一种用于电力短路试验室的控制系统及控制方法

本发明涉及电力领域，具体涉及一种用于电力短路试验室的控制系统及控制方法。

背景技术：

1、电力短路试验室是一个专门用来进行电力设备短路试验的场所。在电力系统中，设备可能会遭受短路故障，这种故障可能会导致严重的设备损坏和电力系统崩溃。为了防止这种情况，电力设备需要经过短路试验，以确认其在短路情况下的行为，并验证其安全性能。这种试验通常在电力短路试验室中进行。

2、在电力短路试验室中，控制系统起着如下至关重要的作用。

3、(1)控制电流和电压：控制系统可以精确控制试验中的电流和电压，确保它们达到所需的水平，以满足试验的要求。

4、(2)数据收集和处理：控制系统可以收集试验过程中的数据，例如电流、电压、温度、压力等参数，并对这些数据进行处理和分析，以便得出结论。

5、(3)安全保护：如果试验过程中发生异常(例如电流过大、设备过热等)，控制系统可以立即采取措施，例如切断电源、激活防护设备等，以保护人员和设备的安全。

6、(4)实时监控：通过控制系统，操作员可以实时监控试验的过程，并根据需要调整试验参数。

7、(5)自动化操作：在某些复杂的试验中，控制系统可以实现试验的自动化操作，从而提高试验的效率和准确性。

8、按照控制功能和结构，电力短路试验室中的控制系统可以分为如下多种类型。

9、(1)传统控制系统：传统控制系统采用硬连线的方式进行控制，通常包括中央控制室和试验现场的仪表和控制设备。操作人员在中央控制室通过仪表和按钮控制试验过程，试验数据通过手动记录和归档。

10、(2)可编程逻辑控制器(plc)控制系统：plc是一种广泛用于工业自动化控制的设备，它具有可编程性和灵活性，能够实现复杂的控制逻辑和时序控制。在电力高压短路试验室中，可以使用plc进行快速控制和慢速控制，实现对试验过程的自动化控制。

11、(3)实时控制系统：实时控制系统采用高速采样和实时计算的方式进行控制，能够实现对试验过程的精确控制。实时控制系统通常包括高速数据采集设备、实时计算单元和执行单元，通过快速采集和处理试验数据，实时调节控制参数，实现对试验过程的精确控制。

12、(4)分布式控制系统(dcs)控制系统：dcs是一种大型的工业控制系统，它可以将控制逻辑分散在多个控制节点上，通过网络进行通信和协调并集中管理数据，实现对试验过程的分布式控制。分布式控制系统能够提高系统的可靠性和灵活性，并支持远程操作和监控。

13、(5)监控控制和数据采集(scada)控制系统：scada系统可以实现对大范围内的设备进行监控和控制，它通常包括数据采集、网络通信、数据处理和用户界面等功能。

14、因此，上述控制系统可能会面临如下复杂性问题：电力短路试验室的控制系统通常非常复杂，需要控制多种设备，收集和处理大量数据，执行复杂的逻辑操作。

15、为了解决上述技术问题，相关技术中需要一种用于电力短路试验室的控制系统。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种用于电力短路试验室的控制系统及其控制方法，其能够解决上述技术问题。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种用于电力短路试验室的控制系统，包括传感器层、本地控制层和中央控制层，其中，该传感器层用于采集电力短路试验过程中的试验数据，其中该传感器层包括；快速采集模块，用于快速采集该电力短路试验过程中的本地数据，该本地数据用于反映电力短路的电流和电压；慢速采集模块，用于实时采集该电力短路试验过程中的遥测数据，该遥测数据用于反映遥测对象的振动和位移；该本地控制层用于根据该传感器层所采集的试验数据而生成相应的控制指令，其中该本地控制层包括：快速控制模块，用于通过开发时序控制系统快速控制该电力短路试验过程中的试验设备；慢速控制模块，用于通过可编程逻辑控制器实时控制该电力短路试验过程中的试验设备，并且补偿该快速控制模块的控制动作；该中央控制层用于集中控制该本地控制层生成该控制指令。

3、优选地，根据该快速采集模块所采集的用于反映电力短路的电流和电压，该快速控制模块通过开发时序控制系统快速控制该电力短路试验过程中的试验设备的电流和电压；根据该快速采集模块所采集的用于反映电力短路的电流和电压，并且根据该慢速采集模块所采集的用于反映遥测对象的振动和位移，该慢速控制模块通过可编程逻辑控制器实时控制该电力短路试验过程中的试验设备的电流和电压；在该快速控制模块通过开发时序控制系统快速控制该电力短路试验过程中的试验设备无法满足预定的控制时效的情况下，该慢速控制模块补偿该快速控制模块控制该电力短路试验过程中的试验设备的电流和电压。

4、优选地，该快速控制模块由第一数量的控制子模块组成；该慢速控制模块由第二数量的控制子模块组成，其中该第二数量小于该第一数量；该快速控制模块与该慢速控制模块包含共用的第三数量的控制子模块，其中该第三数量小于该第二数量；其中，该慢速控制模块所包含的并且除所共用的第三数量的控制子模块之外的其他控制子模块用于补偿该快速控制模块控制该电力短路试验过程中的试验设备的电流和电压。

5、优选地，该其他控制子模块包括：电流补偿控制子模块，用于在该快速控制模块所控制的该电力短路试验过程中的试验设备的电流变化率与电压变化率之商小于0.5的情况下启动电流补偿，并且在该快速控制模块所控制的该电力短路试验过程中的试验设备的电流变化率与电压变化率之商大于2的情况下停止电流补偿；电压补偿控制子模块，用于在该快速控制模块所控制的该电力短路试验过程中的试验设备的电流变化率与电压变化率之商小于0.5的情况下停止电压补偿，并且在该快速控制模块所控制的该电力短路试验过程中的试验设备的电流变化率与电压变化率之商大于2的情况下启动电压补偿。

6、优选地，该慢速控制模块所包含的该第二数量的控制子模块包括：采样子模块，用于在每个采样周期内采集该电力短路试验过程中的试验设备的电流和电压；运放子模块，用于根据该本地控制层中的该第一数量和该第二数量之比，对所采集的电流和电压进行放大；比较子模块，用于将所放大的电流和电压与该本地控制层预先设定的电流和电压进行比较，分别得到电流误差和电压误差；调整子模块，用于在每个采样周期内，根据预先设定的该试验设备的优化目标，确定该电流误差和电压误差与上个采样周期内用于该试验设备的电流和电压之间的权重比；根据该权重比，将该电流误差和电压误差与上个采样周期内用于该试验设备的电流和电压相叠加，分别得到下个采样周期内用于该试验设备的电流和电压。

7、优选地，(1)根据模型预测控制mpc，确定该控制系统的模型为\[\text{输出预测}\quad\hat{y}(t)＝f(u(t)，y(t-1)，y(t-2)，\ldots)\]，其中，\(\hat{y}(t)\)是在时刻\(t\)预测的输出，\(u(t)\)是控制输入，\(y(t-1)，y(t-2)，\ldots\)是过去的输出历史；(2)确定该优化目标为最小化输出误差\[j＝\sum_{k＝0}^{n}\|y_{\text{ref}}(t+k)-\hat{y}(t+k)\|_q+\|\delta u(t+k)\|_r\]，其中，\(n\)是预测时域，\(y_{\text{ref}}(t+k)\)是在时刻\(t+k\)的参考输出值，\(\|\cdot\|_q\)和\(\|\cdot\|_r\)是加权矩阵，用于调节该权重比；(3)预测控制，在下个采样周期中的时刻\(t\)，将优化控制信号\(\delta u(t)\)加到上个采样周期的控制输入上，得到该下个采样周期的控制输出：\[u(t)＝u(t-1)+\delta u(t)\]。

8、优选地，该快速控制模块通过http api实现控制指令的传输，其中，该控制指令及其参数通过如下post请求而传输：\[\text{post}\\text{http://fast_control_module/control}\\text{body}：\{\text{control\_command}：\text{value}，\text{parameter}：\text{value}\}\]，其中，\(\text{control\_command}\)代表该控制指令，\(\text{parameter}\)代表该控制指令的参数，\(\text{value}\)表示该参数的数值。

9、优选地，该慢速控制模块通过websocket对该快速控制模块进行补偿，其中，用于补偿的参数通过如下信令来传输：

10、\[\text{websocket message}：\{\text{signal}：\text{compensate}，\text{compensation\_data}：\text{value}\}\]

11、其中，\(\text{compensate}\)代表信令类型为补偿类型，\(\text{compensation\_data}\)代表用于补偿的参数，\(\tetx{value}\)表示该参数的数值。

12、根据本发明的另一方面，提供了一种用于电力短路试验室的控制系统的控制方法，包括：传感器层采集电力短路试验过程中的试验数据，其中，快速采集模块快速采集该电力短路试验过程中的本地数据，该本地数据用于反映电力短路的电流和电压；慢速采集模块实时采集该电力短路试验过程中的遥测数据，该遥测数据用于反映遥测对象的振动和位移；本地控制层根据该传感器层所采集的试验数据而生成相应的控制指令，其中，快速控制模块通过开发时序控制系统快速控制该电力短路试验过程中的试验设备；慢速控制模块通过可编程逻辑控制器实时控制该电力短路试验过程中的试验设备并且补偿该快速控制模块的控制动作；中央控制层集中控制该本地控制层生成该控制指令。

13、优选地，根据该快速采集模块所采集的用于反映电力短路的电流和电压，该快速控制模块通过开发时序控制系统快速控制该电力短路试验过程中的试验设备的电流和电压；根据该快速采集模块所采集的用于反映电力短路的电流和电压，并且根据该慢速采集模块所采集的用于反映遥测对象的振动和位移，该慢速控制模块通过可编程逻辑控制器实时控制该电力短路试验过程中的试验设备的电流和电压；在该快速控制模块通过开发时序控制系统快速控制该电力短路试验过程中的试验设备无法满足预定的控制时效的情况下，该慢速控制模块补偿该快速控制模块控制该电力短路试验过程中的试验设备的电流和电压。

14、本发明的用于电力短路试验室的控制系统采用传感器层、本地控制层和中央控制层这样的三层控制架构。该架构通过快速采集模块、慢速采集模块、快速控制模块和慢速控制模块的组合，能够高效、稳定地控制多种电力设备，执行复杂的逻辑操作，从而解决了常规控制系统的复杂性问题。