CN103545829A - 基于免疫多智能体系统的电气化铁路不平衡协同补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于免疫多智能体系统的电气化铁路不平衡协同补偿方法，当整个牵引供电网络或单个牵引站的不平衡度超标时，将三相供电负荷情况视为抗原，混合有源负序补偿系统中的RPC视为T细胞智能体，混合有源负序补偿系统中的MCR型SVC视为B细胞智能体，T细胞智能体和B细胞智能体正好可以将抗原消除的输出值视为抗体，最后将抗原、对应的抗体信息和控制参数一起保存到知识库。本发明可以提高整体装置的动态响应速度、降低设备补偿容量，同时又减少整体装置的制造成本和运行可靠性，在电气化铁路电能质量综合治理的领域中具有可观的市场前景。

Description

基于免疫多智能体系统的电气化铁路不平衡协同补偿方法

技术领域

本发明属于电气化铁路电能质量技术领域，特别涉及一种基于免疫多智能体系统的电气化铁路牵引变电站负序不平衡协同补偿方法。

背景技术

随着铁路技术的快速发展，电力牵引机车以其马力大、速度快、能耗低及效率高等优势，正逐步取代传统的内燃机车成为铁路牵引技术发展的方向。电气化铁路作为电力系统一个特殊用户，电铁牵引负荷具有“四非”特性——非线性（大功率整流设备）、非正弦性（波形畸变）、非对称性（单相大功率负荷）、非连续性（有功、无功冲击严重、电压波动大）。其谐波、负序等电力公害不仅危及电铁系统自身的安全与可靠运行，还会危及共用电网其它用户的安全生产，因此对这些问题进行治理尤为重要。

由于电气化铁路负荷的“四非”特点，高速铁路引起的负序问题极为严重。以高速铁路三相供电母线某一相间出现最大负载为例，如果不施以任何补偿措施，此时电流不平衡度可高达100%。目前，常规的电能质量治理方法一般都是针对单个牵引站采用如下方法：1、加装静止无功补偿器SVC对系统的负序和无功问题进行补偿，但无法解决谐波问题，且需要补偿容量大。2、加装新型三相静止同步补偿器(distributionstatic synchronous compensator，DSTATCOM)对负序、谐波和无功进行综合补偿的治理方案，但三相电压一般高达 110 或 220 kV，增加了其工程的难度和复杂度。3、加装铁路功率调节器（Railway Power Conditioner，RPC）进行综合补偿，但其为有源装置，成本较高。同时这些方法都是针对单个牵引站，未考虑其他站点和母线上电能质量情况，缺乏全局观，而通过本专利采用基于免疫多智能体模型的多站电磁混合式协同补偿可以克服现有的电气化铁路负序补偿方法在谐波、投入容量、动态响应速度、成本等方面的不足。

智能体是指具有感知、分析、推理能力的实体，它具有一定的反应性、自治性、社会性和自发性等特点。反应性,即指智能体具有感知周围环境，且可以通过其行为使环境发生改变的能力。自治性,即指智能体在一定程度上能控制自身行为和其内部状态，即使没有人类或其他智能体的干涉和指导,也能维持正常运行。社会性,即指智能体可以利用通信语言与其他智能体交换信息、商议、决策，多个智能体能够相互协作共同完成某项任务。自发性,即指智能体的行为应该是自动的,它能独立于其它智能体而执行。

免疫系统具有三道防线：第一道防线是物理与生物屏障，由皮肤和黏膜构成的，它们不仅能够阻挡病原体侵入人体，而且其分泌物（如乳酸、脂肪酸、胃酸和酶等）具有杀菌的作用；第二道防线为固有免疫系统，主要包括巨噬细胞、树突细胞、中性白细胞等等，人人生来就有，不针对某一种特定的病原体，能防御多种病原体；第三道防线为自适应免疫系统，又称获得性免疫系统，主要由淋巴B细胞、淋巴T细胞等构成。当病原体突破第二道防线时，自适应免疫系统就发生作用，淋巴B细胞、淋巴T细胞识别并协同对付抗原，当病原体被清除时，入侵的病原体特征将记入记忆细胞，以预防下一次袭击。由此可见,免疫系统是一个复杂的自适应系统，具有分布式任务处理能力，相关的免疫细胞和免疫效应分子通过相互作用形成全局网络，对局部网络出现抗原进行免疫应答，体现出一定的反应性、自治性、社会性和自发性，因此众多免疫细胞和免疫效应分子可以看成为智能体。

此外，免疫多智能体除了继承广义智能体的共同特性外，还具有一些独特的个性，如：防御性，记忆性，耐受性等。防御性，遍布全网络的免疫智能体能极为有效地对复杂的系统采取分布式状态监控和故障预报。记忆性，免疫智能体具有良好的长寿命记忆功能，当具有相同病原体特征的抗原再次入侵时，免疫智能体能借助记忆知识库，选取有效行为进行快速免疫应答。耐受性，免疫智能体能对干扰信号呈现出一定的耐受性，免疫智能体自身的稳定及其系统的平衡具有重要意义。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种基于免疫多智能体系统的多个电气化铁路牵引变电站负序协同补偿方法，当整个牵引供电网络或单个牵引站的不平衡度超标时，将三相供电负荷情况视为抗原，混合有源负序补偿系统中的RPC视为T细胞智能体，混合有源负序补偿系统中的MCR型SVC视为B细胞智能体，T细胞智能体和B细胞智能体正好可以将抗原消除的输出值视为抗体，最后系统将抗原、对应的抗体信息和控制参数一起保存到知识库。采用此方法能提高整体装置的动态响应速度、降低设备补偿容量，同时又减少整体装置的制造成本和运行可靠性，在电气化铁路电能质量综合治理的领域中具有可观的市场前景。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于免疫多智能体系统的电气化铁路不平衡协同补偿方法， 当整个牵引

供电网络或单个牵引站的不平衡度超标时，将三相供电负荷情况视为抗原，混合有源负序补偿系统中的RPC视为T细胞智能体，混合有源负序补偿系统中的MCR型SVC视为B细胞智能体，T细胞智能体和B细胞智能体将抗原消除的输出值视为抗体，将在公共电力系统变电站母线的电信号检测单元视为总抗原提呈智能体，将在单个高铁变电站的电信号检测单元视为抗原提呈智能体，将从电力系统母线到每个高铁牵引供电及混合补偿系统的整个网络视为免疫多智能体，将单个高铁牵引供电及混合有源负序补偿系统视为免疫子智能体，将每个混合有源负序补偿系统的工作状态和控制参数视为抗体智能体；

包括以下步骤：

步骤1、总抗原提呈智能体采集电力系统变电站母线的电信号的电压和电流信号，计算出电压和电流不平衡度，当不平衡度或负序电流超过国家标准时，认为免疫系统遭受外来抗原的攻击；

步骤2、每一个免疫子智能体中的抗原提呈智能体计算出各自牵引供电负荷的不平衡度，并判断各自牵引变电站是否有抗原出现；

步骤3、若母线和各牵引变电站均未出现抗原，则不进行免疫应答；若母线出现抗原，各牵引变电站未出现抗原，则每个牵引变电站的免疫子智能体协同对母线外来抗原进行免疫应答；若母线和各牵引变电站均出现抗原，则每个牵引变电站的免疫子智能体优先对本站的自身抗原进行免疫应答，然后协同应对母线和其他站点的抗原；

步骤4、系统将抗原、对应的抗体信息和控制参数一起保存到知识库，以便下次出现类似特征的抗原，可以调用知识库相关信息以作出迅速应答。

所述免疫应答过程中，免疫应答初期，响应速度快T细胞智能体的输出值迅速变化来应对抗原，同时刺激响应速度相对慢的B细胞智能体一起协同对抗抗原，以达到快速响应的要求；免疫应答末期，细胞智能体的输出值增大到一定程度抑制T细胞智能体的增长，以避免过偿；当T细胞智能体和B细胞智能体的输出值将抗原消除，免疫应答过程结束。

本发明提供的基于免疫多智能体模型的多个电气化铁路牵引变电站电能质量协同补偿方法以保证为牵引变电站供电母线符合国家电能质量标准为目标，通过处在同一母线上的多个牵引变电站的混合式补偿装置相互协同，以降低各站点补偿装置的安装容量。本发明采用多站点协同补偿的方式，多站点协同补偿是以电力系统母线电压不平衡度满足国家限定标准为目标，多站点共同补偿来实现的。各个站点只需要按照系统分配原则投入适当的补偿容量就可以实现补偿目标，并不需要巨大的负序补偿容量去完全补偿自身站点的负序不平衡，可以极大的降低各站点补偿装置在负序补偿上的投入容量。

附图说明

图1为多站协同补偿结构图；

图2为免疫多智能体模型与多个混合有源负序补偿装置不平衡协同补偿体系的映射关系图；

图3为基于免疫多智能体模型的多站不平衡协同补偿模型；

图4为子站点控制流程图；

图5为母线中心控制系统流程图；

图6为混合补偿系统控制原理图； 

图7为MCR控制原理图；

图8为RPC控制原理图。

具体实施方式

本发明所述协同补偿方法的结构如图1所示，N个牵引变电站通过轮流换相技术接在同一母线上。每个牵引变电站采用V/V接线方式牵引变压器，变压器二次侧一相接左侧供电臂，一相接右侧供电臂，一相接导轨。每个牵引变电站配有MSVC和RPC组成的混合补偿系统，其中3台大容量MSVC装置分别安装在变压器二次侧三相相间。MSVC装置由MSMCR和FC并联组成，用于补偿无功和负序。小容量RPC装置经2台降压变压器分别并联在两侧供电臂用于快速平衡系统两侧有功功率和发出适量无功，其结构由2个组成背靠背结构的单相逆变器连接直流电容组成。

免疫智能体由抗原提呈智能体、T细胞智能体、B细胞智能体和抗体智能体组成。免疫多智能体是由多个免疫智能体、总抗原提呈智能体和知识库组成。图2所示为免疫多智能体模型与多个混合有源负序补偿装置不平衡协同补偿体系的映射。

根据多个电气化铁路牵引变电站电能质量协同补偿系统，本专利提出一种不平衡协同补偿的免疫多智能体模型，如图3所示。

如图4所示，子站点控制流程如下：

1、各子站点补偿系统采集负荷电流和电压信号，计算出负序电流是否超过预警值。预警值是人为设置的一个不平衡电流值，其大小为产生电压不平衡度1.3%时不平衡电流值I-的一半。

2、如果超过预警值，混合补偿系统协同补偿负序，使负序电流降低到预警值以下。如果未超过预警值，则MSVC无功补偿，RPC抑制3-19次谐波。

3、子站点查询是否存在协同邀约。

4、如果有协同补偿邀约，子站点向中心控制单元上传协同补偿负序电流矢量方向存在多少剩余容量，并等待协同任务，接收中心控制单元分配到该子站所需发出的协同负序电流ixt-。如果没有协同补偿邀约，则ixt-=0。

5、子站点将测量混合补偿系统的输出电压、电流反馈到中心控制系统。

如图5所示，母线中心控制系统流程如下：

1、中心控制系统监测母线电压、电流信号，计算其电压和电流不平衡度并判断是否超标。

2、如果母线不超标，中心控制系统接收各个子站点的不平衡信号，判断是否有子站点超标。如果有一个子站点超标或子站点均超标，则中心控制系统计算需要发出的负序电流i-的方向和大小，各子站点分别计算出其能够发出i-方向的电流，记为in-（n=1,2,3…）,其总和为imax-，当某一子站点超标时，优先该站点补偿负序；如果子站点都不超标，协同负序电流ixt-=0。

3、如果母线超标，则每个子站点按所能发出i-方向的电流大小比例分配，发出负序电流，即等于in-/ imax-*i-。

混合补偿系统控制原理如图6所示。首先，混合补偿系统接收负序补偿参考电流i-ref,负序补偿参考电流由本站补偿负序电流ibz-和协同负序电流ixt-构成，即i-ref=ibz-+ixt-。其次，MSVC和RPC根据参考电流采取相应动作，在负序补偿模式初期，RPC迅速响应，以快速减小系统不平衡度，然后MSVC逐步增大容量，使得RPC逐步退出，在负序补偿模式末期，若MSVC实际投入容量过大，则RPC发出与MSVC相位相反的负序电流，以抑制MSVC过补偿。

MSVC装置主设备由MSMCR和FC组成，MSMCR由晶闸管触发控制，不同的触发角度对应于不同的容量。在高速铁路负序控制中，MSMCR的控制较为简单。MSVC装置通过采集牵引变压器二次侧电压同步信号，结合MSMCR控制曲线，控制PLC高速脉冲输出口发射触发脉冲控制晶闸管在指定导通角开通和关断，以实现控制MSVC装置无功功率输出。

RPC装置为单相全桥PWM控制电压型变流器，由两个电压源型变流器连接一个共用直流电容组成，其中一个变流器工作在整流状态，另一个变流器工作在逆变状态，电容电压保持恒定。RPC装置采用电流滞环比较跟踪控制，采集牵引变压器二次侧电压，并分解得到控制信号后由DSP产生相应的PWM脉冲控制逆变器工作，实现要求的有功功率和无功功率输出。

Claims (2)

1.一种基于免疫多智能体系统的电气化铁路不平衡协同补偿方法，其特征在于：

当整个牵引供电网络或单个牵引站的不平衡度超标时，将三相供电负荷情况视为抗原，混合有源负序补偿系统中的RPC视为T细胞智能体，混合有源负序补偿系统中的MCR型SVC视为B细胞智能体，T细胞智能体和B细胞智能体将抗原消除的输出值视为抗体，将在公共电力系统变电站母线的电信号检测单元视为总抗原提呈智能体，将在单个高铁变电站的电信号检测单元视为抗原提呈智能体，将从电力系统母线到每个高铁牵引供电及混合补偿系统的整个网络视为免疫多智能体，将单个高铁牵引供电及混合有源负序补偿系统视为免疫子智能体，将每个混合有源负序补偿系统的工作状态和控制参数视为抗体智能体；

包括以下步骤：

步骤1、总抗原提呈智能体采集电力系统变电站母线的电信号的电压和电流信号，计算出电压和电流不平衡度，当不平衡度或负序电流超过国家标准时，认为免疫系统遭受外来抗原的攻击；

步骤2、每一个免疫子智能体中的抗原提呈智能体计算出各自牵引供电负荷的不平衡度，并判断各自牵引变电站是否有抗原出现；

步骤3、若母线和各牵引变电站均未出现抗原，则不进行免疫应答；若母线出现抗原，各牵引变电站未出现抗原，则每个牵引变电站的免疫子智能体协同对母线外来抗原进行免疫应答；若母线和各牵引变电站均出现抗原，则每个牵引变电站的免疫子智能体优先对本站的自身抗原进行免疫应答，然后协同应对母线和其他站点的抗原；

步骤4、系统将抗原、对应的抗体信息和控制参数一起保存到知识库，以便下次出现类似特征的抗原，可以调用知识库相关信息以作出迅速应答。

2.根据权利要求1所述的基于免疫多智能体系统的电气化铁路不平衡协同补偿方法，其特征在于：所述免疫应答过程中，免疫应答初期，响应速度快T细胞智能体的输出值迅速变化来应对抗原，同时刺激响应速度相对慢的B细胞智能体一起协同对抗抗原，以达到快速响应的要求；免疫应答末期，细胞智能体的输出值增大到一定程度抑制T细胞智能体的增长，以避免过偿；当T细胞智能体和B细胞智能体的输出值将抗原消除，免疫应答过程结束。

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