一种水轮发电机组调速器优化方法和系统与流程

1.本发明属于电力领域，尤其涉及一种水轮发电机组调速器优化方法和系统。


背景技术：

2.近年来在水电机组占比较高的直流送出系统中出现了振荡频率低于0.1hz的超低频率振荡现象，且随着我国异步并网的进程不断加快，超低频振荡对高水电机组比例电网频率稳定性的威胁越来越严峻。相关研究表明水轮机及其调速系统的负阻尼作用是造成超低频振荡的主要原因，而通过对调速器参数的优化可以得到很好的抑制效果。


技术实现要素：

3.为了解决或者改善上述问题，本发明提供了一种水轮发电机组调速器优化方法和系统，具体技术方案如下：
4.本发明提供一种水轮发电机组调速器优化方法，包括：基于复转矩系数法设置水轮机调速单元超低频振荡的阻尼水平衡量指标，基于itae准则设置水轮机调速单元的转速偏差性能指标，基于一次调频动作特性设置一次调频性能衡量指标；结合所述阻尼水平衡量指标、所述转速偏差性能指标和所述一次调频性能衡量指标，得到综合指标；通过改进型人工鱼群算法和所述综合指数，获取最优参数。
5.优选的，基于粒子群算法中的粒子搜索方式，修改人工鱼群算法中的觅食行为、聚群行为和追尾行为，得到所述改进型人工鱼群算法。
6.优选的，所述改进型人工鱼群算法，包括：记录各条鱼的当前状态，比较对应的函数值大小以选取函数值最优者作为当前最优解状态栏；计算人工鱼群的非线性自适应惯性权重；为每条人工鱼模拟定义的聚群、追尾行为，进行并行搜索，选择使函数值较优者成为更新结果；计算每条人工鱼的目标函数值，更新个体历史最优解和全局历史最优位置；评价行动后的人工鱼的更新位置状态，若优于状态栏则更新所述状态栏；判断是否达到终止条件，是则输出最优解，否则重新开始执行所述计算非线性自适应惯性权重，直至完成输出所述最优解。
7.优选的，改进的所述觅食行为，包括：设第i只人工鱼当前状态为x
ik
，在try_number次中可视域状态下随机搜索下一状态x
jk
，若y
jk
＜y
ik
，则向所述x
jk
和所述x
bestk
飞行方向游动，更新速度v
ik
和状态x
ik
，否则，随机在空间中游动；
8.对应的数学公式包括：对应的数学公式包括：其中，x
bestk
当前全局最优状态，c1、c2为学习因子，所述r1和所述r2在[0，1]范围内，ω为惯性权重。
[0009]
优选的，所述惯性权重ω为非线性自适应惯性权重系数；对应的数学公式包括：
[0010]
ω＝1-r+ω
min
，其中，所述k为当前迭代次数，所述n为最大迭代次数，所述r随着迭代次数所述k的增加而逐渐变大，所述α为[0，1]范围内的常数，可通过调整所述α值大小改变所述r的变化速率。
[0011]
优选的，改进的所述聚群行为，包括：设第i只人工鱼当前状态为x
ik
，探索其伙伴中心位置x
ck
，如果中心位置x
ck
优于x
ik
且不拥挤，则人工鱼向所述x
ck
和所述x
bestk
飞行方向游动，否则执行觅食行为；
[0012]
对应的数学公式包括：对应的数学公式包括：其中，所述x
ck
表示人工鱼在伙伴中的中心位置，所述δ为拥挤度因子，所述r1和所述r2为[0，1]之间的随机数。
[0013]
优选的，改进的所述追尾行为，包括：第i只人工鱼当前状态x
ik
，探索其视野范围内最优的一个伙伴x
maxk
，若满足条件，则人工鱼向x
maxk
和x
bestk
飞行方向游动，否则执行觅食行为；
[0014]
对应的数学公式包括：对应的数学公式包括：其中，所述x
maxk
表示人工鱼在第k次迭代食物浓度最大伙伴，所述δ为拥挤度因子，所述r1和所述r2为[0，1]之间的随机数。
[0015]
优选的，所述结合所述阻尼水平衡量指标、所述转速偏差性能指标和所述一次调频性能衡量指标，得到综合指标，包括：加权处理所述阻尼水平衡量指标、所述转速偏差性能指标和所述一次调频性能衡量指标，得到所述综合指标。
[0016]
本发明提供一种水轮发电机组调速器优化系统，包括：第一模块，用于基于复转矩系数法设置水轮机调速单元超低频振荡的阻尼水平衡量指标，基于itae准则设置水轮机调速单元的转速偏差性能指标，基于一次调频动作特性设置一次调频性能衡量指标；第二模块，用于结合所述阻尼水平衡量指标、所述转速偏差性能指标和所述一次调频性能衡量指标，得到综合指标；第三模块，用于通过改进型人工鱼群算法和所述综合指数，获取最优参数。
[0017]
本发明的有益效果为：基于复转矩系数法设置水轮机调速单元超低频振荡的阻尼水平衡量指标，基于itae准则设置水轮机调速单元的转速偏差性能指标，基于一次调频动作特性设置一次调频性能衡量指标；结合所述阻尼水平衡量指标、所述转速偏差性能指标和所述一次调频性能衡量指标，得到综合指标；通过改进型人工鱼群算法和所述综合指数，获取最优参数。
[0018]
本发明针对水电高占比电网超低频振荡抑制需求及现有水电机组调速系统控制参数整定方法难以有效协调系统阻尼特性与一次调频动态性能间的矛盾关系，所提策略得到的最佳兼容解能在避免一次调频被考核的同时，较好地提升调速系统在超低频段的阻尼水平，有利于抑制超低频振荡的发生。
[0019]
本发明结合了综合目标函数的改进人工鱼群优化算法对水轮机调速器pid参数进行优化后，能有效提高了系统的阻尼水平，与标准的人工鱼群算法相比较，优化后调节系统具有超调量小、稳定性好特点，能有效改善水轮机调节系统过渡过程的动态性能，同时算法收敛速度快、准确度高，有效地克服了标准粒子群算法易早熟等缺点，提高了算法的精确性。
附图说明
[0020]
图1是根据本发明的水轮发电机组调速器优化方法的示意图；
[0021]
图2是根据本发明的水轮发电机组调速器优化系统的示意图。
[0022]
主要附图标记说明：
[0023]
1-第一单元，2-第二单元，3-第三单元。
具体实施方式
[0024]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0025]
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0026]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0027]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0028]
为了解决或者改善对背景所提出的问题，本发明提供如图1所示一种水轮发电机组调速器优化方法，包括：s1、基于复转矩系数法设置水轮机调速单元超低频振荡的阻尼水平衡量指标，基于itaf准则设置水轮机调速单元的转速偏差性能指标，基于一次调频动作特性设置一次调频性能衡量指标；s2、结合所述阻尼水平衡量指标、所述转速偏差性能指标和所述一次调频性能衡量指标，得到综合指标；s3、通过改进型人工鱼群算法和所述综合指数，获取最优参数。
[0029]
基于粒子群算法中的粒子搜索方式，修改人工鱼群算法中的觅食行为、聚群行为和追尾行为，得到所述改进型人工鱼群算法。
[0030]
所述改进型人工鱼群算法，包括：记录各条鱼的当前状态，比较对应的函数值大小以选取函数值最优者作为当前最优解状态栏；计算人工鱼群的非线性自适应惯性权重；为每条人工鱼模拟定义的聚群、追尾行为，进行并行搜索，选择使函数值较优者成为更新结果；计算每条人工鱼的目标函数值，更新个体历史最优解和全局历史最优位置；评价行动后的人工鱼的更新位置状态，若优于状态栏则更新所述状态栏；判断是否达到终止条件，是则输出最优解，否则重新开始执行所述计算非线性自适应惯性权重，直至完成输出所述最优
解。
[0031]
改进的所述觅食行为，包括：设第i只人工鱼当前状态为x
ik
，在try_number次中可视域状态下随机搜索下一状态x
jk
，若y
jk
＜y
ik
，则向所述x
jk
和所述x
bestk
飞行方向游动，更新速度v
ik
和状态x
ik
，否则，随机在空间中游动；
[0032]
对应的数学公式包括：对应的数学公式包括：其中，x
bestk
当前全局最优状态，c1、c2为学习因子，所述r1和所述r2在[0，1]范围内，ω为惯性权重。
[0033]
所述惯性权重ω为非线性自适应惯性权重系数；对应的数学公式包括：
[0034]
ω＝1-r+ω
min
，其中，所述k为当前迭代次数，所述n为最大迭代次数，所述r随着迭代次数所述k的增加而逐渐变大，所述α为[0，1]范围内的常数，可通过调整所述α值大小改变所述r的变化速率。
[0035]
改进的所述聚群行为，包括：设第i只人工鱼当前状态为x
ik
，探索其伙伴中心位置x
ck
，如果中心位置x
ck
优于x
ik
且不拥挤，则人工鱼向所述x
ck
和所述x
bestk
飞行方向游动，否则执行觅食行为；
[0036]
对应的数学公式包括：对应的数学公式包括：其中，所述x
ck
表示人工鱼在伙伴中的中心位置，所述δ为拥挤度因子，所述r1和所述r2为[0，1]之间的随机数。
[0037]
改进的所述追尾行为，包括：第i只人工鱼当前状态x
ik
，探索其视野范围内最优的一个伙伴x
maxk
，若满足条件，则人工鱼向x
maxk
和x
bestk
飞行方向游动，否则执行觅食行为；
[0038]
对应的数学公式包括：对应的数学公式包括：其中，所述x
maxk
表示人工鱼在第k次迭代食物浓度最大伙伴，所述δ为拥挤度因子，所述r1和所述r2为[0，1]之间的随机数。
[0039]
所述结合所述阻尼水平衡量指标、所述转速偏差性能指标和所述一次调频性能衡量指标，得到综合指标，包括：加权处理所述阻尼水平衡量指标、所述转速偏差性能指标和所述一次调频性能衡量指标，得到所述综合指标。
[0040]
本发明提供如图2所示的一种水轮发电机组调速器优化系统，包括：第一模块1，用于基于复转矩系数法设置水轮机调速单元超低频振荡的阻尼水平衡量指标，基于itae准则设置水轮机调速单元的转速偏差性能指标，基于一次调频动作特性设置一次调频性能衡量指标；第二模块2，用于结合所述阻尼水平衡量指标、所述转速偏差性能指标和所述一次调频性能衡量指标，得到综合指标；第三模块3，用于通过改进型人工鱼群算法和所述综合指
数，获取最优参数。
[0041]
系统对应的工作原理包括：
[0042]
步骤1、基于复转矩系数法设置水轮机调速系统超低频振荡的阻尼水平衡量指标包括：根据力矩分解法，将s＝jωd代入指定公式，在δδ-δω坐标系中对机械转矩δpm进行分解可得δpm＝-d
md
δω-k
ms
δδ，式中，d
md
表示水轮机调节系统提供的阻尼转矩系数，k
ms
表示水轮机调节系统提供的同步转矩系数。
[0043]
将水轮机调速系统在超低频段的阻尼水平作为超低频振荡阻尼性能指标，定义其函数j
dmd
为：式中，n＝(f
max-f
min
)/δf，f
max
和f
min
分别为振荡频率的最大值和最小值，δf＝0.01hz作为频率点的步长，对于第i个频率点有fi＝f
min
+(i-1)δf。d
md
(fi)为振荡频率为fi时水轮机调速系统的阻尼转矩系数。
[0044]
为了使阻尼水平衡量指标以寻求最小值作为最终函数最优解，将d
md
(fi)作一些变化，即相应振荡频率点对应的阻尼转矩系数大于零时，取其倒数值；相应振荡频率点对应的阻尼转矩系数小于或等于零时，取其绝对值值。用数学表达式表示为：
[0045]
步骤2、itae准则设置水轮机调速系统的转速偏差性能指标：以水轮发电机组转速偏差的itae准则作为优化算法的目标函数之一，即水轮发电机输出转速误差绝对值乘时间积分作为算法的适应度函数，其表达式为：式中：t为时间；ts为积分上限时间；δω(t)为水轮机组转速偏差。
[0046]
步骤3、基于一次调频动作特性的一次调频性能衡量指标：由于一次调频性能综合目标函数中各指标的量纲及量级不同，为保证指标之间的公平性，先对发电机组一次调频功率响应上升时间和稳定时间以及反调功率进行无量纲转化，加权求和后作为反映调速器一次调频性能的指标，该指标函数j
pfr
定义如下：j
pfr
＝∑α1t
0.9
+α2ts+α3p
fp
，式中：t
0.9
表示自频差超出一次调频死区开始至机组有功功率达到90％目标值的上升时间；ts表示自频差超出一次调频死区开始至机组有功功率达到稳定所经历的时间；p
fp
表示反调功率；α1表示上升时间权重系数；α2表示稳定时间权重系数；α3表示反调功率权重系数。式中各指标均为越小越优，处理各指标，以ts为例可得：
[0047]
式中，ts为稳定时间实际值；t
s_min
和t
s_max
分别为稳定时间归一化的最小值和最大值。
[0048]
对步骤(1)得到的阻尼水平衡量指标、步骤(2)得到的转速偏差性能指标和步骤(3)得到的一次调频性能衡量指标进行加权求和，得到综合性能指标j，
为学习因子，r1、r2在[0，1]范围内，ω为惯性权重。
[0060]
此外本实施例为了在进化前期有较大的步长充分开拓搜索空间，提高人工鱼的多样性，同时避免陷入局部最优解，同时在进化后期局部搜索时，又能缩短步长，使算法增强局部搜索能力以加速收敛到已搜索到的最优解，提高寻优精度，采用了一种非线性自适应惯性权重系数。其中，非线性自适应函数如公式：ω＝1-r+ω
min
，式中，k为当前迭代次数，n为最大迭代次数，r随着迭代次数k的增加而逐渐变大，α为(0，1)的常数，可通过调整α值大小改变r的变化速率。
[0061]
2)改进的聚群行为
[0062]
设第i只人工鱼当前状态为x
ik
，探索其伙伴中心位置x
ck
，如果中心位置x
ck
优于x
ik
且不拥挤，则人工鱼向x
ck
和x
bestk
飞行方向游动；否则执行觅食行为。
[0063]
其数学描述为：
[0064][0065]
式中，x
ck
表示人工鱼在伙伴中的中心位置，δ拥挤度因子，r1，r2为[0，1]之间的随机数。
[0066]
3)改进的追尾行为
[0067]
第i只人工鱼当前状态x
ik
，探索其视野范围内最优的一个伙伴x
maxk
，若满足条件，则人工鱼向x
maxk
和x
bestk
飞行方向游动；否则执行觅食行为。其数学描述为：
[0068][0069]
式中，x
maxk
表示人工鱼在第k次迭代食物浓度最大伙伴，δ为拥挤度因子，r1，r2为[0，1]之间的随机数。
[0070]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0071]
在本技术所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
[0072]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术
方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。