（电机与电器专业论文）基于模糊粗糙理论的变电站电压无功控制.pdf

基于模糊粗糙理论变电站电压无功控制 t h e f u z z y r o u g hc o n t r o l o fr e a c t i v ep o w e ra n d v o l t a g e i ns u b s t a t i o n a b s t r a c t i nt h i st h e s i saf u z z yc o n t r o ls y s t e mu s e di nr e a c t i v ep o w e r a n dv o l t a g ea u t or e g u l a t o r y d e v i c ei sd e s i g n e db a s e do n t h en i n e z o n ec o n t r o l l i n gp r i n c i p l e t h es o f t w a r em a t l a b i su s e d t oc a l c u l a t et h ef u z z ys y s t e m t h ef u z z ys y s t e l l ld i v i d et h er e a c t i v e v o l a t a g ep a n ei n t on i n e f u z z yz o n e ，i nt h i sw a y t h e d o m a i n - s w i n g b e t w e e n c l o s i n g d o m a i ni se l i m i n a t e d a n dt h es y s t e m a l s oh a v et h er e g u l eo fa c t i o nt i m e d e l a yb a s e do nt h ec a p a c i t o r sa p p e a r a n c e ，s oi t c a l la v e r t f r o ms o m em o m e mr e a c t i v e l o a d i nd e s i g n i n g ，t h ee x p e r i e n c eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r si s c o n s i d e r e d ，s ot h i sf u z z ys y s t e ms h o u i db em o r es u i t a b l ef o rt h ep r a c t i c e ，t h ef u z z ys y s t e m c o m e si n t or e a l i z a t i o nb yq u e r y i n gc o n t r i lt a b l e ，i nt h i sw a yi tw o u l dh a v eah i g he x e c u t i n g s p e e d ，i nc o n t r o ls t r a t e g y ，f o r t h es a k eo ft h ef u z z yc o n t r o l sb o t t l e n e c kp r o b l e m ，t h er o u g hs e t i si n t r o d u c e d a n dt h em e t h o dt oc o m b i n et h et w ot h e o r yt oi m p m v et h er e a c t i v e - v o l t a g e c o n t r o l i sd i s c u s s e d t h ed s p ( t m s 3 2 0 1 f 2 4 0 7 ) i su s e di nt h i sr e a c t i v e v l o t a g ec o n t r o l l e r ，a n du s e t h em a x l 2 5 i ns t e a do ft h ef 2 4 0 7 sa d s ot h ed a t ap r o c e s ss y n c h r o n o u s l yi s c o m et r u e ，a n di t a s s u r et h ec o n t r o l sa c c u r a t i o na n di nt i m e s i m u l a t ea n da n a l y z et h es y s t e mb a s e d o ht h es u b s t a t i o na c t u a ld a t a ， a n dp r o v ei t sa c c u r a c y k e y w o r d s ：r e a c t i v ep o w e r ；f u z z yc o n t r o l ：r o u g h s e t ；d s p 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名： 巷薄邑+ 日期： 2 d d 5 ，6 、，6 大连理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 无功功率控制的意义： 电压是衡量电能质量的重要指标之一。电压质量对电网稳定运行，降低线路损耗，保证 工农业完全生产，提高产品质量，降低用电损耗等都有直接影响【1 】【2 。因此，必须对 系统各节点电压进行监视和控制，使电压水平维持在一个正常范围内。 电力系统的各节点无功功率的平衡特性影响该节点的电压水平，由于当今电力系统的用 户中存在大量无功功率变化频繁的设备，如：电弧炉：轧钢机、电气化铁路等等；同时 系统中存在大量的对系统电压稳定性有较高要求的精密设备，如：计算机、医疗设备、 精密电子制造设备等。因此迫切需要对系统的无功功率进行有效控制。 1 1 1 无功功率的影响： 1 ) 无功功率在线路中传输引起的损耗： 传输无功功率所产生的无功功率损耗公式为( 1 1 ) 【4 l i q o = 专 ( u l ，) + 4 u ，u ，s i n 2 导 可见经电抗传输无幼时产生的无功功率损耗有两部分组成，一部分是因为沿电抗传输有 功功率( 占 o ) ，这是不可避免的；另外一部分是因为经过联络阻抗传输了无功功率 ( 配 v ，) 。可见减少线路无功功率的传输可以减少线路的无功功率损耗。从有功功率 损耗公式p = ( p 2 + 9 2 ) r u 2 。可见，当有功功率和无功功率通过网络电阻时，会造成 ； 有功功率损耗。当输送的有功功率一定时，总的有功网损主要取决于输送的无功功率的 数值 5 。 2 ) 无功功率分布对电压的影d 向 3 2 】 基于模糊一粗糙理论变电站电压无功控制 e y i = g i - j b l 图1 1 无功功率原理图 f i g1 1 r e a c t i v ep o w e rp r i n c i p l ed i a g r a m 如图1 2 ：由z 。引起的电压降6 c ，为 u = 古一d = z 。， 负载电流可以由式( 1 3 ) 得出： i = u ( g j b ) = 学= 铲 u x ( 1 2 ) ( 1 3 ) 又因为电压降口【，还可以用式( 1 4 ) 表示： a u 邓。+ ) 铲= 1 r s p + 厂x s q + 型笋= 庙 ( 1 4 ) 由于e 与u 的夹角很小，所以可以认为口u x 。o 所以可以得到： 们z 缸。= 等产 ( 1 5 ) 而在一般的公共电网中，我们都可以认为r s x s ，所以从式( 1 5 ) 可以知道有功功 率的波动对于电网电压波动的影响较小，电网电压的波动主要是由无功功率的波动引起 的。 2 一 大连理工大学硕士学位论文 1 1 2 无功补偿原理【3 】： 系统中大多数负荷是感应电动机，它相当于一个电阻串联一个电感线圈。由于它的 功率因数较低，为了补偿它的感性功率，提高功率因数，往往在负荷端并联电容器，称 之为并联补偿。 r l 图1 2 无功补偿原理图 f i g 1 1r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o np r i n c i p l ed i a g r a m u 其基本原理电路和向量图1 2 所示：由于电容器c 的并联，电压电流之间的夹角由0l 减小到t o ：，从而提高了功率因数。 1 2 变电站电压无功控制 1 2 1 变电站电压无功控制的重要性： 现代电力系统中的无功功率与电压控制是一个非常重要的问题。 1 ) 无功与电压控制是保证电力系统安全稳定运行的需要，如果无功控制不当，会 造成电压偏移过大，将影响电压质量，甚至失去控制，引起系统电压崩溃造成大面积停 电，国内外均有过这方面的深刻教训。 2 ) 有效而合理的控制电力系统的无功与电压，实现无功的分层，分区就地平衡， 可以最大限度地减少无功潮流，降低电网的无功损耗提高电网运行的经济效益。目前， 新的电网调度自动化系统大多包含无功优化软件，但真正去实现控制还存在许多困难。 在变电站，一般都装设并联补偿电容器，部分主变还可以进行有载调压，但电压无功的 3 基于模糊粗糙理论变电站电压无功控制 控制还是靠运行值班人员手动控制来完成，不能及时跟随系统无功负荷的变化，更做不 到根据调度命令进行实时电压无功控制。 3 ) 变电站是电力系统的重要组成部分，而且负荷的供电是通过变电站来完成的。 因此，各级变电所担当着电力系统电压和无功调节的重要任务。随着形势的发展，采用 人工调节控制电压和无功的缺点和弊病日益突出。变电站采用无功电压自动控制装置实 现自动调节已是大势所趋。变电站电压无功自动控制装置可以保证供电母线电压水平和 降低线损，是电网安全经、济运行和变电站无人值守的必要技术手段。 1 2 2 变电站电压无功控制的目标： 各级变电站主要是根据系统运行的要求，对电压和无功功率进行综合调控，保证实 现电力企业和用户的整体运行技术指标和经济指标最佳。具体目标有： 1 ) 维持各个不同等级的供电电压在规定的范围内； 2 ) 保持电力系统稳定及合适的无功平衡； 3 ) 保证在电压合适的前提下电能损耗最小； 4 ) 保证电压无功合格前提下设备调节次数最小。 1 - 2 3 变电站电压无功控制的主要方法： 国内外对于电压无功的调节控制，实现方法上主要有两种： 1 ) 离线优化： 这种方法是根据专家经验或计算机在变电站一次侧电压和二次侧有功和无功负荷预 测的基础上进行优化计算来确定第二天的调节方案，并由调度人员下发给各站。调节方 案一般以小时为间隔，控制目标粗糙，而且调节方案是以变电站电压和负荷预测为基 础，因此调节控制效果受预测数据准确性的影响。 2 ) 实时监控： 这种方法是通过变电站主变高压侧无功功率和中低压侧母线的电压不断采样。一旦 检测到母线电压或无功功率超越限值就根据控制规则调节有载调压变压器分接头和投切 并联电容器组，将电压和无功控制在各自允许的范围之内。 4 大连理工大学硕士学位论文 1 2 4 变电站电压无功控制的主要方式： 变电站电压无功控制目前主要是采用有载调压变压器和补偿并联电容器组，通过自 动调节有载调压变压器的分接头位置和投切并联电容器组来实现调节电压合格和无功平 衡的目的。其控制方式通常有3 种 6 7 ： 1 ) 集中控制方式： 集中控制方式是在调度中心对各变电站的主变压器分接头位置和无功补偿设备进行 统一的控制。理论上是维持系统电压正常和实现无功平衡，提高系统运行可靠性和经济 性的最佳方案。但是该控制方式对电压无功综合控制的软硬件实时陛要求较高，控制实 现依赖通讯的可靠性；并对各变电站的执行单元的智能化水平要求较高。但是目前系统 的各变电站的自动化水平参次不齐，难以实现全系统的集中优化控制。 2 ) 分散控制方式： 分散控制方式是我国当前进行电压无功控制的主要方式。它是以各个变电站为独立 单位进行局部地区的电压自动调节和无功就地平衡，实现变电站供电范围内的电压质量 和降低电能损耗，减少值班员的操作量。但是分散控制只能实现局部优化，无法实现全 局优化。 3 ) 关联分散控制方式： 关联分散控制方式是在系统正常运行时，各关联分散控制器自动执行对各受控变电 站的电压无功调节，做到责任分散，控制分散，危险分散；在紧急情况下，通过调度中 心统一控制执行紧急任务，提高系统的可靠性和经济性。该控制方式要求执行关联分散 控制任务的装置一方面要有较高的智能水平，能够进行逻辑分析判断，自动修改调整控 制规律；另一方面要有强大的通讯能力和手段，方便地向上一级调度中心提交正常运行 报告，同时接受调度中心的各种控制命令。但是这种方式需要专门的关联分散控制装 置，必然要增加一些投资。 1 2 5 变电站电压无功控制的主要手段 3 3 】： 在国内，目前变电站所采用的无功和电压调整手段主要有：同步发电机、并联补偿 电容器、同步调相机、无功静止补偿器、有载调压变压器等五种。同步发电机仅应用于 5 基于模糊一粗糙理论变电站电压无功控制 发电厂，其它手段应用在变电站。同步调相机和静止补偿器造价高，而且运行维护复 杂，目前还只在个别的枢纽变电站中采用。并联补偿电容器和有载调压变压器造价低， 运行维护方便，依然是目前变电站广泛采用的电压无功控制方式。现在通常变电站电压 无功自动控制主要是指并联补偿电容器和变压器有载分接头的控制。有载调压变压器本 身并不产生无功功率，它只是改变无功功率在电网中的分布，从而影响变电所母线电 压。需要说明的是，在系统电压不稳定的时候使用自动调节有载调压变压器分接头来控 制电压无功会对系统电压的稳定产生一种“负效应”，造成电压更趋近于崩溃。因此我 国很多地区变电站中变压器的分接头一般处于锁定状态，并不参与自动调节。 1 2 6 变电站电压无功的补偿原理： 对于一个主变为有载调压变压器并且具有并联补偿电容器的变电所。它与系统连接 的关系可用等值图来表示。 系统u 。ku nk tx tup + j q q c 图1 3 系统等值图 f i g 1 3t h es i m u l a t i o nm o d e lo f s y s t e m 如图1 3 ，图中u s 、u h 、u 1 分别为系统电压、变电所高压侧母线电压、变电所低 压侧母线电压；x s 、x t 分别为系统等值电抗和主变电抗( 忽略电阻) ：k t 为主变变 比：p 、q 分别为负荷的有功功率和无功功率；q c 为并联补偿电容器容量。 可以认为一个变电站电容器的投切或主变分接头的调整不会对整个系统的电压分布 造成大的影响，所以当变电所投切电容器或调整主变分接头时，可以认为系统电压u s 不变。因此有 6 大连理工大学硕士学位论文 吣虬一半 u ，。u h 一( q - q c ) x r k 7 u ( i 6 ) ( 1 7 ) 由式( 1 6 ) 和( 1 7 ) 可见：改变q c 可以调整变电所高、低压母线的电压。改变 k t 可以调整变电所低压侧母线的电压。就变电所低压侧母线电压的控制而言，理论上 可以通过投切电容器和主变分接头两种措施来实现，不过在目前，变压器分接头的自动 调整会对系统造成极不稳定因素，所以在实际现场运行中往往将变压器分接头锁定，不 让其参加自动调节。本文从目前现场实际出发，主要研究利用电容器的控制来改善无功 和电压的调节。 1 2 7 变电站电压无功控制调节判据； 变电站电压无功控制的调节判据的发展到目前为止经历了以下几个阶段： 1 ) 按功率因数控制： 根据功率因数自动投切并联电容器组，若功率因数低于下限则投入电容器组，高于 上限则切除电容器组。该方法为考虑投切电容器对母线电压的影响，而且当负荷较轻时 较小的无功功率变化也会引起功率因数的较大变化，存在投切动作频繁和易造成投切震 荡的问题f 3 6 1 。 2 ) 按电压控制： 当母线电压低于限值时自动投入补偿电容器组，电压高于上限时切除电容器组。该 方法未考虑无功功率平衡这一基本条件，无功补偿效果差【3 7 。 3 ) 按电压综合控制有载分接头开关和电容器组： 该方法综合运用了升降分接头开关和投切电容器的方法调压，但是仍未考虑无功补 偿的效果，调节过程也不甚合理f 3 8 。 4 ) 根据电压，时间序列的符合控制： 一7 一 基于模糊一粗糙理论变电站电压无功控制 根据变电站的日负荷曲线，将每天分为多个符合时段，并依据不同负荷时段对电压 和无功的要求对变压器分接头进行调节和投切电容器组。该方法适应性差，只适合负荷 较为稳定的变电站，切负荷时段的划分必须岁季节和负荷的变化进行调整。 5 ) 按电压，无功功率综合控制： 根据母线电压和无功功率将运行情况分为九个区域，在不同的区域采用不同的控制 对策，综合利用调压变压器和投切电容器组，将母线电压和无功功率控制在各自允许的 范围之内。这也是目前采用得最多的方法。然而这种控制方法的无功调节边界是固定 的，无法反映电压对无功的影响，存在动作过于频繁的问题，有时甚至会引起震荡。 6 ) 与电压关联的无功边界调节判据综合控制： 针对按电压，无功功率综合控制中存在的动作过于频繁的问题，考虑了电压对无功 边界的影响，既满足了“保证电压合格，无功基本平衡，尽量减少动作次数”的变电站 电压无功控制的基本原则，又克服了频繁投切所引起的震荡问题，是目前变电站电压无 功调节的合理判据。本文将采用模糊和粗糙的原理实现这种判据对变电站电压无功的控 制。 1 2 8 变电站电压无功控制策略研究： 变电站电压无功联调，从控制理论的角度上来说，是一个多目标( 电压合格，无功 平衡) 、多限值( 包括主变分接头开关日调节次数、电容器日调节次数、电压上下限、 无功功率上下限制、有功功率上下限制、用户特别要求) 的最优控制问题。控制系统所 选择的控制策略是决定该控制系统性能好坏的最关键的因素，根据变电站电压无功的特 点，人们提出了多种控制策略，概括起来有如下五类，下面一一加以探讨。 1 2 8 1 固定边界的电压无功控制【8 】【9 】 1 0 【11 1 2 根据变电站当前的运行方式，利用实时监测的电压和无功判别量构成变电站电压无 功控制策略，综合逻辑判断是基于给出的固定电压和固定无功的上下限特性，把电压和 无功平面分割成九个控制区，这种方法就是目前变电站广泛使用的所谓“九区图法”。 有些电压无功自动控制装置中还进一步把系统状态细化，分为十七种运行状态，但就其 基本控制思想而言与九域图是致的。 一8 大连理工大学硕士学位论文 然而，从实际运行中发现现场运行人员对于九区图的把握是比较困难的，因为： ( 1 ) 九区图的电压无功限值是随着季节、负荷的高峰低谷丽变化的，不易调整。 ( 2 ) 九区图的某些区，对于两类设备的控制都起作用时，很难区分哪一类效果更 好。 ( 3 ) 九区图的某些区对于控制的结果产生设备的反复投切。 ( 4 ) 九区图对设备的控制使用是无限次的，而实际中每天变压器分接头的动作次 数和电器组的投切次数是严格限制的，因而运行人员很难把握这些限值的使用。 因此，九区图的使用受到了一定的限制。随着最优化技术和人工智能的应用，结合 新的控制方法来改善旧有的九区图法成为必然。 1 2 8 2 与电压关联的无功边界的电压无功综合控制 1 3 】【1 4 1 5 】 将电压状态引入了无功调节特性，根据投切电容器组时确保无功的不欠补偿和不过 补偿的原则，可以获得无功上下限是与电压状态有关的两条斜线，这种方法充分考虑了 电压无功变化之间的关联影响关系，对于控制性能有基本的改善，是对九区图的一种改 进，但仍不能完全消除上述缺陷。 1 2 8 3 基于专家系统的电压无功综合自动控制 1 6 1 7 1 1 8 1 9 】 专家系统将知识与知识处理明确区分开来，便于知识的修改和增删，并对知识的修 改不影响推理的过程，只影响推理的结果。对于大型变电站来说，由于运行方式变化多 和控制措施复杂，理论上采用专家系统的设计能大大的简化编程工作、较好地解决模型 不确定性问题，但是实际上由于变电站电压无功综合控制是一个多目标、多约束的非线 性离散控制问题，需要考虑各种现场闭琐要求，因此要获取全面而准确的专家知识和满 足各种条件下的实时性要求较为困难，这就为专家系统方法的真正实现带来了一定的困 难。 1 2 8 4 基于人工神经网络的电压无功自动控制 2 0 】 2 1 】 对采样得到的数据经过模糊化处理之后，决策模块根据电压变化的原因、无功变化 的性质( 大小、缓急) 、功率因数要考虑的权重等，作出综合优化策略。由于a n n 具有 极强的非线函数拟合能力、联想记忆能力和鲁棒性强等特点，因此利用来作无功变化趋 9 基于模糊粗糙理论变电站电压无功控制 势的预测和控制策略的决策。但是由于各个变电站的运行方式和基本参数有很大的差 异，因此训练好神经网络的通用性较差。 1 2 85 电压无功的模糊控制 近年来在传统电容器组的控制方法上，以模糊控制理论为基础，实现对设备的控制 的方法应用最为广泛。模糊逻辑控制采用模糊集合理论将变量定量化，用模糊控制条件 语句来表达人们的经验，从而应用模糊推理生成控制策略。由于它不需要精确数学模 型、鲁棒性较强、具有模仿人类思维能力等显著的优点，适合电压无功控制受电力系统 时变性、运行条件和网络参数经常变化的影响，很难建立精确数学模型的特点。因此， 模糊理论被引入电压无功控制的研究。并很快得到了很好的应用。文献 【2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 都描述了常规电压无功模糊控制系统的设计方法，都利用模糊理论 的特点对传统的九区图法进行了改进和发展。 针对现场电容器控制的要求，人们在电压无功模糊控制系统中添加了一些功能，文 献b 7 考虑了现场电容器投切操作时的瞬时冲击无功问题，在模糊控制器中添加了反时 限功能。文献 2 8 还针对现场电容器组投切反复的问题，在模糊控制中添加了操作禁止 回退功能。 另外，其他的一些先进数学方法和模糊理论相结合 2 8 2 9 n - 以弥补了模糊控制缺 乏自学习和自适应能力的不足。文献 3 0 】【3 l 】利用遗传进化等算法在模糊控制中加如了 短期负荷预测功能，进一步提高控制的准备陛。 然而，模糊控制有其自身的难以克服的缺陷。在模糊控制中，模糊规则的获取一直 是模糊控制系统的个瓶颈。模糊控制中控制规则的获取和确定是保证模糊控制系统良 好控制性能的关键。但是目前缺乏系统的设计方法，模糊规则一般通过操作人员或专家 的经验获得，没有充分利用样本数据的特征，具有较强的主观性，这在一定程度上影响 了模糊控制的效果，限制了模糊控制的应用。而最近兴起的r s ( 粗糙集) 理论中其粗 糙度隶属度出自客观计算，仅与已知数据有关，并且能够利用数据本身所提供的信息， 在没有先验知识的情况下，从历史数据中获得易于证实的规贝1 3 4 1 1 3 5 。利用这些优 势，本文提出利用r s 理论改善模糊控制规则，并将其应用于电压无功模糊控制器的设 1 0 大连理工大学硕士! 学位论文 计中，在缺乏专家经验的情况下获得最优模糊控制规则表，在保证控制规则客观性的同 时，有效地解决调节次数问题，以获得更加完善的控制效果。 1 - 3 本文所做的主要工作： 1 ) 本文在对过去电压无功控制策略的学习研究的基础上，采用广泛证明了较适合 电压无功控制特点的九区图和模糊控制的结合方法，并利用粗糙集和模糊集的理论互补 性，提出一种基于模糊粗糙的电压无功控制簧略。 2 ) 进行基于模糊粗糙的变电站电压无功控制器的设计。 3 ) 利用d s p 为核心，在硬件配置和软件编制上实现信息的同步采样和实时的数据 处理，更快更准确的实现控制功能，并进行硬件和软件上的调试。 4 ) 利用m a t l a b 和p s c a d 对所设计的控制器进行仿真验证。 5 ) 搭建实际实验环境。 基于模糊粗糙理论变电站电压无功控制 第二章基于模糊粗糙理论的变电站无功控制策略 2 1 模糊控制和粗糙理论： 2 1 1 模糊控制理论概述 3 9 4 0 4 1 1 ： 模糊控制系统是一种自动控制系统，它是以模糊数学，模糊语言形式的知识表示和 模糊逻辑的规则推理为理论基础；采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环 结构的数字控制系统。它的组成核心是具有智能性的模糊控制器，这也是它与其它控制 系统的不同之处。因此，模糊控制系统也是一种智能控制系统。 2 1 1 1 模糊控制的特点： 模糊控制器具有很多明显的特点： 1 ) 模糊控制系统不依赖于系统精确的数学模型，特别适合于那些精确数学模型很 难获得或根本无法找到的复杂系统与模糊性对象等采用。 2 ) 模糊控制中的知识表达，模糊规则和合成推理是基于专家知识或熟练操作者的 成熟经验，并通过学习可以不断更新，因此，它具有智能性和学习性。不过它规则生成 的太过主观化也是模糊控制发展的障碍。 3 ) 模糊控制系统的核心是模糊控制器，而模糊控制器均以计算机为主体，因此它 兼有计算机控制系统的特点，如具有数学控制的精确性和软件编程的柔软性等。过去通 常用单片机作为数据处理核心，本文使用d s p 代替单片机实现模糊控制过程，使数据 的处理达到实时水平。 4 ) 模糊控制系统的入一机界面具有一定程度的友好性，它对于有一定操作经验的而 对控制理论并不熟悉的工作人员来说非常容易掌握和学会，并且易于使用模糊语言进行 人机对话，更好的为操作者提供控制信息。 5 ) 控制系统鲁棒性好。模糊控制系统无论被控对象是线性的还是非线性的，都能 执行有效的控制，更能容忍噪声干扰和元器件的变化，具有良好的鲁捧性和适应性。 2 1 1 2 模糊控制的结构分类： 根据被控对象以及模糊控制器输入变量和输出变量的多少，模糊控制系统可分为单 输入一单输出结构和多输入一多输出结构。 1 2 大连理工大学硕士学位论文 1 ) 单输入一单输出模糊控制结构 这类控制结构的控制量和输出量都只有一个，是最简单、最典型的模糊控制系统。 根据输入变量的个数，这类结构可分为一维模糊控制器、二维模糊控制器和多维模糊控 制器。 ( 1 ) 一维模糊控制器 一维模糊控制器的输入、输出语言变量只有一个。模糊控制器的输入变量一般取为 系统的误差e ，输出控制量为u ，则其模糊控制规则总的模糊蕴含关系可按下式来求 取 r ( 巳聪) = u e fxu f i = 1 ( 2 1 ) 它面对的大多数实际控制问题是诸如跟踪控制系统、设定值控制系统等误差控制系 统。此类控制器设计简单明了，但只考虑系统的误差，只要误差相近，不管误差变化的 趋势其控制输出的结果是相似的，必然会影响模糊控制器的性能。 ( 2 ) 二维模糊控制器 这里二维是模糊控制器的输入变量有两个，而控制器的输出变量仍然是一个，被控 对象仍是单输入一单输出系统。这类控制器的模糊规则总的蕴涵关系为 r ( g ，d e ，h ) = u ( 譬d e f ) x u f = i ( 2 2 ) 这类控制器考虑了系统的误差和误差变化，在跟踪控制系统、设定值控制系统的应 用中有相当大的潜力，其控制性能明显优于维模糊控制器。目前模糊控制系统设计中 大多采用这种结构。 ( 3 ) 多维模糊控制器 在某些控制要求更高的场合，为了提高控制器的控制性能，将系统的误差、误差变 化及误差的积累都作为模糊控制器的输入信号，构成多维模糊控制器。但输入维数的增 加导致控制规则和控制算法的复杂化，控制规则的冗余性、兼容性制约着多维模糊控制 器的应用。 2 ) 多输入一多输出模糊控制结构 一1 3 基于模糊一粗糙理论变电站电压无功控制 多输入一多输出模糊控制系统是一个复杂的系统设计问题，目前还没有完整的理论 来指导。人的逻辑思维一般不超过三维，因此多输入一多输出模糊控制系统的规则无法 直接从人的经验中获得。为此，一般把多输入一多输出模糊控制结构化为多输入一单输 出控制结构，用多输入一单输出模糊控制系统的设计方法来进行。 本文设计的模糊控制系统结构为三输入两输出，属于多输入多输出模糊控制结 构，为了直接从人的经验中获得知识，可以将结构等效为2 个两输入单输出的结构组 合，这样实现的控制效果是相同的。 2 1 1 3 模糊控制器的基本设计原则： 模糊控制系统与传统控制在结构上的主要区别在于采用了模糊控制器，模糊控制器 的实现要经过输入量模糊化、模糊推理和模糊输出三个过程。模糊控制系统的优劣，主 要取决于模糊控制器的结构、所采用的模糊规则、合成推理算法以及决策方法等因素。 图2 1 模糊控制器典型结构 f i 9 2 1t y p i c a lm o d e lo ff u z z yc o n t r o l l e r 图2 i 给出了模糊控制器的典型框图。假设模糊逻辑控制器的输入量为系统的误差 e 和误差变化d e ，输出量为系统控制值u ，则模糊逻辑控制器的工作过程可以描述为：首 先将模糊控制器的输入量e ，d e 转化为相应的模糊量e ，d e 供模糊逻辑决策系统用，模 糊逻辑决策器根据控制规则决定的模糊关系r ，应用模糊逻辑推理算法得出控制器的模 糊输出控制量u 。最后经精确化计算得到精确的控制值u 去控制被控对象。 1 ) 模糊化过程 模糊化过程主要是将数字表示形式的输入量转化为模糊量。模糊化的方法是将现实 的测量输入量乘上个量化因子，在偏差论域的元素中取一个等于或接近乘积的元素， 该元素就是精确量模糊化的结果。 2 ) 知识库： 包括数据库和规则库。数据库提供了语言控制规则论域的离散化、量化和规则化以 及输入空间的分区、隶属度函数的定义等。规则库根据控制目的和控制策略给出一套由 语言变量描述的、由专家或自学习产生的控制规则的集合。模糊控制规则是通过经验归 1 4 ， 大连理工大学硕士学位论文 纳法建立的。模糊规则的选择是模糊控制器设计的核心，一般分三部分，即选择适当的 模糊语言变量，确定各语言变量的隶属函数，最后建立模糊控制规则。一般来说，一个 语言变量的语言值越多，对事物的描述就越准确，可能得到的控制效果就越好；但过细 的划分可能使控制规律变得复杂。隶属函数体现着人们将实际的精确量转变成语言变量 的过程，选取的原则是尽可能简单。目前模糊规则库的建立有四种方法： ( 1 ) 专家经验法：通过对专家控制经验的咨询形成控制规则库。与传统的专家系统 相比，基于专家经验法构成的模糊控制规则器需要一些内涵的和客观的准则。 ( 2 ) 观察法：观察法的基本思路是通过观察人类控制行为并将其控制的思想提炼出 一套基于模糊条件语言类型的控制规则从而建立模糊规则库。这类模糊控制器规则库的 设计思想是通过让熟练操作员实际操作来建立其操作模型建立操作员所用的输入信 息与其输出信息之间的关系。 ( 3 ) 基于模糊模型的控制：前两种方法的模糊控制都是通过建立专家的模型，以此 模型进行模糊逻辑推理控制，其性能不会超越所依赖的专家水平。对有的控制对象，无 法找到该领域有经验的控制专家，可以通过建立被控对象的模糊模型来实现一即用像建 立模糊控制规则一样的“if then ”形式来描述对象的动态特性。 ( 4 ) 自组织法：大多数模糊控制器都是静态的，一旦设计完成，其模糊规则都无法 改变的，这类系统没有自学习和自适应性能。自组织模糊控制器能够在没有先验知识和 有很少先验知识的情况下通过对观察系统的输入输出关系建立控制规则库。与所有学习 系统一样，自组织模糊控制器也需要一个学习性能指标来保证学习的收敛性。实际应用 中往往根据人的控制经验，综合应用各种方法。 本文采用的建立规则的库的方法则不同于传统的模糊规则提取方法，而利用粗糙集 理论的数据挖掘功能从已经发生的历史数据中提取客观规则，避免了原来方法的主观性 太强的缺点，并使提取的规则更能适应相对应现场的实际情况，达到更完善的控制效 果。 3 ) 推理决策逻辑 作为模糊控制的核心，模糊推理利用知识库的信息，模拟人类的推理决策过程，运 用所确定的模糊控制规则对输入的模糊量进行综合评估，求解模糊关系方程。给出一个 定性的、用语言表示的控制量，以获得模糊控制量的功能部分。大多数模糊逻辑推理方 法采用m a m d a n i 极大极小推理法，其合成方式直接采用极大极小运算，计算比较简 单。 4 ) 模糊判决 一1 5 基于模糊粗糙理论变电站电压无功控制 模糊推理的结果是模糊值，不能直接用于被控对象，需要先转化为一个执行机构可 以执行的精确量，即解模糊过程，又称模糊判决或反模糊化。常用的精确化计算方法有 最大隶属度函数法，重心法，加权平均法等三种方法，在本文设计的控制器中针对现场 电容器动作逐级投切的特点，模糊判决由控制器规则的推理结果直接生成对电容器动作 控制的高低电平信号，简化了反模糊这一过程。 2 1 2 粗糙集理论概述： 粗糙集理论是由波兰华沙理工大学z ，p a w l a k 提出的研究不完整数据、不精确知识 的表达、学习、归纳等的方法，它的特点是不需要预先给定默写特征或属性的数量描 述，如统计学中的概率分布、模糊集理论中的隶属度或隶属函数等，而是直接从给定的 问题的描述集合出发，通过不可分辨关系和不可分辨类确定给定问题的近似域，找出问题 内在规律。 2 1 2 1 粗糙集理论的一些基本概念 4 2 】【4 3 ： 1 、知识的含义： “知识”这个概念在不同的范畴内有多种不同的含义在粗糙集理论中，“知识”被认为 是一种分类能力。人们的行为是基于能分辨现实或抽象对象的能力之上的，如在远古时 代，人们为了生存必须能分辨出什么可以食用，什么不可以食用；医生给病人诊断，必须辨别 出患者得的是哪一种病。这些根据事物的特征差别将其分门别类的能力均可以看作是某 种“知识”。 2 ) 不可分辨关系与基本集： 分类过程中，相差不大的个体被归于同一类，它们的关系就是不可分辨关系。假定只 用两种黑白颜色把空间中的物体分割两类； 黑色物体) 、 白色物体) ，那么同为黑色的 两个物体就是不可分辨的。因为描述它们特征属性的信息相同都是黑色。如果再引入 方、圆的属性，又可以将物体进一步分割为四类： 黑色方物体) 、 黑色圆物体) 、 白色 方物体) 、 白色圆物体) 。这时，如果两个同为黑色方物体，则它们还是不可分辨的。不 可分辨关系也称为一个等效关系。两个白色圆物体间的不可分辨关系可以理解为它们在 白、圆两种属性下存在等效关系。 基本集定义为由论域中相互间不可分辨的对象组成的集合，是组成论域知识的颗 粒。不可分辨关系这一概念在粗糙集理论中十分重要，它深刻地揭示出知识的颗粒状结 构。是定义其它概念的基础知识可认为是一族等效关系，它将论域分割成一系列的等效 类。 一1 6 - 大连理工大学硕士学位论文 3 1 集合的下逼近、上逼近及边界区： 粗糙集理论延拓了经典的集合论，把用于分类的知识嵌入集合内，作为集合组成的 一部分。一个对象a 是否属于集合x 需根据现有的知识来判断，可分为三种情况： ( 1 ) 对象a 肯定属于集合x ； ( 2 ) 对象a 肯定不属于集x ； ( 3 】对象a 可能属于也可能不属于集合x ； 集合的划分密切依赖于我们所掌握的关于论域的知识，是相对的而不是绝对的。给 定一个有限的非空集合u 称为论域，i 为u 中的一族等效关系，即关于u 的知识，则 二元对 o ( 【j ，r ) 称为一个近似空间。设x 为u 中的一个对象，x 为u 的一个子集，r ( x ) 表示所有与x 不可分辨的对象所组成的集合，换句话说，是由x 决定的等效类，即r ( x ) 中的每个对象都与x 有相同的特征属性。 则集合x 关于r 的下逼近定义为： r o t ) = x e u ：r ( x ) x ( 2 3 ) 式5 1 中r * ( x o 实际上由那些根据现有知识判断肯定属于x 的对象所组成的最大的 集合有时也称为x 的正区，记作p o s ( x ) 。类似地，由根据现有知识判断肯定不属于x 的对象组成的集合称为x 的负区，记作n e g ( x ) 。 集合x 关于r 的上逼近定义为； r q ) o = x u ：r ( x ) a x e 巾) ( 2 4 ) 式5 2 中r + ( x ) 是由所有与x 相交非空的等效类r ( x ) 的并集，是那些可能属于x 的 对象组成的最小集合。显然，r 4 ( x ) + n e g ( ) 。= 论域u 。 集合x 的边界区定义为： b n ( 的= r ( 妁r ( x ) ( 2 5 ) 式5 3 中b n ( x ) 为集合x 的上逼近与下逼近之差。如果b n ( x ) 是空集，则称x 关 于r 是清晰的；反之如果b n ( x ) 不是空集，则称集合x 为关于r 的粗糙集。图5 1 为 粗糙集概念的示意图： 1 7 基于模糊- 粗糙理论变电站电压无功控制 图2 2 粗糙集概念示意图 f i g 2 2s k e t c hm a pf o r c o n c e p t so f r o u g h s e t 下逼近、上逼近及边界区等概念称为可分辨区，刻划了一个边界含糊集合的逼近特 性。粗糙程度可按式5 4 的计算 嘶( x ) = r ，( 叼 r 。( 的 ( 2 式5 4 中l r + ( - 9 1 表示集合i + ( ) 。的基数或势，对有限集合表示集合中所包含的元素的 个数。 显然o ( x ) 1 ，如果取i ( x ) ：1 ，则称集合x 相对于r 是清晰的：如果 ( x ) o ) ( 2 9 ) b n ( x ) = x u ：o u 。x ( x ) d 1 ) 。“约简”和“核”这两个概念很重要，是r s 方法的精华。i 峪理论提供了搜索约 简和核的方法。计算约简的复杂性随着决策表的增大呈指数增长，是个典型的np 完 全问题，当然实际中没有必要求出所有的约简。引入启发式的搜索方法如遗传算法有助 于找到较优的约简，即所含条件属性最少的约简。 综上所述，粗糙集理论的基本框架可归纳为：以不可分辨关系划分所研究论域的知 识，形成知识表达系统，利用上、下近似集逼近描述对象，通过知识简约获得最简知 识。 2 。i 2 2 粗糙集理论的特点m 4 【4 5 】 4 6 ： 粗糙集方法具有以下特点： 2 0 大连理工大学硕士学位论文 1 ) 它能处理各种数据，包括不完整的数据以及拥有众多变量的数据 2 ) 它能处理数据的不精确性和模棱两可，包括确定性和非确定性的情况 3 ) 它能求得知识的最小表达和知识的各种不同颗粒层次 4 ) 它能从数据中揭示出概念简单，易于操作的模式 5 ) 它能产生精确而又易于检查和证实的规则，特别适于智能控制中规则的自动生成 2 1 2 3 粗糙控制： r s 根据观测数据获得控制策略的方法被称为从范例中学习，属于智能控制的范 畴。基本步骤是：把控制过程中的一些有代表性的状态以及操作人员在这些状态下所采 取的控制策略都记录下来，形成决策表。然后对其分析化简，总结出控制规则 4 7 4 8 1 。形式为：i fc o n d i t i o n = n 满足t h e n 采取d e c i s i o n = m 。，r s 方法是一类符号化 分析方法，需要将连续的控制变量离散化，为此，p a w l a z k 提出了粗糙函数的概念 【4 9 】。为粗糙控制打下了理论基础。文 5 0 应用粗糙控制研究了配电网鼓掌诊断研究， 取得了较好的结果。在过程控制领域，文 5 1 应用r s 方法成功地提取出了水泥窑炉的 模糊控制规则。粗糙控制的优点是简单迅速、实现容易，不需要象f u z z y 控制那样进行 模糊化和去模糊化。因此在特别要求控制器结构与算法简单的场合采取粗糙控制较为合 适。另外，由于控制算法完全来自观测数据本身，其决策和推理过程可以很容易被检验 和证实。一种新的有吸引力的控制策略“模糊粗糙控制”正悄然兴起，其主要思路是 利用r s 获取模糊控制规则。本文正是将这种思想应用于粗糙集对电压无功模糊控制的 优化。 2 1 3 粗糙集与模糊理论的结合： 2 1 3 1 粗糙集和模糊理论的互补性： 模糊集理论和粗糙集理论是研究信息系统中知识不完全、不确定问题的两种重要方 法，各自具有其优势和特点，并且分别在许多领域都有成功的运用，如模式识别、机器 学习、决策分析和决策支持、知识获取、知识发现等。但模糊集理论和粮糙集理论研究 问题的着眼点是不同的，同时，粗糙集理论和模糊集理论可以进行结合，以发挥各自的 优势。 模糊集和粗糙集在处理不确定性和不精确性问题方面都推广了普通的集合理论。它 们都是研究信息系统中知识不完全、不确定问题的重要方法。但它们的着眼点和研究方 法是不同的： ( 1 ) 粗糙集理论着眼于集合的粗糙程度，模糊理论着眼于集合的模糊性； 2 1 基于模糊粗糙理论变电站电压无功控制 ( 2 ) 粗糙集理论基于集合中对象间的不可分辨性思想，模糊理论建立集合的子集边 缘的病态定义模型； ( 3 ) 粗糙集理论的计算方法是知识的表达和简化，模糊理论的计算方法主要是连续 特征函数的产生； ( 4 ) 从知识的“粒度”的描述上来看，模糊集上通过对象关于集合的隶属程度来近似描 述的，而粗糙集是通过一个集合关于某个可利用的知识库的上下近似来描述的； ( 5 ) 从集合的关系来看，模糊集强调的是集合边界的病态定义上的，即边界的不分 明性，而粗糙集强调的是对象间的不可分辨性； ( 6 ) 从研究的对象来看，模糊集研究上属于同一类的不同对象间的隶属关系，强调 隶属程度，而粗糙集研究的是不同类中的对象组成的集合关系，强调分类。 表2 4 就二者的不同点作出了一卜更直观的比较： 表2 4 模糊集与粗糙集的比较 模糊懿理沦祷1 糙集理论 对稼问荚系的髓础概念边界躺不分叫螂i别豫问鼬