分层递阶控制理论与电力系统自动化研究

华北电力大学 盐城供电公司 冯进兵

随着电力业的发展以及科学技术的进步，电力系统的结构组成及运行方式越来越复杂多变，对电力系统的可靠性及运行的经济性都提出了更高的要求。近年来，控制技术在不断地拓展，控制方法也越来越多样化，尤其是智能控制技术，在电力、冶金、化工、建材等行业得到了广泛的应用。本文探讨了职能控制技术在电力系统中的应用。

一、分层递阶控制理论

（一）分层递阶控制理论产生及发展

1977年，Saridis在针对机器人控制提出了一种智能控制的三级递阶结构。该思想在智能控制中有广泛应用，并进一步推广到了结合信息融合的集散递阶智能控制系统。分层递阶是人们分析和组织复杂系统的一种常用方法。无论是信息分析、还是行为控制，都有其层次性，在高层负责宏观的信息和决策，在低层负责具体的数据和控制。其基本控制原理是精度随智能降低而增大，即IPDI（Increasing Precision with Decreasing Intelligence）原理。分级递阶控制系统是由一个三层结构组成的，三层结构的主要内容包括组织级、协调级和执行级三个层次。分级递阶控制系统的结构示意图见图1。

1.组织级

组织级代表控制系统的主导思想具有最高的智能水平，负责整个系统的推理、规划、决策、长期记忆、信息交流，并由人工智能起主导作用，主要进行基于知识的各种信息处理和决策。

2.协调级

协调级为组织级和执行级之间的连接装置，涉及决策方式的表示，主要负责将组织级的指令进行整合分配成为各项子任务，并将任务的执行信息反馈出来，由人工智能和运筹学起主导作用。

3.执行级

执行级是智能控制系统的最低层次，要求具有最高的控制精度，并由常规控制理论进行控制，一般是由多个硬件控制器组成的，负责具体过程的控制。

（二）仿人智能控制

我国著名学者周其鉴、李祖枢教授提出的仿人智能控制理论(HSIC)是分层递阶控制理论的一个重要发展分支。仿人智能控制理论（HISC）研究的基本方法是：从分级递阶智能控制系统的最低层（运行控制级）着手，充分应用已有的控制理论成果和计算机仿真结果，直接对人的控制经验、技巧和各种直觉推理逻辑进行测辨、概括和总结；并将其编制成各种简单实用、精度高、能实时运行的控制算法，并直接应用于实际控制系统。仿人智能控制理论认为，智能控制为对控制问题求解的二次映射的信息处理过程，即从“认知”到“判断”的定性推理过程和从“判断”到“操作”的定量控制过程。

类似与Saridis的三元机构，仿人智能控制提出了由任务自适应级(TA)、参数自校正级(ST)和运行控制级(MC)组成的2阶产生式系统结构，作为仿人智能控制体系中最基本的单元控制器(UC)，如图2所示。

仿人智能控制系统(如图3)的单元控制级UC具有二阶产生式系统结构，能够独立地面向实际被控制的对象，自组织、自适应和自校正地完成实时控制任务。作为一高阶产生式系统的各级，MC、ST和TA三级都有各自的规则库RB、各自的特征辨识器Cl和推理机IE，三级之间蕴含的信息交换通过对公共数据库CDB直接存取数据来完成。这种紧藕合的并行运行机制，便于单元控制器快速自适应过程的完成。对于某一个单一的被控对象，一个单元控制器已足以自主地完成控制问题的求解。同时，其中各级产生式系统还可通过特征记忆，实现学习功能，不断提高控制品质。

此外，仿人智能控制理论提出了智能控制的分层信息处理与决策机构，是求解控制问题的一种高阶产生式系统结构.按层次高低可分为，中枢司令级(CC)、组织协调级((X二)和单元控制级UC。

总之，仿人智能控制系统在结构和功能上具有以下基本特征：分层递阶的信息处理和决策机构（高阶产生式系统结构）、在线的特征辨识和特征记忆、开闭环控制结合和定性决策与定量控制、结合的多模态控制、启发式和直觉推理逻辑的应用。

二、仿人智能控制理论和电力系统自动化

（一）仿人控制理论在电力系统自动化中的应用

1995年，汪涛基和吕林等人把仿人智能控制理论中的部分理论和成果运用到了同步发电机组励磁控制器中。由于励磁控制过程可以理解为一个单输人单输出的单一被控对象，一个单元控制器已足以自主地完成控制问题的求解，汪涛基和吕林等人只使用了单元控制级中的ST和MC两层。采用同步发电机组的△Pe、ωΔ、△I、△UG及其导数作为特征量，制定9条推理规则，即达到了比常规控制以及PSS控制方式更为优越的控制效果。1996年6月，依据仿人智能控制理论设计的励磁控制器在云南省大寨电厂1#机组上正式投人运行，设备运行情况良好，性能稳定。但目前还没有明确给出其设计的理论来源。对HSIC理论的应用在于对基本理论的应用。因此将HSIC理论全面地引人电力系统运行与控制中来，有利于集思广义，促进电力系统自动化的进一步发展。

图1 分级递阶控制系统的结构

图2 单元控制器的基本结构

图3 仿人智能系统的高阶产生式系统结构

图4 调度自动化系统

（二）电力自动化系统结构

电力系统自动化通常指对电力设备及系统的自动监视、控制和调度。按电力系统运行管理区域，可以将电力系统自动化分成电力系统调度白动化、发电厂自动化和变电站自动化。调度自动化系统的基本构成如图4所示。其中主站(MS)安装在调度所，远动终端(RTU)安装在各发电厂和变电站。MS和RTU之间通过远动通道相互通信实现数据采集和监视与控制。主计算机是主站的核心，负责信息加工和处理，检测一些参数是否越限，断路器是否有变位等，将结果通过人机联系设备向调度员报告，或向上级调度中心转发等。电力系统调度自动化系统构成的一个重要特点是其分层结构。电力系统调度控制一般分为主调度中心、区域调度中心和地区调度中心三级。电力系统调度自动化的结构，与分层递阶的高阶产生式智能控制系统非常一致。

电力自动化系统运作过程中，符合Saridis的“精度随智能降低而提高”的原理。主调度中心只分配大的电网运行指标，低层的单元控制器只负责根据上级的指令，具体地实施对本单元内设备的控制。层次越低，则控制系统的被控量、控制量和参考值等指标越具体。

三、结束语

自动控制理论在电力系统的控制与运用中的应用有利于促进电力系统的自动化、智能化水平的提升，在今后的电力系统自动化发展过程中，广大科研人员还应加强对分层递阶控制理论等先进的控制理论的理解和应用，并将其利用与仿人智能控制理论的研究和发展中，以加快电力系统自动化的发展，提高供电的安全性和可靠性。

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