混沌及其在電力工程中的應用研究進展

葉 明

[摘要]混沌理論是非線性科學的重要分支,具有豐富的內涵和廣博的外延空間,在很多領域都得到廣泛的應用。總結混沌的重要本質特性,即非線性和內隨機性、敏感性、遍歷性、分維性和廣譜等,分類討論利用這些混沌特性解決有關工程實際問題的應用情況;并以電力系統這一典型的大規非線性系統為背景,分析混沌理論在電力系統穩定分析及其控制、電力系統經濟調度與優化、電力統短期負荷預測以及電氣設備狀態監測等方面的應用研究進展。

[關鍵詞]混沌混沌工程電力工程混沌應用

中圖分類號:TU-0文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1210155-01

一、混沌理論研究與實際應用

混沌的含義:

混沌是自然界廣泛存在的一種非線性現象,其覆蓋面涉及到自然科學和社會科學的幾乎每一個分支。混沌動力學的研究成果為人們揭開了混沌神秘的面紗,同時也極大地促進了混沌應用的研究,混沌優化就是混沌應用研究領域的一個嶄新方向。混沌優化方法直接采用混沌變量進行搜索,搜索過程按混沌運動自身規律和特性進行,因而獲得最優解的可能性更大,是一種極有前途的優化手段。我們曾采用混沌優化方法進行模糊電力系統穩定器的最優設計,本文將混沌優化方法應用于電力系統靜態負荷模型參數辨識。

目前,混沌理論研究與實際應用之間有一定的差距,許多實際系統的數學模型無法求出,因此不能獲得詳細的動態特性。如何將理論成果應用到具體的生產實踐,把實驗研究成果轉向應用研究,發現并研究工程中出現的混沌并實時處理,消除實際系統中混沌不利的一面,還有大量的工作要做。而且,現有的研究成果多限于時間混沌控制,其它混沌的類型,如空間混沌、時空混沌及超混沌等應用研究仍是前沿課題,這些混沌系統的理論和方法有待進一步探索,特別是有關混沌和超混沌同步系統的魯棒性研究也將進一步展開。此外,還應把混沌從低維系統的研究推向高維系統,從一般系統的研究推向復雜的工程實際系統,從對低余維分叉的研究推向高余維退化分叉,進一步探索物理機制從而發現更新更好的方法,向機理研究、分類和構造理論等方向發展。

二、混沌理論在電力工程中的應用

電力系統實質上是一個強非線性的大系統,在一定條件下完全會出現混沌,其宏觀上表現為無規則的機電振蕩,嚴重時甚至會導致互聯系統解列,混沌現象貌似隨機的性質使得大多數電力系統分析和控制方法變得很不可靠。電力系統中混沌現象的研究始于20世紀80年代初期,人們最初是研究、分析和抑制混沌,如機電系統混沌振蕩、混沌與電壓驟降、電力經濟中的混沌、水輪發電機組調速系統中控制器參數誘發的混沌等。其次是在電力系統中應用混沌,如混沌應用于電站經濟運行最優負荷分配、靜態負荷模型辨識、模糊電力系統穩定器的參數優化以及短期負荷預測以及電氣設備狀態監測中信號的檢測方面等。

(一)在電力系統經濟調度與優化中的應用

將混沌優化方法應用于電力系統靜態負荷模型參數辨識,結果表明該方法具有較快的求解速度和較高的求解精度,是一種有效的負荷模型辨識方法。文獻[3]將混沌優化方法用于模糊電力系統穩定器的參數設計,從而避免了設計過程中大量的參數調試工作,同時也使模糊電力系統穩定器獲得最優的控制性能。在電力系統中還有很多優化問題用常規的優化方法解決不了,或只能達到局部優化結果,可以考慮利用混沌優化方法使其實現全局優化的目的。

(二)混沌用于電力系統的經濟調度與優化的實質

混沌用于電力系統的經濟調度與優化均是利用混沌運動的遍歷性和自身規律的不重復性所進行的全局尋優能力。基于混沌搜索的機理類似于遺傳算法,只是用混沌變量進行搜索。由于混沌遍歷的不重復性,使得它具有比依概率隨機遍歷更快的速度進行全局搜索。電力系統中需要優化的問題還很多,而且許多問題利用常規的優化方法或者難以解決,或者只能達到局部優化結果。因此,混沌給電力系統的全局優化提供了新的手段和工具。

(三)混沌在電力系統短期負荷預測中的應用

短期負荷預測是電力系統的一項基本工作,是安排開停機組計劃的基礎,其預測精度直接影響電力系統的經濟效益。長期以來,國內外電力工作者對短期負荷預測方法做了大量研究,提出了很多負荷預測算法,如時間序列法、神經網絡法、加權組合法、專家系統法、模糊神經網絡法等。但其收斂性和適應性均有不同程度的局限,并且由于影響負荷變化因素的復雜性和隨機性很難用數學模型描述,人們一直致力于探索各種新的計算方法。基于混沌理論對負荷序列進行相空間重構、分形維數計算、不確定性檢驗以及最大指數計算基礎上,進行電力系統短期負荷預測顯示出誘人的前景。

三、混沌運用在電力系統中的問題并實行有效的控制

由于電力系統運行的復雜性和保守性,以及對混沌理論本身研究的不完善,因此,在電力系統一定還會有許多的混沌現象沒有被發現,其中有些甚至有可能導致災難性的混沌行為。這一切均需要靠科技工作者不懈的努力和探索。

如何對電力系統中的混沌現象實施有效的控制已成為擺在電力工作者面前的迫切任務之一。混沌振蕩已成為電力系統穩定性研究的重要課題,而今天非線性科學的發展為這一方面的研究提供了很多好方法。

人們可望對電力系統復雜振蕩現象進行數學化描述,把握振蕩發生的機理和參數條件,從規律上認識混沌振蕩,力圖找到控制混沌振蕩形式和規模的有效方法并設計比電力系統穩定器,更加優越的電力系統控制器。混沌判定與混沌控制可能是電力系統混沌研究的重點,賈宏杰等人認為通過配置合理的電力系統穩定器,可為電力系統提供正阻尼作用,能夠抑制分叉和混沌現象的發生,謝華根據混沌控制原理,引入負載特性參數的微擾,有效抑制了電力系統電壓驟降的出現。混沌的控制問題既具有控制系統的一般性又具有其特殊性,這已引起廣大科技工作者的關注。關于混沌控制的研究,近幾年在國內外刊物上已有多篇論文出現,其控制方法有的是將成熟的控制理論移植到混沌系統的控制,有的則提出針對混沌系統的嶄新的理論方法。電力系統中混沌的穩定控制的研究有賴于控制理論和混沌控制理論本身的發展和完善。

參考文獻:

[1]劉秉正,非線性動力系統與混沌基礎[M].長春:東北師范大學出版社,2007.

[2]顧曉榮、薛禹勝,再同步中的混沌現象[J].電力系統自動化,2005,23(13):18-21.

[3]陳奉蘇,混沌學及其應用[M].北京:中國電力出版社,2007.