顏玉玲，武粉桃

（1.宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息與控制工程系，四川 宜賓 644004；2.西安電力電子技術(shù)研究所，陜西 西安 710061）

電力電氣控制閥的電壓節(jié)能控制方法

顏玉玲1，武粉桃2

（1.宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息與控制工程系，四川 宜賓 644004；2.西安電力電子技術(shù)研究所，陜西 西安 710061）

在對(duì)電力電氣控制閥的設(shè)計(jì)中，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。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型可以對(duì)電力電氣控制閥的電壓實(shí)現(xiàn)高精度控制，在電力節(jié)能方面起到了很好的效果。

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[1-2]。

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[3-4]，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[5-6]。

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：

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：

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：

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)。控制閥電壓波動(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)Δκp、Δκi、Δκd，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′、Δκp、Δκi、Δκd的可能電壓波動(dòng)區(qū)域進(jìn)行限制，可以得到：e′、ec′、Δκp、Δκi、Δκd=｛-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′、Δκp、Δκi、Δκd=｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝；對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生變化的Δκp、Δκi、Δκd的模糊標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行設(shè)置，e′、ec′、Δκp、Δκi、Δκd數(shù)滿足正態(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：

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′、Δκp、Δκi、Δκd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：

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′、Δκp、Δκi、Δκd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)：

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)非線性，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出層呈現(xiàn)線性，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)Fig.1 Power electric control valve voltage control multi-layer neural network

其中，C=[c1，c2，…，cm]為電力電氣控制閥電壓波動(dòng)信號(hào)；K=[κ1，κ2，…，κn]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：

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：

其中，A為下三角矩陣。則式（10）能夠轉(zhuǎn)化為：

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：

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10～30 V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κp=1.232、κi= 0.232、κd=0.342。通過(guò)優(yōu)化前后電氣控制閥的節(jié)能響應(yīng)曲線對(duì)比，完成實(shí)驗(yàn)比對(duì)，如圖2所述。

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

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。

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。

圖2 進(jìn)行節(jié)能控制后的控制閥參數(shù)響應(yīng)曲線Fig.2 For energy saving control valve after the control parameters of response curves

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.1 The experimental results compared

表2 設(shè)備電壓控制參數(shù)Tab.2 Voltage control parameters

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。

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Power Voltage Energy-saving Control Methods of Electric Control Valve

YAN Yuling1，WU Fentao2
（1.Department of electronic Information and Control Engineering，Yibin Vocational and Technical College，Yibin 644004，Sichuan，China；2.Xi’an Power electronics Research Institute，Xi’an 710061，Shaanxi）

In the design of electric power electric control valves，energy-saving design concept is deeply rooted in the hearts of the people.In electric power， however， mostly because of electric control valve operating voltage using energy consumption caused by the unreasonable.Is proposed based on a multi-story 1ow error voltage regulation method of neural network，and apply it to the power of electric control valve，by means of electric power system voltage control model and eliminate the existing power electric control valve voltage control of control and fuzzy control，etc，to realize accurate control of the electric control valve voltage amplitude，achieve the goal of energy saving.The experiment results show that the model can achieve high precision control to the voltage of the power of electric control valve，has played a very good effect on electric power energy saving.

2015-03-02。

顏玉玲（1981），女，碩士，講師，主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化、機(jī)械制造與自動(dòng)化。

（編輯 董小兵）

四川省教育類(lèi)課題（川教函2014（156））。

Project Supportby Education of Sichuan Province（Sichuan Education Letter 2014（156））.

1674-3814（2015）08-0006-04

TP189.6

A

KEY W0RDS：electrical control；Dynamic voltage；Neural network