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綜合智能控制技術(shù)在電網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用
摘 要 廣東省的電力工業(yè)已步入大電網(wǎng)、高電壓和大機(jī)組的時(shí)代，如何合理地布局電網(wǎng)是廣東省電力工業(yè)的重要課題之一。電網(wǎng)規(guī)劃是一個(gè)受多種條件約束，以電網(wǎng)總效益為最終目標(biāo)的多目標(biāo)系統(tǒng)工程，因此，宜用綜合智能控制技術(shù)來(lái)研究電網(wǎng)規(guī)劃。在這方面較成功的例子是加拿大魁北克水電公司的直流／交流輸電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有目標(biāo)和預(yù)期效益、領(lǐng)域?qū)＜液椭R(shí)工程師的交互作用等特點(diǎn)。根據(jù)廣東省電網(wǎng)的現(xiàn)狀和發(fā)展目標(biāo)，電網(wǎng)規(guī)劃決策系統(tǒng)可分解為負(fù)荷預(yù)測(cè)、網(wǎng)架規(guī)劃、無(wú)功規(guī)劃、穩(wěn)定性分析等子問(wèn)題，通過(guò)子問(wèn)題的迭代進(jìn)行協(xié)調(diào)，尋求最佳電網(wǎng)規(guī)劃決策系統(tǒng)。廣東省電力系統(tǒng)包括21個(gè)地市電網(wǎng)，現(xiàn)有最高運(yùn)行電壓等級(jí)為500 kV，珠江三角洲地區(qū)已形成500 kV環(huán)網(wǎng)，并以500 kV電壓與廣西聯(lián)網(wǎng)，以400 kV和110 kV電壓分別與香港和澳門(mén)聯(lián)網(wǎng)。此外，廣東電網(wǎng)還向湖南宜章和臨武兩縣以及江西贛南地區(qū)供電。
粵中(珠江三角洲地區(qū))地網(wǎng)是廣東電網(wǎng)的核心，也是全省最大的負(fù)荷中心，該電網(wǎng)與廣西、香港等電網(wǎng)互聯(lián)，除了向珠江三角洲地區(qū)提供電力外，還擔(dān)負(fù)著電力交換任務(wù)。在粵中地區(qū)建設(shè)一個(gè)強(qiáng)大的500 kV電網(wǎng)，對(duì)保證廣東電網(wǎng)乃至香港電網(wǎng)以及澳門(mén)電網(wǎng)的安全運(yùn)行有著重大意義。目前廣東500 kV電網(wǎng)東已延伸至汕頭西翼，江門(mén)——茂名500 kV輸變電工程正加緊建設(shè)，2000年前可望投入使用。
廣東省的電力工業(yè)已經(jīng)步入了大電網(wǎng)、高電壓和大機(jī)組時(shí)代。隨著整個(gè)電網(wǎng)變得越來(lái)越復(fù)雜，電網(wǎng)規(guī)劃中以往那種人為臆斷和局部最優(yōu)的規(guī)劃方式會(huì)給電網(wǎng)運(yùn)行、發(fā)展帶來(lái)隱患，資金盲目使用的可能性加大。結(jié)合目前理論的發(fā)展，我們認(rèn)為電網(wǎng)規(guī)劃是一個(gè)受到多種條件約束的、以電網(wǎng)總效益為最終目標(biāo)的多目標(biāo)的系統(tǒng)工程。對(duì)于這樣一個(gè)系統(tǒng)，我們認(rèn)為適宜以控制論為基礎(chǔ)，結(jié)合信息論、運(yùn)籌學(xué)和系統(tǒng)工程等理論來(lái)研究。
從控制論角度來(lái)看，電網(wǎng)是一個(gè)巨維數(shù)的典型動(dòng)態(tài)大系統(tǒng)，它具有強(qiáng)非線性、時(shí)變且參數(shù)不確切可知、含大量未建模動(dòng)態(tài)部分的特征。另外，電力網(wǎng)絡(luò)地域分布廣闊，大部分元件具有延遲、磁滯、飽和等復(fù)雜的物理特性，對(duì)這樣的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效決策控制是極為困難的。另一方面，由于公眾對(duì)新建高壓線路的不滿日益增強(qiáng)，線路造價(jià)，特別是走廊使用權(quán)的費(fèi)用日益昂貴，以及電力網(wǎng)的不斷增大，使得人們對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的決策控制提出了越來(lái)越高的要求。正是由于電網(wǎng)具有這樣的特征，一些先進(jìn)的控制論思想和技術(shù)被不斷地引入到電網(wǎng)中來(lái)。下面將闡明綜合智能控制技術(shù)引入電網(wǎng)規(guī)劃中的必要性和可行性。
1 綜合智能控制技術(shù)
1.1 智能控制的概念
迄今為止，智能控制尚無(wú)統(tǒng)一的概念，文獻(xiàn)［1］有如下歸納：
a)最早提出智能控制概念當(dāng)推傅京孫教授，他通過(guò)對(duì)人-機(jī)控制器和機(jī)器人方面的研究，將智能控制概括為自動(dòng)控制和人工智能的結(jié)合。他認(rèn)為在低層次控制中用常規(guī)的基本控制器，而在高層次的智能決策，應(yīng)具有擬人化功能。
b)Saridis在傅京孫工作的基礎(chǔ)上，提出了三元結(jié)構(gòu)的智能控制理論體系，他認(rèn)為僅有二元結(jié)合無(wú)助于智能控制的有效和成功應(yīng)用，必須引入運(yùn)籌學(xué)，使其成為三元結(jié)合，并提出了其遞階智能控制的理論框架。
c)國(guó)內(nèi)蔡自興教授在研究了上述理論結(jié)構(gòu)以后，從系統(tǒng)的整體性和目的性出發(fā)，于1986年提出了四元結(jié)構(gòu)價(jià)格體系，將智能控制概括為控制理論、人工智能、運(yùn)籌學(xué)和系統(tǒng)理論4學(xué)科交叉。
總之，智能控制是多學(xué)科知識(shí)的結(jié)合，除了從控制論出發(fā)來(lái)研究它，還可以從信息論、生物學(xué)以及社會(huì)科學(xué)角度來(lái)討論和研究。
1.2 綜合智能控制技術(shù)
綜合智能控制一方面包含了智能控制與傳統(tǒng)方法的結(jié)合，如模糊變結(jié)構(gòu)控制，自適應(yīng)模糊控制，自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變結(jié)構(gòu)控制等；另一方面包含了各種智能控制方法之間的交叉綜合，如專家模糊控制，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，專家神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。
2 一個(gè)國(guó)外的電網(wǎng)規(guī)劃專家系統(tǒng)
目前為止，在電網(wǎng)規(guī)劃方面較成功的綜合智能控制技術(shù)系統(tǒng)不是很多，其中比較好的有加拿大魁北克水電公司(Hydro-Quebec)的“直流/交流輸電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)”。
在80年代末期，隨著人員的退休和長(zhǎng)期不用，一些60年代和70年代加拿大電網(wǎng)高速發(fā)展時(shí)期由工程師們獲得的大量有關(guān)電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的專門(mén)知識(shí)逐漸被人遺忘，這引起了加拿大電力部門(mén)的關(guān)注，魁北克水電公司將專家系統(tǒng)技術(shù)看成是表達(dá)和保存某些目前在人類專家頭腦中的專門(mén)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的潛在方法。他們認(rèn)為在電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)領(lǐng)域里，專門(mén)知識(shí)的損失非常明顯，尤其是在電力系統(tǒng)增長(zhǎng)緩慢的時(shí)期。這些專門(mén)知識(shí)來(lái)自于各門(mén)學(xué)科，在多層次的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)決策過(guò)程中起著重要的作用。一些選擇決策，如發(fā)電類型、發(fā)電廠位置、輸電類型(交流/直流)、電壓等級(jí)、輸電線路的數(shù)量型號(hào)和補(bǔ)償設(shè)備的數(shù)量型號(hào)的選擇必須根據(jù)一些準(zhǔn)則仔細(xì)權(quán)衡，包括可靠性、穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能、費(fèi)用和環(huán)境狀況的準(zhǔn)則等�；诖�，魁北克水電公司的專家們開(kāi)發(fā)了一個(gè)用于輸電網(wǎng)絡(luò)初步設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)，該專家系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。
2.1 目標(biāo)和預(yù)期效益
主要目的是研究使用專家系統(tǒng)(ES)來(lái)模仿人類專家在AC/DC輸電網(wǎng)絡(luò)初步設(shè)計(jì)中的行為的可能性。系統(tǒng)地確定和表達(dá)進(jìn)行一項(xiàng)合格設(shè)計(jì)所必須的知識(shí)，包括符號(hào)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以及指導(dǎo)該項(xiàng)設(shè)計(jì)的原理、規(guī)則、準(zhǔn)則折衷方法和數(shù)學(xué)模型。合格的設(shè)計(jì)基于費(fèi)用、環(huán)境狀況、穩(wěn)定性、可靠性和設(shè)計(jì)靈敏度或魯棒性等準(zhǔn)則。ES原型還應(yīng)指導(dǎo)用戶通過(guò)完成設(shè)計(jì)所需的各步驟，使用戶與知識(shí)庫(kù)交互作用，并提供達(dá)到每一中間步驟后相應(yīng)推理路徑的解釋。預(yù)期的主要效益是：
a)專家知識(shí)能夠保留和傳授給未來(lái)的工程師；
b)知識(shí)可以用更加具體的形式加以表達(dá)，而不是一些不明確的、沒(méi)有根據(jù)的判斷；
c)將獲得得更一致的結(jié)果；
d)與人類專家相比，ES可以檢查、比較更多的方案，得到更經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)；
e)借助于推理解釋功能，ES可以作為未來(lái)專家的教學(xué)和訓(xùn)練工具；
f)作為一種“咨詢”手段或者一個(gè)對(duì)已有設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)和改進(jìn)的工具，ES對(duì)專家將很有幫助；
g)ES將充當(dāng)進(jìn)行各種電力系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)家族的先驅(qū)，作為一種模型，從中抽取更加一般的設(shè)計(jì)方法論；
h)ES起到收集常常分散在整個(gè)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)中的知識(shí)的作用。
2.2 領(lǐng)域?qū)＜液椭R(shí)工程師的交互作用
知識(shí)工程師應(yīng)當(dāng)具有電力系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)領(lǐng)域以及人工智能(AI)領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)證明兩種知識(shí)的混合對(duì)于從領(lǐng)域?qū)＜姨幊槿『蜐饪s專家知識(shí)非常有效。專家知識(shí)來(lái)自于電力系統(tǒng)規(guī)劃工程師，他們具有多年的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和調(diào)試大型工程項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)。
2.3 對(duì)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)因素一個(gè)候選的設(shè)計(jì)必須滿足下述條件：
a)DC系統(tǒng)最小故障恢復(fù)特性；
b)容許的無(wú)線電
和諧波干擾要求；
c)故障后的最小穩(wěn)定判據(jù)；
d)穩(wěn)定電壓和無(wú)功電源的極限；
e)甩負(fù)荷后的暫態(tài)過(guò)電壓極限；
f)可靠性所要求的最小設(shè)備冗余度；
g)必須對(duì)輸入數(shù)據(jù)變化不敏感(魯棒性)；
h)必須滿足某一最大費(fèi)用要求；
i)必須適合現(xiàn)有技術(shù)。
魁北克水電公司的“直流/交流輸電網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)”已經(jīng)成功地應(yīng)用了近十年，并在不斷地發(fā)展、完善。隨著模糊技術(shù)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的迅速發(fā)展，綜合智能控制技術(shù)在電網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用前景愈來(lái)愈廣闊。
3 電網(wǎng)規(guī)劃決策系統(tǒng)的分解及協(xié)調(diào)
電網(wǎng)的建設(shè)是資金和技術(shù)密集型的工程，線路和設(shè)備的經(jīng)濟(jì)使用壽命長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年之久，所以網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)合理與否，對(duì)電網(wǎng)的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效益將產(chǎn)生長(zhǎng)期的影響。一次規(guī)劃失誤的損失，若干年難以挽回。隨著廣東省電網(wǎng)的不斷發(fā)展，如何合理地布局電網(wǎng)已是當(dāng)前電網(wǎng)乃至整個(gè)電力工業(yè)發(fā)展的重要課題之一。
電網(wǎng)規(guī)劃需要確定的決策是大量的，而這些決策在時(shí)間和空間上是相互影響的。目前，限于各方面條件，無(wú)法將其統(tǒng)一在一個(gè)模型中考慮。只能將其分解成相對(duì)簡(jiǎn)單的子問(wèn)題，再通過(guò)子問(wèn)題間的迭代進(jìn)行協(xié)調(diào)。按照問(wèn)題劃分，電網(wǎng)規(guī)劃可分為：負(fù)荷預(yù)測(cè)，網(wǎng)架規(guī)劃，無(wú)功規(guī)劃，穩(wěn)定性分析，短路電流分析。
4 結(jié)束語(yǔ)
電網(wǎng)負(fù)擔(dān)著將電源與用戶連接起來(lái)的任務(wù)。此外為了得到最大的供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性，它還擔(dān)負(fù)著與鄰近地區(qū)電力系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)的任務(wù)。由于電網(wǎng)設(shè)備投資需求大，并且設(shè)備壽命長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年，從而導(dǎo)致電力系統(tǒng)強(qiáng)烈地受“過(guò)去權(quán)重”的制約，因此，尋求最佳的電網(wǎng)投資決策以保證整個(gè)電力系統(tǒng)的長(zhǎng)期優(yōu)化發(fā)展，是電網(wǎng)規(guī)劃所要達(dá)到的目標(biāo)。
結(jié)合本文的論述可以看出，電網(wǎng)這一巨維數(shù)的典型動(dòng)態(tài)大系數(shù)，具有強(qiáng)非線性、時(shí)變且參數(shù)不確切可知、含大量未建模動(dòng)態(tài)部分的特征，而我們所要達(dá)到的控制效果是一種多目標(biāo)、滾動(dòng)優(yōu)化的動(dòng)態(tài)非量化指標(biāo)(電網(wǎng)的工程效益)，在這個(gè)過(guò)程中知識(shí)的表示和處理占了較大的比重。這樣就需要利用綜合智能控制技術(shù)去有效地組織有關(guān)電網(wǎng)規(guī)劃的大量知識(shí)，進(jìn)行選優(yōu)運(yùn)算，得到優(yōu)化的決策。目前廣東省電力工業(yè)局聯(lián)合華南理工大學(xué)電力學(xué)院共同開(kāi)展了“電網(wǎng)規(guī)劃專家決策系統(tǒng)”的有關(guān)理論研究工作，并有望在2000年開(kāi)發(fā)一個(gè)有效的基于綜合智能控制技術(shù)的電網(wǎng)規(guī)劃決策系統(tǒng)，它的使用將對(duì)廣東省電網(wǎng)的建設(shè)起到積極的促進(jìn)作用。
參考文獻(xiàn)
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2 王梅義，吳競(jìng)昌，蒙定中．大電網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)．第2版［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1995
3 周樂(lè)榮．電網(wǎng)規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)中面向?qū)ο竽：龜?shù)據(jù)庫(kù)的研究：［學(xué)位論文］［D］．廣州：華南理工大學(xué)電力學(xué)院，1998
作者：周樂(lè)榮 伍力
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