電力電氣控制閥的電壓節(jié)能控制方法

發(fā)布日期：2016-1-19

摘 要：在對(duì)電力電氣控制閥的設(shè)計(jì)中，進(jìn)口高壓電磁閥由于采用傳統(tǒng)方法電氣控制閥工作電壓運(yùn)用不合理，導(dǎo)致電力在電氣方面能耗多。提出一種基于多層低誤差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電壓調(diào)節(jié)方法，將其應(yīng)用到電力電氣控制閥中，通過(guò)采用電力電氣系統(tǒng)電壓控制模型，消除當(dāng)前存在的電力電氣控制閥電壓控制中的過(guò)控制和模糊控制等弊端，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣控制閥電壓幅度的準(zhǔn)確控制，達(dá)到節(jié)能的目的。

關(guān)鍵字：電壓節(jié)能 動(dòng)態(tài)電壓 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 模糊控制

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，，對(duì)電力的節(jié)能要求也越來(lái)越高，各種電氣設(shè)計(jì)朝著節(jié)能化發(fā)展，電力電氣控制閥的節(jié)能性能很大程度上決定著電力消耗的總體性能，其中，節(jié)能性能和電氣控制閥的電壓有著很大的關(guān)系。因此，選擇合適的方法對(duì)電力電氣控制閥的工作電壓進(jìn)行控制，對(duì)于節(jié)能來(lái)說(shuō)，有著較大的意義�，F(xiàn)有的大部分電力電氣控制閥都以電壓為工作單元，因此，對(duì)電力電氣設(shè)備的電壓進(jìn)行合理控制，是實(shí)現(xiàn)電力節(jié)能控制的關(guān)鍵。我國(guó)對(duì)相關(guān)學(xué)科的研究還處在起步階段，但是，隨著節(jié)能這項(xiàng)國(guó)策推廣程度的加深，相關(guān)方法也引起了社會(huì)各界越來(lái)越多的關(guān)注。

當(dāng)前電力電氣控制閥的節(jié)能研究，幾乎都以控制閥門(mén)開(kāi)關(guān)為主，大都通過(guò)智能化來(lái)判斷一些特殊的場(chǎng)景，對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行智能化的開(kāi)啟、關(guān)閉動(dòng)作，進(jìn)而完成電力節(jié)能控制。電力電氣控制閥的組成形式較為復(fù)雜，受電壓波動(dòng)情況影響較大，電壓無(wú)法形成有效、無(wú)干擾的供給，造成設(shè)備長(zhǎng)期處在波動(dòng)電壓控制下，不但對(duì)設(shè)備的壽命造成了影響，而且對(duì)能耗也有較大的副作用。

基于此，提出基于多層去噪神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電壓調(diào)節(jié)方法，并將該方法應(yīng)用到電氣控制閥的電壓節(jié)能控制中，通過(guò)設(shè)計(jì)電壓信號(hào)去噪模型，消除電壓控制中的過(guò)控制和模糊控制等問(wèn)題。通過(guò)設(shè)定誤差產(chǎn)生，保證控制精度，設(shè)計(jì)多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)電壓進(jìn)行智能控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓強(qiáng)度的準(zhǔn)確控制，達(dá)到節(jié)能的目的。

1 電力電氣控制閥電壓參數(shù)節(jié)能最優(yōu)組合

在電力電氣控制閥的節(jié)能控制中，電壓波動(dòng)會(huì)使得各種關(guān)鍵的控制信號(hào)存在較大誤差，使得電氣控制閥電壓控制過(guò)程在精度表達(dá)方面存在模糊性，造成能耗過(guò)高。為了去除這種模糊性，設(shè)置一種可以描述控制閥電壓波動(dòng)控制誤差的參數(shù)E，并將其引入到電力電氣控制系統(tǒng)中，控制閥電壓波動(dòng)形成的信號(hào)誤差量設(shè)為e（t）、電壓的波動(dòng)率設(shè)為EC，表達(dá)式設(shè)為ec（t），根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的可變控制系數(shù)為K，可得控制模型為：

    （1）

    （2）

在電壓發(fā)生異常波動(dòng)的情況下，電壓信號(hào)的控制律可描述為：

    （3）

式中：β為電壓波動(dòng)幅度系數(shù)，正常情況下設(shè)置為1；Kec（t）為微分系數(shù)；為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，可以對(duì)式（3）進(jìn)行改進(jìn)，得：

    （4）

式中：β0為|E|=0時(shí)，電壓波動(dòng)調(diào)整系數(shù)；0≤β≤0.5，0≤β≤1；Kβ是常數(shù)，0≤Kβ≤（1-β0）。

式（4）中，可以在電力電氣控制閥電壓發(fā)生較大波動(dòng)的情況下，對(duì)誤差進(jìn)行有效統(tǒng)計(jì)�？刂崎y電壓波動(dòng)下的電氣控制能夠?qū)φ麄�(gè)控制過(guò)程進(jìn)行測(cè)試，電壓波動(dòng)下的控制誤差e同u間的聯(lián)系，是不穩(wěn)定的。

在得到較多控制數(shù)據(jù)的情況下，可以根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，分析得到參數(shù)Δkp、Δki、Δkd，表示在運(yùn)行過(guò)程中控制閥電壓發(fā)生波動(dòng)的情況下，參數(shù)發(fā)生的一些變化值。把這種參數(shù)變化歸一化到（-1，1）中，對(duì)產(chǎn)生變化的參數(shù)e′、ec′、Δkp、Δki、Δkd的可能電壓波動(dòng)區(qū)域進(jìn)行限制，可以得到：e′、ec′、Δkp、Δki、Δkd={-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}。

設(shè)這參數(shù)變化的模糊子集為：e′、ec′、Δkp、Δki、Δkd={NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}；對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生變化的Δkp、Δki、Δkd的模糊標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行設(shè)置，e′、ec′、Δkp、Δki、Δkd數(shù)滿(mǎn)足正態(tài)分布，為了消除這些變化的影響，需要對(duì)這種波動(dòng)變化進(jìn)行確認(rèn)，通過(guò)設(shè)計(jì)模糊變量的隸屬度完成電力電氣控制閥電壓控制規(guī)則的確定。當(dāng)這種控制表格建立之后，可以通過(guò)查詢(xún)表的方式，對(duì)這種變化程度進(jìn)行量化。對(duì)應(yīng)規(guī)則為：

    （5）

在分析了電力電氣控制閥電壓波動(dòng)性的前提下，可以得到電壓控制參數(shù)e′、ec′、Δkp、Δki、Δkd的變化規(guī)則，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化的關(guān)聯(lián)控制，以保證電氣控制閥電壓波動(dòng)干擾被消除。

為了衡量這種量化效果，需要對(duì)電力電氣控制閥電壓控制參數(shù)的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行量化函數(shù)設(shè)計(jì)，有：

    （6）

式中：J為電力電氣控制閥電壓波動(dòng)環(huán)境下控制信號(hào)的準(zhǔn)確度測(cè)量結(jié)果，主要是通過(guò)對(duì)電氣控制閥控制信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間、控制過(guò)程、信號(hào)的信噪比等參數(shù)進(jìn)行衡量。為了達(dá)到節(jié)能的目的，需要對(duì)參數(shù)e′、ec′、Δkp、Δki、Δkd進(jìn)行尋優(yōu)組合，依據(jù)干擾消除的最優(yōu)規(guī)范，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)整，最終獲取最佳的節(jié)能組合值。

為了進(jìn)一步消除電力電氣控制閥電壓波動(dòng)對(duì)電力電氣系統(tǒng)能耗的影響，需要設(shè)定明確的干擾消除規(guī)則，根據(jù)規(guī)則進(jìn)行參數(shù)的組合，以保證控制閥電壓波動(dòng)干擾最小�？梢罁�(jù)式（7）規(guī)范對(duì)參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)：

    （7）

最終完成對(duì)電力電氣控制閥電壓波動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化控制，通過(guò)合理的參數(shù)組合方式，保證電力電氣系統(tǒng)能耗最小，實(shí)現(xiàn)控制閥電壓波動(dòng)下的節(jié)能調(diào)控。

2 基于多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力電氣控制閥電壓參數(shù)控制

在電壓波動(dòng)環(huán)境下的電力電氣控制閥節(jié)能控制中，設(shè)計(jì)一種多層次神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，能夠很好地完成控制閥電壓的智能化節(jié)能調(diào)節(jié)。

多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種前向網(wǎng)絡(luò)，電力電氣控制閥的電壓變化呈現(xiàn)非線(xiàn)性，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出層呈現(xiàn)線(xiàn)性，因此可以用電力電氣控制閥電壓在控制過(guò)程中的參數(shù)作為輸入層數(shù)據(jù)，最優(yōu)電壓作為輸出層的數(shù)據(jù)，隱含層主要負(fù)責(zé)電力電氣控制閥電壓的動(dòng)態(tài)變化學(xué)習(xí)過(guò)程。設(shè)定電壓波動(dòng)下的最優(yōu)節(jié)能控制函數(shù)，多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)

其中，C=[c1，c2，…，cm]為電力電氣控制閥電壓波動(dòng)信號(hào)；K=[k1，k2，…，kn]為數(shù)據(jù)的分類(lèi)中心；W=[w1，w2，…，wn]為電力電氣控制閥電壓穩(wěn)定控制的矩陣。輸入層到隱含層只考慮進(jìn)行控制閥節(jié)能電壓的數(shù)據(jù)傳遞，不考慮控制閥電壓的損耗。y為最優(yōu)電壓輸出結(jié)果，則輸出層的電壓i的輸出最優(yōu)值為：

    （8）

式中：‖·‖為約束規(guī)范的特殊符號(hào)；wj為隱含層到輸出層的波動(dòng)特征約束控制矩陣的第j個(gè)值；kj為第j個(gè)隱含層中分類(lèi)的中心；為電力電氣控制閥電壓波動(dòng)的寬度范圍。

對(duì)應(yīng)節(jié)能控制的效果，可以用式（9）進(jìn)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(dāng)N=n，且H為正定矩陣時(shí)，可以得到最優(yōu)的電氣控制閥電壓控制輸出解。電壓控制的輸出過(guò)程描述如下。

1）根據(jù)數(shù)據(jù)采集結(jié)果對(duì)電力電氣控制閥電壓進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(jìn)行分解，可得：

HT=AAT    （10）

其中，A為下三角矩陣。則式（10）能夠轉(zhuǎn)化為：

ATW=A-1y=b    （11）

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(dòng)下的最優(yōu)輸出，為了減少計(jì)算量，最優(yōu)解的遞推公式為：

    （12）

    （13）

根據(jù)步驟1）~3），能夠得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層的最優(yōu)節(jié)能電壓值，由于這種方法具有高效的訓(xùn)練效率，并且不存在由于初始值設(shè)置不當(dāng)引起的局部最小值的問(wèn)題，因此，電力電氣控制閥的電壓節(jié)能控制精度可得到極大的提高。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用仿真實(shí)驗(yàn)分析的方式，對(duì)提出的電力電氣控制閥電壓調(diào)節(jié)模型進(jìn)行有效的驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用電力中用到的最多的大型電力設(shè)備作為節(jié)能控制對(duì)象。該設(shè)備采用10~30V的電壓作為能量源、51單片機(jī)核心處理器硬件、高精度信號(hào)采集卡。電力設(shè)備電氣控制閥的使用電壓保證在安全范圍內(nèi)，通過(guò)核心處理器搜集數(shù)據(jù)，通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)化成可用電壓，運(yùn)用該模型拷入單片機(jī)，對(duì)電壓進(jìn)行合理的調(diào)控，保證電壓在一個(gè)高精度的區(qū)間內(nèi)合理的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的準(zhǔn)確節(jié)能調(diào)控，將各種參數(shù)的變化結(jié)果輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行仿真統(tǒng)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置為電力系統(tǒng)電氣控制閥進(jìn)行長(zhǎng)期工作的過(guò)程，中間不經(jīng)過(guò)停頓。對(duì)電力設(shè)備電氣控制閥的工作能耗進(jìn)行有效的采集，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行設(shè)定，設(shè)信號(hào)的相位為45°，幅值為Am為2，通過(guò)式（5）能夠得到在波動(dòng)變換下的參數(shù)原始值kp=1.232、ki=0.232、kd=0.342。通過(guò)優(yōu)化前后電氣控制閥的節(jié)能響應(yīng)曲線(xiàn)對(duì)比，完成實(shí)驗(yàn)比對(duì)，如圖2所述。

圖2 進(jìn)行節(jié)能控制后的控制閥參數(shù)響應(yīng)曲線(xiàn)

對(duì)圖2結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖2描述了該模型在進(jìn)行電力電氣控制閥電壓優(yōu)化調(diào)節(jié)前后，具有的節(jié)能特性變化，說(shuō)明該模型能夠?qū)﹄娏\(yùn)行過(guò)程中電氣控制閥電壓的波動(dòng)性進(jìn)行有效的控制，控制誤差保證在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，說(shuō)明大范圍的電力電氣控制閥電壓波動(dòng)可以得到有效控制。

電力設(shè)備的主要控制時(shí)間參數(shù)良好，控制結(jié)果如表2所示。

表2 設(shè)備電壓控制參數(shù)

分析表1可得，波動(dòng)電壓控制模型對(duì)電力電氣控制閥輸入電壓的控制參數(shù)都在合理的范圍內(nèi)，很好地解決了控制閥電壓波動(dòng)造成的控制能耗高、控制不準(zhǔn)等問(wèn)題，有利于電力智能化和電氣節(jié)能化的發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于多層去噪神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電壓調(diào)節(jié)方法，并應(yīng)用到電力電氣控制閥的節(jié)能設(shè)計(jì)中。首先通過(guò)設(shè)計(jì)去噪模型，消除電力電氣控制閥電壓控制中的過(guò)控制和模糊控制等弊端。其次通過(guò)設(shè)定控制閥電壓波動(dòng)誤差范圍，保證控制精度，設(shè)計(jì)多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)電力電氣控制閥電壓進(jìn)行智能控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓強(qiáng)度的準(zhǔn)確控制，達(dá)到節(jié)能的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，這種方法可以對(duì)電力中電氣控制閥的控制精度進(jìn)行有效的改進(jìn)，并且在節(jié)能方面也起到了很好的效果。