模糊控制在PLC控制的无功补偿系统中的应用

北极星电力网技术频道作者:江岳文, 郭宗仁 2009/5/14 17:16:00

摘要：论述了无功补偿控制策略，及在此策略的基础上如何利用西门子S7-200 PLC的填表和查表指令实现模糊控制。
关键词：无功补偿控制；可编程序控制器；模糊控制

1 引言
无功补偿设备在电力系统中得到了越来越广泛的应用。但是目前的补偿系统存在诸多不足：如闭锁性能，稳定可靠性，环境适应性，投切振荡等。本文提出一种在西门子S7-200 PLC上实现模糊逻辑控制的无功补偿系统。
2无功补偿的控制策略
把功率因数作为主要判据，电压作为辅助判据和闭锁条件，可以克服传统无功补偿中只考虑单因数作为判据的缺陷，使无功调节更为合理。其控制策略，如图1所示。

        0区。电压无功都在规定的范围之内，则电容器组保持不动；
        1、2、3区。电压越下极限U_min，则切除全部电容器组而不论无功的大小；
        4区。电压越下限U_l，为了防止切除电容器使得电压进一步降低,则闭锁电容器组的切除；
        5区。电压合格，系统功率因数偏高，负荷所需要的无功少，切除电容器组；
        6区。电压合格，系统功率因数偏低，负荷所需要的无功多，投入电容器组；
        7区。电压越上限U_h，为了防止电容器投入使得电压越上限U_max，则闭锁电容器组的投入；
        8、9、10区。电压越上极限，则切除电容器组而不论无功是否满足条件。
3 模糊算法的实现
    模糊逻辑控制十分简单，只要列一张二维的逻辑表，即可模拟专家操作。把电压和功率因数都转化为直流电压信号，然后通过A/D模块进行采集，送CPU与给定的值进行比较，得出电压偏差量和功率因数偏差量。模糊控制器的结构，如图2所示。

    根据前面的控制规则，电压偏差量e作为输入量可以用5个模糊子集来反映其偏差的大小，即：NO（正常）、LO（低）、MI（极低）、HI（高）、MA（极高），其Fuzzy论域为[-2，2]；功率因数偏差量作为输入量,可以用7个模糊子集来反映，即:NS（负小）、NM（负中）、NB（负大）、ZE（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大），定义其论域为[-3，3]。对于模糊判决，也用7个模糊子集来表示，分别为:NS（负小）、NM（负中）、NB（负大）、ZE（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大），论域为[-3，3]。
    根据A/D模块采样性能及实际情况，确定精确量e^*的实际论域为[a,b]，利用如下公式将实际论域中的变量e^*化为基本论域[-3，3]中的变量e。如果不为整型，则按四舍五入的原则将其化整。其它的量也可以按此法转化为基本论域。

    根据有关专家的无功补偿经验以及一些现场的调试，可以得到以下的一些模糊规则：

    将上述27条模糊推理语言规则通过表格的形式表示出来，就称为模糊控制规则表，如表1所示。

制量：

上述所得到的为一模糊向量，反映e和c取不同的模糊子集时的一种情况，但实际上被控对象只能接受一个具体的控制量，这就要考虑到去模糊化问题。目前去模糊化有多种方法，如中心法、隶属度最大法或加权平均法等，求出控制量u。下面给出的加权平均法是目前普遍应用的一种去模糊化方法，其公式如下：

根据以上的计算公式及控制规则总表，可以得到模糊控制表，如表2所示。

4 PLC上软件编程实现模糊控制
因为带有符号的数在PLC中处理不够方便，而且容易出错，所以把上面的e_i、c_i、u_i都加上一个偏移量3，即：
S7-200 PLC中有一个填表指令（ATT），它向表（TBL）中增加一个字值（DATA）。表中,第1个数TL表示最大填表数；第2个数EC表示实际填表数，当向表中增加1个数据时，EC会自动加1。一张表除了TL和EC这2个参数以外，还可以最多填100个数据。其指令，如图3所示。

把40存入VW0中，表示最大填表数，并把VW0赋予TBL，VW2则表示实际填表数（35）；把0，1，2,…,34用ATT指令存入表中，即从VW4到VW72；把经过量化并加偏移量后的分别存入VW102和VW104中；把存入VW106中。然后利用查表指令（FND）。查表指令从INDEX搜索表（TBL）中寻找符合PTN和条件（=，＜＞，<或>）的数据。命令参数CMD是一个1～4的数值，分别代表=，< >，<或>。此时TBL为VW2，即实际填表数，其指令梯形图，如图4所示。当用该指令搜索到与VW106中的内容相等的数据时，INDX指向表中该数据的位置，给出相等时的数据编号d_i(d_i=0,1,2,…,34)，并把该数据的编号存入VW108中。如果VW108中的值为14，则利用传送指令（MOV_W）把6送到VW200中；如果VW108中的值为0～6或20中的一个时，则利用传送指令（MOV_W）把0送到VW200中；依此类推。如果VW200中的内容为10～13或21～24中的一个，则不进行操作，即不传送。VW200为控制量在模糊集中的某个值，再乘以控制量的比例因子k_u，即精确量，把u^*存入VW202中，便可以用来作为控制对象的量。用PLC实现模糊控制的流程图，如图5所示。

5 结论
利用电压作为辅助判据和闭锁条件，功率因数作为主要判据，在PLC上实现模糊控制并用在无功补偿系统中，是一种较新的控制方法。
实验证明，此法能有效地进行电容器的投切，改善电压质量，减少分接头动作的次数，提高设备的使用寿命。

参考文献
[1]王平洋，胡兆光.模糊数学在电力系统中的应用[M]. 北京：中国电力出版社，1999.
[2]诸静.模糊控制原理及其应用[M].北京：机械工业出版社，1995.
[3]刘晓川，张斌，许之晗.基于模糊逻辑控制理论的变电站电压无功控制系统[J].电工技术,2000.6.
[4]SIMATIC S7-200可编程序控制器[Z].系统手册，2000.

来源：机电工程

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