混沌算法在電力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

國(guó)能長(zhǎng)源電力股份有限公司 翁 曉

隨著時(shí)代的進(jìn)步，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用到了自動(dòng)化控制。尤其是電氣自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，技術(shù)的發(fā)展催生了很多電氣自動(dòng)化設(shè)備，設(shè)備的應(yīng)用非常廣泛。針對(duì)電氣自動(dòng)化設(shè)備的應(yīng)用設(shè)計(jì)的電力控制系統(tǒng)也逐漸完善，在電力控制系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)差異或造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，因此，在進(jìn)行電力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候需要對(duì)設(shè)計(jì)的每個(gè)步驟都進(jìn)行嚴(yán)格的把關(guān)，以保證電力設(shè)備可以被電力控制系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制，系統(tǒng)的整體性可以得到充分發(fā)揮。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化可以增加系統(tǒng)控制的精確性。保證電能在輸送的過(guò)程中不出現(xiàn)意外，實(shí)現(xiàn)電能的輸送安全，并減少電能輸送的消耗量。

PID 控制器是在電力控制系統(tǒng)中經(jīng)常使用到的控制器，PID 控制器需要在使用之前進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定，參數(shù)設(shè)定的科學(xué)性決定了系統(tǒng)運(yùn)行的效果。因此在控制系統(tǒng)的優(yōu)化當(dāng)中，PID 控制器的參數(shù)優(yōu)化控制效果，能夠決定整個(gè)控制系統(tǒng)的能力，對(duì)PID控制器進(jìn)行合理有效的設(shè)定，能夠?qū)﹄娏刂葡到y(tǒng)安全性能進(jìn)行保障。所以對(duì)PID 控制器參數(shù)進(jìn)行制約成為了電力控制系統(tǒng)保障輸電安全的一種手段。PID 控制器自動(dòng)化控制是建立在系統(tǒng)完善運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，參數(shù)的優(yōu)化可以依賴于求解并優(yōu)化工程中的參數(shù)設(shè)置函數(shù)。將控制參數(shù)的設(shè)置轉(zhuǎn)變?yōu)楹瘮?shù)的計(jì)算。通過(guò)相關(guān)的計(jì)算公式構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，用模型求解出參數(shù)的優(yōu)化，以此實(shí)現(xiàn)電力控制系統(tǒng)的優(yōu)化。

傳統(tǒng)優(yōu)化方式相比較建立數(shù)學(xué)模型的方式更繁瑣，且無(wú)法保障控制的基本偏差。考慮對(duì)象對(duì)于參數(shù)的要求且選擇的算法需要通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)才能符合控制的精度。優(yōu)化使用的算法就是優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，混沌算法可以節(jié)省過(guò)渡性計(jì)算，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)和設(shè)置設(shè)備參數(shù)中也可以使用混沌算法。傳統(tǒng)的電氣控制往往需要工作經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員進(jìn)行專業(yè)的測(cè)算，保證不同的電力控制系統(tǒng)可以與不同型號(hào)的PID 控制器匹配。經(jīng)驗(yàn)不足的人員會(huì)因?yàn)閰?shù)設(shè)定的難度加大而變得不知所措，通過(guò)混沌算法優(yōu)化PID 控制器參數(shù)調(diào)整可降低系統(tǒng)操作難度。

1 基于混沌算法進(jìn)行控制系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化

基于混沌自身規(guī)律，對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可以提升最優(yōu)解的獲得效率。將系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行劃分，依賴混沌變量的變化對(duì)搜索變量進(jìn)行調(diào)整，混沌算法可以提升電子系統(tǒng)參數(shù)選擇的效率。尤其對(duì)于數(shù)據(jù)規(guī)模較小的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，算法的加入效率提升很明顯。但對(duì)于數(shù)據(jù)規(guī)模較大的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要優(yōu)化電力控制系統(tǒng)的參數(shù)。但可以通過(guò)縮短最優(yōu)解的搜索時(shí)間的方法降低提升效率的難度。但無(wú)論哪種方法，都與遍歷性有很大關(guān)系。

遍歷性是指在一定的范圍內(nèi)經(jīng)歷該范圍時(shí)算法的變換狀態(tài)。這種狀態(tài)的變化是有規(guī)律可循的，基于該算法的遍歷性，在對(duì)電器系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)中，通過(guò)完全搜索和混沌搜索法的運(yùn)算，可以排除系統(tǒng)中的最小值，以此來(lái)優(yōu)化傳統(tǒng)搜索方式中適應(yīng)性差的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)混沌映射函數(shù)的計(jì)算，利用數(shù)學(xué)建模的方式成功的解決控制系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題，將函數(shù)普通變量變?yōu)榛煦缱兞浚谒惴ㄖ谢诨煦缢惴ǖ闹苯铀阉鳎黾恿讼到y(tǒng)參數(shù)選擇的科學(xué)性。

2 基于混沌算法進(jìn)行控制系統(tǒng)最優(yōu)解的選擇

在參數(shù)優(yōu)化之后，通過(guò)混沌算法算出最優(yōu)解，以便實(shí)現(xiàn)電力控制系統(tǒng)的有效控制。搜索混沌變量已經(jīng)通過(guò)遍歷性實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化，比起傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)中的隨機(jī)參數(shù)搜索歷時(shí)更短。混沌算法最優(yōu)解的選擇共分為兩個(gè)階段，首先將p(a)函數(shù)進(jìn)行迭代映射，混沌變量會(huì)在軌道上進(jìn)行最優(yōu)解搜索，針對(duì)電氣系統(tǒng)的最優(yōu)解目標(biāo)進(jìn)行特征分析，此時(shí)屬于最優(yōu)解的初級(jí)搜索，搜索得到的狀態(tài)僅僅處于滿足終止搜索條件的地步。電力控制系統(tǒng)中的控制器的結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)并不復(fù)雜，混沌算法對(duì)環(huán)境的適應(yīng)力也很強(qiáng)，在第一步調(diào)整的參數(shù)較少。

如圖1所示，設(shè)置足夠的搜索時(shí)間就一定可以找到控制的解答最優(yōu)化方案。求解最優(yōu)解以第一部分的最優(yōu)參數(shù)作為起點(diǎn)，利用混沌算法進(jìn)行局部細(xì)節(jié)的搜索。算法按照準(zhǔn)則完成計(jì)算并顯示已經(jīng)按照完成條件完成搜索，混沌變量本身也完成了附加擾動(dòng)。調(diào)節(jié)控制器的自適應(yīng)系數(shù)，將轉(zhuǎn)入輸入的控制信號(hào)設(shè)置為rk，則系統(tǒng)的控制過(guò)程為rk=b(k)-b1(k)，式中k 代表混沌參數(shù)的系數(shù)，取值范圍為k＞0，控制信號(hào)是由混沌算法的關(guān)聯(lián)搜索結(jié)果轉(zhuǎn)換而來(lái)的，由于該算法的自適應(yīng)能力很強(qiáng)，因此在k 的調(diào)整過(guò)程中加上圖1中的HBBE 學(xué)習(xí)規(guī)則，增加控制系統(tǒng)的控制精度。

圖1 基于混沌算法的電力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證混沌算法在電力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)，采用本文設(shè)計(jì)的電力控制方法與向傳統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)電力控制方法、動(dòng)態(tài)屬性智能權(quán)重電力控制方法進(jìn)行比較，比較三種方法的控制精度。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

采用混沌算法對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行故障恢復(fù)分析，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)載編碼，將備用供電路徑進(jìn)行編碼，采用三值化編碼的方式，1代表該線路為正常狀態(tài)，可以進(jìn)行正常的供電，0代表該電路沒(méi)有進(jìn)行供電，處于無(wú)電狀態(tài)。2代表該電路此時(shí)沒(méi)有進(jìn)行供電，但是正常的供電電路，通常情況下為備用電路。對(duì)供電電路進(jìn)行編碼，先對(duì)0和1兩種非備用線路進(jìn)行編碼，分為非正常負(fù)載編碼和正常負(fù)載編碼。將混沌數(shù)值編碼進(jìn)行初始化處理。使用Tent 混沌映射方法，其初始化的公式為：

其中初始值的R 的取值為0～1且是隨機(jī)進(jìn)行抽取，x 為系數(shù)，r 為混沌量。實(shí)驗(yàn)中混沌算法的推理規(guī)則如表1。采用混沌算法進(jìn)行預(yù)測(cè)在單位時(shí)間內(nèi)某支路出現(xiàn)短路故障的可能性，停用某個(gè)支路并進(jìn)行線路的更新和維護(hù)，以便重新進(jìn)行供電方案的制定。供電恢復(fù)的示意圖如圖2。對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行維修之后，電路恢復(fù)方案按照混沌算法的應(yīng)用流程進(jìn)行。

圖2 電路恢復(fù)方案示意圖

表1 混沌變量的推理規(guī)則

3.2 仿真結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)四次迭代結(jié)果，發(fā)現(xiàn)只需四次就能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)解的選擇，同時(shí)可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。結(jié)果采用向量表示，為（1,1,0,2,1,1,2,1,2,2,0,0,1,0,1,2,1,2,1,2,0,0,0）。將本文方法與另兩種現(xiàn)有控制方法進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2所示。由此可知，使用本文設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行供電恢復(fù)，線路在恢復(fù)的時(shí)候采用的開(kāi)關(guān)次數(shù)只有5次，開(kāi)關(guān)的次數(shù)越少供電恢復(fù)的速度越快，開(kāi)關(guān)次數(shù)越多同時(shí)需要改變供電路徑的負(fù)載也更多。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜上，本文將混沌算法與電力控制系統(tǒng)相結(jié)合，與傳統(tǒng)的電力控制系統(tǒng)相比控制的效率提升了。但由于本文缺乏相關(guān)的時(shí)間數(shù)據(jù)，因此提出的方法過(guò)于理想化，希望在日后的研究中可以進(jìn)行實(shí)踐性的分析，增加電力控制系統(tǒng)優(yōu)化的數(shù)據(jù)支撐。