基于学习自动化的混杂电力系统紧急频率控制

基于学习自动化的混杂电力系统紧急频率控制

唐备英

万宁水业公司 海南万宁 571500

摘要：本文介绍了可编程控制控系统（PLC），提出了一种基于自动学习的应急系统频率控制混合控制结构模型。最后，通过算例说明了所提出的应急频率、控制模型、策略和算法的可行性和有效性。

关键词：自动化；混杂电力系统；紧急频率；可编程控制控

前言：

自来水控制系统规模日益扩大，故障时有发生，这些都是局部错误造成的。由于自来水控制系统具有明显的复杂性、不确定性、非线性、多速性和组织简单等特点，传统的控制理论和决策方法难以解决应急控制系统的功率问题。基于PLC技术的混合控制系统理论来源于控制和计算机科学的研究，是解决此类混合系统控制问题的有效理论工具。事实上，电力系统具有混杂性和非输入性的特点，其主要性能是连续变量动态系统与离散事件具有强相互作用的动态系统。在电力系统紧急控制中，这种混合特性尤为明显，提出了一种基于PLC的混合动力系统控制建模方法。研究了混合动力系统紧急频率控制模型，并给出了仿真实例。

一、混合控制系统理论

近年来，混合系统动态特性的研究主要集中在控制器性能的分析和设计上。PLC技术的出现确实使混合系统变得非常普遍。使用混合模型描述动态行为有很多优点，混合系统是通过在不同抽象层次上合并动态过程模型来实现的。基于PLC技术的混合控制系统，是离散调度规则与连续过程控制相互作用的产物。为智能自来水控制系统分析与综合提供了一个基本的框架和方法。目前，PLC技术广泛应用于自来水控制、智能自来水流速控制系统。例如，为了避免直接处理自来水控制系统中的一组非线性方程组，我们可以从一组更简单的方程开始，例如线性表，然后在这些更简单的模型之间切换。这种简单动态系统之间的切换控制已经成功地应用了几十年。

二、混杂电力系统紧急频率控制的特点

PLC系统应急控制，是指系统正常运行期间，在受到严重干扰后的异常运行状态时所触发的控制动作。在此期间，系统的频率和电压与额定值相差较大，甚至超出允许范围，直接影响正常充电供电。如果不及时采取有效措施，系统的运行状态将进一步恶化，甚至可能失去稳定性，它必须被安排成几个较小的系统，否则甚至会发生大规模停电。及时、迅速采取有效措施，防止频率下降，用户应尽可能在不引起频率故障的情况下停止使用，而不是以切断负荷为主要手段抑制频率下降。频率明显降低时应采取应急控制措施；包括备用发电系统的有功功率必须立即增加；水电机组必须立即由调相运行改为发电运行；水泵厂运行的装置必须立即切换到发电运行，装置动作迅速，用低频放电装置断开部分负荷。

本文研究的基于PLC技术的混杂系统是一个动态系统，其行为是连续离散动态相互作用的结果。系统通常包含连续集合（如实数集合）中的变量或信号值，以及离散集合中的变量值，尤其是有限集合中的变量值（如符号集{a，B，C}）。这些连续或离散变量或信号依赖于独立变量，如连续或离散时间变量。混合控制系统由两个子系统组成，具有不同的类型和相互作用。一个是连续潮汐动力子系统，另一个是离散事件动力子系统。

三、系统组成及功能实现

（1）选用西门子S7-300，中央控制站选用就地工业控制器和控制组态软件，选用生态王满足水监控系统的功能要求。该配置具有可靠性高、可用性好、性价比高等特点，这是一个理想的系统配置方案。实际应用也证明了程序的正确性。该系统基于一个独立的总线控制系统PROFIBUS。二层是控制层，完成自来水控制流程，二层还可以连接到公司的管理信息系统，接受管理层分配的任务，并向管理信息系统提供生产数据。

（2）系统功能及建立全厂管理系统，对一定数量的在线监测，通过现场监测设备采集传感器和信号，将无线数据传输到监控中心，将监控中心的计算机分析数据，然后合理安排各项操作，使水厂生产线安全可靠运行。

系统的主要功能有：数据处理；实时显示功能；遥测功能：定时巡检、手动呼叫巡检、手动位置巡检；遥控功能：远程定位；远程报文功能；远程调整功能：远程位置调整；报警输出功能；终端故障报警功能；正时标定和正时功能。PLC完成的具体任务包括：现场信号采集和处理；日运行时间统计；状态监测：监测电源是否可用、水泵是否接通、开关是否接通，无论数字传输是否开启，以及手动控制和自动控制、远程控制和闭合控制等开关量自动控制泵开关；系统故障输出控制站专用报警终端；日历、时间和学校功能；设定水压、水位报警限值，水位上下限值；超限、故障自动处理和报告；数据存储在指定时间段内。

四、基于学习自动机的电力系统混合控制模型

（一）学习自动机

PLC控制系统是一个由空间、时间和变量组成的动态系统，这是建立动态离散事件模型的有效工具。随着计算机科学的进步，PLC技术得到了广泛的应用。它被用于基础研究和有限的产品中。PLC技术是一种有限自动控制系统，它是指任何能够实现强化系统的物理或生物系统。在应用和工程中，学习机在解决非线性和非常不确定问题方面具有明显的优势。

基于PLC技术的学习系统本质上是一种概率的迭代学习，它不同于基于试验的离线学习和基于学习偏离目标的多重学习。绩效评估单元评估学习系统的行为反应，进行惩罚或奖励。采用积分增强算法调整学习自动机状态的概率分布，并根据概率分布调整学习自动机的输出，以达到预定目标。固结复励算法有很多种，如mahenn-Shapiro固结加筋算法、Luce固结复励算法，可根据实际情况制定相应的方案。

（二）基于PLC技术的混合控制系统结构

整个模型分为两层，顶层为离散动态事件系统（DEDS），底层为连续变量控制系统（CVC）。在底层，采用了一系列的静态和动态模型来进行电力系统的控制，而原来的模型仍然在这里使用。上层在整个混合控制系统中起着监控和决策的作用。当事件发生时，上层决策环节通过对下层连续采样，决定在下层激活哪个控制器（或哪个控制器），并将相关结果传送到系统教学中。根据决策过程的结果，要求学习系统采用适当的策略和算法来调整下一在线级控制器模型（或部件）的参数。

五、混杂电力系统紧急控制的一种设计方案

通过对混合动力系统的理论分析，我们可以利用上述方法对混合动力系统进行分析。控制系统由三个不同级别的部件组成：

（1）底层由实际电力系统网络和控制器组成。控制器部分包括连续控制器和离散控制器。连续调节器包括子自来水控制系统中的发电机诱导调节器和转速调节器。

（2）中间层是转换接口层，包括事件检测和识别权发生器；以及控制。检测和事件识别主要是根据从自来水控制系统测得的信号来判断故障系统的先前状态。控制器生成器为控制器的工作方式生成规则，确定哪个控制器及其工作方式。

（3）上层包括三个部分：事件状态分析、离散事件决策与最优控制决策。分析事件的状态主要是基于电力系统的当前状态（故障后），找出自来水控制系统故障的原因。离散事件决策是指对状态变量进行经济控制，保证系统安全稳定运行，其中安全问题是第一位的。最优控制决策是根据被控对象的运行状态变量确定具体的控制措施。例如，如果自来水控制系统事件状态的分析结果表明需要控制频率（这里，系统故障是由波的频率引起的），我们可以从图中看出影响频率的主要方法有三种，切发电机、切负荷和列柱系统）。

六、结束语

从本文的分析可以看出，基于混合控制系统理论和学习自动机可以有效地建立混合应急控制系统。在建立系统模型时不需要精确的数据和模型信息，这当然是构建具有明显特征的混合动力系统模型（PLC技术）的有力工具。这可以从紧急频率控制的例子中看出，本文提出的方法对于解决应急控制问题是可行和有效的。

参考文献:

[1]韩景红， 秦世引， 宋永华. 基于学习自动机的混杂电力系统紧急频率控制[J]. 电力系统自动化， 2000， 24(018):8-12.

[2]吕书强， 秦世引， 宋永华. 混杂电力系统频率紧急控制的Petri网建模与仿真[J]. 电力系统自动化， 2001， 25(006):4-8.