CN106295027A - 一种具有自适应抗电压扰动的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有自适应抗电压扰动的建模方法，有效解决因电压扰动造成接触器脱扣、变频器和软启动器停机的预防和保护的问题，方法是，用自适应滤波器对输入信号数据进行调整，成动态参数，非自适应滤波器有静态的滤波器系数，动态参数与静态的滤波器系数形成传递函数，构成自适应数据库；用自适应滤波器调整滤波器系数及频率响应，分析数据的变化特征、周期性特征和变化幅值特征，建立初步的数学模型，进行分段函数处理；根据软件控制程序，得到适应于配电网电气方面和机械方面的自适应软件，以满足现场实际运行需要；不断搜集电气、机械两面的运行参数，进行自适应迭代，接近最优解，本发明保证生产线上设备能够不停机运行，保持生产的连续性。

Description

一种具有自适应抗电压扰动的建模方法

技术领域

本发明涉及生产安全，特别是一种具有自适应抗电压扰动的建模方法。

背景技术

随着现代化和信息化、自动化工业的快速发展，一方面电网系统中用电负荷、用电结构产生了一系列重大变化，用户生产规模正在逐步变得越来越庞大，各个工业生产过程中的系统化和自动化程度越来越强，各个生产环节的联系越来愈紧密，生产过程中对精密电子设备的依赖性快速增长。而另一方面来说，电能从生产到传输、使用的整个过程要跨越广阔的地理区域，整个电能的传输系统会遭受闪电、暴雨、大风、人为等诸多意外事故，都可能引起电网故障导致电压暂降或短时中断（晃电），这些现象足以影响到敏感电子设备的正常运行，从而导致工业化生产活动的非正常中断。而电压暂升的危害更大，可以直接损坏电气设备。在工厂低压配电系统中，因电压波动会造成接触器脱扣，从而造成生产线上设备的异常停运，给企业生产造成损失。对于工业用户来说，电压暂降（晃电）的发生就成为一个亟待克服的重大的技术难题。

电压暂降（晃电）属于配电网技术领域，根据国家标准GB/T30137-2013《电能质量电压暂降与短时中断》的定义：电压暂降是指在电力系统中的某点工频电压有效值暂时降低至额定电压的10%～90%，并持续10ms～1s，在此期间，系统频率仍为标称值，然后又恢复到正常水平的现象。电压暂降以剩余电压百分比为度量。所谓短时中断是指一相或多相用户电压瞬时降低到0.1Ue，且持续时间为10ms～1s。其原因有诸多可能，如输配电系统中发生的电力系统故障、雷击、大型电机启动、电容器的投切等事件。

根据EPRI（美国电科院）权威数据，92%以上的电能质量事件为电压暂降和暂升，而这其中80%的事故是因为电压暂降引起的。电压暂降已被众多的国际研究机构确定为电力系统中最为普遍发生的事件，在中国，配电网的用户对于电压暂降（晃电）的发生也是深恶痛绝。在石油化工、冶炼、食品生产、精密设备制造等领域，每年因发生晃电事故而造成的经济损失十分巨大。

电压暂降（晃电）主要发生在配电网中，更具体来说，发生在工业用户的接触器、变频设备和软起动等电气开关设备，抽象来说，发生在电力系统配电网和用户的机械设备之间的联系上，也就是说，由于电气设备的特性和机械设备特性不协调才发生的。因此，有必要在此之间，装设一个能够自动适应电气和机械设备特性之间的一个单元，实现自动地适应、调节两边设备的特性，使之达到一致性的要求。这就是抑制电压暂降（晃电）的控制设备，它必须具有自适应控制功能。自适应控制的先决条件是取得电气和机械两方面设备的数据和参数，滤掉不合理的干扰数据，然后分析数据特性，得到相应的数学控制模型，进一步得到初步的软件控制程序，初步的软件程序运行后，还要进一步的检测运行系统，不断的适应两面的特性，最终满足抑制晃电的需要。

目前在国内解决电压暂降（晃电）的方法主要有以下几种：

1、直流支撑：交流失电或发生电压暂降（晃电）后，切除原来的交流系统供电，切换到用直流系统维持，使设备继续运行。这种方案需要按实际负载的1.1倍及以上配置直流容量，蓄电池组占地大，投资大，需要周期性地维护，后期维护成本也很高，而且还存在切换速度不能满足要求的情况。

2、UPS电源支撑：采用UPS电源维持，不间断电源能耗高，需维护和定期更换电池，由于其内部设计有整流和逆变电路，本身会产生谐波注入到电网，反而会进一步影响电能质量。

3、飞轮储能：利用飞轮等移动部件储能，失压时释放，这种方案能耗高，有移动部件，需定期维护，存在稳定性问题。

因此，如何解决电压暂降（晃电）是业内关心的技术问题。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种具有自适应抗电压扰动的建模方法，可有效解决工业生产过程中因电压扰动造成接触器脱扣、变频器和软启动器停机的预防和保护，自动适应工业现场的运行参数，自动做出调整，保证生产安全的问题。

本发明解决的技术方案是，包括以下步骤：

（1）、建立自适应数据库：利用自适应滤波器对输入信号数据进行调整，成动态参数，非自适应滤波器有静态的滤波器系数，动态参数与静态的滤波器系数一起形成传递函数，构成自适应数据库；

（2）、对数据特性进行分析：使用自适应滤波器调整滤波器系数及频率响应，分析数据的变化特征、周期性特征和变化幅值特征；

（3）、根据步骤（2）的数据特性，建立初步的数学模型，形成控制程序的数学模型，随着负载电流大小变化，使收敛的解析函数，还是非收敛的函数，进行分段函数处理；

（4）、根据数学模型设计便于计算机系统的软件控制程序；

（5）、根据软件控制程序，得到适应于配电网电气方面和机械方面的自适应软件，以满足现场实际运行需要；

（6）、在生产运行中，不断搜集电气、机械两面的运行参数，不断地进行自适应迭代，接近最优解，直至满足需求，达到系统稳定，确保生产安全。

本发明是通过一种自学习、自适应的模型算法，在低压配电系统发生电压波动时（电压暂升、暂降和短时中断），装置能够自动切除接触器的交流线圈供电，输出直流电压来保持接触器不脱扣，从而保证了生产线上设备能够不停机运行，保持生产的连续性，具有实际的应用价值，经济和社会效益显著。

具体实施方式

以下结合具体情况对本发明的具体实施方式作详细说明。

本发明在具体实施中包括以下步骤：

（1）、建立自适应数据库：利用自适应滤波器，根据输入信号自动调整性能进行数字信号处理动态参数，非自适应滤波器静态的滤波器系数与动态参数一起形成传递函数，构成自适应数据库，由自适应滤波器进行异常数据筛查和过滤，根据输入的电压和电流信号，把不能表征数据运行轨迹的数据率除掉，首先去掉电压电流数据的最大值和最小值，剩余数值取中间值，找出正常运行过程和异常运行过程中的运行曲线规律；

（2）、对数据特性进行分析：使用自适应滤波器调整滤波器系数及频率响应，分析数据的变化特征、周期性特征和变化幅值特征；由于现场不知道所需要进行操作的参数，噪声信号的特性，所以要求使用自适应的系数进行处理，自适应滤波器使用反馈来调整滤波器系数以及频率响应，分析数据的变化特征，根据第一步自适应数字滤波器过滤后的数据来进行下一步分析，找出这些数据的周期性特征、变化幅值特征，具体来说就是电压电流幅值、频率和相位的变化规律，频率限定45Hz～55Hz/60Hz，超出该值范围之外的数据在通过滤波器被除掉，找到在正常运行情况下和异常运行情况下电压电流幅值，电压范围在0～1000V，电流范围在0～5A之间，和0～180°相位的变化规律，找到数据的特性，以电压与电流的相位关系表征整个三相系统的相位关系；

（3）、根据步骤（2）的结果，得到初步的控制数学模型，也就是下一步形成控制程序的数学描述模型，随着负载电流大小变化，是收敛的解析函数或是非收敛的函数，进行分段函数处理，建立数学模型：

自适应控制器运行时间区间为[0，T]，用d(t)表示t时刻能源功率变化率，u(t)为t时刻的机械元件的变化率，自适应控制器内协调量x(t)的变化率为：

设电气特性产生特性和机械要求特性的理想数值分别为ud(t)和xd(t)，0≤t≤T，为克服理想数值的偏差，自适应控制器性能指标泛函：

其中，c、h>o为常数，使泛函J(u)达到最小值，x(t)≥o，u(t)≥o，设xd(t),ud(t)适当地大，最小值保持在x≥0，u≥0的范围内；

根据哈密顿函数:

H(x,u,λ)＝-c(u-u_d)²-h(x-x_d)²+λ(u-d)

其辅助函数为

由最大值原理可知：

$\frac{\∂H}{\∂u}=-2c(u-u_d)+\mathrm{\λ}=0$

也即为：

将式(4)代人式(1)，得到：

式(5)和式(3)组成一个关于最优轨线和辅助变量的两点边值，不直接求解，求辅助变量的如下式（6）的解：

λ(t)＝a(t)+b(t)x*(t) t≥0 式（6）

其中，a(t)和b（t）是待定函数，这种做法的优点在于，一旦函数a（t）和b（t）确定了，关系式(4)和(6)就给出了带有反馈形式的最优控制，也即由微分方程式(6)得到：

λ′(t)＝a′+b′x*+bx′* 式（7）

用式(5)和式(3)去替代式(7)中的和则有

将式(6)代入式(8)，并消去λ(t)，对一切0≤t≤T，得到包含待定函数a(t)和b(t)的微分方程如下：

为了确定a和b，让它们满足以下的式子：

与此同时，式(9)也得到满足，根据λ(T)＝0，不失一般性：

λ(T)＝0，a(T)＝0

式(10)是关于b的里卡蒂方程，通过变换b(t)＝2cξ′/ξ,化为下式

2cξ″-2hξ＝0，ξ(T)＝1，ξ′(T)＝0 式（12）

求得其解为：

为因此有

当将式(13)代入式(11)就得到一个关于a的线性微分方程．这个方程可以用变动参数法求解；

选择实际运行中常见的特殊情况，即：u_d(t)＝d(t)，x_d(t)＝C_d（常数），运行稳定，电气量保持一个常数Cd时，与机械量相匹配的协调量，a满足：

$a^{\′}+\frac{b\left(t\right)}{2c}a+2{\mathrm{hc}}_d=0,a\left(T\right)=0$

所以有以下相应数学推导：

进一步，将(14)和(13)代入(4)得反馈最优控制函数为

于是得出结论：最优控制等于需求率加上一个协调修正因子．

进一步将(15)代人(1)，得到:

得出x＝Cd是微分方程(16)的解：

相应的齐次方程的通解为

代入给定的初值条件，即x(O)=x0，则得到：

对于所得到一系列的数学结论，只要将初始条件（即实际运行数字，由在特定的实验室环境下，对于抗晃电自适应控制器代入稳定的功率，在特定的时间段，测量电气设备，电动机等元件的变化量，做出统计表格）代入式（18），就可以得到相应的数值，时间区间[0-T]；

由于运行环境是一个随机变化的量，趋近于高斯分布，所以，为了进一步计算，评估数学模型的准确率，采用三个标准差来计算置信度，也就是说，对于现场环境的模拟具有99%的置信度满足实际运行需求；

（4）、根据步骤（3）所得到的数学模型，代入计算机软件，以数字形成计算软件，有效地为电路设计提供量化指标，设计出便于计算机系统运行的软件控制程序；由于设备很小，有工作在现场恶劣的环境下，所以，控制程序的编制要求精炼和高度抽象概括，并且易于移植到硬件芯片中，硬件平台采用ARM嵌入式微处理器，程序的编制采用C语言，编译器采用IAR；

（5）、根据第四步编制的程序，通过修正软件对运行中的异常情况进行错误捕获处理，滤除异常数据，得到适应于配电网电气方面和机械方面的自适应动作满足现场实际运行需要；本发明数学模型的适用范围为1000V及以下的低压配电网中抗击电压扰动引起的接触器脱扣。

（6）、在模型运行中，模型能自动地搜集电气运行参数，不断地进行自适应迭代，接近最优解这一过程，直至满足需求，达到系统稳定，并能在运行过程中把这些运行方法形成记忆，放在存储媒介中，当现场运行条件符合数学模型时，自动执行，用于防止晃电。

本发明主要是考虑对于机械设备造成的影响：在制冷设备电子控制器应用上，当电压低于80%，控制器会切除制冷电动机；在芯片制造业当电压低于85%,测试和加工设备的电路会出现故障导致设备停运；在精密机械工具当电压低于90%持续3个周波，机器人控制操作中断；在直流电机,当电压低于80%，电动机保护跳闸；在调速电机（VSD）当电压低于70%、持续6周波以上，VSD将切除；在计算机，当电压低于60%、持续12周波,计算机将停止工作；电压跌落到60%Ue，持续10ms，60%的接触器会脱扣，电压跌落到65%Ue，在持续20ms时间后，65%的PLC会复位,电压跌落到70%的额定电压，持续10ms的时间，75%的变频器会停止运行。当配电网电压跌落到50%额定电压，持续15ms的时间，55%的电源会停止运行。以上种种数据，可以作为初始化数据进入计算过程。

根据实际实验，电压扰动对于各类电气启动类设备的影响：

1、电网浪涌过电压或制动反馈.

2、电网缺相或电压过低.

3、控制电压欠电压。

总的来说，自适应的过程涉及到将价值函数用于确定如何更改滤波器系数从而减小下一次迭代过程成本的算法。价值函数是自适应滤波器，控制器最佳性能的判断准则，比如减小输入信号中的噪声成分的能力电压扰动对用户生产会造成的影响。

为了达到方法的稳定、可靠，保证使用效果，可根据不同的实际情况，对以下主要方面进行试验：

（1）能通性：能通性是指本发明方法能控性、能观性、能协调性的前提条件，主要包括控制信息结构能通性、观测信息结构能通性、输出信息结构能通性等。

（2）能控性：指控制目的与本发明方法过程实现的可能性。

（3）能观性：指通过输出对本发明方法状态进行观测的可能性。

（4）能协调性：本发明方法中所涉及设备相互协调配合，以完成控制的可能性。

（5）稳定性：包括稳态稳定性和输入/输出稳定性等。

（6）可靠性：本发明方法在给定环境条件下，在给定时间内，不发生故障，保持正常系统功能的可能性。

（7）快速性：本发明方法达到给定控制目的所需控制过程时间的长短。

（8）准确性：本发明方法偏离给定控制目标的误差大小。

Claims (2)

1.一种具有自适应抗电压扰动的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、建立自适应数据库：利用自适应滤波器对输入信号数据进行调整，成动态参数，非自适应滤波器有静态的滤波器系数，动态参数与静态的滤波器系数一起形成传递函数，构成自适应数据库；

(2)、对数据特性进行分析：使用自适应滤波器调整滤波器系数及频率响应，分析数据的变化特征、周期性特征和变化幅值特征；

(3)、根据步骤(2)的数据特性，建立初步的数学模型，形成控制程序的数学模型，随着负载电流大小变化，使收敛的解析函数，还是非收敛的函数，进行分段函数处理；

(4)、根据数学模型设计便于计算机系统的软件控制程序；

(5)、根据软件控制程序，得到适应于配电网电气方面和机械方面的自适应软件，以满足现场实际运行需要；

(6)、在生产运行中，不断搜集电气、机械两面的运行参数，不断地进行自适应迭代，接近最优解，直至满足需求，达到系统稳定，确保生产安全。

2.根据权利要求1所述的具有自适应抗电压扰动的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、建立自适应数据库：利用自适应滤波器，根据输入信号自动调整性能进行数字信号处理动态参数，非自适应滤波器静态的滤波器系数与动态参数一起形成传递函数，构成自适应数据库，由自适应滤波器进行异常数据筛查和过滤，根据输入的电压和电流信号，把不能表征数据运行轨迹的数据率除掉，首先去掉电压电流数据的最大值和最小值，剩余数值取中间值，找出正常运行过程和异常运行过程中的运行曲线规律；

(2)、对数据特性进行分析：使用自适应滤波器调整滤波器系数及频率响应，分析数据的变化特征、周期性特征和变化幅值特征；由于现场不知道所需要进行操作的参数，噪声信号的特性，所以要求使用自适应的系数进行处理，自适应滤波器使用反馈来调整滤波器系数以及频率响应，分析数据的变化特征，根据第一步自适应数字滤波器过滤后的数据来进行下一步分析，找出这些数据的周期性特征、变化幅值特征，具体来说就是电压电流幅值、频率和相位的变化规律，频率限定45Hz～55Hz/60Hz，超出该值范围之外的数据在通过滤波器被除掉，找到在正常运行情况下和异常运行情况下电压电流幅值，电压范围在0～1000V，电流范围在0～5A之间，和0～180°相位的变化规律，找到数据的特性，以电压与电流的相位关系表征整个三相系统的相位关系；

(3)、根据步骤(2)的结果，得到初步的控制数学模型，也就是下一步形成控制程序的数学描述模型，随着负载电流大小变化，是收敛的解析函数或是非收敛的函数，进行分段函数处理，建立数学模型：

自适应控制器运行时间区间为[0，T]，用d(t)表示t时刻能源功率变化率，u(t)为t时刻的机械元件的变化率，自适应控制器内协调量x(t)的变化率为：

设电气特性产生特性和机械要求特性的理想数值分别为ud(t)和xd(t)，0≤t≤T，为克服理想数值的偏差，自适应控制器性能指标泛函：

其中，c、h>o为常数，使泛函J(u)达到最小值，x(t)≥o，u(t)≥o，设xd(t),ud(t)适当地大，最小值保持在x≥0，u≥0的范围内；

根据哈密顿函数:

H(x,u,λ)＝-c(u-u_d)²-h(x-x_d)²+λ(u-d)

其辅助函数为

由最大值原理可知：

$\frac{\∂H}{\∂u}=-2c(u-u_d)+\mathrm{\λ}=0$

也即为：

将式(4)代人式(1)，得到：

式(5)和式(3)组成一个关于最优轨线和辅助变量的两点边值，不直接求解，求辅助变量的如下式(6)的解：

λ(t)＝a(t)+b(t)x*(t) t≥0 式(6)

由微分方程式(6)得到：

λ′(t)＝a′+b′x*+bx′* 式(7)

用式(5)和式(3)去替代式(7)中的和则有

将式(6)代入式(8)，并消去λ(t)，对一切0≤t≤T，得到包含待定函数a(t)和b(t)的微分方程如下：

为了确定a和b，让它们满足以下的式子：

与此同时，式(9)也得到满足，根据λ(T)＝0，不失一般性：

λ(T)＝0，a(T)＝0

式(10)是关于b的里卡蒂方程，通过变换b(t)＝2cξ′/ξ,化为下式

2cξ″-2hξ＝0，ξ(T)＝1，ξ′(T)＝0 式(12)

求得其解为：

为因此有

当将式(13)代入式(11)就得到一个关于a的线性微分方程.这个方程可以用变动参数法求解；

选择实际运行中常见的特殊情况，即：u_d(t)＝d(t)，x_d(t)＝C_d，运行稳定，电气量保持一个常数Cd时，与机械量相匹配的协调量，a满足：

所以有以下相应数学推导：

进一步，将(14)和(13)代入(4)得反馈最优控制函数为

于是得出结论：最优控制等于需求率加上一个协调修正因子.

进一步将式(15)代人式(1)，得到:

得出x＝Cd是微分方程(16)的解：

相应的齐次方程的通解为

代入给定的初值条件，即x(O)＝x0，则得到：

对于所得到一系列的数学结论，只要将初始条件代入式(18)，即实际运行数字，由在特定的实验室环境下，对于抗晃电自适应控制器代入稳定的功率，在特定的时间段，测量电气设备，电动机等元件的变化量，做出统计表格，就可以得到相应的数值，时间区间[0-T]；

由于运行环境是一个随机变化的量，趋近于高斯分布，所以，为了进一步计算，评估数学模型的准确率，采用三个标准差来计算置信度，也就是说，对于现场环境的模拟具有99％的置信度满足实际运行需求；

(4)、根据步骤(3)所得到的数学模型，代入计算机软件，以数字形成计算软件，有效地为电路设计提供量化指标，设计出便于计算机系统运行的软件控制程序；移植到硬件芯片中，硬件平台采用ARM嵌入式微处理器，程序的编制采用C语言，编译器采用IAR；

(5)、根据第四步编制的程序，通过修正软件对运行中的异常情况进行错误捕获处理，滤除异常数据，得到适应于配电网电气方面和机械方面的自适应动作满足现场实际运行需要；本发明数学模型的适用范围为1000V及以下的低压配电网中抗击电压扰动引起的接触器脱扣；

(6)、在模型运行中，模型能自动地搜集电气运行参数，不断地进行自适应迭代，接近最优解这一过程，直至满足需求，达到系统稳定，并能在运行过程中把这些运行方法形成记忆，放在存储媒介中，当现场运行条件符合数学模型时，自动执行，用于防止晃电。