一种基于随机筛选优化算法的汽轮机发电系统控制方法及装置

技术领域

本发明涉及汽轮机发电控制技术领域，尤其涉及一种基于随机筛选优化算法的汽轮机发电系统控制方法及装置。

背景技术

电力系统负荷频率是电力系统运行时非常重要的参数之一，在电力系统的安全经济运行中对电力系统负荷频率的研究与控制是不可忽视的环节。通过它可以判断电力系统是否稳定运行，电力系统的供电和需求平衡可以通过频率稳定反映。异常频率将导致电力系统的安全运行偏离，从而为用户带来极其严重的后果，如负荷频率不稳定会导致一些精密仪器会因为频率不稳的原因无法正常工作。同时，它也会使发电设备偏离正常的运行状态，使其不能以最高的效率运行，也会影响电网的经济运行。当频率太低时，就不能保证电力系统安全稳定运行，因此，保证电力系统负荷频率能够稳定运行是国民安全和经济发展的迫切需求，开展存在非线性的电力系统负荷频率问题的研究是及其重要且刻不容缓的。

随着我国电力市场的飞速发展，现代电网区域间的互联程度也日益增强，目前电网已经成为由多个控制区域组成的多区域互联电力系统。电力系统稳定控制问题主要包括两个独立的稳定控制问题：无功功率与电压的稳定控制；有功功率与频率的稳定控制。其中有功功率与频率的稳定控制被称作负荷频率控制（load frequency control，LFC）。

随着现代电力系统规模和复杂性的逐渐增加，由系统振荡引起的广域停电的风险也在不断增加，现有技术中出现了多种控制方法来解决汽轮发电机控制系统中的负荷频率问题，但是针对存在非线性因素的电力系统负荷频率的研究还不多，也不能很好地处理电力系统的本质非线性特性，还有许多理论与实际问题迫切需要解决。例如模糊C均值聚类技术(fuzzy C-means clustering technique，FCM)、细菌觅食优化算法(bacteria foragingoptimization algorithm，BFOA)、万有引力搜索算法(gravitational search algorithm，GSA)，这些方法针对LFC系统存在的非线性问题，提出了多种控制策略给予解决，并进行参数优化整定，但是，大多方法采用的是直接法，即在控制器设计时将模型非线性考虑进去，设计或者选取控制器参数使得闭环系统避免进入不稳定区域，该方法受限于系统的稳定区域，有可能只能获得较为保守的控制性能。另外，直接法依赖于非线性较为精确的模型，在实际中应用受到一定限制。

自抗扰控制（active disturbance rejection control，ADRC）是一个新型控制结构与新型设计理念的结合，可应用于非线性系统的抗干扰问题中，在设计时，不需要知道被控对象和扰动的完全模型，只需要知道对象的相对阶和增益，并将系统未知动态以及外部扰动的组合定义为广义扰动。ADRC的核心思想是通过一个扩张状态观测器来估计系统未知的广义扰动，然后接着使用简单控制进行抑制，这个思想类似于反馈线性化，但是在控制器结构上更简单并且可应用于各种非线性系统，另外这个结构本身自带积分行为，在控制器设计中不需要再额外加入积分器。

目前，自抗扰控制器以简单的控制结构，设计时不依赖模型的特点，已经广泛应用于发电系统、电机、电动汽车和抽水储能电站等领域。然而，它的控制参数是通过个人调节经验手动得到的，特别是在考虑非线性特性时，整定难度大，难以快速实现稳定性控制。

发明内容

本发明提供一种基于随机筛选优化算法的汽轮机发电系统控制方法及装置，以解决现有汽轮机发电系统采用自抗扰控制进行负荷频率控制时，因控制参数需手动调节而影响发电系统运行稳定及无法进行快速控制的问题。

为达上述目的，根据本发明实施例的第一方面，提供了一种基于随机筛选优化算法的汽轮机发电系统控制方法，包括：获取对汽轮机发电系统进行自抗扰控制的各控制参数的设定区间范围、迭代次数、随机步长及控制参数的需求组数；根据迭代次数和随机步长在各控制参数的设定区间范围随机选择多个随机控制参数组；获取汽轮机发电系统的传递函数，并基于传递函数分析各随机控制参数组对应的系统稳定裕度；根据系统稳定裕度确定需求组数的优异控制参数组，并根据优异控制参数组对汽轮机发电系统执行自抗扰控制。

可选地，基于传递函数分析各组控制参数对应的系统稳定裕度，包括：基于传递函数获取各随机控制参数组对应的系统bode图；根据bode图分析各随机控制参数组对应的系统稳定裕度。

可选地，获取汽轮机发电系统的传递函数，包括：对汽轮机发电系统的非线性环节进行线性化处理；获取线性化处理后的汽轮机发电系统的传递函数。

可选地，在获取各控制参数的设定区间范围后，汽轮机发电系统控制方法还包括：根据系统边界稳定条件缩小各控制参数的设定区间范围。

可选地，控制参数包括自抗扰控制的观测器带宽、控制器带宽、自适应参数。

根据本发明实施例的第二方面，提供了一种基于随机筛选优化算法的汽轮机发电系统控制装置，包括：参数初始化模块，用于获取对汽轮机发电系统进行自抗扰控制的各控制参数的设定区间范围、迭代次数、随机步长及控制参数的需求组数；随机筛选模块，用于根据迭代次数和随机步长在各控制参数的设定区间范围随机选择多个随机控制参数组；分析模块，用于获取汽轮机发电系统的传递函数，并基于传递函数分析各随机控制参数组对应的系统稳定裕度；控制模块，用于根据系统稳定裕度确定需求组数的优异控制参数组，并根据优异控制参数组对汽轮机发电系统执行自抗扰控制。

可选地，分析模块在基于传递函数分析各随机控制参数组对应的系统稳定裕度时用于：基于传递函数获取各随机控制参数组对应的系统bode图；根据bode图分析各随机控制参数组对应的系统稳定裕度。

可选地，分析模块在获取汽轮机发电系统的传递函数时用于：对汽轮机发电系统的非线性环节进行线性化处理；获取线性汽轮机发电系统的传递函数。

可选地，参数初始化模块在获取各控制参数的设定区间范围后还用于：根据系统边界稳定条件缩小各控制参数的设定区间范围。

可选地，控制参数包括自抗扰控制的观测器带宽、控制器带宽、自适应参数。

本发明实施例的基于随机筛选优化算法的汽轮机发电系统控制方法及装置，通过在采用自抗扰控制对汽轮机发电系统进行负荷频率控制过程中，从设定区间范围内随件选择自抗扰控制的控制参数，分析对应的系统稳定裕度，并根据系统稳定裕度来筛选最优控制参数，仅需设置控制参数的设定区间范围即可快速确定最优控制参数，从而实现对发电系统稳定运行的快速控制，相对于现有技术中由人工根据经验手动调节控制参数的方式，可以更加快速且准确地筛选控制参数，方便快速控制发电系统稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的单区域电力系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的具有调速器死区的单区域电力系统的结构示意图；

图3为本发明实施例一的一种基于随机筛选优化算法的汽轮机发电系统控制方法的流程示意图；

图4为本发明实施例二的随机筛选优化算法的流程示意图；

图5为本发明实施例二的非线性电力系统在ROS算法下的bode图；

图6为本发明实施例二的非线性电力系统阶跃响应图；

图7为本发明实施例二的在ROS算法下的非线性电力系统阶跃响应图；

图8为本发明实施例三的一种基于随机筛选优化算法的汽轮机发电系统控制装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的基体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本领域技术人员可以理解，本发明实施例中的“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同步骤、设备或模块等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。以及，所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在介绍本发明实施例的一种基于随机筛选优化算法的汽轮机发电系统控制方法及系统之前，先介绍汽轮机发电系统及自抗扰控制（ADRC）算法。

首先，如图1所示的单区域电力系统，包括控制器、调速器、汽轮机和发电系统等设备，其中，

其次，图2示出了具有调速器死区（governor dead zone，GDZ）的单区域电力系统模型。当电力系统的频率发生波动时，供电侧的发电机转速发生相应的变化。实际生产中，为了抑制调速器的频繁变化，一般是在发电机的调速器设置一个死区（dead zone）范围，也就是说若转速的变化在这个死区范围之内时，这个发电机的调速器就不会发出动作，只有当转速的变化超过发电机组的规定的死区范围时，调速器才会发出动作以改变原动机的阀门开度，进而使原动机的功率发生改变以平衡负荷需求。调速器死区对负荷频率控制系统的性能有着较大影响，甚至导致系统不稳定。在负荷频率控制（LFC）系统中，调速器死区非线性是普遍存在的，它会影响系统的动态性能，甚至不稳定。

以及，在自抗扰控制（ADRC）算法中，假设被控系统有如下模型：

其中

目前，对汽轮机发电系统进行ADRC控制时，通常只需要整定观测器带宽

实施例一

参照图3，示出了根据本发明实施例一的一种基于随机筛选优化算法的汽轮机发电系统控制方法的流程示意图，该控制方法可在采用ADRC算法对汽轮机发电系统进行LFC控制时实现系统稳定运行的快速控制，其执行主体可以是汽轮机发电系统的控制系统或者独立设置在控制系统中的ADRC控制装置，本发明实施例以汽轮机发电系统的控制系统作为执行主体为例来进行说明，但本领域技术人员应当明了，在实际应用中，任意具有相应的数据收发和处理功能的其他设备，均可以参考本实施例执行本发明的一种基于随机筛选优化算法的汽轮机发电系统控制方法。

本发明实施例的一种基于随机筛选优化算法的汽轮机发电系统控制方法包括以下步骤：

步骤S110，获取对汽轮机发电系统进行自抗扰控制的各控制参数的设定区间范围、迭代次数、随机步长及控制参数的需求组数。

在实际应用中，用户可基于汽轮机发电系统的控制系统中的交互装置，来设定各控制参数的设定区间范围，并设定RSO算法的初始化参数，包括RSO算法的迭代次数、随机步长及控制参数的需求组数等。

步骤S120，根据迭代次数和随机步长在各控制参数的设定区间范围随机选择多个随机控制参数组。

这里，考虑到算法时间复杂的因素，迭代次数不宜设置过高，例如，设置为100次即可。

步骤S130，获取汽轮机发电系统的传递函数，并基于传递函数分析各随机控制参数组对应的系统稳定裕度。

其中，获取的传递函数可包括系统传递函数机系统中调速器、汽轮机等设备的传递函数。在获取传递函数时，先确定汽轮机发电系统是否存在非线性环节，也即上述调速器死区，如果存在，则对汽轮机发电系统的非线性环节进行线性化处理，并获取线性化处理后的汽轮机发电系统的传递函数。可选地，数据化地分析系统在特定状态点下的系统频率、性能、品质等相关指标，将具有调速器死区的非线性系统进行线性化处理，得到对应状态点的线性模型。例如，设置非线性输入输出点，使用Matlab中线性化函数Linearize()函数即可返回非线性函数在平衡点处的线性近似。

可选地，在确定系统稳定裕度时，基于获取的传递函数对多个随机控制参数组进行bode图计算，获取各随机控制参数组对应的系统bode图；并根据bode图分析各随机控制参数组对应的系统稳定裕度。

步骤S140，根据系统稳定裕度确定所述需求组数的优异控制参数组，并根据优异控制参数组对汽轮机发电系统执行自抗扰控制。

根据本发明的示例性实施例，以系统稳定裕度作为衡量指标从多个随机控制参数组中筛选出优异控制参数组，用于对汽轮机发电系统进行ADRC控制，能够保证系统稳定运行。具体地，可将各随机控制参数组与对应的系统稳定裕度进行编码，遍历完所有随机控制参数组后，根据稳定裕度进行降序排序并映射回原随机控制参数组，将排名靠前的所需求组数的参数组确定为优异控制参数组。

本发明实施例的基于随机筛选优化算法的汽轮机发电系统控制方法，通过获取设置的控制参数的区间范围、需求组数、及筛选参数，在设定区间范围内随机选择多个控制参数组，基于系统传递函数来分析控制参数组的系统稳定裕度，并根据系统稳定裕度确定需求的优异控制参数组，从而完成控制参数的快速筛选，实现对汽轮机发电系统稳定运行的快速控制，相对于现有技术中由人工根据经验手动调节控制参数的方式，可以更加快速且准确地筛选控制参数，方便快速控制汽轮机发电系统稳定运行。

实施例二

参照图4，示出了本发明实施例二的一种随机筛选优化算法（RSO）的流程示意图，该随机筛选优化算法包括：

步骤S210，确定参数组数以及区间范围；

步骤S220，参数预处理；

步骤S230，设置算法参数；

步骤S210-S230为RSO算法的初始化过程，其中，步骤S210为获取用户设定的所需求控制参数的需求组数以及设定区间范围。步骤S220为所需求控制参数的设定区间范围进行预处理，可包括根据系统边界稳定条件缩小各控制参数的设定区间范围，具体地，可在各控制参数中选定一个，先固定其他控制参数，使选定的控制参数达到稳定边界条件，即可确定该选定控制参数的新区间范围，也即缩小后的设定区间范围；同理，以相同方式能够获得各控制参数的缩小后的确定区间范围。通过步骤S220来缩小控制参数的区间范围，可以快速收敛，选择处最优参数，提高算法计算效率。步骤S230为获取用户设置的迭代次数和随机步长等RSO算法参数。

步骤S240，参数随机选择；

步骤S250，验证系统是否线性；如果是，则执行步骤S270；如果否，则执行步骤S260；

步骤S260，线性化处理；

步骤S270，以系统稳定裕度降序排列并映射回原参数组；

步骤S280，验证结果是否稳定；如果是，则执行步骤S290；如果否，则执行返回步骤S240；

步骤S290，保留优异参数组。

步骤S240-S290为RSO算法的主要计算过程，其中，步骤S240为根据RSO算法参数在各控制参数的设定区间范围内随机选择多个控制参数组。步骤S250为验证汽轮机发电系统是否存在非线性环节，如果存在则执行步骤S260对非线性环节进行线性化处理；如果不存在则执行步骤S270，基于汽轮机发电系统的传递函数分析多个随机控制参数组的系统稳定裕度，并以系统稳定裕度将多个随机控制参数组进行降序排列。步骤S280为验证排名靠前的控制参数组是否稳定，如果稳定则保留为优异控制参数组，如果不稳定则重新选择。步骤S290为获取并保留系统稳定裕度排序靠前且经验证稳定的需求参数组个优异控制参数组。

一种可选的实施方式中，在执行步骤S240时，以10次迭代为例，随机产生的3组控制参数如表1所示，3组参数无相关性，对系统的稳定也呈现一定的随机性，因此需要通过分析系统稳定性来判断控制参数的优劣。

表

例如，采用常规自抗扰控制进行控制，通过RSO算法在设定范围内得到的控制参数

进一步地，图6和图7分别示出了未采用RSO算法和采用ROS算法后的系统响应曲线，为了显示RSO算法的控制效果，在

在这里说明，本发明实施例以观测器带宽

实施例三

参照图8，本发明实施例三的一种基于随机筛选优化算法的汽轮机发电系统控制装置包括：参数初始化模块310，用于获取对汽轮机发电系统进行自抗扰控制的各控制参数的设定区间范围、迭代次数、随机步长及控制参数的需求组数；随机筛选模块320，用于根据迭代次数和随机步长在各控制参数的设定区间范围随机选择多个随机控制参数组；分析模块330，用于获取汽轮机发电系统的传递函数，并基于传递函数分析各随机控制参数组对应的系统稳定裕度；控制模块340，用于根据系统稳定裕度确定需求组数的优异控制参数组，并根据优异控制参数组对汽轮机发电系统执行自抗扰控制。

可选地，分析模块330在基于传递函数分析各随机控制参数组对应的系统稳定裕度时用于：基于传递函数获取各随机控制参数组对应的系统bode图；根据bode图分析各随机控制参数组对应的系统稳定裕度。

可选地，分析模块330在获取汽轮机发电系统的传递函数时用于：对汽轮机发电系统的非线性环节进行线性化处理；获取线性汽轮机发电系统的传递函数。

可选地，参数初始化模块310在获取各控制参数的设定区间范围后还用于：根据系统边界稳定条件缩小各控制参数的设定区间范围。

可选地，控制参数包括自抗扰控制的观测器带宽、控制器带宽、自适应参数。

本发明实施例三的基于随机筛选优化算法的汽轮机发电系统控制装置可用于执行上述实施例一的控制方法，并具有相应的有益效果，在此不再赘述。

在实际的应用场景中，本发明实施例的基于随机筛选优化算法的汽轮机发电系统控制装置还可以包括其他设备或部件，以实现控制系统的实际安装、应用及其他功能。

需要指出，根据实施的需要，可将本发明实施例中描述的各个部件/步骤拆分为更多部件/步骤，也可将两个或多个部件/步骤或者部件/步骤的部分操作组合成新的部件/步骤，以实现本发明实施例的目的。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。