双区域互联电力系统的负荷频率控制参数的处理方法

摘要

本公开是关于一种双区域互联电力系统的负荷频率控制参数的处理方法，所述方法包括：步骤1，建立分数阶PID控制器，分数阶PID控制器是基于分数阶比例积分控制器与分数阶比例微分控制器依次级联建立的控制器；步骤2，基于分数阶PID控制器，建立双区域互联电力系统模型；步骤3，基于双区域互联电力系统模型，对分数阶PID控制器参数进行优化，获得优化后的分数阶PID控制器参数；步骤4，将优化后的分数阶PID控制器参数作为双区域互联电力系统的负荷频率控制参数。本发明提供的分数阶PID控制器参数作为双区域互联电力系统的负荷频率控制参数，相比于采用其它控制器的电力系统能更好的抑止频率波动，所需要的时间更短，具有较好的动态性能。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统调节控制技术领域，尤其涉及一种双区域互联电力系统的负荷频率控制参数的处理方法。

背景技术

电力系统的频率稳定是衡量电能质量的标准之一。随着微电网的普及，各种具有间歇性与随机性分布式能源的接入，以及随机的负荷扰动，势必会对电网的频率稳定造成一定的冲击影响，使得维持电力系统稳定的难度大大提高。在双区域互联电力系统中，任意一侧的负荷扰动都会导致两个区域的频率以及电力系统联络线上功率偏离设定的额定值。

为了解决上述问题，采用的手段是负荷频率控制(load frequency control，LFC)技术，这是一种准确高效快速的控制机制。当系统在遭受外界因素的冲击时，运用该控制机制可以快速的减少区域瞬时频率偏差，保持区域电力系统频率和联络线交换功率在设定值。

近年来，有众多专家学者在电力系统LFC问题上进行理论与技术的研究。LFC控制器涉及到两方面的内容，即控制策略的选择、控制器参数的选取与调整。许多先进的控制理论应用于LFC系统控制器中，如鲁棒控制、自适应控制、强化学习控制、模型预测控制以及结合人工智能理论的神经网络等。虽然这些方法在一定程度上提高了系统的稳态性能，但是由于其实现方法比较困难，控制器结构复杂，所以大多数的工业企业仍采用更为传统的控制器，如PID控制器。其有适用范围广，易于在数字平台上实现等优点。随着数学的发展，在科学与工程领域发现了分数阶PID控制器潜在的应用。如何快速的使系统达到稳定状态并将稳态误差保持为零，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种双区域互联电力系统的负荷频率控制参数的处理方法。

根据本公开实施例的一方面，提供一种双区域互联电力系统的负荷频率控制参数的处理方法，所述方法包括：

步骤1，建立分数阶PID控制器，所述分数阶PID控制器是基于分数阶比例积分控制器与分数阶比例微分控制器依次级联建立的控制器；

步骤2，基于所述分数阶PID控制器，建立双区域互联电力系统模型；

步骤3，基于所述双区域互联电力系统模型，对所述分数阶PID控制器参数进行优化，获得优化后的所述分数阶PID控制器参数；

步骤4，将优化后的所述分数阶PID控制器参数作为双区域互联电力系统的负荷频率控制参数。

其中，所述步骤1中，所述建立分数阶PID控制器包括：

步骤1-1，采用Oustaloup滤波算法构造连续滤波器；

设拟合频率段为(ω

公式(1)中，s为拉氏变换域中的变量，K为增益，N为连续滤波器的阶次，k为连续滤波器的阶次的初始值；

其中，连续滤波器的零点为ω′

其中，

步骤1-2，利用连续滤波器对区域控制偏差进行分数阶微积分处理；

步骤1-3，将分数阶微积分处理后的区域控制偏差作为分数阶比例积分控制器的输入，将分数阶比例积分控制器的输出作为分数阶比例微分控制器的输入。

其中，所述步骤2中，基于所述分数阶PID控制器，建立双区域互联电力系统模型包括：

步骤2-1，设置所述双区域互联电力系统模型中两个区域的区域控制偏差分别为：

其中，ACE

步骤2-2，设置所述双区域互联电力系统模型中的所述分数阶PID控制器的输出信号为：

其中，u

其中，u(s)为所述分数阶PID控制器输出的传递函数，e(s)为所述分数阶PID控制器输入的传递函数，K

步骤2-3，控制所述分数阶PID控制器的输出信号u

其中，在所述步骤3中，所述基于所述双区域互联电力系统模型，对所述分数阶PID控制器参数进行优化，获得优化后的所述分数阶PID控制器参数包括：

步骤3-1，设置模型的约束条件

所述约束条件包括分数阶比例积分控制器的比例增益的上下阈值、分数阶比例微分控制器的比例增益的上下阈值、分数阶PID控制器的积分增益的上下阈值、分数阶PID控制器的微分增益的上下阈值、分数阶PID控制器的积分阶次的上下阈值和分数阶PID控制器的微分增益的上下阈值；

其约束条件为：

其中，K

步骤3-2，确定双区域互联电力系统模型的目标函数

以双区域互联电力系统的性能参数指标ITAE的目标函数，其数学表达式具体如下：

其中，Δf

步骤3-3，在满足约束条件的情况下，输出双区域互联电力系统模型的目标函数的最小值，确定优化后的所述分数阶PID控制器参数。

本公开的实施例提供的技术方案，基于PI与PD级联控制器的基础上提出分数阶PID控制器，通过对分数阶PID控制器参数进行优化确定最优的分数阶PID控制器参数，将优化后的分数阶PID控制器参数作为双区域互联电力系统的负荷频率控制参数，相比于采用其它控制器的电力系统能更好的抑止频率波动，所需要的时间更短，具有较好的动态性能。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是相关技术中示出的一种常规的分数阶PID控制的框图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种双区域互联电力系统的负荷频率控制参数的处理方法的流程图；

图3是根据一示例性实施例示出的分数阶PID控制器的结构示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的双区域互联电力系统模型的框图；

图5是根据一示例性实施例示出的确定优化分数阶PID控制器参数的流程图；

图6是根据一示例性实施例示出的双区域互联电力系统的仿真图；

图7是根据一示例性实施例示出的分数阶PID控制器的仿真图；

图8是根据一示例性实施例示出的Csse1频率偏差Δf

图9是根据一示例性实施例示出的Case2频率偏差Δf

图10是本根据一示例性实施例示出的Case3频率偏差Δf

图11是根据一示例性实施例示出的一种计算机设备的框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

图1是根据一示例性实施例示出的一种双区域互联电力系统的负荷频率控制参数的处理方法的流程图。

如图1所示，本发明提供一种双区域互联电力系统的负荷频率控制参数的处理方法，该方法包括：

步骤101，建立分数阶PID控制器，分数阶PID控制器是基于分数阶比例积分控制器与分数阶比例微分控制器依次级联建立的控制器。

该步骤中，该分数阶PID控制器是基于PI与PD级联控制器的基础上提出的，该分数阶PID控制器既具有PID控制器的优点，又有单独使用PI控制器与PD控制器时的特征，通过调节分数阶PID控制器参数能够获得更好的系统性能，本发明提出一种新的分数阶PID控制器来稳定电力系统的频率，以抑止外界扰动及负荷扰动导致的系统频率的剧烈波动。

步骤102，基于分数阶PID控制器，建立双区域互联电力系统模型；

步骤103，基于双区域互联电力系统模型，对分数阶PID控制器参数进行优化，获得优化后的分数阶PID控制器参数；

步骤104，将优化后的分数阶PID控制器参数作为双区域互联电力系统的负荷频率控制参数。

本实施例中，分数阶PID控制器为FOPI+FOPD控制器，既具有PID控制器的优点，又有单独使用PI控制器与PD控制器时的特征，通过对分数阶PID控制器参数进行优化确定最优的分数阶PID控制器参数，将优化后的分数阶PID控制器参数作为双区域互联电力系统的负荷频率控制参数，保持双区域发电功率间的动态平衡，维持整个互联电力系统的频率恒定，相比于采用其它控制器的电力系统能更好的抑止频率波动，所需要的时间更短，具有较好的动态性能。

在示例性实施例中，如图3所示，分数阶PID控制器是基于分数阶比例积分(Fractional Order Proportional Integral，FOPI)控制器与分数阶比例微分(Fractional Order Proportional Differential，FOPD)控制器依次级联建立的FOPI+FOPD控制器。

在步骤101中，建立分数阶PID控制器包括：步骤1-1，采用Oustaloup滤波算法构造连续滤波器；

设拟合频率段为(ω

公式(1)中，s为拉氏变换域中的变量，K为增益，N为连续滤波器的阶次，k为连续滤波器的阶次的初始值；

其中，连续滤波器的零点为ω′

其中，

其中，连续滤波器的阶次N值的大小一般不宜过大，否则会加大近似时间，从而影响整个系统的优化时间，ω

步骤1-2，利用连续滤波器对区域控制偏差进行分数阶微积分处理；

该步骤中，采用Oustaloup滤波算法构造的连续滤波器可以实现对函数进行分数阶的微分或者积分的计算，本实施例中，根据上述公式(1)和公式(2)在可以MATLAB中编写相应的函数构造出连续滤波器，然后将区域控制偏差信号函数通过构造的连续滤波器进行分数阶微积分处理。

步骤1-3，将连续滤波器处理后的区域控制偏差作为分数阶比例积分控制器的输入，将分数阶比例积分控制器的输出作为分数阶比例微分控制器的输入。

参见图3所示，该步骤中，区域控制偏差经过连续滤波器进行分数阶微积分处理后，将处理后的区域控制偏差输入到分数阶比例积分控制器(FOPI)进行处理，将分数阶比例积分控制器的输出输入到分数阶比例微分控制器(FOPD)中进行处理，实现了在比例环节对区域控制偏差进行放大，通过调节FOPD与FOP连个控制器的参数，使FOPD控制器输出的值降到最小，此时，所得到的FOPI+FOPD级联控制器为建立的分数阶PID控制器(FOPI+FOPD控制器)。

在示例性实施例中，如图4所示，双区域互联电力系统模型包括两个通过联络线互联的系统区域，两个系统区域分别存在于独立的电力系统区域，且两电力系统区域的电力输出端互联，两个独立的电力系统区域分别设为区域一及区域二中，其中，区域一中还包括调速器模型gov1、汽轮机模型tur1和发电机模型gen1。区域二中还包括调速器模型gov2、汽轮机模型tur2和发电机模型gen2。

在步骤102中，基于分数阶PID控制器，建立双区域互联电力系统模型包括：

步骤2-1，设置双区域互联电力系统模型中两个区域的区域控制偏差分别为：

公式(3)中，ACE

步骤2-2，设置双区域互联电力系统模型中的分数阶PID控制器的输出信号为：

公式(4)中，u

公式(5)中，其中u(s)为分数阶PID控制器输出的传递函数，e(s)为分数阶PID控制器输入的传递函数，K

G

步骤2-3，控制分数阶PID控制器的输出信号u

在步骤103中，基于双区域互联电力系统模型，对分数阶PID控制器参数进行优化，获得优化后的分数阶PID控制器参数包括：

步骤3-1，设置模型的约束条件

约束条件包括分数阶比例积分控制器的比例增益的上下阈值、分数阶比例微分控制器的比例增益的上下阈值、分数阶PID控制器的积分增益的上下阈值、分数阶PID控制器的微分增益的上下阈值、分数阶PID控制器的积分阶次的上下阈值和分数阶PID控制器的微分增益的上下阈值；

其约束条件为：

其中，K

步骤3-2，确定双区域互联电力系统模型的目标函数；

以双区域互联电力系统的性能参数指标ITAE的目标函数，其数学表达式具体如下：

其中，Δf

步骤3-3，在满足约束条件的情况下，输出双区域互联电力系统模型的目标函数的最小值，确定优化后的分数阶PID控制器参数。

其中，分数阶PID控制器参数包括：分数阶比例积分控制器的比例增益K

本实施例中，选取时间乘误差绝对值积分(Integral of Time multipliedAbsolute Error，ITAE)性能指标作为目标函数，，ITAE是一种衡量系统性能的指标，目标函数为按照这个目标函数值最小为准则设计参数的系统能够达到很好的效果，该性能指标能够提供更好的时域动态响应，该目标函数包括两个区域的频率偏差以及功率偏差，选取该指标作为目标函数，可通过粒子群算法对分数阶PID控制器参数进行优化，使目标函数达到最小，则区域的频率偏差以及功率偏差亦是最小，即通过对分数阶PID控制器参数进行优化，确定最优的K

参照图3中的分数阶PID控制器参数K

在示例性实施例中，在MATLAB中的SIMULINK环境下对双区域互联电力系统进行仿真建模，参见图3、图5、图6和图7所示，通过粒子群算法基于双区域互联电力系统模型，对分数阶PID控制器参数进行优化，获得优化后的分数阶PID控制器参数过程如下：

步骤501，对分数阶PID控制器参数进行初始化，设置分数阶PID控制器参数的上下阈值。

本实施例中，采用粒子群算法来求解分数阶PID控制器参数的最优控制器参数。初始化每个粒子的位置与速度，即对K

粒子群算法，也称粒子群优化算法或鸟群觅食算法(Particle SwarmOptimization)，缩写为PSO，PSO算法属于进化算法的一种，和模拟退火算法相似，它也是从随机解出发，通过迭代寻找最优解，它也是通过适应度来评价解的品质，但它比遗传算法规则更为简单，它没有遗传算法的“交叉(Crossover)”和“变异(Mutation)”操作，它通过追随当前搜索到的最优值来寻找全局最优。这种算法以其实现容易、精度高、收敛快等优点引起了学术界的重视，并且在解决实际问题中展示了其优越性。

步骤502，将初始化的分数阶PID控制器参数赋值到分数阶PID控制器中，运行双区域互联电力系统的仿真图，确定性能指标参数ITAE。

在示例性实施例中，如图7所示，为SIMULINK环境下的分数阶PID控制器的仿真图，并返回到MATLAB工作空间中运行双区域互联电力系统的仿真图，如图6所示，为MATLAB工作空间中的双区域互联电力系统的仿真图。

步骤503，判断性能指标参数ITAE是否满足预设条件，若不满足，则执行步骤504；若满足，执行步骤505。

其中，预设条件为以下条件的任意一个；

条件一，输出的性能参数指标ITAE低于所要求的第一预设值；

条件二，迭代次数已经达到第二预设值。

性能指标参数ITAE满足预设条件上述条件的任意一个，也就是目标函数达到了到最小值。第一预设值和第二预设值可以根据情况具体设置，例如第一预设值为0.1，第二预设值为100，在此不做限定。

性能指标参数ITAE不满足预设条件，也即是输出的性能参数指标ITAE未低于所要求的第一预设值并且迭代次数未达到第二预设值。

步骤504，更新分数阶PID控制器参数，执行步骤502。

该步骤中，更新分数阶PID控制器参数，即对粒子群进行更新操作，重新计算粒子群中粒子的值，包括更新每个粒子的速度与位置，评估每个粒子的适应度，更新每个粒子的历史最优位置，更新群体的全局最优位置。

步骤505，输出优化后的分数阶PID控制器参数。

该步骤中，通过PSO算法确定性能指标参数ITAE达到最小值时K

结合图4、图8、图9和图10，本发明提供了双区域互联电力系统采用FOPI+FOPD控制器相对于双区域互联电力系统采用其他控制器对频率波动的抑止情况的仿真实验。

为了对比所提出的双区域互联电力系统采用FOPI+FOPD控制器对频率波动的抑止有效性，对比双区域互联电力系统分别采用PID、PI+PD、TID控制器与其比较，设计Case1、Case2和Case3三种实验仿真如下：

Case1在区域一中内加入+20％负荷扰动，系统的响应频率偏差Δf

为了与双区域互联电力系统采用FOPI+FOPD控制器对频率波动的抑止情况对比，随后又将双区域互联电力系统的控制器依次替换为PID、PI+PD、TID控制器，并且也同样在替换后的模型中的区域一中加入+20％负荷扰动，观察频率以及联络线功率偏差变化情况。

Case2区域二中加入+20％负荷扰动的，系统的响应频率偏差Δf

为了与双区域互联电力系统采用FOPI+FOPD控制器对频率波动的抑止情况，随后又将双区域互联电力系统的控制器依次替换为PID、PI+PD、TID控制器，并且也同样在替换后的模型中的区域二中加入+20％负荷扰动，观察频率以及联络线功率偏差变化情况。

Case3区域一中加入+20％负荷扰动且区域二中加入+10％负荷扰动，系统的响应频率偏差Δf

为了与双区域互联电力系统采用FOPI+FOPD控制器对频率波动的抑止情况，随后又将双区域互联电力系统的控制器依次替换为PID、PI+PD、TID控制器，并且也在区域一中加入+20％负荷扰动同时在区域二中加入+10％负荷扰动，观察频率以及联络线功率偏差变化情况。

仿真实验结果表明其中在Case1中采用FOPI+FOPD控制器的系统的Δf

在Case3中可以看出在两个区域都发生扰动时的Δf

本发明实施例中提供一种计算机设备，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，处理器被配置为执行存储器中的可执行指令以实现上述双区域互联电力系统的负荷频率控制参数的处理方法。

图11是根据一示例性实施例示出的一种计算机设备1100的框图。例如，计算机设备1100可以被提供为一服务器。参照图11，计算机设备1100包括处理器1101，处理器的个数可以根据需要设置为一个或者多个。计算机设备900还存储器1102，用于存储可由处理器901的执行的指令，例如应用程序。存储器的个数可以根据需要设置一个或者多个。其存储的应用程序可以为一个或者多个。处理器1101被配置为执行指令，以执行上述双区域互联电力系统的负荷频率控制参数的处理方法。

本发明还提供了一种包括指令的非临时性计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，该可执行指令被处理器执行时实现上述消除镜头撞击噪声的方法。例如，非临时性计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。

本领域技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、装置(设备)、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质,包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质等。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、装置(设备)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明的意图也包含这些改动和变型在内。