現(xiàn)代控制技術(shù)在電力輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用

關(guān)艷翠（新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,烏魯木齊　830021）

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現(xiàn)代控制技術(shù)在電力輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用

關(guān)艷翠
（新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,烏魯木齊830021）

摘 要:電力輸電系統(tǒng)的控制問題對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有深遠(yuǎn)的影響，其系統(tǒng)本身所具有的強(qiáng)非線性特性，需要先進(jìn)的控制技術(shù)以提高系統(tǒng)的性能。本文電力輸電系統(tǒng)中所用的非線性控制技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行簡述，以期能使現(xiàn)代控技術(shù)在電力輸電系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：控制技術(shù)；輸電系統(tǒng)；應(yīng)用

1　電力輸電系統(tǒng)非線性控制技術(shù)

高壓直流輸電和靈活交流輸電(HVDC&FACTS )技術(shù)的飛速發(fā)展，給電力輸電系統(tǒng)的控制技術(shù)提出了新的要求。為了有效利用輸電系統(tǒng)的資源、保護(hù)電網(wǎng)平穩(wěn)順利運(yùn)行，提高對(duì)電力系統(tǒng)振蕩穩(wěn)定、潮流分布、緊急事故及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的控制能力，必須采用先進(jìn)的控制理論和方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)電力輸電系統(tǒng)的控制。20世紀(jì)80年代末，電力系統(tǒng)控制專家盧強(qiáng)院士最早將非線性控制理論引入到電力系統(tǒng)，最近十多年來，學(xué)術(shù)界圍繞著非線性控制理論在電力系統(tǒng)的應(yīng)用開展了大量研究工作。按照控制方法的不同可以分為：反饋線性化方法、非線性魯棒控制方法等。

（1）反饋線性化方法。反饋線性化包括基于微分幾何理論的輸入對(duì)狀態(tài)進(jìn)行反饋線性化、直接反饋線性化、輸入輸出線性化、逆系統(tǒng)方法等，這些都是解決輸電系統(tǒng)非線性系統(tǒng)控制問題的有效途徑，其基本方法可概括為通過恰當(dāng)?shù)姆蔷€性坐標(biāo)變換與非線性狀態(tài)反饋將非線性系統(tǒng)精確線性化，使其輸入、輸出之間關(guān)系用一個(gè)線性的模型來代替，然后再利用線性系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)和設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行分析與綜合。其中尤其是以基于微分幾何理論的非線性系統(tǒng)精確線性化的研究成果最多，并成功運(yùn)用于工程實(shí)踐，取得良好效果。例如反饋線性化在高壓直流輸電系統(tǒng)電壓源換流器的精確線性化設(shè)計(jì)的應(yīng)用。

（2）非線性魯棒控制法。現(xiàn)代電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中還存在著負(fù)荷的波動(dòng)變化、運(yùn)行方式的變換以及故障引起的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化等諸多不確定因素。為了解決這些難題，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)輸電系統(tǒng)非線性魯棒控制進(jìn)行了大量的研究。所謂魯棒性是指標(biāo)稱系統(tǒng)Σ0所具有的某一種性能品質(zhì)，對(duì)于具有不確定性的系統(tǒng)集(Σ0，ΔΣ)的所有成員均成立，亦即系統(tǒng)預(yù)期的設(shè)計(jì)品質(zhì)不因不確定性的存在而破壞。魯棒控制的實(shí)質(zhì)即是在進(jìn)行電力輸電控制系統(tǒng)的綜合分析時(shí)，充分考慮系統(tǒng)的不確定性（包括突發(fā)、意外等）因素，并采取各種優(yōu)化算法進(jìn)行處理，將不確定性的影響將到最低，從而使輸電系統(tǒng)保持良好的動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。電力輸電的非線性系統(tǒng)的魯棒控制研究與分析比線性系統(tǒng)要復(fù)雜得多，二者有著本質(zhì)的不同：非線性系統(tǒng)的魯棒控制內(nèi)容十分豐富，類型也較多。下面介紹幾種非線性系統(tǒng)的魯棒控制的思路。

第一種是對(duì)已經(jīng)通過精確反饋線性化方法線性化處理后的偽線性系統(tǒng)采用線性魯棒控制理論，進(jìn)而提高非線性電力輸電系統(tǒng)的魯棒性。一般的，符合一定條件的非線性電力輸電系統(tǒng)信號(hào)的擾動(dòng)通過狀態(tài)變換后可以變換成線性系統(tǒng)的信號(hào)擾動(dòng)，都可以通過線性H∞控制方法、線性變結(jié)構(gòu)控制方法等魯棒控制方法來使得該擾動(dòng)穩(wěn)定。例如李興源等人在高壓直流輸電系統(tǒng)非線性控制器的設(shè)計(jì)上，采用了精確反饋線性化與線性變結(jié)構(gòu)控制方法相結(jié)合的方法，使系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性能得到較大提高。

第二種是可通過狀態(tài)的變換使得非線性系統(tǒng)等效為新的標(biāo)準(zhǔn)型非線性系統(tǒng)，之后再將這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為帶非線性擾動(dòng)環(huán)節(jié)的線性系統(tǒng)，再運(yùn)用魯棒性的控制方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如于占勛就通過該思路研究了非線性變結(jié)構(gòu)控制方法在電力系統(tǒng)包括電力輸電、變電系統(tǒng)的應(yīng)用問題。美國的瞿志華等則結(jié)合Lyapunov直接法研究了非線性魯棒控制方法在交直流并聯(lián)電力輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

第三種是利用精確反饋線性化對(duì)某些較為特殊的非線性對(duì)象的非線性輸電系統(tǒng)進(jìn)行局部和部分線性化，然后再利用線性魯棒控制方法進(jìn)行綜合控制。王幼毅等就是采用DFL方法與變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制及其傳統(tǒng)線性控制方法等相結(jié)合的方法解決了多輸入多輸出的電力系統(tǒng)的非線性協(xié)調(diào)控制難題。

除了以上所提及的將精確反饋線性化方法與魯棒控制法二者結(jié)合生成的非線性魯棒控制方法以外，近年來非線性增益控制、gaekstepping方法、非線性模糊自適應(yīng)法、非線性PID控制等非線性控制方法在電力輸電系統(tǒng)也獲得了快速的發(fā)展。

2　電力輸電系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要依靠模擬人類神經(jīng)元的構(gòu)造，通過多個(gè)神經(jīng)元組合成一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，能夠通過自學(xué)習(xí)功能模擬強(qiáng)非線性系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于輸電系統(tǒng)的交直流電流控制, 和傳統(tǒng)的PID控制性能進(jìn)行比較，具有在大的運(yùn)行范圍內(nèi)具有最優(yōu)性能，可以在線調(diào)整參數(shù)和學(xué)習(xí)先驗(yàn)知識(shí)的優(yōu)點(diǎn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)還在輸電系統(tǒng)中的穩(wěn)定性、故障辨識(shí)和繼電保護(hù)中的控制中有廣泛的應(yīng)用。

已經(jīng)有研究利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超高壓輸電線路方向高頻保護(hù)，建立了3層BP網(wǎng)絡(luò)。該保護(hù)通過對(duì)被保護(hù)線路電壓、電流特征值的控制，不僅能自適應(yīng)地識(shí)別輸電線路在各種運(yùn)行方式和故障條件下的故障方向及故障相別，而且在整個(gè)時(shí)域上都具有準(zhǔn)確的識(shí)別能力，克服了各種方向高頻保護(hù)的缺陷，滿足了作為超高壓輸電線路主保護(hù)的控制要求。圖1為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的對(duì)線路保護(hù)控制結(jié)構(gòu)圖。

3　總結(jié)

綜上所述，電力輸電的交流輸電尤其是直流輸電系統(tǒng)是較為復(fù)雜的系統(tǒng), 其控制問題一直以來都是工程界關(guān)注的重點(diǎn)之一。現(xiàn)有的輸電系統(tǒng)現(xiàn)代控制機(jī)技術(shù)有了較深入的研究,與多種現(xiàn)代控制技術(shù)相結(jié)合，如非線性控制、魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，電力輸電系統(tǒng)獲得了良好的控制性能。還有部分研究正處于試驗(yàn)研究階段，這些研究也將為將為輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和規(guī)劃奠定了充分的理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Qiang Lu, Yuanzhang Sun and Gordon K. F. Lee, Nonlinear Optimal Excitation Control for Multimachine Systems [C]. Proc. of IFAC Symposium on Power System Modelling and Control Annlication. Brussels. Belgium. Sent., 1988 27-32

[2]范彬.自抗擾控制技術(shù)在輕型高壓直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].西南交通大學(xué),2013.

作者簡介：關(guān)艷翠（1981-），女，滿族，新疆烏魯木齊人，碩士，講師，研究方向：控制工程。

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.152