混沌及其在電力工程中的應(yīng)用研究進展

葉 明

[摘要]混沌理論是非線性科學(xué)的重要分支,具有豐富的內(nèi)涵和廣博的外延空間,在很多領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用?？偨Y(jié)混沌的重要本質(zhì)特性,即非線性和內(nèi)隨機性、敏感性、遍歷性、分維性和廣譜等,分類討論利用這些混沌特性解決有關(guān)工程實際問題的應(yīng)用情況;并以電力系統(tǒng)這一典型的大規(guī)非線性系統(tǒng)為背景,分析混沌理論在電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析及其控制、電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度與優(yōu)化、電力統(tǒng)短期負荷預(yù)測以及電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等方面的應(yīng)用研究進展。

[關(guān)鍵詞]混沌混沌工程電力工程混沌應(yīng)用

中圖分類號:TU-0文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1210155-01

一、混沌理論研究與實際應(yīng)用

混沌的含義:

混沌是自然界廣泛存在的一種非線性現(xiàn)象,其覆蓋面涉及到自然科學(xué)和社會科學(xué)的幾乎每一個分支?；煦鐒恿W(xué)的研究成果為人們揭開了混沌神秘的面紗,同時也極大地促進了混沌應(yīng)用的研究,混沌優(yōu)化就是混沌應(yīng)用研究領(lǐng)域的一個嶄新方向?；煦鐑?yōu)化方法直接采用混沌變量進行搜索,搜索過程按混沌運動自身規(guī)律和特性進行,因而獲得最優(yōu)解的可能性更大,是一種極有前途的優(yōu)化手段。我們曾采用混沌優(yōu)化方法進行模糊電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的最優(yōu)設(shè)計,本文將混沌優(yōu)化方法應(yīng)用于電力系統(tǒng)靜態(tài)負荷模型參數(shù)辨識。

目前,混沌理論研究與實際應(yīng)用之間有一定的差距,許多實際系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型無法求出,因此不能獲得詳細的動態(tài)特性。如何將理論成果應(yīng)用到具體的生產(chǎn)實踐,把實驗研究成果轉(zhuǎn)向應(yīng)用研究,發(fā)現(xiàn)并研究工程中出現(xiàn)的混沌并實時處理,消除實際系統(tǒng)中混沌不利的一面,還有大量的工作要做。而且,現(xiàn)有的研究成果多限于時間混沌控制,其它混沌的類型,如空間混沌、時空混沌及超混沌等應(yīng)用研究仍是前沿課題,這些混沌系統(tǒng)的理論和方法有待進一步探索,特別是有關(guān)混沌和超混沌同步系統(tǒng)的魯棒性研究也將進一步展開。此外,還應(yīng)把混沌從低維系統(tǒng)的研究推向高維系統(tǒng),從一般系統(tǒng)的研究推向復(fù)雜的工程實際系統(tǒng),從對低余維分叉的研究推向高余維退化分叉,進一步探索物理機制從而發(fā)現(xiàn)更新更好的方法,向機理研究、分類和構(gòu)造理論等方向發(fā)展。

二、混沌理論在電力工程中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)實質(zhì)上是一個強非線性的大系統(tǒng),在一定條件下完全會出現(xiàn)混沌,其宏觀上表現(xiàn)為無規(guī)則的機電振蕩,嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致互聯(lián)系統(tǒng)解列,混沌現(xiàn)象貌似隨機的性質(zhì)使得大多數(shù)電力系統(tǒng)分析和控制方法變得很不可靠。電力系統(tǒng)中混沌現(xiàn)象的研究始于20世紀(jì)80年代初期,人們最初是研究、分析和抑制混沌,如機電系統(tǒng)混沌振蕩、混沌與電壓驟降、電力經(jīng)濟中的混沌、水輪發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)中控制器參數(shù)誘發(fā)的混沌等。其次是在電力系統(tǒng)中應(yīng)用混沌,如混沌應(yīng)用于電站經(jīng)濟運行最優(yōu)負荷分配、靜態(tài)負荷模型辨識、模糊電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的參數(shù)優(yōu)化以及短期負荷預(yù)測以及電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中信號的檢測方面等。

(一)在電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度與優(yōu)化中的應(yīng)用

將混沌優(yōu)化方法應(yīng)用于電力系統(tǒng)靜態(tài)負荷模型參數(shù)辨識,結(jié)果表明該方法具有較快的求解速度和較高的求解精度,是一種有效的負荷模型辨識方法。文獻[3]將混沌優(yōu)化方法用于模糊電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的參數(shù)設(shè)計,從而避免了設(shè)計過程中大量的參數(shù)調(diào)試工作,同時也使模糊電力系統(tǒng)穩(wěn)定器獲得最優(yōu)的控制性能。在電力系統(tǒng)中還有很多優(yōu)化問題用常規(guī)的優(yōu)化方法解決不了,或只能達到局部優(yōu)化結(jié)果,可以考慮利用混沌優(yōu)化方法使其實現(xiàn)全局優(yōu)化的目的。

(二)混沌用于電力系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度與優(yōu)化的實質(zhì)

混沌用于電力系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度與優(yōu)化均是利用混沌運動的遍歷性和自身規(guī)律的不重復(fù)性所進行的全局尋優(yōu)能力。基于混沌搜索的機理類似于遺傳算法,只是用混沌變量進行搜索。由于混沌遍歷的不重復(fù)性,使得它具有比依概率隨機遍歷更快的速度進行全局搜索。電力系統(tǒng)中需要優(yōu)化的問題還很多,而且許多問題利用常規(guī)的優(yōu)化方法或者難以解決,或者只能達到局部優(yōu)化結(jié)果。因此,混沌給電力系統(tǒng)的全局優(yōu)化提供了新的手段和工具。

(三)混沌在電力系統(tǒng)短期負荷預(yù)測中的應(yīng)用

短期負荷預(yù)測是電力系統(tǒng)的一項基本工作,是安排開停機組計劃的基礎(chǔ),其預(yù)測精度直接影響電力系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。長期以來,國內(nèi)外電力工作者對短期負荷預(yù)測方法做了大量研究,提出了很多負荷預(yù)測算法,如時間序列法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、加權(quán)組合法、專家系統(tǒng)法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。但其收斂性和適應(yīng)性均有不同程度的局限,并且由于影響負荷變化因素的復(fù)雜性和隨機性很難用數(shù)學(xué)模型描述,人們一直致力于探索各種新的計算方法?；诨煦缋碚搶ω摵尚蛄羞M行相空間重構(gòu)、分形維數(shù)計算、不確定性檢驗以及最大指數(shù)計算基礎(chǔ)上,進行電力系統(tǒng)短期負荷預(yù)測顯示出誘人的前景。

三、混沌運用在電力系統(tǒng)中的問題并實行有效的控制

由于電力系統(tǒng)運行的復(fù)雜性和保守性,以及對混沌理論本身研究的不完善,因此,在電力系統(tǒng)一定還會有許多的混沌現(xiàn)象沒有被發(fā)現(xiàn),其中有些甚至有可能導(dǎo)致災(zāi)難性的混沌行為。這一切均需要靠科技工作者不懈的努力和探索。

如何對電力系統(tǒng)中的混沌現(xiàn)象實施有效的控制已成為擺在電力工作者面前的迫切任務(wù)之一?；煦缯袷幰殉蔀殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定性研究的重要課題,而今天非線性科學(xué)的發(fā)展為這一方面的研究提供了很多好方法。

人們可望對電力系統(tǒng)復(fù)雜振蕩現(xiàn)象進行數(shù)學(xué)化描述,把握振蕩發(fā)生的機理和參數(shù)條件,從規(guī)律上認(rèn)識混沌振蕩,力圖找到控制混沌振蕩形式和規(guī)模的有效方法并設(shè)計比電力系統(tǒng)穩(wěn)定器,更加優(yōu)越的電力系統(tǒng)控制器?；煦缗卸ㄅc混沌控制可能是電力系統(tǒng)混沌研究的重點,賈宏杰等人認(rèn)為通過配置合理的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器,可為電力系統(tǒng)提供正阻尼作用,能夠抑制分叉和混沌現(xiàn)象的發(fā)生,謝華根據(jù)混沌控制原理,引入負載特性參數(shù)的微擾,有效抑制了電力系統(tǒng)電壓驟降的出現(xiàn)?；煦绲目刂茊栴}既具有控制系統(tǒng)的一般性又具有其特殊性,這已引起廣大科技工作者的關(guān)注。關(guān)于混沌控制的研究,近幾年在國內(nèi)外刊物上已有多篇論文出現(xiàn),其控制方法有的是將成熟的控制理論移植到混沌系統(tǒng)的控制,有的則提出針對混沌系統(tǒng)的嶄新的理論方法。電力系統(tǒng)中混沌的穩(wěn)定控制的研究有賴于控制理論和混沌控制理論本身的發(fā)展和完善。

參考文獻:

[1]劉秉正,非線性動力系統(tǒng)與混沌基礎(chǔ)[M].長春:東北師范大學(xué)出版社,2007.

[2]顧曉榮、薛禹勝,再同步中的混沌現(xiàn)象[J].電力系統(tǒng)自動化,2005,23(13):18-21.

[3]陳奉蘇,混沌學(xué)及其應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2007.