本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)領(lǐng)域智能控制技術(shù),特別涉及一種多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率的約束GPC(Generalized Predictive Control,廣義預(yù)測(cè)控制)優(yōu)化控制方法。
背景技術(shù):
現(xiàn)代電力系統(tǒng)的一個(gè)重要特征就是分層分區(qū)互聯(lián)運(yùn)行,負(fù)荷頻率控制是保證多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的一項(xiàng)重要措施。多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制的基本原理是將頻率和聯(lián)絡(luò)線交換功率組成的區(qū)域控制偏差作為控制信號(hào),通過(guò)設(shè)計(jì)有效的控制策略實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組有功功率快速且精準(zhǔn)地跟蹤系統(tǒng)的負(fù)荷變化。因此,如何設(shè)計(jì)有效的負(fù)荷頻率控制策略保證多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。
目前,多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制的主流技術(shù)主要包括PID控制、滑模控制、模糊控制等,雖然在不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工況下都有不錯(cuò)的應(yīng)用效果,但由于多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)具有非線性、不確定性和復(fù)雜的約束條件,現(xiàn)有技術(shù)都難以完全滿足在系統(tǒng)復(fù)雜工況和不確定性因素下的穩(wěn)定運(yùn)行要求和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求。因此,針對(duì)多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)復(fù)雜約束條件和不確定性,如何設(shè)計(jì)有效的負(fù)荷頻率控制方法已經(jīng)成為多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。
廣義預(yù)測(cè)控制(Generalized Predictive Control,GPC)作為一種典型的模型預(yù)測(cè)控制方法,已在化工過(guò)程系統(tǒng)、機(jī)器人、飛行器等領(lǐng)域得到了較為成功的應(yīng)用,但在多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制中還鮮有應(yīng)用。多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制問(wèn)題本質(zhì)上可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)典型的約束GPC問(wèn)題。但目前,帶有復(fù)雜約束條件的約束GPC的高效求解也是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程應(yīng)用領(lǐng)域公認(rèn)的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率的約束GPC優(yōu)化控制方法。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率的約束GPC優(yōu)化控制方法,該方法包括以下步驟:
(1)通過(guò)小信號(hào)機(jī)理分析建模方法建立多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率的狀態(tài)空間模型:
Y=CX (2)
其中狀態(tài)變量X=[X1,X2,…,Xn],系統(tǒng)輸入U(xiǎn)=[U1,U2,…,Un],負(fù)荷擾動(dòng)W=[W1,W2,…,Wn],系統(tǒng)輸出Y=[Y1,Y2,…,Yn],n表示分區(qū)的數(shù)量,第i個(gè)狀態(tài)向量為Xi=[Δfi,ΔPmi,ΔPvi,ΔPti]T,Δfi表示第i個(gè)分區(qū)的頻率偏差,ΔPmi表示第i個(gè)分區(qū)的發(fā)電功率偏差,ΔPvi表示第i個(gè)分區(qū)的調(diào)節(jié)閥位置偏差,ΔPti表示第i個(gè)分區(qū)的聯(lián)絡(luò)線功率偏差;第i個(gè)系統(tǒng)輸入為Ui=ΔPri,ΔPri表示第i個(gè)分區(qū)的負(fù)荷參考設(shè)定值;第i個(gè)負(fù)荷擾動(dòng)為Wi=ΔPLi,ΔPLi表示第i個(gè)分區(qū)的負(fù)荷擾動(dòng)偏差;第i個(gè)系統(tǒng)輸出為Yi=ACEi=β1iΔfi+β2iΔPti,ACEi表示第i個(gè)區(qū)域控制偏差,β1i和β2i分別表示第i個(gè)分區(qū)頻率偏差和聯(lián)絡(luò)線功率偏差對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù);A、B、C、E分別表示多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣、輸入矩陣、輸出矩陣和擾動(dòng)矩陣,具體描述如下:
其中,Di表示第i個(gè)分區(qū)發(fā)電機(jī)的負(fù)荷頻率變化量比值系數(shù),Mai表示第i個(gè)分區(qū)發(fā)電機(jī)組的總慣性時(shí)間系數(shù),TGi表示第i個(gè)分區(qū)的調(diào)速器時(shí)間常數(shù),TCHi表示第i個(gè)分區(qū)的汽輪機(jī)時(shí)間常數(shù),Tij表示第i個(gè)分區(qū)和第j個(gè)分區(qū)之間聯(lián)絡(luò)線功率同步系數(shù),Rfi表示第i個(gè)分區(qū)的發(fā)電機(jī)組的下垂系數(shù)。
(2)通過(guò)Z變換建立多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率的受控自回歸積分滑動(dòng)平均模型:
其中y(k)表示系統(tǒng)在k時(shí)刻的輸出信號(hào),u(k-1)表示在k-1時(shí)刻的控制輸出信號(hào),ω(k-1)表示在k-1時(shí)刻的負(fù)荷擾動(dòng)信號(hào),ε(k)表示均值為0且方差為δ2的n維白噪聲,Δd表示差分因子,Δd=1-z-1;表示關(guān)于z-1的n×n維對(duì)角矩陣,表示關(guān)于z-1的n×m維矩陣,表示關(guān)于z-1的n×p維矩陣,其中的第i個(gè)對(duì)角元素的第i行第j列元素的第i行第j列元素的表達(dá)式如下:
其中,表示各階次的系數(shù),表示各階次的系數(shù),表示各階次的系數(shù),nai和nbij分別表示和的最高階次。(3)設(shè)置參數(shù)值:預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度N,控制域長(zhǎng)度Nu,權(quán)重系數(shù)矩陣Q、R1和R2,柔化系數(shù)矩陣αj,種群規(guī)模p,變異系數(shù)b,最大迭代次數(shù)Imax;
(4)讀取當(dāng)前時(shí)刻k(k=1,2,…,tmax)的歷史信息,包括系統(tǒng)輸出信號(hào)y(k-1),…,y(k-na)和控制器輸出信號(hào)u(k-1),…,u(k-nb),tmax表示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)窗的最大值。
(5)隨機(jī)產(chǎn)生滿足約束條件的實(shí)數(shù)編碼的種群P={S1,S2,…,Sp},其中第i個(gè)體Si表示待優(yōu)化的控制增量序列{Δu(k),Δu(k+1),…,Δu(k+Nu-1)},具體產(chǎn)生過(guò)程如下:
Si=Δumin+ri(Δumax-Δumin),i=1,2,...,p
其中,Δumin和Δumax分別表示控制增量序列的下限和上限,ri表示一組在0和1之間產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)。
(6)按照公式(4)~(10)所示的約束GPC優(yōu)化目標(biāo)對(duì)種群P進(jìn)行適應(yīng)度函數(shù)評(píng)價(jià),獲得當(dāng)前時(shí)刻k種群P的最好適應(yīng)度函數(shù)Fbest=min{F(P,k)},將對(duì)應(yīng)的個(gè)體設(shè)置為最好個(gè)體Sbest,其中F(P,k)表示當(dāng)前時(shí)刻k種群P的適應(yīng)度集合,
s.t.Δumin≤Δu(k+i-1)≤Δumax,i=1,2,...,Nu (5)
umin≤u(k+i-1)≤umax,i=1,2,...,Nu (6)
ymin≤y(k+j)≤ymax,j=1,2,...,N (7)
Δu(k+i-1)=u(k+i-1)-u(k+i-2) (8)
ω(k+j)=αjω(k+j-1)+(1-αj)yr(k),ω(k)=y(tǒng)p(k),j=1,2,...,N (9)
y(k+j)=Gj(z-1)Δu(k+j-1)+Hj(z-1)Δu(k-1)+Fj(z-1)y(k),j=1,2,...,N (10)
其中,y(k+j)表示系統(tǒng)的預(yù)測(cè)輸出信號(hào),ω(k+j)表示參考軌跡,yr(k)表示設(shè)定輸入信號(hào),yp(k)為系統(tǒng)實(shí)際輸出信號(hào),Q、R1、R2表示權(quán)重系數(shù)矩陣,umin和umax分別表示控制序列的下限和上限,ymin和ymax分別表示預(yù)測(cè)輸出信號(hào)的下限和上限,公式(10)所示的y(k+j)的計(jì)算方法為求取如下丟番圖方程(11)~(12)獲得:
其中,l0,l1,…,lj-1表示多項(xiàng)式Lj(z-1)各階次的系數(shù),fj0,fj1,…,fjna表示多項(xiàng)式Fj(z-1)各階次的系數(shù),g0,g1,…,gj-1表示多項(xiàng)式Gj(z-1)各階次的系數(shù),hj0,hj1,…,hj(nb-1)表示多項(xiàng)式Hj(z-1)各階次的系數(shù),na和nb分別表示Fj(z-1)和Hj(z-1)的最高階次。
(7)按照公式(13)~(14)所示的實(shí)數(shù)變異操作因子產(chǎn)生新的種群Pm={Sm1,Sm2,…,Smp},并無(wú)條件地接受P=Pm;
其中r、r1是[0,1]范圍內(nèi)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù),t表示當(dāng)前迭代次數(shù),b為變異操作的可調(diào)系數(shù),Imax為用戶設(shè)定的最大迭代次數(shù),γ(t,α)表示關(guān)于t和α的函數(shù),α的具體描述如下:當(dāng)r<0.5時(shí),α=Δumax-Si,否則α=Δumax-Si。
(8)重復(fù)步驟(6)~(7)直到優(yōu)化求解器的迭代次數(shù)達(dá)到Imax,并保存Sbest={Δu*(k+j),j=0,1,…,Nu-1};
(9)計(jì)算在最優(yōu)控制增量Δu*(k)作用下的當(dāng)前時(shí)刻k對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸出y*(k)和u*(k),并設(shè)置為Δu(k)=Δu*(k),y(k)=y(tǒng)*(k),u(k)=u*(k)。
(10)重復(fù)步驟(4)~(9)直到系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)窗達(dá)到tmax,輸出多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)最優(yōu)系統(tǒng)輸出曲線、最優(yōu)控制增量信號(hào)曲線和最優(yōu)控制信號(hào)曲線。
本發(fā)明的有效效果是:采用本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率優(yōu)化控制效果,具有現(xiàn)有技術(shù)所不具備的以下優(yōu)點(diǎn):在多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷變化干擾等情形下的各區(qū)系統(tǒng)的頻率偏差和聯(lián)絡(luò)線功率偏差波動(dòng)更小,穩(wěn)定時(shí)間更短,穩(wěn)態(tài)誤差更小,魯棒性更強(qiáng)。
附圖說(shuō)明
圖1是一個(gè)兩區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖;
圖2是多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率的約束GPC優(yōu)化控制方法的原理示意圖;
圖3是多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率的約束GPC優(yōu)化控制方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明,本發(fā)明的目的和效果將更加明顯。
圖1為一個(gè)兩區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。以該系統(tǒng)為例,采用本發(fā)明提出的控制方法進(jìn)行實(shí)施。圖2是多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率的約束GPC優(yōu)化控制方法的原理示意圖;圖3是多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率的約束GPC優(yōu)化控制方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程示意圖。
所述的一種多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率的約束GPC優(yōu)化控制方法,包括以下步驟:
(1)通過(guò)小信號(hào)機(jī)理分析建模方法建立多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率的狀態(tài)空間模型:
Y=CX (2)
其中狀態(tài)變量X=[X1,X2],系統(tǒng)輸入U(xiǎn)=[U1,U2],負(fù)荷擾動(dòng)W=[W1,W2],系統(tǒng)輸出Y=[Y1,Y2],第i個(gè)狀態(tài)向量為Xi=[Δfi,ΔPmi,ΔPvi,ΔPti]T,Δfi表示第i個(gè)分區(qū)的頻率偏差,ΔPmi表示第i個(gè)分區(qū)的發(fā)電功率偏差,ΔPvi表示第i個(gè)分區(qū)的調(diào)節(jié)閥位置偏差,ΔPti表示第i個(gè)分區(qū)的聯(lián)絡(luò)線功率偏差;第i個(gè)系統(tǒng)輸入為Ui=ΔPri,ΔPri表示第i個(gè)分區(qū)的負(fù)荷參考設(shè)定值;第i個(gè)負(fù)荷擾動(dòng)為Wi=ΔPLi,ΔPLi表示第i個(gè)分區(qū)的負(fù)荷擾動(dòng)偏差;第i個(gè)系統(tǒng)輸出Yi=ACEi=β1iΔfi+β2iΔPti,ACEi表示第i個(gè)區(qū)域控制偏差,β1i和β2i分別表示第i個(gè)分區(qū)頻率偏差和聯(lián)絡(luò)線功率偏差對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù),在此i=1,2,β11=β21=1,β12=β22=0.5;A、B、C、E分別表示多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣、輸入矩陣、輸出矩陣和擾動(dòng)矩陣,具體描述如下:
其中,Di表示第i個(gè)分區(qū)發(fā)電機(jī)的負(fù)荷頻率變化量比值系數(shù),D1=2.1,D2=2.6;Mai表示第i個(gè)分區(qū)發(fā)電機(jī)組的總慣性時(shí)間系數(shù),Ma1=3.4,Ma2=3.8;TGi表示第i個(gè)分區(qū)的調(diào)速器時(shí)間常數(shù),TG1=35,TG2=27;TCHi表示第i個(gè)分區(qū)的汽輪機(jī)時(shí)間常數(shù),TCH1=45,TCH1=12;Tij表示第i個(gè)分區(qū)和第j個(gè)分區(qū)之間聯(lián)絡(luò)線功率同步系數(shù),T12=7.52;Rfi表示第i個(gè)分區(qū)的發(fā)電機(jī)組的下垂系數(shù),Rf1=0.04,Rf2=0.06。
(2)通過(guò)Z變換建立多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率的受控自回歸積分滑動(dòng)平均模型:
其中y(k)表示系統(tǒng)在k時(shí)刻的輸出信號(hào),u(k-1)表示在k-1時(shí)刻的控制輸出信號(hào),ω(k-1)表示在k-1時(shí)刻的負(fù)荷擾動(dòng)信號(hào),ε(k)表示均值為0且方差為δ2的n維白噪聲,Δd表示差分因子,Δd=1-z-1;表示關(guān)于z-1的n×n維對(duì)角矩陣,表示關(guān)于z-1的n×m維矩陣,表示關(guān)于z-1的n×p維矩陣,其中的第i個(gè)對(duì)角元素的第i行第j列元素的第i行第j列元素的表達(dá)式如下:
其中,表示各階次的系數(shù),表示各階次的系數(shù),表示各階次的系數(shù),nai和nbij分別表示和的最高階次。(3)設(shè)置參數(shù)值:預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度N=4,控制域長(zhǎng)度Nu=8,權(quán)重系數(shù)矩陣Q=2×I4×4、R1=3×I8×8和R2=1.5×I8×8,I表示單位矩陣,柔化系數(shù)矩陣αj=0.3×I4×4,種群規(guī)模p=20,變異系數(shù)b=20,最大迭代次數(shù)Imax=30;
(4)讀取當(dāng)前時(shí)刻k(k=1,2,…,tmax)的歷史信息,包括系統(tǒng)輸出信號(hào)y(k-1),…,y(k-na)和控制器輸出信號(hào)u(k-1),…,u(k-nb),tmax表示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)窗的最大值,在此tmax=200。
(5)隨機(jī)產(chǎn)生滿足約束條件的實(shí)數(shù)編碼的種群P={S1,S2,…,Sp},其中第i個(gè)體Si表示待優(yōu)化的控制增量序列{Δu(k),Δu(k+1),…,Δu(k+Nu-1)},具體產(chǎn)生過(guò)程如下:
Si=Δumin+ri(Δumax-Δumin),i=1,2,...,p
其中,Δumin和Δumax分別表示控制增量序列的下限和上限,ri表示一組在0和1之間產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)。
(6)按照公式(4)~(10)所示的約束GPC優(yōu)化目標(biāo)對(duì)種群P進(jìn)行適應(yīng)度函數(shù)評(píng)價(jià),獲得當(dāng)前時(shí)刻k種群P的最好適應(yīng)度函數(shù)Fbest=min{F(P,k)},將對(duì)應(yīng)的個(gè)體設(shè)置為最好個(gè)體Sbest,其中F(P,k)表示當(dāng)前時(shí)刻k種群P的適應(yīng)度集合;
s.t.Δumin≤Δu(k+i-1)≤Δumax,i=1,2,...,Nu (5)
umin≤u(k+i-1)≤umax,i=1,2,...,Nu (6)
ymin≤y(k+j)≤ymax,j=1,2,...,N (7)
Δu(k+i-1)=u(k+i-1)-u(k+i-2) (8)
ω(k+j)=αjω(k+j-1)+(1-αj)yr(k),ω(k)=y(tǒng)p(k),j=1,2,...,N (9)
y(k+j)=Gj(z-1)Δu(k+j-1)+Hj(z-1)Δu(k-1)+Fj(z-1)y(k),j=1,2,...,N (10)
其中,y(k+j)表示系統(tǒng)的預(yù)測(cè)輸出信號(hào),ω(k+j)表示參考軌跡,yr(k)表示設(shè)定輸入信號(hào),yp(k)為系統(tǒng)實(shí)際輸出信號(hào),Q、R1、R2表示權(quán)重系數(shù)矩陣,umin和umax分別表示控制序列的下限和上限,ymin和ymax分別表示預(yù)測(cè)輸出信號(hào)的下限和上限,公式(10)所示的y(k+j)的計(jì)算方法為求取如下丟番圖方程(11)~(12)獲得:
其中,l0,l1,…,lj-1表示多項(xiàng)式Lj(z-1)各階次的系數(shù),表示多項(xiàng)式Fj(z-1)各階次的系數(shù),g0,g1,…,gj-1表示多項(xiàng)式Gj(z-1)各階次的系數(shù),表示多項(xiàng)式Hj(z-1)各階次的系數(shù),na和nb分別表示Fj(z-1)和Hj(z-1)的最高階次。
(7)按照公式(13)~(14)所示的實(shí)數(shù)變異操作因子產(chǎn)生新的種群Pm={Sm1,Sm2,…,Smp},并無(wú)條件地接受P=Pm;
其中r、r1是[0,1]范圍內(nèi)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù),t表示當(dāng)前迭代次數(shù),b為變異操作的可調(diào)系數(shù),Imax為用戶設(shè)定的最大迭代次數(shù),γ(t,α)表示關(guān)于t和α的函數(shù),α的具體描述如下:當(dāng)r<0.5時(shí),α=Δumax-Si,否則α=Δumax-Si。
(8)重復(fù)步驟(6)~(7)直到優(yōu)化求解器的迭代次數(shù)達(dá)到Imax,并保存Sbest={Δu*(k+j),j=0,1,…,Nu-1};
(9)計(jì)算在最優(yōu)控制增量Δu*(k)作用下的當(dāng)前時(shí)刻k對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸出y*(k)和u*(k),并設(shè)置為Δu(k)=Δu*(k),y(k)=y(tǒng)*(k),u(k)=u*(k)。
(10)重復(fù)步驟(4)~(9)直到系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)窗達(dá)到tmax,輸出多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)最優(yōu)系統(tǒng)輸出曲線、最優(yōu)控制增量信號(hào)曲線和最優(yōu)控制信號(hào)曲線。
通過(guò)對(duì)采用本發(fā)明技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析,我們可以發(fā)現(xiàn):在ΔPL1和ΔPL2多種變化工況下,采用本發(fā)明獲得的頻率Δf1和Δf2,聯(lián)絡(luò)線功率偏差ΔPt1和ΔPt2的波動(dòng)相比現(xiàn)有技術(shù)更小,穩(wěn)定時(shí)間更短,穩(wěn)態(tài)誤差更小。
綜上所述,本發(fā)明的有效效果是:采用本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷頻率優(yōu)化控制效果,具有現(xiàn)有技術(shù)所不具備的以下優(yōu)點(diǎn):在多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)負(fù)荷變化干擾等情形下的各區(qū)系統(tǒng)的頻率偏差和聯(lián)絡(luò)線功率偏差波動(dòng)更小,穩(wěn)定時(shí)間更短,穩(wěn)態(tài)誤差更小,魯棒性更強(qiáng)。