《模糊式電力系統穩定器參數自尋優方法與自尋優裝置》是天津理工大學於2005年12月9日申請的發明專利，該專利申請號為200510122256，公布號為CN1801569，專利公布日為2006年7月12日，發明人是趙輝、王紅君、岳有軍、張更新。該發明屬於電力系統及其自動化領域，特別涉及編碼模糊電力系統穩定器的結構和參數，尋求設計電力系統穩定器的新方法，實現模糊電力系統穩定器的自尋優功能。
一種模糊式電力系統穩定器參數自尋優方法與自尋優裝置。該發明提出一種基於遺傳算法的自尋優模糊式電力系統穩定器參數自尋優設計方案。根據對電力系統穩定器的要求，選擇轉速差Δω、頻率差Δf或功率差ΔP作為輸入信號，輸入信號經過量化因子K和K的作用後得到模糊輸入變數E及E，通過查詢模糊控制表，得到模糊輸出U，經過比例因子K的作用後得到穩定器的輸出ΔU。在電力系統群體中隨機選取N個個體的編碼模糊電力系統穩定器的結構參數，首先通過遺傳算法得到一個全局的近似最優解，以此為“初值”，按性能指標J＝∫（t）dt，進行最佳化參數的細化調節。
2010年11月15日，《模糊式電力系統穩定器參數自尋優方法與自尋優裝置》獲得第十二屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《模糊式電力系統穩定器參數自尋優方法與自尋優裝置》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：模糊式電力系統穩定器參數自尋優方法與自尋優裝置
- 公布號：CN1801569
- 公布日：2006年7月12日
- 申請號：200510122256
- 申請日：2005年12月9日
- 申請人：天津理工大學
- 地址：天津市南開區紅旗南路263號
- 發明人：趙輝、王紅君、岳有軍、張更新
- 代理機構：天津佳盟智慧財產權代理有限公司
- 代理人：侯力
- Int.Cl.：H02J3/24（2006.01）I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
由於併入大電網後的同步發電機缺乏足夠的阻尼轉矩，特別是採用僅以電壓偏差為控制信號的快速勵磁控制系統時，有可能產生有害的負阻尼轉矩，因此，在大電網中容易發生低頻振盪。抑制低頻振盪的有效方法是採用電力系統穩定器，即向勵磁系統引入一種按某一振盪頻率設計的新的附加控制信號，以增加正阻尼轉矩，克服原勵磁調節器對系統穩定產生的有害影響，改善系統的暫態特性，傳統的電力系統穩定器（PSS）以轉速差Δω、頻率差Δf或功率差ΔP作為輸入信號，採用固定結構和參數的超前、滯後相位補償環節來對勵磁繞組和勵磁調節器的固有相位滯後進行補償，由於電力系統是一個動態平衡的非線性強耦合複雜大系統，它的運行方式隨著要適應的各種情況而經常性的改變著，且運行狀態時時刻刻都在變化，傳統的依賴被控對象數學模型的固定參數穩定器很難適應各種運行狀況的要求，其抗外部干擾和內部參數變化的魯棒性往往較差，在有些情況下會失去其有效性。
隨著模糊控制技術的發展，具有較高的抗外部干擾和內部參數變化的魯棒性的模糊邏輯電力系統穩定器（Fuzzy Logic Power System Stabilizer）簡稱FLPSS逐步得到套用。FLPSS是基於規則的系統，它使用模糊語言變數模擬人類憑經驗解決問題的方法，克服了經典專家系統在人們給出規則的硬性表示時所遇到的限制。FLPSS的主要優點還在於多輸入與非線性輸出之間的映射可以容易的使用模糊語言變數和模糊規則來規定。
但FLPSS的缺點是對專家知識的絕對依賴，所有的參數都必須人為決定而不 具備自主的學習能力。因此，通過參數自尋優來提高其自適應性是一個亟待解決的問題。
發明內容
專利目的
《模糊式電力系統穩定器參數自尋優方法與自尋優裝置》目的是解決2005年12月之前已有技術中，傳統電力系統穩定器過分依賴被控對象數學模型，難於適應各種運行狀況的要求，抗外部干擾和內部參數變化的魯棒性較差，在有些情況下會失去其有效性以及模糊邏輯電力系統穩定器對專家知識的絕對依賴，所有的參數都必須人為決定而不具備自主學習能力的問題，提供一種模糊式電力系統穩定器參數自尋優方法與自尋優裝置。
技術方案
《模糊式電力系統穩定器參數自尋優方法與自尋優裝置》通過深入分析電力系統穩定器的工作原理，提出一種基於遺傳算法的自尋優模糊式電力系統穩定器參數自尋優設計方案。
該發明方法依次包括：
——確定穩定器參數模糊控制表的數學結構：模糊輸出U採用以下公式表示，Uij＝AijEi+BijEcj，其中Aij、Bij是相應的係數，稱為修正因子，Uij是模糊控制表中的定常控制參數；
——對上述修正因子進行歸併和篩選，其方法如下：
（1）當i取不同的數值時，若Ei和Ecj的變化小於5％，則對應的Aij和Bij保持不變，從而縮小了修正因子的總數；
（2）當i取不同的數值時，若對應的修正因子Aij和Bij小於設定的門檻值（一般設為0.01）時，將其看作為0；
——對所篩選出來的一組參數進行尋優，尋優過程如下：
（1）編碼：取最佳化參數即修正因子的範圍為（0.01，6），採用二進制編碼，每個參數用七位二進制表示；
（2）設計適應度函式性能指標為 J = ∫ 0 ∞ t | e （ t ） | dt , ]]>取適應度函式 f = 1 J . ]]>
（3）選擇交叉機率pc和變異機率pm
把固定pc和pm與自適應相結合，在接近於收斂次最優時，採用固定的pc和pm；（式中：J為目標函式；交叉機率pc和變異機率pm為遺傳算法中的專有名詞；e（t）為偏差函式，t代表時間）
——在電力系統群體中隨機選取N個個體的編碼模糊電力系統穩定器的結構參數，首先通過遺傳算法得到一個全局的近似最優解，以此為“初值”，按性能指標 J = ∫ 0 ∞ e 2 （ t ） dt , ]]>進行最佳化參數的細化調節。
一種實現上述自尋優方法的模糊式電力系統穩定器參數自尋優裝置，該裝置包括：同步發電機（1），測速裝置（2），微分器（3），轉速差微分放大器（4），轉速差放大器（5），模糊控制表（6），模糊控制輸出放大器（7），評估最佳化環節（8），勵磁控制器（9）。
測速裝置（2）檢測同步發電機（1）的轉子轉速和同步轉速，其差值為電力系統穩定器輸入信號Δω，該差值經微分器（3）形成Δω的微分d（Δω）/dt。Δω和d（Δω）/dt分別經轉速差微分放大器（4）、轉速差放大器（5）兩個環節放大後再經模糊化成語言變數，作為模糊控制表（6）的輸入信號，經模糊控制表（6）形成模糊決策輸出，反模糊化後，再經輸出放大器（7）形成附加勵磁控制信號，與勵磁控制器（9）輸出信號疊加後輸送給發電機（1）的勵磁線圈，通過勵磁控制提高系統正阻尼轉矩，改善電力系統穩定性；評估最佳化環節（8）首先通過評估函式對系統輸出進行評估，根據評估結果對系統參數進行最佳化，然後用最佳化後的參數更新環節轉速差微分放大器（4）、轉速差放大器（5）、模糊控制表（6）、模糊控制輸出放大器（7）的原參數，該過程不斷進行，從而使模糊式電力系統穩定器始終保持與當前工作狀態相適應的最佳參數，保證其性能不受系統工作狀態的影響。
改善效果
《模糊式電力系統穩定器參數自尋優方法與自尋優裝置》的優點和積極效果：模糊式電力系統穩定器的參數最佳化問題一直是限制其廣泛使用和發揮最佳效能的關鍵問題，該發明有效地解決了上述問題，從而提高了電力系統穩定器的適應性和魯棒性，進而提高了電力系統的穩定水平，降低了由於電力系統穩定器失效而給電力系統造成的巨大損失，創造了良好的經濟效益。我國1998年新頒布的DL/T650-1998＜大型汽輪發電機自並勵靜止勵磁系統技術條件）明確規定勵磁系統應具有PSS功能。因此，該項發明具有良好的套用 前景。
該發明採用複合遺傳算法，得到一個全局近似最優解，以此為基礎，採用梯度法進行參數的細化調整，從而實現模糊電力系統穩定器的自尋優功能，解決制約其廣泛使用和發揮最佳效能的關鍵問題。是設計電力系統穩定器的新方法。
遺傳算法是一種自適應機率性的搜尋和最佳化方法，它對問題的初始條件要求少且其最佳化過程具有全局性，其長處在於它的魯棒性（Robustness）和易於使用，它的全局搜尋特點使它能夠高效率的發現全局最優解或接近最優解。將遺傳算法直接套用到模糊電力系統穩定器的參數最佳化設計中能夠有效的改善控制性能。
附圖說明
圖1是自尋優模糊式電力系統穩定器裝置示意圖；
圖2是自尋優模糊控制器結構示意圖；
圖3是模糊式電力系統穩定器結構示意圖；
圖4是最佳化算法程式流程圖；
圖5是自尋優裝置參考電路原理圖。
權利要求
1、《模糊式電力系統穩定器參數自尋優方法與自尋優裝置》其特徵是該方法依次包括：
——確定穩定器參數模糊控制表的數學結構：模糊輸出U採用以下公式表示，Uij＝AijEi+BijEcj，其中Aij、Bij是相應的係數，成為修正因子，Uij就是模糊控制表中的定常控制參數；
——對上述修正因子進行歸併和篩選，其方法如下：
（1）當i取不同的數值時，若Ei和Ecj的變化小於5％，則對應的Aij和Bij保持不變，從而縮小了修正因子的總數；
（2）當i取不同的數值時，若對應的修正因子Aij和Bij小於設定的門檻值（一般設為0.01）時，將其看作為0；
——對所篩選出來的一組參數進行尋優，尋優過程如下：
（1）編碼：取最佳化參數即修正因子的範圍為（0.01，6），採用二進制編碼，每個參數用七位二進制表示；
（2）設計適應度函式性能指標為 J = ∫ 0 ∞ t | e （ t ） | dt , ]]>取適應度函式 f = 1 J . ]]>
（3）選擇交叉機率pc和變異機率pm把固定pc和pm與自適應相結合，在接近於收斂次最優時，採用固定的pc和pm；（式中：J為目標函式；交叉機率pc和變異機率pm為遺傳算法中的專有名詞；e（t）為偏差函式，t代表時間）
——在電力系統群體中隨機選取N個個體的編碼模糊電力系統穩定器的結構參數，首先通過遺傳算法得到一個全局的近似最優解，以此為“初值”，按性能指標 J = ∫ 0 ∞ e 2 （ t ） dt , ]]>進行最佳化參數的細化調節。
2、一種實現權利要求1所述自尋優方法的模糊式電力系統穩定器參數自尋優裝置，其特徵是該裝置包括：同步發電機（1），測速裝置（2），微分器（3），轉速差微分放大器（4），轉速差放大器（5），模糊控制表（6），模糊控制輸出放大器（7），評估最佳化環節（8），勵磁控制器（9），測速裝置（2）檢測同步發電機（1）的轉子轉速和同步轉速，其差值為電力系統穩定器輸入信號Δω，該差值經微分器（3）形成Δω的微分d（Δω）/dt。Δω和d（Δω）/dt分別經轉速差微分放大器（4）、轉速差放大器（5）兩個環節放大後再經模糊化成語言變數，作為模糊控制表（6）的輸入信號，經模糊控制表（6）形成模糊決策輸出，反模糊化後，再經輸出放大器（7）形成附加勵磁控制信號，與勵磁控制器（9）輸出信號疊加後輸送給發電機（1）的勵磁線圈，通過勵磁控制提高系統正阻尼轉矩，改善電力系統穩定性；評估最佳化環節（8）首先通過評估函式對系統輸出進行評估，根據評估結果對系統參數進行最佳化，然後用最佳化後的參數更新環節轉速差微分放大器（4）、轉速差放大器（5）、模糊控制表（6）、模糊控制輸出放大器（7）的原參數，該過程不斷進行，從而使模糊式電力系統穩定器始終保持與當前工作狀態相適應的最佳參數，保證其性能不受系統工作狀態的影響。
實施方式
- 實施例1
自尋優模糊控制器的結構如圖2所示。
根據對電力系統穩定器的要求，選擇轉速差Δω（頻率差Δf或功率差ΔP）作為輸入信號，輸入信號經過量化因子Ke和Kc的作用後得到模糊輸入變數Ec及E，通過查詢模糊控制表，得到模糊輸出U，經過比例因子Ku的作用後得到穩定器的輸出ΔU（ΔU：發電機輔助勵磁電壓；Ug：勵磁電壓給定；Uf：勵磁電壓反饋）。
最佳化方法如下：
如果分別定義E、Ec及U的論域為X、Y、Z，則模糊控制表的結構可以表示成：U＝f（E，Ec），f是一個代表模糊推理過程的函式。由於E、Ec及U的取值是離散的，而且E、Ec的定義域及U的值域通常較小，則控制輸出可以用下式表示：
Uij＝AijEi+BijEcj，其中Aij、Bij是相應的係數，成為修正因子；而Uij就是模糊控制表中的定常控制參數。如果能合理地選擇修正因子值，就能得到更好的控制效果，最直接的辦法就是採用某種最佳化算法直接最佳化上式中的所有修正因子。為減少修正因子個數，需對上述修正因子進行歸併和篩選，其方法如下：
（1）當i取不同的數值時，若Ei和Ecj的變化小於5％，則對應的Aij和Bij保持不變，從而縮小了修正因子的總數。例如：i＝5時，E5＝15.6；i＝6時，E6＝16.07，E6只比E5增加了3％，則認為相應的A6j＝A5j，對Bij亦如此。
（2）當i取不同的數值時，若對應的修正因子Aij和Bij小於設定的門檻值（一般設為0.01）時，將其看作為0。例如：若Aij＝0.008，則認為Aij＝0。對Bij亦如此。
這樣，整個模糊控制器的設計過程就變成對所篩選出來的一組參數的尋優過程，從而得到圖3所示的自尋優模糊控制器（Self-optimizationfuzzycontroller）結構。
該發明採用改進的遺傳算法-複合遺傳算法來處理這一問題。最佳化過程如下：
（1）測量Δω，通過差值經微分器（3）形成Δω的微分d（Δω）/dt，經模糊化後得到相應的Ei和Ecj，連續採樣200次，得到200個Ei和Ecj以及相應的Aij和Bij。
（2）根據均方誤差計算適應度，按前述方法進行篩選，按適應度大小排序，選擇100個適應度大的Aij和Bij作為初始種群。
（3）對初始種群進行二進制編碼，形成編碼後的種群1。
（4）種群中個體進行交叉、選擇和變異，形成新的種群2。
（5）用種群2替代種群1。
（6）若未達到進化代數，繼續上述進化過程，直至達到進化代數。
（7）對進化後的個體進行解碼，形成最佳化後的穩定器參數。
（8）用最佳化後的參數更新原參數。
在所提出的複合遺傳算法中，群體中的每一個個體編碼模糊電力系統穩定器的結構參數，首先通過遺傳算法的進行得到一個全局的近似最優解，以此為“初 值”，再採用梯度法進行參數的細化調整。即一方面由遺傳算法保證學習的全局收斂性，克服梯度法對初值的依賴和局部收斂問題；另一方面，與梯度學習算法的結合也克服了單純遺傳算法所帶來的隨機性和機率性問題，有助於提高它的搜尋效率，得到滿意的訓練效果，最佳化算法程式流程圖如圖4所示。
- 實施例2
如圖1所示，模糊式電力系統穩定器參數自尋優裝置，包括：
同步發電機（1），測速裝置（2），微分器（3），轉速差微分放大器（4），轉速差放大器（5），模糊控制表（6），模糊控制輸出放大器（7），評估最佳化環節（8），勵磁控制器（9）；測速裝置（2）檢測同步發電機（1）的轉子轉速和同步轉速，其差值為電力系統穩定器輸入信號Δω，該差值經微分器（3）形成Δω的微分d（Δω）/dt，Δω和d（Δω）/dt分別經轉速差微分放大器（4）、轉速差放大器（5）兩個環節放大後再經模糊化成語言變數，作為模糊控制表（6）的輸入信號，經模糊控制表（6）形成模糊決策輸出，反模糊化後，再經輸出放大器（7）形成附加勵磁控制信號，與勵磁控制器（9）輸出信號疊加後輸送給發電機（1）的勵磁線圈，通過勵磁控制提高系統正阻尼轉矩，改善電力系統穩定性；評估最佳化環節（8）首先通過評估函式對系統輸出進行評估，根據評估結果對系統參數進行最佳化，然後用最佳化後的參數更新環節轉速差微分放大器（4）、轉速差放大器（5）、模糊控制表（6）、模糊控制輸出放大器（7）的原參數，該過程不斷進行，從而使模糊式電力系統穩定器始終保持與當前工作狀態相適應的最佳參數，保證其性能不受系統工作狀態的影響。
模糊式電力系統穩定器參數自尋優裝置參考電路原理圖如圖5所示。該電路由INTEL公司16位單片微機8097BH，鎖存器74LS373，匯流排驅動器74LS245，非易失存儲器2816，靜態數據存儲器6116，輸入接口74LS244等組成。
榮譽表彰
2010年11月15日，《模糊式電力系統穩定器參數自尋優方法與自尋優裝置》獲得第十二屆中國專利獎優秀獎。
