基于人工智能的電力系統(tǒng)自動化與智能控制技術(shù)研究

淳安縣電力實業(yè)有限公司供配電服務(wù)分公司 吳 英

同步發(fā)電機出現(xiàn)較大干擾時可能會破壞暫態(tài)穩(wěn)定性，或是由于過度負荷在遭遇較小干擾時導(dǎo)致靜態(tài)穩(wěn)定性失效，這兩種問題將導(dǎo)致同步發(fā)電機出現(xiàn)失步現(xiàn)象，而最為有效的解決措施，則是要對發(fā)電機控制系統(tǒng)進行解列，重新將其并入電網(wǎng)并增加負荷，而這一過程則需要消耗較長時間，此間發(fā)電機無法正常運行，導(dǎo)致供電中斷。

隨著深入研究，包括我國在內(nèi)的眾多電力領(lǐng)域?qū)＜野l(fā)現(xiàn)，若短時間內(nèi)允許異步運行則不會對電機造成損壞。由于處于異步運行狀態(tài)時汽輪發(fā)電機僅具有正常功率值的50%，而當前大型發(fā)電機則能夠達到70%，當允許定子電流過載時，進一步增加有功發(fā)電功率。因此，若促使同步發(fā)電機滿足異步運行與再同步，則能夠解決安全穩(wěn)定供電問題，確保持續(xù)創(chuàng)建穩(wěn)定供電環(huán)境[1]。

1 基于人工智能技術(shù)的電力系統(tǒng)自動化智能控制

人工智能技術(shù)則是利用先進的計算機系統(tǒng)，對人類大腦思維加以模擬，通過研究特定識別領(lǐng)域，包括對語音、圖像以及肢體動作識別模仿等，是人類設(shè)計的前沿科技成果。基于機械智能化應(yīng)用，則能夠代替人類處理較為簡單的工作，促使工作效率得到提高。而人工智能技術(shù)在近年來的開發(fā)應(yīng)用過程當中逐漸成熟穩(wěn)定，可對電網(wǎng)運行起到一定優(yōu)化作用。

在我國快速發(fā)展經(jīng)濟的建設(shè)背景之下，國家電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行受到廣泛關(guān)注。受到科學(xué)技術(shù)推動，通過引進人工智能技術(shù)，在電力系統(tǒng)運行中通過智能化、自動化控制則可自動采集數(shù)據(jù)并向EMS 進行上傳，完成電網(wǎng)系統(tǒng)的智能檢測，有助于及時控制電力系統(tǒng)運行異常問題，打造安全穩(wěn)定運行環(huán)境。結(jié)合這樣的研究背景，本公司針對于以往在電力系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的供電中斷安全穩(wěn)定問題，對其主要原因加以剖析后，提出了全新的模糊控制智能理論設(shè)想，利用模糊控制器滿足電力系統(tǒng)中發(fā)電機的再同步運行需求，則可打造更加穩(wěn)定的持續(xù)供電效果。

2 人工智能控制系統(tǒng)對發(fā)電機穩(wěn)定性的影響分析

改進電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是促進電力系統(tǒng)在新時期滿足安全穩(wěn)定供電的必然要求。此方案的設(shè)計是建立在以往電力系統(tǒng)發(fā)電安全穩(wěn)定性受到影響的基礎(chǔ)之上，與人工技術(shù)相互結(jié)合而衍生出的全新設(shè)計。本公司在利用人工智能技術(shù)創(chuàng)建電力系統(tǒng)自動化與智能控制系統(tǒng)的過程中，提出了拉入同步以及防止滑過同步的控制假設(shè)。假設(shè)電力系統(tǒng)在多發(fā)電機下的解耦狀態(tài)空間方程為公式（1）：

在公式（1）中：i=1，2，3，...，N-1；N表示為發(fā)電機數(shù)量；Lt則表示為發(fā)電機對應(yīng)的相鄰母線數(shù)量；δ表示為功率角；ω表示為恒定發(fā)電狀態(tài)下的電機勵磁電勢；P表示為發(fā)電機的空載電勢；D與E分別表示為供電線路以及變壓器的額定電流；Y則表示為時間序數(shù)；G表示為發(fā)動機工作頻率；M表示為電導(dǎo)勢；k為節(jié)點，a表示控制輸出系數(shù)[2]。進而在公式（1）的作用下則可獲得歐幾里得范數(shù)：

式中：U為歐幾里得范數(shù)；δ表示為功率角；ω表示為恒定發(fā)電狀態(tài)下的電機勵磁電勢；t為調(diào)頻響應(yīng)時間；i為發(fā)電機；N為發(fā)電機個數(shù)。

進而對狀態(tài){δ，ω}以及平衡點之間的距離進行測量，假設(shè)當前所獲得的歐幾里得范數(shù)其跟隨時間的變化提升而相應(yīng)的降低，則可表示為：

進而根據(jù)公式（3）可以推測，若電力系統(tǒng)能夠始終保持這一狀態(tài)，則可在有限的短暫停電時間內(nèi)出現(xiàn)滑差過零的機會。由此可得知，想要滿足失步發(fā)電機進入再同步狀態(tài)，則需要為發(fā)電機提供滑差過零機會，基于這樣的需求，則應(yīng)當滿足模糊控制下的人工智能自動智能控制效果。因此本方案提出假設(shè)，若在汽門快關(guān)下產(chǎn)生了ΔPmi的機械功率增量，而相應(yīng)的經(jīng)由勵磁控制所造成了ΔE的內(nèi)電勢增量，并且受到制動電阻的并聯(lián)影響出現(xiàn)自導(dǎo)電增量且表示為ΔGit，則可獲得推導(dǎo)模型：

式中：P表示為發(fā)電機的空載電勢；E表示為變壓器的額定電流；G表示為發(fā)動機工作頻率；i為發(fā)電機組；m為增益系數(shù)；t為調(diào)頻響應(yīng)時間。此時將公式（1）以及公式（3）代入到公式（4）中，并去除二次增量項，簡化可得：

式中：N為發(fā)電機個數(shù)；f表示為觀測點；δ表示為功率角；ω表示為恒定發(fā)電狀態(tài)下的電機勵磁電勢；t為調(diào)頻響應(yīng)時間；i為發(fā)電機；Pmot表示為空載運行極值；Eot表示為失電極值；ΔPmi表示為機械功率增量；ΔGit表示為自導(dǎo)電增量；ΔEi表示為內(nèi)電勢增量。在公式（5）中，ui表示為極滑期間的最后項平均值，等于0，可獲得如下規(guī)律，若ωi>0則為式（6）；若ωi＜0則為式（7），式中：f表示為觀測點；i為發(fā)電機組；m為增益系數(shù)；t為調(diào)頻響應(yīng)時間；ΔPmi表示為機械功率增量；ΔGit表示為自導(dǎo)電增量；ΔEi表示為內(nèi)電勢增量。

根據(jù)上述公式進行總結(jié)，若電力系統(tǒng)整體運行過程中遭受干擾且發(fā)電機出現(xiàn)加速失步狀態(tài)時，則應(yīng)當利用極值對極滑期間進行控制，即按照最大能量原理，避免電力系統(tǒng)動能過高，從而促使電力系統(tǒng)具有較高勢能。簡單而言，就是通過對電力系統(tǒng)的機械功率進行控制，并促使投入電制動以及勵磁電壓參數(shù)得以提高，以便于對電力系統(tǒng)發(fā)電機進行再同步處理。且考慮到若當前發(fā)動機出現(xiàn)滑叉過零現(xiàn)象后，且逐漸降低為負值，則需要通過提高機械功率的方式，促使勵磁電壓逐漸減少，避免出現(xiàn)滑過同步現(xiàn)象。

3 基于模糊控制的工程設(shè)計

本公司所提出的基于人工智能技術(shù)自動化與智能控制方案表明，在電力系統(tǒng)受到干擾時可能會導(dǎo)致發(fā)電機出現(xiàn)加速失步狀況，進而影響供電穩(wěn)定性，造成供電中斷。因此，通過極值對滑板期間加以控制，按照最大能量源原理，避免機械功能過高，促使發(fā)電機重歸再同步運行，效果則可對其供電中斷狀態(tài)加以調(diào)節(jié)。考慮到對電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)差以及轉(zhuǎn)差變化率進行檢測后，總結(jié)二者規(guī)律，可利用模糊控制技術(shù)對其加以控制[3]。當轉(zhuǎn)差變化率趨近于零而轉(zhuǎn)差為最大負數(shù)時，需要按照正方向快速轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)差，以此促使轉(zhuǎn)差變化率不斷提高。通過這樣的控制方法較為簡單，尤其是適用于人工智能技術(shù)中的模糊邏輯，僅需增加模糊控制器，其等同于再同步續(xù)斷控制原理，具有簡便性應(yīng)用特征。

3.1 模糊量化處理

增設(shè)模糊控制系統(tǒng)，基于人工智能技術(shù)角度，則是通過在輸入論域上映射輸入信號進行量轉(zhuǎn)換，按照所設(shè)定的范圍模糊化該信號論域，進而對時間采樣模糊化后，在論域點上轉(zhuǎn)化信號物理值。模糊量化處理是通過將精確量向模糊量進行轉(zhuǎn)化，進而在論域上創(chuàng)建模糊子集。本方案所設(shè)計的兩個輸入量則為電力系統(tǒng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)差變化率以及轉(zhuǎn)差，因此則首先對轉(zhuǎn)差進行量化，可構(gòu)建整數(shù)論域S={-2，-1,0,1,2}，該論域內(nèi)的數(shù)值則為分別對應(yīng)NB（負極值）、NM（負中）、Z（零）、PM（正中）、PB（正極值）變量語言。根據(jù)上述五個輸入量所創(chuàng)建的隸屬函數(shù)，可選擇三角函數(shù)、梯形函數(shù)等加以表示。同時對轉(zhuǎn)差變化率可同樣利用上述整數(shù)論域進行轉(zhuǎn)化，完成語言變量的定義，并創(chuàng)建隸屬函數(shù)[4]。

3.2 模糊控制規(guī)則

通過知識模型對被控對象加以控制，經(jīng)過長期對控制經(jīng)驗加以積累所形成的模型準確性，將決定模糊控制器在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性控制中是否能夠起到良好作用。建立在直覺推理語言的基礎(chǔ)上所形成的控制規(guī)則，按照模糊條件語句加以表示可分為三種類型：if A then B；若A 則B；if A then B else C；若A則B，否則C；if A then B then C；若A 則B 且C，其中：If 表示為前提條件，then 表示為后置結(jié)果。

3.3 模糊決策

本文所選擇的模糊決策為Madani 直接推理法，考慮到上文中的模糊控制規(guī)則，設(shè)定a、b 分別為輸入變量，c 為輸出變量，對應(yīng)前提條件以及后置結(jié)果，則可獲得隸屬度μA（a）、μB（b）、μC（c）。對應(yīng)強度ω表示為：ω=μA（a）ΛμB（b），Λ 表示為MIN 運算，可對最小值進行計算，則獲得結(jié)果：a=ωΛμc（c）。此時則完成了基于模糊控制器下的自動化智能控制全過程創(chuàng)建，可將其代入到電力系統(tǒng)的發(fā)電機運行中，驗證其是否能夠恢復(fù)正常再同步運行狀態(tài)[5]。

3.4 仿真驗證

基于本方案所設(shè)計的增加續(xù)斷模糊控制器，并對續(xù)斷模糊控制加以簡化的方式創(chuàng)建了電力系統(tǒng)失真的數(shù)字仿真模型，結(jié)合仿真結(jié)果進行研究分析發(fā)現(xiàn)，在增加模糊控制器之后，具有理想的電力系統(tǒng)發(fā)電機控制效果。

以本單位的某電力系統(tǒng)展開仿真實驗，通過BIM 創(chuàng)建三維可視化模型，隨后通過接入模糊控制器創(chuàng)建數(shù)字仿真模型的方式，選擇典型發(fā)電機參數(shù)值以及勵磁系統(tǒng)參數(shù)值，典型發(fā)電機參數(shù)與勵磁系統(tǒng)參數(shù)如下：額定容量700MVA、額定功率630MW、額定電壓20kV、額定電流20207A、轉(zhuǎn)速3000r/min、勵磁方式為自并勵靜止勵磁系統(tǒng)、滿載勵磁電壓424V、滿載勵磁電流4317A、空載勵磁電壓139V、空載勵磁電流1480A、強勵倍數(shù)2倍、強行勵磁時間20s。由于需要通過增設(shè)快關(guān)汽門控制的方式創(chuàng)建電力系統(tǒng)，原動機調(diào)速模型則根據(jù)以往案例中的典型調(diào)速器模型進行創(chuàng)建，采用典型值進行合理推測。

通過仿真研究分析發(fā)現(xiàn)，當電力系統(tǒng)中的供電線路與發(fā)電機之間出現(xiàn)接地短路故障時，檢測其相距間距，若處于1km 內(nèi)且受到某一原因造成永久性短路，無法切除故障可能會導(dǎo)致電力系統(tǒng)中發(fā)電機出現(xiàn)失步狀況，進而轉(zhuǎn)化為異步運行狀態(tài)。在此情況下，利用本文所提出的模糊控制方案進行仿真測試，發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)發(fā)電機能夠重新恢復(fù)同步運行狀態(tài)。在發(fā)生故障后的0.4s 后，對故障加以切除，且不再對線路進行重合處理，在正常條件下觀察電力系統(tǒng)增設(shè)模糊控制系后的轉(zhuǎn)差以及功角變化曲線[6]。

通過仿真實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增設(shè)勵磁模糊控制器之后，電力系統(tǒng)中的發(fā)電機受到人工智能模糊控制影響，在短時間內(nèi)可恢復(fù)同步運行，最短時間縮短至15s，而通過同步增加勵磁控制以及快關(guān)汽門的自動化智能控制作用下發(fā)現(xiàn)，相較于常規(guī)控制模式電力系統(tǒng)發(fā)電機具有更加顯著的控制效果，縮短至10s即可恢復(fù)同步運行狀態(tài)。因此證明本方案中通過模糊控制人工智能技術(shù)在電力系統(tǒng)中加以應(yīng)用后，能夠達到更加良好的穩(wěn)定性提升作用。

綜上所述，電力系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定性備受關(guān)注，而人工智能技術(shù)的應(yīng)用可以滿足電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化需求。