（模式识别与智能系统专业论文）基于仿人智能控制的变电站电压无功控制研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着社会的发展，电力用户对电网电能质量的要求也越来越高。电压无功控制 是保证电网安全、经济、可靠、优质运行的有效手段而变电站有载调压变压器和 并联电容器是我国高中压电网电压无功控制的重要手段。同时，仿人智能控制理论 是最近二十年来才发展起来的理论，在大量的实际控制应用中获得了成功。本文以 电网变电站电压无功控制系统为重点研究对象，从新的角度对电压无功控制系统的 性能改进进行探讨研究。 本文基于龟网电压无功综合控制的课题背景，阐明了课题研究的必要性和可行 性，介绍了国内外电压无功控制的发展和现状，详细讨论了配电网电压无功控制的 目的、控制原理和控制方式，推导了调节有载调压变压器分接头和并联电容器组对 电压和无功功率的影响，分析了传统九区图法的控制原理和控制缺陷，构造了配电 网电压无功控制多输入多输出的数学模型，并提出了用仿人智能控制求解的新算 法。 文中提出了变电站电压无功仿人智能控制系统的软硬件模块设计方案，分别详 细讨论了硬件系统的主要模块和软件设计的总体流程框图。基于仿人智能控制理论 的“类等效”概念和方法，本文研究设计了变电站电压无功仿人智能控制器算法， 结合数学模型，运用m a t l a b 对1 l o k v 变电站电压无功控制系统模型，分别进行 了仿人智能控制和传统九区图法的仿真试验比较研究。仿真结果表明，在保证电压 合格以及无功功率得到很大改善的情况下，电压无功仿人智能控制对于变压器分接 头和电容器组的调节次数都远少于传统九区图法的调节次数。试验验证了本文所建 立的变电站电压无功系统模型的合理性，电压无功仿人智能控制算法的可行性和有 效性。 关键宇：变电站，电压无功控制，仿人智能控制，九区图 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t o f s o c i e t y , d c c t r i cc u s t o m e r sp a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt o t h eq u a l i t yo f d i s t r i b u t i o ns y s t e m so p e r a t i o n v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e ro p t i m a lc o n t r o l i sa l le f f e c t i v em e a n st os c c l l r et h es e c u r i t y , e c o n o m y , r e l i a b i l i t ya n dq u a l i t yo fi t s o p e r a t i o n i no u gc o u n t r y , o n - l o a dt a p c h a n g i n gt r a n s f o r m e ra n ds h u n tc a p a c i t o ra r et h e m a i ne q u i p m e n t so fv o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o li nh i g ha n dm e d i m nv o l t a g e d i s t r i b u t i o n8 y s t e l l l a tt h es a l 3 1 e ，h u m a n - s i m u l a t e di n t e l l i g e n tc o n t r o l ( h s i c ) i sa t h e o r yd e v e l o p i n gg r e a t l yi nr e c e n t l yt w e n t yy e a r s , a n ds u c c e e d si ng r e a tn u m b e ro f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e s0 1 1t h es t u d yo fh s i cc o n t r o l l i n g s t r a t e g yo ft h eo n - l o a dt a p - c h a n g i n gt r a n s f o r m e r sa n ds h u n tc a p a c i t o r si nh i g ha n d m e d i u mv o l t a g ed i s t r i b u t i o ns y s t e n l b a s e d0 1 1t h eb a c k g r o u n do nt h ev o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o li nd i s t r i b u t i o n p o w e rs y s t e m , t h i sp a p e re x p l a i n st h en e e da n df e a s i b i l i t yo fs t u d yo nt h i ss u b j e d t h e d e v e l o p m e n ta n dt h ea c t u a l i t yo fv o l t a g eq u a l i t yc o n t r o l ( v q c ) h a v eb e e ni n t r o d u c e d t h ei n t e n t i o n , p r i n c i p l ea n dm o d e lo f t h ed i s t r i b u t i o ns y s t e m sv q ch a v eb e e nd i s c u s s e d i nd e t a i l t h ei n f l u e n c e so fa d j u s t i n go n - l o a dt a p - c h a n g i n gt r a n s f o r m e ra n ds h u n t c a p a c i t o ro i lt h ev o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rh a v eb e e nd e d u c e db ye x p r e s s i o n s 。a l s o ，t h e p r i n c i p l ea n dl i m i t a t i o no ft r a d i t i o n a ln i n e - a r e am e t h o dh a v eb e e nd i s c u s s e d t h e r e f o r e , a m u l 邱l e - i n p u ta n dm u l t i p l e - o u t p u tm o d e lo f d i s t r i b u t i o nv o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e ri s e s t a b l i s h e d , a n di t sr l e gs o l u t i o n , h s i ci sp u tf o r w a r d i nt h i st h e s i s ，t h ev o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rh s i cs y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e h a v eb e e nd e s i g n e d ；t h ef l o w c h a r to f h a r d w a r ea n ds o f t w a r em o d u l ed e s i g nf o rt h em a i n s y s t e mh a sb e e ni n t r o d u c e d w i t ht h eh s i c e q u i v a l e n t c o n c e p ta n dm e t h o d , av o l t a g e a n dr 髓c t i v ep o w e rh s i ca l g o r i t h mh a sb e e nd e s i g n e d w i t ht h ec o m b i n a t i o no f s u b s t a t i o nt r a n s f o r m e rm a t h e m a t i cm o d e l ，ll o k vs u b s t a t i o nv o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e r c o n t r o ls y s t e mm o d e lh a sb e e ns i m u l a t e di nm a t l a bb yh s i ca n dt h en i n e - a r e a m e t h o d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ev o l t a g ei sq u a l i f i e da n dr e a c c i v ep o w e ri s g r e a t l yi m p r o v e d ，t h er e g u l a t i o nn u m b e ro fo n - l o a dt a p - c h a n g i n gi r a u s f o r m e ra n ds h u n t c a p a c i t o rw h i c hr i s ev o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rh s i ca r i t h m e t i ca r em u c hl e s st h a n u s i n gn i n e - a r e am e t h o d t h ee x a m p l e sd e m o n s t r a mt h a t , t h em o d e lo fv o l t a g ea n d 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 r e a c t i v ep o w e rc o n t r o li nd i s t r i b u t i o np o w e rs y s t e mi sr a t i o n a l ，a n dt h eh s i c a l g o r i t h mi s f e a s i b l ea n dv a l i dt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s k e y w o r d s ：s u b s t a t i o n , v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o l ，h u m a n s i m u l a t e di n t e l l i g e n t c o n t r o l ，n i n e - a r e am e t h o d m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含为 获得重麽太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名铀多 签字日期：劲订每厂月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重废盔堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 导师签名： 印7 年 ，j 诊态、 签字日期移唧年石月厶日 矛矽日密“ ：6 戤卜 疃协姘飙沦日位字学签 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 电压是电能质量的主要指标之一。当电压过低时，对于占电力负荷比重最大的 异步电动机来说，转差增大，绕组中电流增大，温升增大，效率降低，寿命缩短。 而电动机转速的下降将影响用户产品的产量和质量。对于发电厂由于异步电动机转 速的降低，风机、水泵的出力降低，直接影响锅炉、汽机的出力。电压过低还使电 炉等电热设备的出力降低，白炽灯发光效率降低，各种电子设备不能正常工作。而 当电压过高时，电气设备的绝缘层会加速损坏，照明设备的寿命会明显缩短，如在 电压偏高1 0 的情况下，白炽灯的寿命缩短一半。所以，提高电压合格率对于减少 工业废品、提高电气设备的效率、延长电气设备的使用寿命都有明显的作用。 同时，电力系统中的电压水平和无功功率的状况密切相关【1 1 1 2 1 3 1 。无功功率从电 源端经线路和变压器向负荷端输送，要产生电压损耗，高压线路和变压器的电压损 耗主要取决于通过的无功功率，输送的距离越远，中间环节越多，引起的电压降也 就越大，负荷端的电压也就越低。合理配置无功电源，使无功功率就近平衡，不仅 可以提高电压水平，而且可以减少电网中有功功率的损耗。据1 9 9 5 年的数据估算， 如果利用无功电源的补偿作用，将电网各元件加权功率因数由o 8 5 提高到o 。9 5 ，需 要投资2 9 亿元，可以节约2 4 0 亿千瓦时电能，相当于4 0 0 万千瓦火电厂的年发电 量，而火电厂造价约3 0 0 亿元，且每年需燃煤1 2 0 0 万吨，而且产生二氧化碳、二 氧化硫等有害物质6 0 0 万吨。由此可见，利用无功电源使无功功率达到就近平衡， 避免无功功率的远距离传输，不仅可以节约大量的电能，也可以避免大量的投资和 环境的污染。无功功率的不足，将引起系统电压的下降，极端情况下可导致某些枢 纽变电站母线电压大幅度下降，使电压低于临界电压，而出现电压崩溃现象。如1 9 7 8 年1 2 月1 9 日法国大停电，1 9 8 3 年1 2 月2 7 日瑞典大停电，1 9 8 7 年7 月2 3 日东京 大停电等都是高峰负荷使无功功率不足引起电压崩溃，从而造成系统重大事故。同 样，过剩的无功功率会使电压超上限运行，从而危害设备的安全运行与使用寿命。 另外，系统无功功率的分布是否合理还直接关系到电力企业自身的经济效益。如果 大量的无功功率在电网中流动，不仅要消耗有功功率，占用输电线路和设备的容量， 而且会使线路电压降增大、线路损耗增加、供电的经济性降低。 为了维持无功功率的平衡，自2 0 世纪7 0 年代以来，我国各级电网中都陆续安 装了大量的无功功率电源，无功补偿电源的容量基本上与新增发电设备的容量相适 应，电网的电压水平不断得到改善。但是依然存在着一些问题，如一些电网在高峰 负荷时电压偏低而在低谷负荷时电压却偏高的现象时有发生，局部地区的无功控制 重庆大学硕士学位论文1 绪论 设备的动作次数超过设备的允许规定，严重影响了设备的使用寿命。究其原因主要 是由于地区电网的电压无功调节手段运用不合理，使得各无功补偿设备未能发挥应 有的作用。据统计：在电网负荷高峰期，近6 0 的电容器组未能投入运行，而在低 谷负荷时却有近3 0 的电容器未能退出运行。可见，无功补偿的效果不仅取决于补 偿设备的容量，而且与采取的控制方式和控制策略密切相关。因此，如何进行地区 电网电压无功的协调控制，是现代电力系统经济运行急需解决的主要问题之一。 地区电网电压无功的协调控制【4 】【5 】【6 】是指在保证满足电网各种运行约束条件的 同时，利用操作以尽量少的无功调节设备而最大限度地改善电压质量、提高节点电 压合格率，并努力使系统的有功网损最小。地区电网电压无功控制的手段主要包括 调整发电机的端电压、改变有载调压变压器的分接头位置、投切并联补偿电容器或 电抗器等。 随着地区电网的不断发展，电网结构臼趋复杂，无功调节手段的数目日益增多， 用户对电能质量的要求也日益提高，这些因素导致地区电网电压无功控制问题的规 模越来越大，对其求解的要求也越来越高，传统的电压无功优化控制方法已不能满 足电力系统实际运行的需求。因此，寻求一种新的控制原理和控制方法来解决地区 电网电压无功协调控制问题具有重大的理论意义和工程实际意义。在此背景下，本 文通过对变电站电压无功控制现状的分析，运用先进的仿人智能控制理论对变电站 电压无功进行协调控制，以满足电力系统和用电用户的需求。 1 2 国内外变电站电压无功控制的发展现状 电压与无功功率关系密切，要维持系统的正常电压水平，必须有足够的无功功 率以满足系统负荷对无功功率的损耗。由于无功补偿的补偿设备安装地点广，因此 电压无功综合控制问题一直倍受广大电力工作者关注。 回顾电力系统的发展，在初期的交流电网中，因系统小，发电厂靠近负荷中心， 负载消耗的无功功率全部由发电机提供，用户端电压波动小。因此，不需要进行专 门的无功补偿和电压调整，也可通过改变发电机励磁电流大小来实现电压无功的调 整。 随着电网规模的不断扩大，以及各种用电设备接入点网消耗了大量的无功，无 功不足和电压波动大的问题日益突出。这时仅靠调节发电机励磁电流的手段已经不 能满足要求。在2 0 世纪初 z l ，人们就无功补偿技术问题进行了大量的研究，为了改 善负荷功率因数，逐步采用了同步电机、小型同步调相机和并联电容器等无功补偿 手段。迄今为止，电网中无功补偿技术可以采用并联电容器、串联电容器、静止无 功补偿设备、同步调相机等设备。其中，并联电容器是国内外应用最为广泛的无功 补偿设备，它具有一系列的优点：( 1 ) 适合分散安装，能较好地满足就地补偿的要求； 2 重庆大学硕七学位论文1 绪论 控制相对发达国家还有不少差距。主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 各地区电网的调度自动化水平发展参差不齐； ( 2 ) 同一地区电网的不同变电站自动化程度差别很大； ( 3 ) 各变电站所用的电压、无功控制设备与变电站自动化系统通信功能不完善、 不规范。 以上这些因素制约了电压、无功控制水平的发展，目前我国大部分地区的电压、 无功控制还停留在分散控制方式上。 分散控制是指在各个变电站或发电厂中【9 1 ，自动调节有载调压变压器的分接头 位置或其他电压调节器，控制无功功率补偿设备( 电容器、电抗器、调相机、静止 无公补偿器等) 的工作状态，使得当负荷变化时，该地区的电压和无功功率保持在 规定的范围内。分散控制不易实现全系统的最优控制，但它可以实现局部的优化， 对提高受控站范围内的电压质量和降低局部网络变压器的电能损耗，减轻值班员的 操作是很有价值的，分散控制见效快，符合国情。 但随着电力系统规模和容量的不断扩大，最终将走向集中控制方式。集中控制 方式是指在调度中心对各个配电中心的调压设备和无功补偿设备进行统一控制。理 论上讲这种控制方式是保持系统电压正常，提高系统运行可靠性和经济性的最佳方 案。但他要求调度中心必须具有因地制宜的电压和无功优化实时控制软件，而且它 需要对各配电中心具有遥测、遥信和遥控功能，对通道的可靠性要求高。例如，1 9 9 9 年【1 0 】，江苏省泰州市供电局在城区电网实现了电压无功集中优化控制。主要是通过 采集调度自动化( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ，简称s c a d a ) 系统的 实时数据，包括各变电站的节点电压、有功功率、无功功率等，以地区电网网损最 小为目标，以各节点电压合格为约束条件，进行综合优化处理后，形成变压器有载 分接开关档位调节、无功补偿设备投切集中控制命令，运用调度自动化“四遥”功 能，实现全网无功电压优化运行。 1 3 本文的主要工作 本文侧重智能控制器的设计，在深入研究变电站电压无功控制原理的基础上， 面向区域电网电压无功优化控制，探讨变电站电压无功仿人智能控制器的设计、仿 真及其软硬件模块的设计，主要工作包括： ( 1 ) 基于国内外发展应用的对比研究，指出国内电力系统电压无功控制存在的 问题； ( 2 ) 剖析传统九区图法控制策略存在的问题，提出新的控制策略； ( 3 ) 基于变电站对象的“类等效“分析，设计出基于仿人智能的电压无功控制 系统； 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 ( 4 ) 借助m a t l a b 对设计系统作模拟仿真，并与九区图控制策略作比较研究； ( 5 ) 完成电压无功控制硬、软件系统设计，给出总体流程框图。 1 4 本章小结 本章首先介绍了电压无功控制对电力系统的重要作用，说明了课题研究的背景 和意义；其次，分析了国内外变电站电压无功控制的发展和现状，指出了国内电力 系统电压无功控制存在的问题；最后是本文的主要工作。 6 重庆大学硕士学位论文2 变电站电压无功自动控制原理 2 变电站电压无功自动控制原理 2 1 变电站电压无功控制的目标 变电站电压无功综合控制的目标是在保证电压( 变压器二次侧电压) 合格、无功 ( 变压器进线侧无功功率) 基本平衡的前提下尽量减少有载调压变压器有载分接开 关和并联补偿电容器组的调节次数。具体地说有以下四个方面的内容。 ( 1 ) 维持供电电压在规定的范围内 根据国标g b l 2 3 2 5 9 0 电能质量供电电压允许偏差 h i 的规定，各级供电母 线的允许波动范围，以额定电压为基准规定如下：3 5 k v 及以上供电电压正、负偏差 的绝对值之和不超过额定电压的1 0 0 , 4 ；1 0 k v 及以下三相供电电压允许偏差为额定 电压的士7 ；2 2 0 k v 单相供电电压允许偏差为额定电压的+ 7 * o j l a 1 0 。 ( 2 ) 保持电力系统稳定和合适的无功平衡 对主输电网络，应实现无功分层平衡；而对地区供电网络，应实现无功分区就 地平衡的原则，保证各级供电母线电压，包括用户入口电压在规定的范围内，具体 要求如下：2 2 0 k v 及以下等级的变电所在负荷最大时电网供给的无功功率与有功功 率的比值：2 2 0 k v 为o o 3 3 ，3 5 1 1 0 k v 为o 0 4 8 ，对1 0 k v 配电线路上的并联电 容器在负荷最小时不应向变电所倒送无功功率。 ( 3 ) 保证在电压合格的前提下使电能损耗为最小 为了达到以上目标，必须增强对无功电压的调控能力，充分利用现有的无功、 调压设备( 调相机、静止补偿器、补偿电容器、电抗器、有载调压变压器等) ，对它 们进行合理的优化调控。 ( 4 ) 减少变压器分接开关和并联补偿电容器组的日调节次数 因为各变电站对有载调压变压器的日调节次数和并联补偿电容器组的日投切 次数均有严格的限制，因此需寻求一种最佳的综合控制方式，在提高电压合格率、 优化无功补偿效果的情况下能减少变压器分接开关的日调节次数和并联补偿电容 器组的日投切次数。 简言之，变电站电压无功控制的目标是控制电压无功在规定的范围内，尽量减 少变压器和并联电容器组的调节次数。 2 2 变电站电压无功控制的基本原理 变电站电压无功综合控制装置靠调节主变分接头和投切电容器组来改变电压 和无功功率。分接头的变化不仅对电压有影响，也对无功功率产生影响；同样，电 容器组的投切不仅对无功功率产生影响，也对电压产生影响1 2 1 1 3 】【1 4 】【1 s 1 6 i 堋。 7 重庆大学硕士学位论文 2 变电站电压无功自动控制原理 图2 1 所示为分析电压无功综合控制的变电站等值模型。其中，u x 为变压器高 压侧电压，( ，2 为变压器低压侧电压。矾为系统的等值电压，z o 为系统等值阻抗， z r 为变压器等值阻抗。并联于变电站低压侧的补偿电容容量为( 。负载的特性随 不同的区域而不同，一般情况下，随着电压的变化，有功和无功都会发生变化，因 此，在电压无功综合控制系统模型中，不宜将有功和无功视为恒定值，本文将负载 等效为阻性元件与感性元件的并联形式，其导纳为y 。在此等值模型中，系统电 源可视为无穷大电源，不随负载的变化而变化，电路结构也可看作固定不变，在调 节变压器档位和投切电容器时，负载结构也不会发生改变，因此，己，o ，z o ，z r ， h 都为定值。 图2 1 变电站简化模型 f i g 2 1s i m p l i f i e dm o d e lo f s u b s t a t i o n 电容器组的无功出力与电压的关系为 q c = 6 刀似；x l o 。( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，为频率( h z ) ，为低压侧母线电压仪v ) ，q c 为无功出力( m v a r ) ，b 为电容器组的电容值( ，) 。为了推导方便，令口= m b 矿x l o - 6 ，其中，册为投入的 电容组数，则式( 2 1 ) 变为 ( ) c = 口暖 ( 2 2 ) 调节变压器分接头档位和投切电容器时，低压侧母线电压u 2 和通过变压器的 无功功率q l 的计算如下。 由图2 1 可得 j ：p l - j _ ( q _ z - 一a u ；) ( 2 3 ) u 2 重庆大学硕士学位论文 2 变电站电压无功自动控制原理 又有 j t = 争 u i = u o - i l z o 6 ：= 警一i ：z ， 【，22 1 一， 将式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) 代入式( 2 6 ) 中，化简可得 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 6 2 。j 一丘c 吾+ z r ，= j 一! 警c 吾+ z r ，c z 乃 令z i = 吾+ 乙，则蜀= 軎+ 墨，五= 可：c o 十耳，取6 ：与实轴重合，化简式 ( 2 7 ) 得 再令 半痹坐等必+ ，垃等必， 丛些警：妣_ p l x i - ( q l - a u ；) r 1 ：刃 ( 2 9 ) u s u 2 将式( 2 8 ) 改写为 则又可得 警= ( u 2 + a u ) + y a u ( 2 1 0 ) 二= ( + 2 + ( 6 u ) 2( 2 1 1 ) 对图2 1 所示电路，又有 咒= g l u ；：骁= b l 啦( 2 1 2 ) 由式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 可得 u 2 = 产= = = = = = = = = = = = = = 兰，_ = = = = = = = = = = = = = = = = f 2 1 3 ) k 4 1 + g l r i + ( 吃一a ) x l 】2 + 【皖五一( b l - a ) r 。】2 一般情况下线路的电抗远大于电阻，而变压器的等效电抗也远大于电阻，总的 来看，整个系统的电抗也远大于电阻，因此式( 2 1 3 ) 可简化为 9 重庆大学硕十学位论文2 变电站电压无功自动控制原理 u 2 = ：；：三竺：一 ( 2 1 4 ) 七【1 + ( b l 一口) 五】2 + ( g x i ) 2 式( 2 1 4 ) 即为变压器二次侧电压变化公式。 对于图2 1 所示系统模型，又有 s r s 2 + a s r ( 2 1 5 ) 专。：兄+ j ( q l 一4 明) + 垒粤翌( 岛+ 弘，) ( 2 1 6 ) 由式( 2 1 6 ) 得 最：兄+ 些翌码 ( 2 1 7 ) q i ：( 骁- a u ；) + 垒粤竖坼 ( 2 1 8 ) 将式( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 8 ) 中，可得 q l = 而( b t 而- a ) f + g 面：+ 厕( b - a ) 2 x r 叼 ( 2 1 9 ) 一般在电力系统中，负载的电抗远大于线路的电抗，因此墨以“1 ，即 眈五“1 ，再经过并联电容补偿，其等效电纳将更小，即式( 2 1 9 ) 中的 ( b l - a ) x z ( 3 7 ) 控制模态集甲也是智能控制器应有的先验知识，实际上每一个控制模态都是由 一些模态基元构成的，组成分层递阶智能控制最低层控制模态集的常用基元有： 巩：| i 。e 比例 m ，：k 。p 微分 m ，：t e d t 积分 辨4 ： 输出保持 该层次控制模态集甲与模态基元之间关系： q l ：u i = 厶m l ( 3 8 ) 其中，u 为输出向量，m 为模态基元向量，工为关系矩阵，其中只有1 、0 、1 三 种元素。由此可构成各种控制模态，如： g l ：= + _ j 。p + k p 比例+ 微分+ 保持 y 2 ：“= 也 开环保持等待 控制模态集和推理规则集将根据对象特征和不同的控制要求而确定，同时不断 在线修改以适应被控对象和控制问题的变化。 仿人智能控制系统具有分级递阶的控制结构，各控制层次遵循层次越高，智能 程度增加，精度降低的原则。尽管在低层次的执行级上智能要求要低一些，但要求 有较高的精度和实时性，然而要满足在复杂环境中的高速高精度的控制要求，常规 重庆大学硕士学位论文 3 仿人智能控制理论基础 控制器显然是很难满足要求的。从仿人的运动协调分级信息处理结构中可以看出， 人的许多条件反射行为都是由低级的神经单元处理的，其输入输出呈一种复杂的直 接映射关系，显然具有一定的智能因素。事实证明，仿人智能控制的运行控制级的 智能控制算法在实时控制中具有比常规控制器优良的控制品质。 仿人智能控制采用了产生式系统结构，产生式系统由数据库、规则库和推理机 组成，它方便地描述了问题求解过程。多层次的问题求解过程对应着高阶产生式结 构，较高级产生式系统解决较低级产生式系统中的状态描述、操作改变以及规则或 策略的选择等问题，从而间接影响着目标问题的求解。 图3 3 仿人智能控制的高阶产生结构 f i g 3 3n i g ho r d e rs m l c t m - eo f h s l c 定义6 ：仿人智能控制的分层信息处理与决策机构是求解控制问题的一种高阶 产生式系统结构，按层次高低可分为：中枢司令级c c 、组织协调级o c 和单元控 制级u c ，如图3 3 所示，每个单元控制级u c 又由如图3 4 所示的二阶产生式系统 结构( 任务适应级t a ，参数自校正级s t 和运行控制级m c ) 组成。 其中，p b 是控制性能指标库，存放预先设置好的各种直观的性能指标和瞬态 指标，g i j ，g 为对象，r 为系统输入，y 为系统输出，d 为干扰，f m 为检测滤波 处理，k 为协调器( 单变量系统k = i ) ，协调器可以是一种有关对象特性的认识，也 可以是若干操作经验的总结等。 重庆大学硕士学位论文3 仿人智能控制理论基础 t a 、s t 和m c 级都有各自的数据库d b ，规则库l i b 和各自的特征辨识器c i 和推理机构m ，三级间蕴含的信息交换通过对公共数据库c d b 的直接存取数据来 完成。多个单元控制级的任务规划及相互协调由组织协调级o c 来完成。多个o c 级组成的协作网络受更高级c c 的控制管理，它们一起构成具有四阶产生式结构的 综合智能控制系统，进而多个综合智能控制系统按不同的递阶结构联合，由更高级 图3 au c 的二阶产生式系统结构 f i g 3 as e c o n do r d e rs t m c t i o f u c 的产生式系统控制以解决更复杂的控制问题。显然，阶数的高低和各级产生式系统 求解问题的效率，在一定程度上反应了智能控制系统所拥有的知识水平和”智商”。 仿人智能控制的分层信息处理与决策机构，除了作为求解控制问题的一种高阶 产生式系统结构而外，它还体现出了仿人智能控制理论处理多变量系统的般思 路，即采用了仿人智能的规约分析方法，将一个复杂控制任务分解和化简成为若干 简单的任务( 例如单变量控制任务) 来处理，而最终复杂多变量系统控制任务的完成 则有赖于对若干简单控制子任务的协调和综合。 运行控制级m c 是目标级产生式系统，它直接面对实时控制系统问题；参数校 正级s t 解决m c 中控制模态参数的校正问题，它与m c 级一起构成一阶产生式系 统，当环境或上级任务以及对象发生较大变化时，t a 解决s t 和m c 中特征模型、 推理规则和决策与控制模态的选择、修改乃至自学习生成的问题，t a 与s t ，m c 级一起面对实时控制，并构成为二阶产生式系统。 重庆大学硕士学位论文 3 仿人智能控制理论基础 3 3 仿人智能控制器的设计 对于单元控制级的仿人智能控制器【捌，每一控制单元的控制问题由式( 3 9 ) 和( 3 1 0 ) 的两个三重序元关系描述： i c = ，l i ，q ( 3 9 ) 甲= ( 3 1 0 ) 因此控制器的设计，也就是针对一定的对象，建立特征模型中，确定相应的控 制模态集甲和推理规则集q 。仿人智能控制器的设计一般可按如下的三个步骤进 行： ( 1 ) 根据控制品质指标的要求，在误差相平面上画出理想的误差相轨迹； ( 2 ) 根据理想的误差相轨迹，建立相关的系统特征模型； ( 3 ) 根据特征模型每一划分区域的物理意义，以控制理论为基础，总结控制经 验，确定相应的控制模态集和推理规则集。 ， ，= 玛 心 坛|石i玲意 好，& * f o = y l ? 鱼 卜”一 p “4 扎 图3 5 一个典型的理想误差相轨迹及其特征模型划分 f i g 3 5c h a r a c t e r i s t i cm o d e lo f at y p i c a lp e r f e c te r r o r 特征模态m 是对信息空间= ( p ( f ) ，“f ) ，t ) 的一个划分。根据控制品质的要求， 如上升时间，稳态精度，超调等具体要求，一般可得出误差在( 砸) ，p ( f ) ，t ) 空间中的 理想运动轨迹，将其投射到误差相平面s ：e - e 上，便可以得到系统理想的误差相 轨迹，那么控制的目标就是要使实际的误差相轨迹尽可能地接近理想误差相轨迹。 从而特征模型的确定也就转变为如图3 5 所示对误差相平面s ：p p 适当的划分。 根据对误差相平面的划分，可以得出特征元素集，如： q i ：l e p c q ；q 2 ：i e | 届；g ，：e e y i ；9 4 ：i e l 嘎 重庆大学硕士学位论文 3 仿人智能控制理论基础 从而可得到特征模型，如：纯：9 1 ；仍：q ，f 3 q 2 等。其中口。，属， ，如等是根 据理想误差相轨迹而得出的可调经验值。 通过特征模型可以看出。当误差状态( e ，e ) 不在理想区域时，必须采取相应的控 制模态，使误差尽量按照理想状态运动，同时，特征模型的各个区域与控制模态之 间的匹配关系，也就构成了推理规则集q 。例如，典型的控制模态有： x ：“= s i g n ( e ) u 。 b a n g - b a n g 控制 巴：甜= k 。e 4 - k d e比例+ 微分控制 也：球= 姐i + k 。e 比例+ 保持控制 l ：甜= “保持控制 对应于特征模型和控制模态集的推理规则，根据控制理论可以确定。如： q ：特征划分区一：“= s i g n ( e ) ( ，一，使误差尽快减小 国2 ：特征划分区一：“= k ，e + k d 口，控制i p l 的幅值 吐：特征划分区一：u = u 。，系统接近平衡状态，采用保持控制模态 特征模型与控制模态之间的匹配关系，是以自动控制理论为基础的一种定性映 射关系，同时总结控制经验，确定特征元素的阀值以及控制参数，从而可以得到定 量的控制输出。 为了增强仿人智能控制算法对不确定性、时变、对象结构变化，滞后、扰动等 因素的适应性，仿人智能控制器还需要涉及到参数校正级s t 和任务适应级t a 等 更高层次的控制决策机构的设计工作。与直接控制级u c 相类似s t 和t a 的设计工 作为不同层次的两个三重序元关系( 不同层次上的两个两次映射关系) 的具体确定 过程。 3 4 仿人智能控制器设计的基本步骤 控制器设计的基本步骤【2 9 l 可以概括如下： ( 1 ) 设计目标轨迹的确立( 理想误差时相轨迹的确定) ：根据用户对控制性能指 标( 例如：上升时间、超调量、稳态精度等) 的要求，确定一理想的单位阶跃响应过 程，并把它变换到0 一e o 时相空间中去，构成理想的误差时相轨迹。以这条理想 轨迹作为设计仿人智能控制器的目标轨迹，轨迹上的每一点都可视为控制过程中的 瞬态指标。这条理想轨迹可以分别向0 一f ) 、( p - f ) 和0 一力三个平面投影，根据分 析的侧重点考虑这三条投影曲线中的一条或几条，并作为设计仿人智能控制器特征 模型和控制、校正模态的目标轨迹，从而简化设计目标。 ( 2 ) 特征模型的建立：依据目标轨迹在误差相平面( e p ) 上的位置，或者在误 差时间平面0 一t ) 上的位置，以及控制器的不同级别( 运行控制、参数校正、任务 适应) ；确定特征基元集：q ；划分出特征状态集：o ；，从而构成不同级别的特征 重庆大学硕+ 学位论文3 仿人智能控制理论基础 模型中，= p q , ，i = 1 ，2 , 3 。 ( 3 ) 控制规则与控制模态集的设计：针对系统运动状态处于特征模型中某特征 状态时与瞬态指标( 理想轨迹) 之间的差距和运动趋势，模仿人的决策控制行为设 计控制或校正模态以及模态中的具体参数。 3 5 本章小结 本章首先介绍了智能控制的产生，指出了控制的发展方向。接着介绍了仿人智 能控制理论的基本思想，仿人智能控制研究的主要目的不是被控制对象而是控制 器本身如何对控制专家结构和行为的模拟，其次，本章讨论了仿人智能控制的基本 概念，从不同的角度，不同控制层次对仿人智能控制理论进行了阐述，并给出基本 控制算法和控制特点。最后，介绍了仿人智能控制器的设计原理和基本设计步骤。 重庆大学硕士学位论文4 变电站电压无功仿人智能控制策略及仿真 4 变电站电压无功仿人智能控制策略及仿真 虽然第二章所提到的传统九区圉控制策略都在一定程度上能够满足运行要求， 但是实际上变电站的综合控制是一个多变量、强耦合的非线性控制问题，而传统的 控制方案中，无功调节判据是一个与电压无关的平行于电压坐标轴的固定边界，这 显然忽视了无功调节与电压调节的相关性。根据“保证电压合格，无功基本平衡， 尽量减少调节次数”的变电站电压和无功综合调节的基本原则，将仿人智能控制引 进电压无功综合控制，实现电压和无功的智能控制，以大大减少有载调压变压器分 接头和电容器组的动作次数，减少电压波动，提高功率因数，改善电压控制性能。 本章以第三章的仿人智能控制理论为指导，对变电站电压无功h s i c