馮 凱，常 輝，魯銀中

(天生橋一級水電開發(fā)有限責(zé)任公司水力發(fā)電廠，貴州 興義 562400)

電力能源為人民日常生活與工業(yè)生產(chǎn)的主要能源，在城市化建設(shè)不斷深入的今天，人民的生活水平得到了一定的提升，對于電能的需求也在不斷增加。水力發(fā)電廠內(nèi)部系統(tǒng)的復(fù)雜程度越來越高，對機組的要求也越來越高。水輪機組是一個集水力、機械、電氣為一體的非線性控制單位。水輪機組的控制性能直接關(guān)系到水電廠的安全運行、供電質(zhì)量以及經(jīng)濟效益，所以應(yīng)對水輪機組的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，水輪機機組的研究過程中應(yīng)用的技術(shù)與理論得到了很大的發(fā)展，水輪機能耗控制規(guī)律也得到了不斷發(fā)展與完善。目前，水輪機能耗控制正朝著智能化、數(shù)字化方向發(fā)展。為滿足當(dāng)前水電廠發(fā)展的需求，需要對水輪機機組供水系統(tǒng)節(jié)能控制方法的不足進(jìn)行合理優(yōu)化，以此實現(xiàn)高質(zhì)量的節(jié)能控制。

文獻(xiàn)[3]中提出了一種應(yīng)用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決供水管網(wǎng)系統(tǒng)電量消耗大問題的能耗控制方法。此方法對于水泵的控制效果較好，但將其應(yīng)用在水輪機機組后應(yīng)用效果不夠理想，因此需設(shè)計新的方法實現(xiàn)水輪機的控制過程。文獻(xiàn)[4]利用等值的單機系統(tǒng)模型，基于頻域響應(yīng)法分析了水錘效應(yīng)與系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)系，以期通過參數(shù)控制的方法實現(xiàn)水輪機系統(tǒng)的節(jié)能控制，但并未達(dá)到預(yù)期的效果。

為此，在本次研究中將免疫粒子群算法設(shè)定為水輪機機組的節(jié)能控制和核心技術(shù)。該算法以粒子群算法作為基礎(chǔ)的新型多目標(biāo)優(yōu)化方法，應(yīng)用此方法可有效控制水輪機機組的能耗問題，實現(xiàn)水電廠的自控過程，推動水電廠的發(fā)展，為用戶提供應(yīng)用性更佳的能源。

1 水輪機機組供水系統(tǒng)節(jié)能控制方法設(shè)計

在本次研究中，將水輪機機組供水系統(tǒng)節(jié)能控制方法設(shè)計過程整體劃分為四個部分，每一部分具有對應(yīng)的技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用設(shè)定，整體設(shè)計如圖1所示。

圖1 水輪機機組供水系統(tǒng)節(jié)能控制方法結(jié)構(gòu)

如圖1所示，在第一部分中分析水輪機機組供水系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，并對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的問題進(jìn)行了描述，同時也簡單介紹了本次研究中的主要內(nèi)容與任務(wù)。

第二部分主要針對免疫粒子群算法的應(yīng)用過程進(jìn)行設(shè)定，通過優(yōu)化取水泵性能，設(shè)計供水系統(tǒng)節(jié)能控制器，對供水系統(tǒng)的能耗展開控制，完成本次研究的目的。

第三部分為仿真實驗分析過程，選擇多種傳統(tǒng)方法與本次研究中提出的免疫粒子群控制方法進(jìn)行對比，驗證文中提出方法在水輪機機組供水系統(tǒng)能耗控制中的有效性。

在第四部分中，對本次研究進(jìn)行總結(jié)與展望，全面總結(jié)本次研究中的工作與不足，并對免疫粒子群算法的發(fā)展與應(yīng)用做出相應(yīng)的展望。

1.1 取水泵性能優(yōu)化

在對大量服役狀態(tài)下的水輪機機組供水系統(tǒng)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中的水泵、電機、變頻器以及閥門等設(shè)備對于供水系統(tǒng)的應(yīng)用效果均會造成相應(yīng)的影響。為此在本次研究中將首先對供水系統(tǒng)取水泵的性能參數(shù)展開優(yōu)化(表1)。

表1 取水泵性能參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)表1中內(nèi)容，完成取水泵的優(yōu)化過程。為提升供水系統(tǒng)的能耗控制效果，構(gòu)建對應(yīng)的T-S模糊模型。對其運行狀態(tài)進(jìn)行分析，本次研究中應(yīng)用一般的非線性數(shù)學(xué)模型對其進(jìn)行描述，具體公式如下所示：

(1)

(+1)=()+()+

(2)

(3)

根據(jù)上述內(nèi)容，對供水系統(tǒng)中的設(shè)備展開優(yōu)化，并應(yīng)用此優(yōu)化結(jié)果，為后續(xù)的節(jié)能控制提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1.2 供水系統(tǒng)節(jié)能控制器的設(shè)計

根據(jù)上文所得結(jié)果，在本次研究中將對供水系統(tǒng)的節(jié)能控制器展開優(yōu)化。應(yīng)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為新型節(jié)能控制的設(shè)計原理，優(yōu)化后的控制器整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制結(jié)構(gòu)示意圖

在以往節(jié)能控制的過程中，輸入量與輸出量的差異度較大，導(dǎo)致節(jié)能效果不佳。在本次研究中，根據(jù)供水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，將控制器輸入量設(shè)定為=[,,…,]，每個分量均表示節(jié)能控制過程中的模糊語言變量，則有：

(4)

(5)

(6)

或：

(7)

通過模糊推理可得到每個輸入值對應(yīng)的輸出值集合的隸屬函數(shù)，具體如下：

(8)

或：

(9)

根據(jù)上述公式，得到輸出量的總模糊集合為：

(10)

(11)

應(yīng)用上述公式，對原有的控制器數(shù)值輸出與數(shù)值輸入進(jìn)行控制，將公式與控制器架構(gòu)相結(jié)合，以此為后續(xù)的處理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.3 供水系統(tǒng)節(jié)能控制的實現(xiàn)

以上述設(shè)計結(jié)果為基礎(chǔ)，將免疫粒子群算法作為節(jié)能控制的實現(xiàn)技術(shù)。粒子群算法是尋優(yōu)計算的關(guān)鍵性技術(shù)，但是粒子群算法容易出現(xiàn)局部最優(yōu)化問題，在應(yīng)用中導(dǎo)致所得最優(yōu)解出現(xiàn)偏差。為此，本人引入免疫種群，與粒子群算法結(jié)合，避免局部最優(yōu)問題，對供水系統(tǒng)的能耗進(jìn)行全局尋優(yōu)，使供水系統(tǒng)的能耗降到最低。在供水系統(tǒng)的控制過程中，存在多種控制方式共同應(yīng)用的情況。因此，將粒子群算法應(yīng)用到供水系統(tǒng)中，免疫種群設(shè)定為，供水系統(tǒng)的慣性因子設(shè)定為。根據(jù)以上設(shè)定可通過計算得到潛在合理能耗的適應(yīng)度，具體公式可表示為：

(12)

式(12)中，表示實際供水能耗問題反饋信息與預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)數(shù)據(jù)之間的差值。依次選取數(shù)據(jù)代入此公式中，得到具有最小適應(yīng)度的例子計算結(jié)果，對其進(jìn)行賦值，可得到每個控制輸入值的適應(yīng)度，則有：

(13)

在上述公式中，()為基于免疫粒子的供水系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)的適應(yīng)度概率，免疫記憶細(xì)胞為，迭代次數(shù)為，粒子群規(guī)模為，表示控制信息的適應(yīng)度以及控制信息的選擇概率，通過公式可顯示為：

(14)

式(14)中，()為控制信息的適應(yīng)度。根據(jù)上述公式，對模糊控制信息展開處理，以保證信息的可靠性與準(zhǔn)確性。將上文中設(shè)定部分相結(jié)合，至此，基于免疫粒子群算法的水輪機機組供水系統(tǒng)節(jié)能控制方法完成。

2 實驗論證分析/調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2.1 實驗環(huán)境

在本次研究中，完成了基于免疫粒子群算法的水輪機機組供水系統(tǒng)節(jié)能控制方法的設(shè)計過程，為保證其具有相應(yīng)的應(yīng)用價值，對其進(jìn)行實驗分析。由于本次研究涉及對象較廣泛，實際分析造成的影響較大且實驗難度較高，在本次研究中選用MATLAB軟件作為實驗平臺。通過計算機仿真技術(shù)，對水輪機機組供水系統(tǒng)進(jìn)行研究，在證實此方法具有相應(yīng)的應(yīng)用效果的同時，將其與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對比，確定此方法與傳統(tǒng)方法的應(yīng)用差異。為實現(xiàn)對此實驗環(huán)境的控制，將軟件安裝平臺設(shè)定如表2所示。

表2 實驗環(huán)境運行平臺

根據(jù)上述設(shè)定的實驗環(huán)境，完成免疫粒子群方法與傳統(tǒng)方法的對比過程，同時，設(shè)定實驗對比指標(biāo)，對免疫粒子群方法的應(yīng)用情況加以分析。

2.2 實驗條件

在本次實驗過程中，為驗證免疫粒子群方法的有效性，將上文中設(shè)定的實驗環(huán)境作為研究基礎(chǔ)，以實際水電站運行的相關(guān)歷史參數(shù)作為依據(jù)，運用MATLAB軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行運行，對免疫粒子群方法與傳統(tǒng)方法的控制效果進(jìn)行分析。將各個參數(shù)的初始值設(shè)定為0，實驗時域設(shè)定為1，采樣周期為30秒一周期。

本次實驗中，將供水系統(tǒng)的能源消耗下降率以及供水系統(tǒng)運行穩(wěn)定性作為實驗對比指標(biāo)，將實驗次數(shù)設(shè)定為500次，每100次取一次平均值作為實驗結(jié)果。同時，將實驗數(shù)據(jù)按照季節(jié)展開設(shè)定冬季與夏季作為對照組，增強實驗數(shù)據(jù)的代表性。

2.3 實驗結(jié)果

根據(jù)上述實驗結(jié)果可知，免疫粒子群方法與傳統(tǒng)方法均可對供水系統(tǒng)的能源進(jìn)行有效的管理，降低供水系統(tǒng)的能耗，實現(xiàn)水輪機組的節(jié)能控制。但對比具體數(shù)據(jù)可以看出，免疫粒子群方法的應(yīng)用效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。在不同的季節(jié)背景下，免疫粒子群方法可對水輪機機組供水系統(tǒng)進(jìn)行高效控制，降低機組能源消耗，在保證機組正常運行的情況下，節(jié)約機組運行成本。與免疫粒子群方法相比，傳統(tǒng)方法的能耗下降率低于所提方法，說明其能源消耗相對較高，雖然實現(xiàn)了供水系統(tǒng)的節(jié)能控制，但節(jié)能效果仍需加以改進(jìn)。綜合上述實驗結(jié)果可知，對供水系統(tǒng)能源消耗下降率實驗指標(biāo)而言，免疫粒子群所得實驗結(jié)果更為優(yōu)秀。

(a)冬季實驗結(jié)果

(a)冬季實驗結(jié)果

在本次實驗中，將供水系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性作為實驗的第二組對照指標(biāo)。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析可知，免疫粒子群方法的應(yīng)用效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法，兩種方法均可對水輪機組進(jìn)行節(jié)能控制，但兩種方法應(yīng)用后，供水系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性出現(xiàn)了部分變化。對上述圖像進(jìn)行分析后，可以得出傳統(tǒng)方法應(yīng)用后供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。在一定情況下，影響了水輪機組的正常運行，易造成不必要的經(jīng)濟損失。綜合上述分析結(jié)果可知，在供水系統(tǒng)運行穩(wěn)定性試驗部分，免疫粒子群方法的應(yīng)用效果更佳。

3 結(jié) 論

水輪機機組內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在理論上是可以通過數(shù)學(xué)方法對其進(jìn)行控制的。為滿足當(dāng)前節(jié)能減排的要求，在本次研究中應(yīng)用免疫粒子群算法對水輪機機組展開控制，力求在水輪機組正常運行的情況下降低水輪機能源消耗。在一定程度上提升水輪機機組的應(yīng)用性能，為我國綠色能源發(fā)展提供動力。