基于模糊免疫算法的汽輪發(fā)電機(jī)組OPC控制①

鄧 婧，李興源，魏 巍

（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610065）

超速保護(hù)器OPC（overspeed protection controller）是數(shù)字式電氣液壓DEH（digital electric hydraulic）調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要組成部分。保證熱動(dòng)系統(tǒng)（汽輪機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)）處于安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)是機(jī)組超速保護(hù)的目標(biāo)。當(dāng)OPC的轉(zhuǎn)速是額定轉(zhuǎn)速的103%時(shí)，通過(guò)快速關(guān)閉調(diào)節(jié)汽閥可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的超速保護(hù)［1］。在單一故障模式下，通常根據(jù)OPC所在電網(wǎng)的情況靈活整定OPC的動(dòng)作特性［2］，但OPC控制策略的正確性需要在實(shí)際電網(wǎng)事故中進(jìn)行校驗(yàn)［3］。發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，如果OPC控制策略選擇不當(dāng)，不僅無(wú)法實(shí)現(xiàn)超速保護(hù)，而且會(huì)使汽門頻繁開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生“乓乓”現(xiàn)象，給機(jī)組軸系和熱力系統(tǒng)造成頻繁沖擊，嚴(yán)重影響機(jī)組安全，甚至可能使電網(wǎng)大規(guī)模地甩負(fù)荷，發(fā)生頻率振蕩或頻率失穩(wěn)事故，最終造成整個(gè)電網(wǎng)崩潰。

在電站汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中常常包括時(shí)滯、慣性、干擾、死區(qū)和飽和等非線性環(huán)節(jié)［3］。模糊控制由于無(wú)需知道被控制對(duì)像的數(shù)學(xué)模型，具有較強(qiáng)的魯棒性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于難于獲得精確數(shù)學(xué)模型、非線性和大滯后系統(tǒng)的控制。

生物免疫系統(tǒng)具有獨(dú)特的識(shí)別機(jī)制、強(qiáng)大的自適應(yīng)和記憶功能，已在國(guó)內(nèi)外引起了廣泛的重視。許多領(lǐng)域的科研人員對(duì)生物免疫系統(tǒng)中蘊(yùn)含的機(jī)制和功能進(jìn)行了深人研究，期望從中找到解決實(shí)際問(wèn)題的方法。適應(yīng)性免疫應(yīng)答過(guò)程中T細(xì)胞具有促進(jìn)和抑制兩種作用，能保證免疫系統(tǒng)獲得較快的響應(yīng)速度和足夠的穩(wěn)定性，這種調(diào)節(jié)機(jī)制可用來(lái)有效改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能［4～6］。

在以往的模糊控制器設(shè)計(jì)中，通常的控制準(zhǔn)則是離線整定，其缺點(diǎn)是不能修改，適應(yīng)性較差。本文在OPC動(dòng)作引起系統(tǒng)振蕩的機(jī)理分析基礎(chǔ)上，結(jié)合模糊控制的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)OPC動(dòng)作邏輯的修改，并通過(guò)免疫算法結(jié)合國(guó)際通行的NETOMAC仿真軟件分析得到的模糊控制規(guī)則對(duì)其控制規(guī)則進(jìn)行自適應(yīng)整定從而抑制系統(tǒng)的振蕩，實(shí)際系統(tǒng)的仿真論證了該OPC附加控制的效果。

1 OPC振蕩機(jī)理分析

1.1 OPC模型

DEH的保護(hù)系統(tǒng)OPC功能設(shè)定為轉(zhuǎn)速達(dá)到103%n0時(shí)快關(guān)中壓調(diào)節(jié)汽閥；在n0×103%＜n＜n0×110%時(shí)，超速控制系統(tǒng)通過(guò)OPC電磁閥快關(guān)高、中壓調(diào)節(jié)汽閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的超速保護(hù)［7～10］。

OPC的簡(jiǎn)單動(dòng)作特性如圖1所示［11］?？芍狾PC實(shí)現(xiàn)的是典型的開(kāi)環(huán)控制快關(guān)快開(kāi)規(guī)律。

圖1 OPC簡(jiǎn)單動(dòng)作特性圖Fig.1 Simple operating characteristics of OPC

OPC的基本動(dòng)作描述如下：

通過(guò)邏輯電路控制調(diào)速和OPC動(dòng)作的選擇，即當(dāng)指令條件不滿足，OPC不動(dòng)作時(shí)控制通路保持調(diào)速器調(diào)節(jié)，由調(diào)速器的調(diào)頻環(huán)節(jié)進(jìn)行跟蹤調(diào)節(jié)；當(dāng)指令條件達(dá)到，屏蔽調(diào)速器，控制通路轉(zhuǎn)到OPC邏輯，完全由OPC進(jìn)行控制閥門。OPC的動(dòng)作邏輯簡(jiǎn)單類似于一個(gè)由轉(zhuǎn)速整定的二值電平控制模型，即轉(zhuǎn)速升至3090 r／min，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，汽門全關(guān)；轉(zhuǎn)速降至3000 r／min，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，閥門全開(kāi)。

1.2 OPC振蕩機(jī)理分析

圖2表示OPC動(dòng)作后系統(tǒng)的頻率振蕩，假如在t＝0時(shí)，負(fù)荷突減，機(jī)組功率過(guò)剩，轉(zhuǎn)速上升。若一次調(diào)頻能力不足，轉(zhuǎn)速上升至3090 r／min，OPC動(dòng)作，全占閥門控制，關(guān)閉高壓調(diào)節(jié)門和中壓調(diào)節(jié)門，轉(zhuǎn)速降低至3000 r／min，OPC動(dòng)作全開(kāi)閥門，由于存在慣性和時(shí)滯，機(jī)組轉(zhuǎn)組繼續(xù)下降，如果OPC的控制策略不當(dāng)，有可能會(huì)下降至低頻減載的動(dòng)作值，從而使轉(zhuǎn)速重新升高至OPC的動(dòng)作值，如此造成系統(tǒng)頻率振蕩。

圖2 OPC動(dòng)作下的頻率動(dòng)態(tài)Fig.2 Frequency dynamics of OPC when operating

1.3 OPC動(dòng)作特性的修改

如圖1所示，OPC的動(dòng)作是一個(gè)數(shù)字控制器，其動(dòng)作邏輯是可以修改和整定的，見(jiàn)圖3，修改后的OPC動(dòng)作特性中可以人為調(diào)整的參數(shù)有：

（1）上升階段和下降階段采取的控制策略；

（2）汽門最小開(kāi)度x1；

（3）汽門最終開(kāi)度x2；

（4）汽門關(guān)閉時(shí)間tno。

圖3 修改后的OPC動(dòng)作特性圖Fig.3 Simple operating characteristics of OPC after the revision

2 模糊免疫控制原理

模糊控制是建立在人類思維具有模糊邏輯特性的基礎(chǔ)上的。其控制核心是在于它用具有模糊性的語(yǔ)言條件語(yǔ)句，作為控制規(guī)則去執(zhí)行控制。但模糊控制規(guī)則存在精度不高，自適應(yīng)能力有限和易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象等問(wèn)題，使模糊控制器的應(yīng)用場(chǎng)合受到了很大限制。免疫是生物體的一種特性生理反應(yīng)。生物的免疫系統(tǒng)對(duì)于外來(lái)侵犯的抗原，可產(chǎn)生相應(yīng)的抗體來(lái)抵御?？乖涂贵w結(jié)合后會(huì)產(chǎn)生一系列的反應(yīng)，通過(guò)吞噬作用或產(chǎn)生特殊酶的作用而毀壞抗原。通過(guò)免疫控制的反饋機(jī)理對(duì)模糊控制規(guī)則的加權(quán)函數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，可在保持控制本身優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也提高模糊控制的精度。

生物的免疫系統(tǒng)由淋巴細(xì)胞和抗體分子組成，淋巴細(xì)胞又由胸腺產(chǎn)生的T細(xì)胞（分別為輔助細(xì)胞TH和抑制細(xì)胞TS）和骨髓產(chǎn)生的B細(xì)胞組成，當(dāng)抗原侵入機(jī)體并經(jīng)過(guò)周圍細(xì)胞消化后，將信息傳遞給T細(xì)胞，即傳遞給TH和TS細(xì)胞，然后刺激B細(xì)胞，B細(xì)胞產(chǎn)生抗體以消除抗原。當(dāng)抗原較多時(shí)，機(jī)體內(nèi)的TH細(xì)胞也較多，而TS細(xì)胞卻較少，從而會(huì)產(chǎn)生較多的B細(xì)胞。隨著抗原的減少，體內(nèi)TS細(xì)胞增多，它抑制了TH細(xì)胞的產(chǎn)生，而B細(xì)胞也隨著減少［12～14］反饋系統(tǒng)便趨于平衡。抑制機(jī)理和主反饋機(jī)理之間的相互協(xié)作，是通過(guò)免疫反饋機(jī)理對(duì)抗原的快速反應(yīng)和穩(wěn)定免疫系統(tǒng)完成的［15］，見(jiàn)圖4。

圖4 體液免疫響應(yīng)過(guò)程示意圖Fig.4 Diagram of humoral immune respone process

生物信息系統(tǒng)的這些智能行為，為科學(xué)和工程領(lǐng)域提供了各種理論參考和技術(shù)方法。基于上述免疫反饋原理，各個(gè)領(lǐng)域的專家學(xué)者提出了多種免疫控制算法。比較典型一種的是模糊免疫控制算法：假設(shè)第k代的抗原數(shù)量為ε（k），由抗原刺激的TH細(xì)胞的輸出為TH（k），TS細(xì)胞對(duì)B細(xì)胞的影響為TS（k），則B細(xì)胞接收的總刺激為

其中TH（k）＝k1ε（K）

TS（k）＝k2f（S（k），ΔS（k））ε（k）

若以抗原的數(shù)量ε（k）作為偏差e（k），B細(xì)胞接收的總刺激S（k）作為控制輸入u（k），則有

本文采用上述模糊免疫反饋原理所設(shè)計(jì)的OPC附加控制器中的控制規(guī)則加權(quán)函數(shù)α（t）隨控制器輸出的變化而變化，具備自適應(yīng)的功能。

由此，得到如下的反饋控制規(guī)律

其中kp1＝K（1－ηf（u（k），Δu（k））），K＝k1，K為控制反應(yīng)速度，

3 貴陽(yáng)南部電網(wǎng)和OPC動(dòng)作過(guò)程

事故前，貴陽(yáng)南部電網(wǎng)發(fā)電出力為1050 MW，負(fù)荷為917 MW，通過(guò)青巖變向500 k V系統(tǒng)上網(wǎng)86 MW。事故中，解網(wǎng)后，貴陽(yáng)南部電網(wǎng)因功率過(guò)剩，造成頻率上升，約5 s時(shí)上升到最高頻率（記錄到的最高頻率為51.44 Hz），爾后下降至最低頻率（46.47 Hz），隨后出現(xiàn)多次大幅波動(dòng)，機(jī)組有功也在波動(dòng)。

貴陽(yáng)電廠8號(hào)和9號(hào)機(jī)組因機(jī)組過(guò)速跳閘保護(hù)（3100 r／min、0”關(guān)主汽門，機(jī)組跳閘）動(dòng)作而造成機(jī)組跳閘。清鎮(zhèn)電廠7號(hào)和8號(hào)機(jī)組因機(jī)組過(guò)速保護(hù)OPC（3090 r／min、0”關(guān)調(diào)節(jié)汽門，機(jī)組不跳閘）動(dòng)作造成功率波動(dòng)，關(guān)閉調(diào)節(jié)汽門，7號(hào)機(jī)組功率的波動(dòng)從200 MW降至0后，由于OPC保護(hù)在電網(wǎng)頻率降至50 Hz以下時(shí)，OPC返回，全打開(kāi)調(diào)節(jié)汽門，造成功率又上升至200 MW，電網(wǎng)頻率上升至51.5 Hz，OPC又動(dòng)作，機(jī)組調(diào)節(jié)汽門全關(guān)，功率的波動(dòng)又從200 MW降至0，共重復(fù)19次。由于8號(hào)機(jī)組OPC動(dòng)作后，8號(hào)機(jī)組機(jī)調(diào)節(jié)汽門的開(kāi)度置為0，故在OPC第一次動(dòng)作關(guān)閉調(diào)節(jié)汽門后，8號(hào)機(jī)組功率的波動(dòng)從200 MW降至0后，由于OPC保護(hù)在電網(wǎng)頻率降至50 Hz以下時(shí)，OPC返回，不打開(kāi)調(diào)節(jié)汽門，功率僅在0到20 MW間波動(dòng)，共波動(dòng)12次，直至逆功率保護(hù)動(dòng)作，＃8機(jī)跳閘。

圖5 貴陽(yáng)南部電網(wǎng)故障前接線方式Fig.5 Connection mode of guiyang southern power grid before the fault

4 OPC附加模糊控制器的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的OPC附加模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 OPC附加模糊控制器Fig.6 Fuzzy controller added to OPC

從OPC的動(dòng)作條件及其引起系統(tǒng)振蕩機(jī)理分析可知，對(duì)OPC的控制信號(hào)中頻率變化和功率變化同等重要，因此本文在設(shè)計(jì)OPC的附加控制時(shí)，將頻率變化及頻率變化率同時(shí)作為模糊控制器的輸入，而功率變化信號(hào)對(duì)OPC的控制作用則體現(xiàn)在對(duì)控制規(guī)則加權(quán)函數(shù)α（t）的修正上，這樣既避免了模糊控制器輸入量導(dǎo)致的規(guī)則維數(shù)災(zāi)，又可以在OPC的控制中同時(shí)計(jì)及頻率和功率的影響，更好地反饋系統(tǒng)的狀態(tài)。

在實(shí)際功頻電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，本應(yīng)測(cè)取汽輪機(jī)的實(shí)發(fā)功率，由于技術(shù)上的困難而采用了用發(fā)電機(jī)功率代替汽輪機(jī)功率。但由此而帶來(lái)的問(wèn)題是反調(diào)現(xiàn)象的產(chǎn)生。在本文所設(shè)計(jì)的控制器中采用了發(fā)電機(jī)功率信號(hào)對(duì)加權(quán)函數(shù)進(jìn)行修正，為避免上述反調(diào)現(xiàn)象的產(chǎn)生，引入轉(zhuǎn)速微分信號(hào)，把發(fā)電機(jī)功率信號(hào)校正成為汽輪機(jī)功率信號(hào)。

4.1 OPC控制邏輯修改的設(shè)計(jì)

本文通過(guò)輸入頻率偏差和頻率偏差變化率，輸出OPC的閥門控制指令，采用模糊控制原理對(duì)OPC的控制邏輯進(jìn)行整定。

4.1.1 模糊控制器的輸入變量和輸出變量

輸入變量為頻率偏差E和頻率偏差變化率ΔE，輸出變量為閥門開(kāi)度指令u。

4.1.2 輸入變量和輸出變量的語(yǔ)言描述

ΔE和u的模糊集均為

［NB，NM，NS，O，PS，PM，PB］

E的模糊集為

［NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB］

E和ΔE的論域均為［－6，6］，u的論域?yàn)椋郏?，7］。

4.1.3 模糊控制規(guī)則的確定

當(dāng)誤差較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主；而當(dāng)誤差較小時(shí)，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點(diǎn)。

根據(jù)以上原理，得到初始控制規(guī)則如表1所示。

表1 初始模糊控制規(guī)則Tab.1 Initial fuzzy control rules

以上得出的控制規(guī)則是經(jīng)離線整定得出的，不能適應(yīng)外界干擾條件的變化，因此本文把控制規(guī)則數(shù)字化，把語(yǔ)言變量值定義為相應(yīng)的整數(shù)對(duì)應(yīng)的控制基［16］，選擇一個(gè)帶有加權(quán)因子調(diào)整控制規(guī)則的輸出量解析表達(dá)式

其中α（t）為調(diào)整函數(shù)，又稱加權(quán)函數(shù)。

4.2 控制規(guī)則加權(quán)函數(shù)的在線調(diào)整

根據(jù)生物免疫系統(tǒng)的反饋規(guī)律可知免疫控制實(shí)際上是一個(gè)將比例系數(shù)采用模糊免疫調(diào)節(jié)的變比例控制，參數(shù)K控制反應(yīng)速度，參數(shù)η控制穩(wěn)定效果。因此，合理的調(diào)整K和η，可以使系統(tǒng)響應(yīng)加快，超調(diào)量減小，偏差［4］。

將功率變化ΔP作為模糊調(diào)節(jié)器的抗原，輸出的閥門指令u（t）作為模糊調(diào)節(jié)器的輸入。則有

令

f（·）采用模糊控制規(guī)則逼近。經(jīng)仿真調(diào)整后取K＝20為一固定比例系數(shù)，η為控制穩(wěn)定效果調(diào)整系數(shù)，這里設(shè)置為1。

首先將輸入變量u（k），Δu（k）模糊化，其基本論域分別定義為［－u，u］和［－Δu，Δu］。u的語(yǔ)言變量定義為NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB；Δu的語(yǔ)言變量定義為NB，NM，NS，PS，PM，PM，PB。描述模糊子集的隸屬函數(shù)均為正態(tài)分布型隸屬函數(shù)。

將對(duì)應(yīng)的輸出變量f（·）在（－1，＋1）區(qū)間采用正態(tài)分布型隸屬函數(shù)定義為NB，NM，NS，O，PS，PM，PB。依據(jù)OPC的動(dòng)作原理并經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)調(diào)整，制定模糊控制規(guī)則共48條，具體內(nèi)容如表2所示。

輸入量u（k），Δu（k）由模糊產(chǎn)生器映射為模糊集合后，經(jīng)模糊推理及重心法去模糊，得到確定的輸出量f（·），然后代入上式，計(jì)算出α（k）。

表2 加權(quán)函數(shù)的調(diào)整控制規(guī)則Tab.2 Regulation control rules of weighting function

得到控制規(guī)則的自適應(yīng)調(diào)整后，可存儲(chǔ)于OPC的控制邏輯中，實(shí)時(shí)控制時(shí)，不斷根據(jù)功率變化、頻率變化及其變化率進(jìn)行掃描以查詢控制表得到相應(yīng)的控制值。

5 仿真測(cè)試及結(jié)果分析

本文利用2006－07－07貴陽(yáng)南部電網(wǎng)故障及發(fā)生的OPC的動(dòng)作過(guò)程，用NETOMAC程序建立原動(dòng)機(jī)，調(diào)速器和OPC及其控制邏輯的詳細(xì)模型。圖7和8給出了仿真測(cè)試結(jié)果。

圖7 未投入OPC附加模糊控制器時(shí)的仿真圖Fig.7 Simulation results when not inputting the extra－OPC fuzzy controller

將本文所設(shè)計(jì)的OPC附加模糊控制器分別加入到清鎮(zhèn)電廠7號(hào)和8號(hào)機(jī)組OPC的控制策略中，得到的結(jié)果如圖8所示。

圖8 投入OPC附加模糊控制器后的仿真圖Fig.8 Simulation results when inputting the extra－OPC fuzzy controller

故障發(fā)生時(shí)，清鎮(zhèn)電廠7號(hào)機(jī)組的OPC完全代替調(diào)速器對(duì)汽輪機(jī)高中壓閥門進(jìn)行控制，最終導(dǎo)致7號(hào)機(jī)組的有功功率大幅度波動(dòng)，系統(tǒng)振蕩。對(duì)實(shí)際機(jī)組的動(dòng)作特性進(jìn)行仿真，得到故障時(shí)未加入OPC附加模糊控制器時(shí)貴陽(yáng)南部電網(wǎng)頻率偏差、清鎮(zhèn)電廠7、8號(hào)機(jī)組的高壓閥門、中壓閥門以及有功功率的結(jié)果如圖7所示。

從圖7和圖8可以看出，采用控制規(guī)則的加權(quán)函數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)的模糊控制器以后，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)切機(jī)，切負(fù)荷等情況，可以迅速穩(wěn)定系統(tǒng)頻率，較好地抑制系統(tǒng)振蕩。

7 結(jié)論

本文基于OPC的動(dòng)作原理及模糊免疫方法設(shè)計(jì)了OPC附加模糊控制器。該控制器設(shè)計(jì)方案可以有效解決汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的時(shí)滯，非線性及數(shù)學(xué)模型不易獲取的難點(diǎn)，易于編入OPC的控制邏輯中，便于工程實(shí)現(xiàn)。此控制器可根據(jù)系統(tǒng)頻率變化及頻率變化率得到閥門輸出指令，并根據(jù)功率的變化對(duì)控制規(guī)則加權(quán)函數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，具有一定的魯棒性。通過(guò)OPC簡(jiǎn)單控制邏輯與本文所設(shè)計(jì)的控制器對(duì)比用Netomac仿真結(jié)果證明了其有效性。

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