電力電氣控制閥的電壓節能控制方法

顏玉玲，武粉桃

（1.宜賓職業技術學院 電子信息與控制工程系，四川 宜賓 644004；2.西安電力電子技術研究所，陜西 西安 710061）

電力電氣控制閥的電壓節能控制方法

顏玉玲1，武粉桃2

（1.宜賓職業技術學院 電子信息與控制工程系，四川 宜賓 644004；2.西安電力電子技術研究所，陜西 西安 710061）

在對電力電氣控制閥的設計中，由于采用傳統方法電氣控制閥工作電壓運用不合理，導致電力在電氣方面能耗多。提出一種基于多層低誤差神經網絡的電壓調節方法，將其應用到電力電氣控制閥中，通過采用電力電氣系統電壓控制模型，消除當前存在的電力電氣控制閥電壓控制中的過控制和模糊控制等弊端，實現對電氣控制閥電壓幅度的準確控制，達到節能的目的。實驗結果表明，該模型可以對電力電氣控制閥的電壓實現高精度控制，在電力節能方面起到了很好的效果。

電壓節能；動態電壓；神經網絡；模糊控制

隨著我國社會經濟的快速發展，對電力的節能要求也越來越高，各種電氣設計朝著節能化發展，電力電氣控制閥的節能性能很大程度上決定著電力消耗的總體性能，其中，節能性能和電氣控制閥的電壓有著很大的關系。因此，選擇合適的方法對電力電氣控制閥的工作電壓進行控制，對于節能來說，有著較大的意義?，F有的大部分電力電氣控制閥都以電壓為工作單元，因此，對電力電氣設備的電壓進行合理控制，是實現電力節能控制的關鍵。我國對相關學科的研究還處在起步階段，但是，隨著節能這項國策推廣程度的加深，相關方法也引起了社會各界越來越多的關注[1-2]。

當前電力電氣控制閥的節能研究，幾乎都以控制閥門開關為主[3-4]，大都通過智能化來判斷一些特殊的場景，對開關進行智能化的開啟、關閉動作，進而完成電力節能控制。電力電氣控制閥的組成形式較為復雜，受電壓波動情況影響較大，電壓無法形成有效、無干擾的供給，造成設備長期處在波動電壓控制下，不但對設備的壽命造成了影響，而且對能耗也有較大的副作用[5-6]。

基于此，提出基于多層去噪神經網絡的電壓調節方法，并將該方法應用到電氣控制閥的電壓節能控制中，通過設計電壓信號去噪模型，消除電壓控制中的過控制和模糊控制等問題。通過設定誤差產生，保證控制精度，設計多層神經網絡模型，對電壓進行智能控制，進而實現對電壓強度的準確控制，達到節能的目的。

1 電力電氣控制閥電壓參數節能最優組合

在電力電氣控制閥的節能控制中，電壓波動會使得各種關鍵的控制信號存在較大誤差，使得電氣控制閥電壓控制過程在精度表達方面存在模糊性，造成能耗過高。為了去除這種模糊性，設置一種可以描述控制閥電壓波動控制誤差的參數E，并將其引入到電力電氣控制系統中，控制閥電壓波動形成的信號誤差量設為e（t）、電壓的波動率設為EC，表達式設為ec（t），根據經驗設定的可變控制系數為K，可得控制模型為：

在電壓發生異常波動的情況下，電壓信號的控制律可描述為：

式中：β為電壓波動幅度系數，正常情況下設置為1；Kec（t）為微分系數；為了簡化計算過程，可以對式（3）進行改進，得：

式中：β0為|E|=0時，電壓波動調整系數；0≤β≤0.5，0≤β≤1；Kβ是常數，0≤Kβ≤（1-β0）。

式（4）中，可以在電力電氣控制閥電壓發生較大波動的情況下，對誤差進行有效統計。控制閥電壓波動下的電氣控制能夠對整個控制過程進行測試，電壓波動下的控制誤差e同u間的聯系，是不穩定的。

在得到較多控制數據的情況下，可以根據采集的數據，分析得到參數Δκp、Δκi、Δκd，表示在運行過程中控制閥電壓發生波動的情況下，參數發生的一些變化值。把這種參數變化歸一化到（-1，1）中，對產生變化的參數e′、ec′、Δκp、Δκi、Δκd的可能電壓波動區域進行限制，可以得到：e′、ec′、Δκp、Δκi、Δκd=｛-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5｝。

設這參數變化的模糊子集為：e′、ec′、Δκp、Δκi、Δκd=｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝；對已經產生變化的Δκp、Δκi、Δκd的模糊標準表進行設置，e′、ec′、Δκp、Δκi、Δκd數滿足正態分布，為了消除這些變化的影響，需要對這種波動變化進行確認，通過設計模糊變量的隸屬度完成電力電氣控制閥電壓控制規則的確定。當這種控制表格建立之后，可以通過查詢表的方式，對這種變化程度進行量化。對應規則為：

在分析了電力電氣控制閥電壓波動性的前提下，可以得到電壓控制參數e′、ec′、Δκp、Δκi、Δκd的變化規則，對這些參數進行最優化的關聯控制，以保證電氣控制閥電壓波動干擾被消除。

為了衡量這種量化效果，需要對電力電氣控制閥電壓控制參數的關聯性進行量化函數設計，有：

式中：J為電力電氣控制閥電壓波動環境下控制信號的準確度測量結果，主要是通過對電氣控制閥控制信號的響應時間、控制過程、信號的信噪比等參數進行衡量。為了達到節能的目的，需要對參數e′、ec′、Δκp、Δκi、Δκd進行尋優組合，依據干擾消除的最優規范，對這些參數進行合理的調整，最終獲取最佳的節能組合值。

為了進一步消除電力電氣控制閥電壓波動對電力電氣系統能耗的影響，需要設定明確的干擾消除規則，根據規則進行參數的組合，以保證控制閥電壓波動干擾最小?？梢罁剑?）規范對參數進行尋優：

最終完成對電力電氣控制閥電壓波動參數的優化控制，通過合理的參數組合方式，保證電力電氣系統能耗最小，實現控制閥電壓波動下的節能調控。

2 基于多層神經網絡的電力電氣控制閥電壓參數控制

在電壓波動環境下的電力電氣控制閥節能控制中，設計一種多層次神經網絡模型，能夠很好地完成控制閥電壓的智能化節能調節。

多層神經網絡是一種前向網絡，電力電氣控制閥的電壓變化呈現非線性，神經網絡的輸入和輸出層呈現線性，因此可以用電力電氣控制閥電壓在控制過程中的參數作為輸入層數據，最優電壓作為輸出層的數據，隱含層主要負責電力電氣控制閥電壓的動態變化學習過程。設定電壓波動下的最優節能控制函數，多層神經網絡下的電力電氣控制閥電壓控制模型如圖1所示。

圖1 電力電氣控制閥電壓控制多層神經網絡Fig.1 Power electric control valve voltage control multi-layer neural network

其中，C=[c1，c2，…，cm]為電力電氣控制閥電壓波動信號；K=[κ1，κ2，…，κn]為數據的分類中心；W=[w1，w2，…，wn]為電力電氣控制閥電壓穩定控制的矩陣。輸入層到隱含層只考慮進行控制閥節能電壓的數據傳遞，不考慮控制閥電壓的損耗。y為最優電壓輸出結果，則輸出層的電壓i的輸出最優值為：

對應節能控制的效果，可以用式（9）進行描述：

式中：hN為隱含層的電力電氣控制閥電壓輸出；H∈RN×n、W∈Rn×1，當N=n，且H為正定矩陣時，可以得到最優的電氣控制閥電壓控制輸出解。電壓控制的輸出過程描述如下。

1）根據數據采集結果對電力電氣控制閥電壓進行統計，得到電壓約束控制矩陣H。

2）利用隱含層的控制閥電壓控制矩陣HT進行分解，可得：

其中，A為下三角矩陣。則式（10）能夠轉化為：

3）由于A為下三角矩陣，因此能夠得到電力電氣控制閥電壓波動下的最優輸出，為了減少計算量，最優解的遞推公式為：

根據步驟1）～3），能夠得到神經網絡輸出層的最優節能電壓值，由于這種方法具有高效的訓練效率，并且不存在由于初始值設置不當引起的局部最小值的問題，因此，電力電氣控制閥的電壓節能控制精度可得到極大的提高。

3 實驗結果分析

采用仿真實驗分析的方式，對提出的電力電氣控制閥電壓調節模型進行有效的驗證。

實驗過程中，采用電力中用到的最多的大型電力設備作為節能控制對象。該設備采用10～30 V的電壓作為能量源、51單片機核心處理器硬件、高精度信號采集卡。電力設備電氣控制閥的使用電壓保證在安全范圍內，通過核心處理器搜集數據，通過轉換裝置轉化成可用電壓，運用該模型拷入單片機，對電壓進行合理的調控，保證電壓在一個高精度的區間內合理的變化，實現對設備的準確節能調控，將各種參數的變化結果輸入到計算機中進行仿真統計。

實驗環境設置為電力系統電氣控制閥進行長期工作的過程，中間不經過停頓。對電力設備電氣控制閥的工作能耗進行有效的采集，對采集的信號進行設定，設信號的相位為45°，幅值為Am為2，通過式（5）能夠得到在波動變換下的參數原始值κp=1.232、κi= 0.232、κd=0.342。通過優化前后電氣控制閥的節能響應曲線對比，完成實驗比對，如圖2所述。

對圖2結果進行統計，如表1所示。

圖2描述了該模型在進行電力電氣控制閥電壓優化調節前后，具有的節能特性變化，說明該模型能夠對電力運行過程中電氣控制閥電壓的波動性進行有效的控制，控制誤差保證在一個很小的范圍內，說明大范圍的電力電氣控制閥電壓波動可以得到有效控制。

電力設備的主要控制時間參數良好，控制結果如表2所示。

分析表1可得，波動電壓控制模型對電力電氣控制閥輸入電壓的控制參數都在合理的范圍內，很好地解決了控制閥電壓波動造成的控制能耗高、控制不準等問題，有利于電力智能化和電氣節能化的發展。

圖2 進行節能控制后的控制閥參數響應曲線Fig.2 For energy saving control valve after the control parameters of response curves

表1 實驗結果對比Tab.1 The experimental results compared

表2 設備電壓控制參數Tab.2 Voltage control parameters

4 結語

本文提出了一種基于多層去噪神經網絡的電壓調節方法，并應用到電力電氣控制閥的節能設計中。首先通過設計去噪模型，消除電力電氣控制閥電壓控制中的過控制和模糊控制等弊端。其次通過設定控制閥電壓波動誤差范圍，保證控制精度，設計多層神經網絡模型，對電力電氣控制閥電壓進行智能控制，進而實現對電壓強度的準確控制，達到節能的目的。實驗結果說明，這種方法可以對電力中電氣控制閥的控制精度進行有效的改進，并且在節能方面也起到了很好的效果。

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Power Voltage Energy-saving Control Methods of Electric Control Valve

YAN Yuling1，WU Fentao2
（1.Department of electronic Information and Control Engineering，Yibin Vocational and Technical College，Yibin 644004，Sichuan，China；2.Xi’an Power electronics Research Institute，Xi’an 710061，Shaanxi）

In the design of electric power electric control valves，energy-saving design concept is deeply rooted in the hearts of the people.In electric power， however， mostly because of electric control valve operating voltage using energy consumption caused by the unreasonable.Is proposed based on a multi-story 1ow error voltage regulation method of neural network，and apply it to the power of electric control valve，by means of electric power system voltage control model and eliminate the existing power electric control valve voltage control of control and fuzzy control，etc，to realize accurate control of the electric control valve voltage amplitude，achieve the goal of energy saving.The experiment results show that the model can achieve high precision control to the voltage of the power of electric control valve，has played a very good effect on electric power energy saving.

2015-03-02。

顏玉玲（1981），女，碩士，講師，主要研究方向為電氣自動化、機械制造與自動化。

（編輯 董小兵）

四川省教育類課題（川教函2014（156））。

Project Supportby Education of Sichuan Province（Sichuan Education Letter 2014（156））.

1674-3814（2015）08-0006-04

TP189.6

A

KEY W0RDS：electrical control；Dynamic voltage；Neural network