数据库主要表的设计如表1～表3所示。

表1中，將发电机定义为主键，通过将表1作为Prony分析模块数据输入，为电力系统能耗分析提供必要的数据信息，其中time属性由于MySQL定义是带护具类型time，无法满足所需精度，所以采用DOUBLE型，再在程序中实现转换。

通过图2可以看出，在未进行稳定控制时，电流和电压波动较大，使用稳定控制系统对航空电源车电力系统电压、电流进行控制后，电流和电压的波动明显减小，说明本文所提方法设计的系统对电压、电流控制的效果较好。由于本文在稳定控制系统中增加了仿真模块，能够有效对PSS参数进行测试和验证，保证系统控制的效果。

在电力系统中，即便采用最简单的单机无穷大系统模型，也存在混沌现象。经过实际应用证明，电压崩塌、低频振荡和暂态稳定都有混沌关系的影响。系统轨迹变化可以通过系统的位图进行表示，通过对比稳定控制系统运行前后电力系统的位图变化，确定系统振幅变化。实际经验证明，系统的振幅变化会对系统的能耗产生影响，振幅越大，能耗越多。图3是本文所提方法设计的稳定控制系统运行前后航空电源车电力系统的位图变化对比。

通过图3可以看出，系统未进行稳定控制时，系统不规则振荡的频率较高，在本文设计的系统稳定控制后，系统的不规则振荡频率减少，振荡的幅度也降低，说明本文所提方法设计的系统能够有效抑制航空电源车电力系统的不规则振荡，减少电力系统由于不规则振荡产生的能耗。

对本文所提方法稳定控制的效果进行分析，分析结果如表4所示。

通过表4可以看出，本文所提方法设计的系统稳定控制延迟时间较短，计算耗时较少，说明本文所提方法设计的系统较好地实现了电力系统的实时控制，由于控制的误差较小，因此本文所提方法控制的效果较好。

综上所述，本文所提方法设计的系统能够有效地对航空电源车电力系统中的电压、电力进行控制，降低电力系统振幅，提高控制效果，并且稳定控制的实时性较好，能够较好地解决当前电力系统稳定控制方法存在的控制准确度低，控制的实时性较差，控制效果不好的问题。

3  结  语

为了保证航空电源车电力系统运行的安全，需要对电力系统的稳定控制系统进行设计，本文设计的电力系统稳定控制系统主要从以下几方面进行设计：

1） 对航空电源车电力系统的稳定控制系统总体框架进行设计分析，确定系统运行流程。对系统的数据库进行设计，并对系统的仿真模块和具有滤波功能的Prony分析方法模块进行阐述，从而实现系统的模块设计。

2） 通过对航空电源车电力系统建立微分代数方程，并通过电力系统中发电机转速和有功功率对宏变量进行构造，确定系统轨迹趋向于流形的动态方程，从而确定PSS控制规律，并对稳定状态下的系统状态进行分析，通过对系统PSS控制规律中的参数进行计算，实现航空电源车电力系统稳定控制系统设计。

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