分層遞階控制理論與電力系統自動化研究

華北電力大學 鹽城供電公司 馮進兵

隨著電力業的發展以及科學技術的進步，電力系統的結構組成及運行方式越來越復雜多變，對電力系統的可靠性及運行的經濟性都提出了更高的要求。近年來，控制技術在不斷地拓展，控制方法也越來越多樣化，尤其是智能控制技術，在電力、冶金、化工、建材等行業得到了廣泛的應用。本文探討了職能控制技術在電力系統中的應用。

一、分層遞階控制理論

（一）分層遞階控制理論產生及發展

1977年，Saridis在針對機器人控制提出了一種智能控制的三級遞階結構。該思想在智能控制中有廣泛應用，并進一步推廣到了結合信息融合的集散遞階智能控制系統。分層遞階是人們分析和組織復雜系統的一種常用方法。無論是信息分析、還是行為控制，都有其層次性，在高層負責宏觀的信息和決策，在低層負責具體的數據和控制。其基本控制原理是精度隨智能降低而增大，即IPDI（Increasing Precision with Decreasing Intelligence）原理。分級遞階控制系統是由一個三層結構組成的，三層結構的主要內容包括組織級、協調級和執行級三個層次。分級遞階控制系統的結構示意圖見圖1。

1.組織級

組織級代表控制系統的主導思想具有最高的智能水平，負責整個系統的推理、規劃、決策、長期記憶、信息交流，并由人工智能起主導作用，主要進行基于知識的各種信息處理和決策。

2.協調級

協調級為組織級和執行級之間的連接裝置，涉及決策方式的表示，主要負責將組織級的指令進行整合分配成為各項子任務，并將任務的執行信息反饋出來，由人工智能和運籌學起主導作用。

3.執行級

執行級是智能控制系統的最低層次，要求具有最高的控制精度，并由常規控制理論進行控制，一般是由多個硬件控制器組成的，負責具體過程的控制。

（二）仿人智能控制

我國著名學者周其鑒、李祖樞教授提出的仿人智能控制理論(HSIC)是分層遞階控制理論的一個重要發展分支。仿人智能控制理論（HISC）研究的基本方法是：從分級遞階智能控制系統的最低層（運行控制級）著手，充分應用已有的控制理論成果和計算機仿真結果，直接對人的控制經驗、技巧和各種直覺推理邏輯進行測辨、概括和總結；并將其編制成各種簡單實用、精度高、能實時運行的控制算法，并直接應用于實際控制系統。仿人智能控制理論認為，智能控制為對控制問題求解的二次映射的信息處理過程，即從“認知”到“判斷”的定性推理過程和從“判斷”到“操作”的定量控制過程。

類似與Saridis的三元機構，仿人智能控制提出了由任務自適應級(TA)、參數自校正級(ST)和運行控制級(MC)組成的2階產生式系統結構，作為仿人智能控制體系中最基本的單元控制器(UC)，如圖2所示。

仿人智能控制系統(如圖3)的單元控制級UC具有二階產生式系統結構，能夠獨立地面向實際被控制的對象，自組織、自適應和自校正地完成實時控制任務。作為一高階產生式系統的各級，MC、ST和TA三級都有各自的規則庫RB、各自的特征辨識器Cl和推理機IE，三級之間蘊含的信息交換通過對公共數據庫CDB直接存取數據來完成。這種緊藕合的并行運行機制，便于單元控制器快速自適應過程的完成。對于某一個單一的被控對象，一個單元控制器已足以自主地完成控制問題的求解。同時，其中各級產生式系統還可通過特征記憶，實現學習功能，不斷提高控制品質。

此外，仿人智能控制理論提出了智能控制的分層信息處理與決策機構，是求解控制問題的一種高階產生式系統結構.按層次高低可分為，中樞司令級(CC)、組織協調級((X二)和單元控制級UC。

總之，仿人智能控制系統在結構和功能上具有以下基本特征：分層遞階的信息處理和決策機構（高階產生式系統結構）、在線的特征辨識和特征記憶、開閉環控制結合和定性決策與定量控制、結合的多模態控制、啟發式和直覺推理邏輯的應用。

二、仿人智能控制理論和電力系統自動化

（一）仿人控制理論在電力系統自動化中的應用

1995年，汪濤基和呂林等人把仿人智能控制理論中的部分理論和成果運用到了同步發電機組勵磁控制器中。由于勵磁控制過程可以理解為一個單輸人單輸出的單一被控對象，一個單元控制器已足以自主地完成控制問題的求解，汪濤基和呂林等人只使用了單元控制級中的ST和MC兩層。采用同步發電機組的△Pe、ωΔ、△I、△UG及其導數作為特征量，制定9條推理規則，即達到了比常規控制以及PSS控制方式更為優越的控制效果。1996年6月，依據仿人智能控制理論設計的勵磁控制器在云南省大寨電廠1#機組上正式投人運行，設備運行情況良好，性能穩定。但目前還沒有明確給出其設計的理論來源。對HSIC理論的應用在于對基本理論的應用。因此將HSIC理論全面地引人電力系統運行與控制中來，有利于集思廣義，促進電力系統自動化的進一步發展。

圖1 分級遞階控制系統的結構

圖2 單元控制器的基本結構

圖3 仿人智能系統的高階產生式系統結構

圖4 調度自動化系統

（二）電力自動化系統結構

電力系統自動化通常指對電力設備及系統的自動監視、控制和調度。按電力系統運行管理區域，可以將電力系統自動化分成電力系統調度白動化、發電廠自動化和變電站自動化。調度自動化系統的基本構成如圖4所示。其中主站(MS)安裝在調度所，遠動終端(RTU)安裝在各發電廠和變電站。MS和RTU之間通過遠動通道相互通信實現數據采集和監視與控制。主計算機是主站的核心，負責信息加工和處理，檢測一些參數是否越限，斷路器是否有變位等，將結果通過人機聯系設備向調度員報告，或向上級調度中心轉發等。電力系統調度自動化系統構成的一個重要特點是其分層結構。電力系統調度控制一般分為主調度中心、區域調度中心和地區調度中心三級。電力系統調度自動化的結構，與分層遞階的高階產生式智能控制系統非常一致。

電力自動化系統運作過程中，符合Saridis的“精度隨智能降低而提高”的原理。主調度中心只分配大的電網運行指標，低層的單元控制器只負責根據上級的指令，具體地實施對本單元內設備的控制。層次越低，則控制系統的被控量、控制量和參考值等指標越具體。

三、結束語

自動控制理論在電力系統的控制與運用中的應用有利于促進電力系統的自動化、智能化水平的提升，在今后的電力系統自動化發展過程中，廣大科研人員還應加強對分層遞階控制理論等先進的控制理論的理解和應用，并將其利用與仿人智能控制理論的研究和發展中，以加快電力系統自動化的發展，提高供電的安全性和可靠性。

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