科学技术 基于九区图和人工神经网络相结合的电压无功功率控制 方法的研究 田龙 ’ （中铁七局电务公司，河南郑州４５００００） 摘要：目前我国的计算机水平、数据库技术、状态估计、通信、实时监控等硬、软件技术仍有待发展，至今尚无成熟的适用于我国电力系统的 全网智能动态规划系统。本文提出了基于九区图，ｌ，，Ａ．－ｒ－神经网络相结合的控制策略，以九区图为基础，并在容易引起频繁动作的边界上结合人工神经 网络的预测功能，在保证变压合格率有线、无功功率基本平衡的原则下，尽量减少调节投切设备的动作次数。 关键宇：电压无功功率控制；九区图；人工神经网络 电压是衡量电能质量的主要指标，电压稳定是整个电力系统稳定 史数据，应用人工神经元网络对无功负荷进行预测，然后将预测结果 的一个重要方面。电压的稳定和质量对于终端用户是非常重要的，而 对于负载端的安全和经济运行也有着至关重要的意义。 电力系统中的电压与无功功率的状况密切相关。无功功率从电源 端经线路和电压器向负荷端输送，要产生电压损耗。高压线路和变压 器的电压损耗主要取决于无功功率。输送的距离越远，中间环节越 多，引起的电压降也就越大，负荷端的电压也就越低。合理配置无 功电源，使无功功率就*衡，不仅可以提高电压水平，而且可以减 少电网中有功功率的损耗。我国电网结构不够合理，一些地区在电网 发展过程中无功设备配备不足，使得局部地区在负荷增大后无功功率 明显不足，造成局部电网较长时间处于低电压水平运行。另外，随着 现代电网的发展，大容量机组直接接人超高压电网，使超高压电网内 无功过剩。城市供电网的迅速发展由于电缆数量增加使得充电功率增 大。当电力系统不正常运行时，大容量发电机组或超高压输电线路退 出运行，又会使部分超高压线路符合过重而使无功出力严重不足。这 些问题的存在对用户的电压质量、系统的输电能力、电能损耗及安 全、经济等方面产生不良影响。 １电压无功功率控制方法与现状分析 充分开用各种调压手段和无功电源的补偿作用，实现电压无功综 合控制对于提高电压合格率和降低网损有很大的作用，能带来经济效 益和社会效益。目前实现电压和无功功率的综合控制有全网电压无功 功率优化和以变电站为单位的局部区域化两种方法。全网电压无功功 率优化是从整个电网考虑，根据电网的潮流分布，确定电网的运行方 式，并合理进行无功电源的调度和配置，减少无功功率在电网中的流 动。从理论上讲，通过电网调度中心实施全网电压、无功功率综合控 制是最合理的方法，但限于我国目前电力系统的自动化较低，实现全 系统的电压、无功功率控制困难较大，目前主要是以变电站为单位自 动调节电压和无功功率，就地平衡。 变电站电压无功功率控制主要是采用有载调压变压器和补偿并联 电容器组，通过调节有载调压变压器分接头和投切并联电容器组来实 现调节电压和无功平衡。但是在电压、无功功率双参数需要调节的情 况下，考人工调节往往难以做到准确判断和及时调节，人工调节不仅 增加了运行人员的劳动强度，而且不能充分利用无功电源设备的补偿 作用和保证电压合格率。因此，如何实现变电站电压、无功功率的自 动控制是一个值得研究的问题。 ２传统的九区圈法 传统的九区图法是固定电压和无功功率边界特性分割区的综合控 制策略。根据母线电压和无功功率的运行情况分为九个区域，在不同 的区域采取不同的控制对策，综合利用调节有载调压变压器分接头和 投切并联电容器组两种手段，将母线电压和无功功率控制在各自的允 许范围之内。该方法综合考虑电压和无功功率，是目前采用最多的控 制方法，但在某些情况下也存在＿Ｔ作过于频繁的问题，在有些情况下 甚至会引起振荡。因此，如何尽量减少工作次数是该方法要解决的主 要问题。 ３基于人工神经网络的电压无功功率调节 人工神经网络有集体运算和自适应学习的能力，具有预测性、指 导性和灵活性的特点，能大大减少有载调压变压器分接头调节次数， 合适的网络结构能够逼近任何一种非线性系统。基于人工神经网络 的、将无功功率和优化决策相结合的电压无功功率综合只能控制方 法，通过对电压、无功功率进行预测来减少工作次数。该方法根据历 连同当前的母线电压、无功功率、功率因素等经模糊化后作为决策人 工神经网络的输入，该决策人＿Ｔ神经网络的输出即为调节动作的策 略，该方法实际上已经脱离了九区图的范畴，计算复杂、对硬件要求 较高，而且其动作是否合理还依赖于对人＿Ｔ神经网络进行训练＿Ｔ作的 成功与否。 ４九区图法和人工神经网络相结合的控制策略 传统的九区图法的控制策略是基于固定的电压无功上、下限而没 有考虑无功调节对电压的影响及其协调关系，用于运算分析的信号有 分散性、随机性等特点，这就造成了该方法具有控制策略的盲目和不 确定性，实际表现为在九区图的某些边界区域，设备会频繁调节。 ：甄 醪 趣ｊ 誊 豸 赣 ４ｉ 图九区圈 当运行点在图中的９区时，由于它接近电压上限区，根据该区的传 统控制规则“投电容器”，则有可能出现图中所表示的三种结果。结 果①是运行点进入了０区，说明这次控制成功。结果②和结果③是运行 点进入了ｌ区或２区，人为地增加了电压的不合格率，并且它又会引起 变压器分接头下调或切除电容器，从而造成设备的频繁动作。因此在 ９区内有两种控制方式：一是直接投电容器；二是下调变压器分接头降 压，再投电容器。类似的情况还有可能出现在１Ｏ区。 当运行点在图中的ｌｌ区时，由于它接近无功下限区，根据该区的 传统控制规则“调变压器分接头降压”，则也有可能出现在图中所描 述的三种结果。结果④是运行点进入了０区，说明这次控制成功。结果 ⑤和结果⑥是运行点进入７区或８区，它又会引起变压器分接头下调或 切除电容器。因此在ｌ】区内也有两种控制方式：一是直接调变压器分 接头降压；二是先切电容器使运行点原理无功下限，若电压还是越上 限则再调变压器分接头降压。类似的情况还有可能出现在１２区。 因此，电力系统运行在９，１０，１１，１２区时，应该考虑采用哪种控 制方式以最小次数的动作达到预期效果。由于实时系统电压、有功负 荷和无功负荷之间的关系存在随机性、非线性的特点，而人工神经网 络具有很强的非线性逼近能力、联想记忆能力功能，在九区图的９， ｌＯ，ｌ １，１２区预测变压器分接头调节或电容器投切后的变压无功，决 定采用何种控制方式，以得到最佳控制效果。在除９～１２区的其他区域 内可采用传统的控制策略。这种结合人工神经网络的九区图法控制策 略，能够在保证电压合格率有线、无功功率基本平衡的原则下，尽量 减少调节投切设备的动作次数。 ５小结 基于九区图和人工神经网络相结合的策略依据给定合理的电压无 —．３４１．． 科学技术 槽式太阳能聚光器支架结构的拓扑优化设计研究 陈得贵 （江苏省射阳通海电力设备制造有限公司，江苏盐城２２４３４３） 摘要：太阳能的结构复杂多变，一般都有几个比较重要的部分组成，但是槽式太阳能的聚光器的支架结构是主要的组成部分。本文根据其拓扑 优化设计进行详细的分析研究，不断的改善，进行不断的优化，从而提高太阳能的各方面性能。 关键词：槽式太阳能；聚光器；拓扑优化；有限元 １．拓扑优化的设计理论 １．１拓扑优化的设计的基本要求 在满足硬度等一系列条件的情况下，在给定的设计空间里，开 凿，挖洞，把不需要的东西全部去掉。找到更好的结构方式，让产品 在要求中获得最成功的样子。拓扑优化具有其他优化方式无法具有的 优点，比如可以对基本结构的布局进行修改，模拟出概念性设计的结 构方案给设计者，使设计更具备实用性和经济性，在优化拓扑结构的 过程中，设计者甚至不用去管拓扑结构形态，仅需提出设计范围，就 可以寻找出最佳的结构分布状态，设计人员通过了解整个设计的结构 特点，然后针对一个点进行设计。这种设计方式最终要达到的目的是 在满足一系列要求的情况下，使结构的陛能达到接近理想的状态。 １．２结构拓扑优化设计的原理和方法 气压在催动发电机工作。聚光器是由驱动、传感器、反射镜、金属支 架、吸收管和控制器等组成的太阳能聚热装置。而在整个聚光器的总 体重量中，支架结构占有很高的比重，重量既增加了成本又增加了系 统的负重，而且支架的强度和刚度对整个系统的强度和刚度都有影 响，所以优化支架对于整个系统的好处是不言而喻的。因为拓扑优化 对于轻量化的优化能力相对于其他优化方式更好，所以选用拓扑优化 对聚光器的支架结构进行轻量化的优化。 ３．太阳能聚光器支架拓扑优化设计方法 在选定拓扑优化设计为设计方法之后，就要确定支架和镜子的连 接位置，优化结果的好坏取决于镜子的支撑位置对结构的受力状况， 所以确定了镜子的位置之后就可以建立拓扑优化的模型。总体的优化 流程可概括为：先选定拓扑优化方法进行优化设计，然后选定优化设 计对象，在对镜子支点位置设计优化，接着对反射镜支架结构拓扑优 化设计，最后对拓扑优化结果可制造化进行处理。 上文提到了各种拓扑优化的方法，最普通不过的是变密度法，这 种方法得到的部分密度是数字规则分布的，有助于最后解决可制造的 问题，所以，我们着重讨论一下变密度法的优化方式，借助合适的１］ 具才能使用这个方法。可以用ｏｐｔｉｓｔａｃｔ进行Ｔ作，然后用可以利用三维 视 的 具构建空间，在过程中不断地进行修复和改善，力求没有问 就目前来说，连续体结构是拓扑优化设计的主流对象。这种方式 的优化需要化整为零，把整体分成若干个小部分，然后根据所提 的 基本要求和要达到的条件对这若干个小部分进行择优选择，形成犹如 蜂窝一样的连续体，最终获得连续体的最优设计，目前这种优化方 式比较适用的方法有，渐进结构优化方法，均匀化方法以及变密度方 法。 １．２．１渐进结构的优化方法 具体操作比较简单，那就是对各种材料精挑细选，剔除糟粕，剩 余的结构也就趋向于标准了。在这种优化迭代的计算方法中，用零来 表示不存在的单元材料。同理，存在的单元材料用一进行表示，这种 算法可以用有限元法，在计算机上通过迭代过程实现。这种算法应用 范同广，而且结构的单元数规模相当巨大。 １．２．２均匀优化方法的应用 均匀优化的方法比较理论化，要用切实可行的方法应用在学科 中，把细小的东西加入到应用结构的材料中，其中改变的是微小结构 单胞大小，整体的材料密度和弹性由局部材料的大小和方式决定，单 胞大小的整改可以对微结构进行改变，如此便扩大了涉及范同，从而 对结构拓扑优化成功。 １．２．３变密度方法 变密度方法是比较常见的在拓扑设计连续体结构所用的方法。是 种材料勾画效果，通过分析材料物理和密度之间的联系，不许进行 拓扑设计，只是考虑合理布置材料，将整体分成有限的单元后，然后 看体积的要求，让每一个小部分的密度尽量一样，每个单位的密度是 改变的，把结构的平顺柔软度减小。 一题、一次通过。接着，把优化空间再进行处理，最后做出这个模型。 模型建立完成后，需要通过拓扑优化计算，对结果进行分析考证，看 结果是否能合理地运用且实际可行。如果结果合理，就能够进行下 项克制造化的处理，并且进行有限元的分析，最终实现结构的轻量 化；如果结果不合理，那么就要一切从新来过，直到结果合理为止。 聚光器的支架拓扑优化的流程可以概括为：首先根据设计要求建 立ｃａｄ模型，然后建立ｐｅ模型，分析载荷和边界条件，接着对结构进行 分析，对参数的定义进行优化，下面才进入到拓扑优化，再建立一个 ｃａｄ模型，并再次对结构进行分析，结果合理后结合Ｔ程实践进行设 一计。 ４．结论 由此我们可以得出拓扑优化的严谨性，安全性，可用性，以及对 软件技术的要求和对设计者的技术的要求，只有遵循这些要求，才能 更好地进行太阳能聚光器支架结构的拓扑优化设计。 参考文献 【１】孔祥兵．槽式太阳能聚光器支架结构的拓扑优化设￣ｆＩＤ］．重庆大 学，２０１２． ２．槽式聚光器支架介绍以及拓扑优化的意义 槽式聚光器是一个接一个排列的，上面有一个个聚光镜对太阳光 进行聚焦，对集热管进行加热，把里面的水加热后形成水蒸气，利用 ［２］管勋．槽式太阳能热发电系统中聚光装置的结构分析与优化［Ｄ］．华南理 工大学．２０１３． 功功率上下限值和比较准确的人工神经网络的预河，能得到极好的控 制效果，既考虑了对受控变压器目标侧母线电压和高压侧无功功率的 最优变化曲线的跟踪，又估计了减少变压器分接头动作次数的要求。 参考文献 ［１１方锦清，黄国现，罗晓曙．束爨一混沌的神经网络白适应控制ｆＪ］．中国原子 能科学研究院年报，２００３—０６． ［２］杨剑．新型电压无功综合控制装置的研制．华中科技大学２００４年硕士 论文． ２００５年硕士论文． 【４］罗晓曙，邹艳丽，方锦清．应用脉冲电压微分反馈法实现ＤＣ—ＤＣ开关功率 变换器中的混沌控制［Ｊ】．中国原子能科学研究院年报，２００５—０６． ［５］曲玉辰．电网谐波抑制技术研究．大庆石油学院２００６年硕士论文． 【６】曲洪波．变电站电压无功优化控制策略的研究．天津大学２００９年硕士论 文． ［７】李宁宁．基于ＤＳＰ的变电站电压无功控制方式的研究．东北农业大学 ２０１０年硕士论文． 【３］冯兆冰．一类非线性系统模糊神经网络控制方法研究．大庆石油学院 一３４２—