本發(fā)明涉及生產(chǎn)安全，特別是一種具有自適應(yīng)抗電壓擾動的建模方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代化和信息化、自動化工業(yè)的快速發(fā)展，一方面電網(wǎng)系統(tǒng)中用電負(fù)荷、用電結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一系列重大變化，用戶生產(chǎn)規(guī)模正在逐步變得越來越龐大，各個工業(yè)生產(chǎn)過程中的系統(tǒng)化和自動化程度越來越強(qiáng)，各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的聯(lián)系越來愈緊密，生產(chǎn)過程中對精密電子設(shè)備的依賴性快速增長。而另一方面來說，電能從生產(chǎn)到傳輸、使用的整個過程要跨越廣闊的地理區(qū)域，整個電能的傳輸系統(tǒng)會遭受閃電、暴雨、大風(fēng)、人為等諸多意外事故，都可能引起電網(wǎng)故障導(dǎo)致電壓暫降或短時中斷（晃電），這些現(xiàn)象足以影響到敏感電子設(shè)備的正常運(yùn)行，從而導(dǎo)致工業(yè)化生產(chǎn)活動的非正常中斷。而電壓暫升的危害更大，可以直接損壞電氣設(shè)備。在工廠低壓配電系統(tǒng)中，因電壓波動會造成接觸器脫扣，從而造成生產(chǎn)線上設(shè)備的異常停運(yùn)，給企業(yè)生產(chǎn)造成損失。對于工業(yè)用戶來說，電壓暫降（晃電）的發(fā)生就成為一個亟待克服的重大的技術(shù)難題。

電壓暫降（晃電）屬于配電網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T30137-2013《電能質(zhì)量電壓暫降與短時中斷》的定義：電壓暫降是指在電力系統(tǒng)中的某點(diǎn)工頻電壓有效值暫時降低至額定電壓的10%～90%，并持續(xù)10ms～1s，在此期間，系統(tǒng)頻率仍為標(biāo)稱值，然后又恢復(fù)到正常水平的現(xiàn)象。電壓暫降以剩余電壓百分比為度量。所謂短時中斷是指一相或多相用戶電壓瞬時降低到0.1Ue，且持續(xù)時間為10ms～1s。其原因有諸多可能，如輸配電系統(tǒng)中發(fā)生的電力系統(tǒng)故障、雷擊、大型電機(jī)啟動、電容器的投切等事件。

根據(jù)EPRI（美國電科院）權(quán)威數(shù)據(jù)，92%以上的電能質(zhì)量事件為電壓暫降和暫升，而這其中80%的事故是因?yàn)殡妷簳航狄鸬?。電壓暫降已被眾多的國際研究機(jī)構(gòu)確定為電力系統(tǒng)中最為普遍發(fā)生的事件，在中國，配電網(wǎng)的用戶對于電壓暫降（晃電）的發(fā)生也是深惡痛絕。在石油化工、冶煉、食品生產(chǎn)、精密設(shè)備制造等領(lǐng)域，每年因發(fā)生晃電事故而造成的經(jīng)濟(jì)損失十分巨大。

電壓暫降（晃電）主要發(fā)生在配電網(wǎng)中，更具體來說，發(fā)生在工業(yè)用戶的接觸器、變頻設(shè)備和軟起動等電氣開關(guān)設(shè)備，抽象來說，發(fā)生在電力系統(tǒng)配電網(wǎng)和用戶的機(jī)械設(shè)備之間的聯(lián)系上，也就是說，由于電氣設(shè)備的特性和機(jī)械設(shè)備特性不協(xié)調(diào)才發(fā)生的。因此，有必要在此之間，裝設(shè)一個能夠自動適應(yīng)電氣和機(jī)械設(shè)備特性之間的一個單元，實(shí)現(xiàn)自動地適應(yīng)、調(diào)節(jié)兩邊設(shè)備的特性，使之達(dá)到一致性的要求。這就是抑制電壓暫降（晃電）的控制設(shè)備，它必須具有自適應(yīng)控制功能。自適應(yīng)控制的先決條件是取得電氣和機(jī)械兩方面設(shè)備的數(shù)據(jù)和參數(shù)，濾掉不合理的干擾數(shù)據(jù)，然后分析數(shù)據(jù)特性，得到相應(yīng)的數(shù)學(xué)控制模型，進(jìn)一步得到初步的軟件控制程序，初步的軟件程序運(yùn)行后，還要進(jìn)一步的檢測運(yùn)行系統(tǒng)，不斷的適應(yīng)兩面的特性，最終滿足抑制晃電的需要。

目前在國內(nèi)解決電壓暫降（晃電）的方法主要有以下幾種：

1、直流支撐：交流失電或發(fā)生電壓暫降（晃電）后，切除原來的交流系統(tǒng)供電，切換到用直流系統(tǒng)維持，使設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行。這種方案需要按實(shí)際負(fù)載的1.1倍及以上配置直流容量，蓄電池組占地大，投資大，需要周期性地維護(hù)，后期維護(hù)成本也很高，而且還存在切換速度不能滿足要求的情況。

2、UPS電源支撐：采用UPS電源維持，不間斷電源能耗高，需維護(hù)和定期更換電池，由于其內(nèi)部設(shè)計(jì)有整流和逆變電路，本身會產(chǎn)生諧波注入到電網(wǎng)，反而會進(jìn)一步影響電能質(zhì)量。

3、飛輪儲能：利用飛輪等移動部件儲能，失壓時釋放，這種方案能耗高，有移動部件，需定期維護(hù)，存在穩(wěn)定性問題。

因此，如何解決電壓暫降（晃電）是業(yè)內(nèi)關(guān)心的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述情況，為克服現(xiàn)有技術(shù)之缺陷，本發(fā)明之目的就是提供一種具有自適應(yīng)抗電壓擾動的建模方法，可有效解決工業(yè)生產(chǎn)過程中因電壓擾動造成接觸器脫扣、變頻器和軟啟動器停機(jī)的預(yù)防和保護(hù)，自動適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的運(yùn)行參數(shù)，自動做出調(diào)整，保證生產(chǎn)安全的問題。

本發(fā)明解決的技術(shù)方案是，包括以下步驟：

（1）、建立自適應(yīng)數(shù)據(jù)庫：利用自適應(yīng)濾波器對輸入信號數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，成動態(tài)參數(shù)，非自適應(yīng)濾波器有靜態(tài)的濾波器系數(shù)，動態(tài)參數(shù)與靜態(tài)的濾波器系數(shù)一起形成傳遞函數(shù)，構(gòu)成自適應(yīng)數(shù)據(jù)庫；

（2）、對數(shù)據(jù)特性進(jìn)行分析：使用自適應(yīng)濾波器調(diào)整濾波器系數(shù)及頻率響應(yīng)，分析數(shù)據(jù)的變化特征、周期性特征和變化幅值特征；

（3）、根據(jù)步驟（2）的數(shù)據(jù)特性，建立初步的數(shù)學(xué)模型，形成控制程序的數(shù)學(xué)模型，隨著負(fù)載電流大小變化，使收斂的解析函數(shù)，還是非收斂的函數(shù)，進(jìn)行分段函數(shù)處理；

（4）、根據(jù)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)便于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件控制程序；

（5）、根據(jù)軟件控制程序，得到適應(yīng)于配電網(wǎng)電氣方面和機(jī)械方面的自適應(yīng)軟件，以滿足現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行需要；

（6）、在生產(chǎn)運(yùn)行中，不斷搜集電氣、機(jī)械兩面的運(yùn)行參數(shù)，不斷地進(jìn)行自適應(yīng)迭代，接近最優(yōu)解，直至滿足需求，達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定，確保生產(chǎn)安全。

本發(fā)明是通過一種自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的模型算法，在低壓配電系統(tǒng)發(fā)生電壓波動時（電壓暫升、暫降和短時中斷），裝置能夠自動切除接觸器的交流線圈供電，輸出直流電壓來保持接觸器不脫扣，從而保證了生產(chǎn)線上設(shè)備能夠不停機(jī)運(yùn)行，保持生產(chǎn)的連續(xù)性，具有實(shí)際的應(yīng)用價值，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體情況對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作詳細(xì)說明。

本發(fā)明在具體實(shí)施中包括以下步驟：

（1）、建立自適應(yīng)數(shù)據(jù)庫：利用自適應(yīng)濾波器，根據(jù)輸入信號自動調(diào)整性能進(jìn)行數(shù)字信號處理動態(tài)參數(shù)，非自適應(yīng)濾波器靜態(tài)的濾波器系數(shù)與動態(tài)參數(shù)一起形成傳遞函數(shù)，構(gòu)成自適應(yīng)數(shù)據(jù)庫，由自適應(yīng)濾波器進(jìn)行異常數(shù)據(jù)篩查和過濾，根據(jù)輸入的電壓和電流信號，把不能表征數(shù)據(jù)運(yùn)行軌跡的數(shù)據(jù)率除掉，首先去掉電壓電流數(shù)據(jù)的最大值和最小值，剩余數(shù)值取中間值，找出正常運(yùn)行過程和異常運(yùn)行過程中的運(yùn)行曲線規(guī)律；

（2）、對數(shù)據(jù)特性進(jìn)行分析：使用自適應(yīng)濾波器調(diào)整濾波器系數(shù)及頻率響應(yīng)，分析數(shù)據(jù)的變化特征、周期性特征和變化幅值特征；由于現(xiàn)場不知道所需要進(jìn)行操作的參數(shù)，噪聲信號的特性，所以要求使用自適應(yīng)的系數(shù)進(jìn)行處理，自適應(yīng)濾波器使用反饋來調(diào)整濾波器系數(shù)以及頻率響應(yīng)，分析數(shù)據(jù)的變化特征，根據(jù)第一步自適應(yīng)數(shù)字濾波器過濾后的數(shù)據(jù)來進(jìn)行下一步分析，找出這些數(shù)據(jù)的周期性特征、變化幅值特征，具體來說就是電壓電流幅值、頻率和相位的變化規(guī)律，頻率限定45Hz～55Hz/60Hz，超出該值范圍之外的數(shù)據(jù)在通過濾波器被除掉，找到在正常運(yùn)行情況下和異常運(yùn)行情況下電壓電流幅值，電壓范圍在0～1000V，電流范圍在0～5A之間，和0～180°相位的變化規(guī)律，找到數(shù)據(jù)的特性，以電壓與電流的相位關(guān)系表征整個三相系統(tǒng)的相位關(guān)系；

（3）、根據(jù)步驟（2）的結(jié)果，得到初步的控制數(shù)學(xué)模型，也就是下一步形成控制程序的數(shù)學(xué)描述模型，隨著負(fù)載電流大小變化，是收斂的解析函數(shù)或是非收斂的函數(shù)，進(jìn)行分段函數(shù)處理，建立數(shù)學(xué)模型：

自適應(yīng)控制器運(yùn)行時間區(qū)間為[0，T]，用d(t)表示t時刻能源功率變化率，u(t)為t時刻的機(jī)械元件的變化率，自適應(yīng)控制器內(nèi)協(xié)調(diào)量x(t)的變化率為：

設(shè)電氣特性產(chǎn)生特性和機(jī)械要求特性的理想數(shù)值分別為ud(t)和xd(t)，0≤t≤T，為克服理想數(shù)值的偏差，自適應(yīng)控制器性能指標(biāo)泛函：

其中，c、h>o為常數(shù)，使泛函J(u)達(dá)到最小值，x(t)≥o，u(t)≥o，設(shè)xd(t),ud(t)適當(dāng)?shù)卮?，最小值保持在x≥0，u≥0的范圍內(nèi)；

根據(jù)哈密頓函數(shù):

H(x,u,λ)＝-c(u-u_d)²-h(x-x_d)²+λ(u-d)

其輔助函數(shù)為

由最大值原理可知：

$\frac{\∂H}{\∂u}=-2c(u-u_d)+\mathrm{\λ}=0$

也即為：

將式(4)代人式(1)，得到：

式(5)和式(3)組成一個關(guān)于最優(yōu)軌線和輔助變量的兩點(diǎn)邊值，不直接求解，求輔助變量的如下式（6）的解：

λ(t)＝a(t)+b(t)x*(t) t≥0 式（6）

其中，a(t)和b（t）是待定函數(shù)，這種做法的優(yōu)點(diǎn)在于，一旦函數(shù)a（t）和b（t）確定了，關(guān)系式(4)和(6)就給出了帶有反饋形式的最優(yōu)控制，也即由微分方程式(6)得到：

λ′(t)＝a′+b′x*+bx′* 式（7）

用式(5)和式(3)去替代式(7)中的和則有

將式(6)代入式(8)，并消去λ(t)，對一切0≤t≤T，得到包含待定函數(shù)a(t)和b(t)的微分方程如下：

為了確定a和b，讓它們滿足以下的式子：

與此同時，式(9)也得到滿足，根據(jù)λ(T)＝0，不失一般性：

λ(T)＝0，a(T)＝0

式(10)是關(guān)于b的里卡蒂方程，通過變換b(t)＝2cξ′/ξ,化為下式

2cξ″-2hξ＝0，ξ(T)＝1，ξ′(T)＝0 式（12）

求得其解為：

為因此有

當(dāng)將式(13)代入式(11)就得到一個關(guān)于a的線性微分方程．這個方程可以用變動參數(shù)法求解；

選擇實(shí)際運(yùn)行中常見的特殊情況，即：u_d(t)＝d(t)，x_d(t)＝C_d（常數(shù)），運(yùn)行穩(wěn)定，電氣量保持一個常數(shù)Cd時，與機(jī)械量相匹配的協(xié)調(diào)量，a滿足：

$a^{\′}+\frac{b\left(t\right)}{2c}a+2{\mathrm{hc}}_d=0,a\left(T\right)=0$

所以有以下相應(yīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)：

進(jìn)一步，將(14)和(13)代入(4)得反饋?zhàn)顑?yōu)控制函數(shù)為

于是得出結(jié)論：最優(yōu)控制等于需求率加上一個協(xié)調(diào)修正因子．

進(jìn)一步將(15)代人(1)，得到:

得出x＝Cd是微分方程(16)的解：

相應(yīng)的齊次方程的通解為

代入給定的初值條件，即x(O)=x0，則得到：

對于所得到一系列的數(shù)學(xué)結(jié)論，只要將初始條件（即實(shí)際運(yùn)行數(shù)字，由在特定的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對于抗晃電自適應(yīng)控制器代入穩(wěn)定的功率，在特定的時間段，測量電氣設(shè)備，電動機(jī)等元件的變化量，做出統(tǒng)計(jì)表格）代入式（18），就可以得到相應(yīng)的數(shù)值，時間區(qū)間[0-T]；

由于運(yùn)行環(huán)境是一個隨機(jī)變化的量，趨近于高斯分布，所以，為了進(jìn)一步計(jì)算，評估數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確率，采用三個標(biāo)準(zhǔn)差來計(jì)算置信度，也就是說，對于現(xiàn)場環(huán)境的模擬具有99%的置信度滿足實(shí)際運(yùn)行需求；

（4）、根據(jù)步驟（3）所得到的數(shù)學(xué)模型，代入計(jì)算機(jī)軟件，以數(shù)字形成計(jì)算軟件，有效地為電路設(shè)計(jì)提供量化指標(biāo)，設(shè)計(jì)出便于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的軟件控制程序；由于設(shè)備很小，有工作在現(xiàn)場惡劣的環(huán)境下，所以，控制程序的編制要求精煉和高度抽象概括，并且易于移植到硬件芯片中，硬件平臺采用ARM嵌入式微處理器，程序的編制采用C語言，編譯器采用IAR；

（5）、根據(jù)第四步編制的程序，通過修正軟件對運(yùn)行中的異常情況進(jìn)行錯誤捕獲處理，濾除異常數(shù)據(jù)，得到適應(yīng)于配電網(wǎng)電氣方面和機(jī)械方面的自適應(yīng)動作滿足現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行需要；本發(fā)明數(shù)學(xué)模型的適用范圍為1000V及以下的低壓配電網(wǎng)中抗擊電壓擾動引起的接觸器脫扣。

（6）、在模型運(yùn)行中，模型能自動地搜集電氣運(yùn)行參數(shù)，不斷地進(jìn)行自適應(yīng)迭代，接近最優(yōu)解這一過程，直至滿足需求，達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定，并能在運(yùn)行過程中把這些運(yùn)行方法形成記憶，放在存儲媒介中，當(dāng)現(xiàn)場運(yùn)行條件符合數(shù)學(xué)模型時，自動執(zhí)行，用于防止晃電。

本發(fā)明主要是考慮對于機(jī)械設(shè)備造成的影響：在制冷設(shè)備電子控制器應(yīng)用上，當(dāng)電壓低于80%，控制器會切除制冷電動機(jī)；在芯片制造業(yè)當(dāng)電壓低于85%,測試和加工設(shè)備的電路會出現(xiàn)故障導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)；在精密機(jī)械工具當(dāng)電壓低于90%持續(xù)3個周波，機(jī)器人控制操作中斷；在直流電機(jī),當(dāng)電壓低于80%，電動機(jī)保護(hù)跳閘；在調(diào)速電機(jī)（VSD）當(dāng)電壓低于70%、持續(xù)6周波以上，VSD將切除；在計(jì)算機(jī)，當(dāng)電壓低于60%、持續(xù)12周波,計(jì)算機(jī)將停止工作；電壓跌落到60%Ue，持續(xù)10ms，60%的接觸器會脫扣，電壓跌落到65%Ue，在持續(xù)20ms時間后，65%的PLC會復(fù)位,電壓跌落到70%的額定電壓，持續(xù)10ms的時間，75%的變頻器會停止運(yùn)行。當(dāng)配電網(wǎng)電壓跌落到50%額定電壓，持續(xù)15ms的時間，55%的電源會停止運(yùn)行。以上種種數(shù)據(jù)，可以作為初始化數(shù)據(jù)進(jìn)入計(jì)算過程。

根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)，電壓擾動對于各類電氣啟動類設(shè)備的影響：

1、電網(wǎng)浪涌過電壓或制動反饋.

2、電網(wǎng)缺相或電壓過低.

3、控制電壓欠電壓。

總的來說，自適應(yīng)的過程涉及到將價值函數(shù)用于確定如何更改濾波器系數(shù)從而減小下一次迭代過程成本的算法。價值函數(shù)是自適應(yīng)濾波器，控制器最佳性能的判斷準(zhǔn)則，比如減小輸入信號中的噪聲成分的能力電壓擾動對用戶生產(chǎn)會造成的影響。

為了達(dá)到方法的穩(wěn)定、可靠，保證使用效果，可根據(jù)不同的實(shí)際情況，對以下主要方面進(jìn)行試驗(yàn)：

（1）能通性：能通性是指本發(fā)明方法能控性、能觀性、能協(xié)調(diào)性的前提條件，主要包括控制信息結(jié)構(gòu)能通性、觀測信息結(jié)構(gòu)能通性、輸出信息結(jié)構(gòu)能通性等。

（2）能控性：指控制目的與本發(fā)明方法過程實(shí)現(xiàn)的可能性。

（3）能觀性：指通過輸出對本發(fā)明方法狀態(tài)進(jìn)行觀測的可能性。

（4）能協(xié)調(diào)性：本發(fā)明方法中所涉及設(shè)備相互協(xié)調(diào)配合，以完成控制的可能性。

（5）穩(wěn)定性：包括穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性和輸入/輸出穩(wěn)定性等。

（6）可靠性：本發(fā)明方法在給定環(huán)境條件下，在給定時間內(nèi)，不發(fā)生故障，保持正常系統(tǒng)功能的可能性。

（7）快速性：本發(fā)明方法達(dá)到給定控制目的所需控制過程時間的長短。

（8）準(zhǔn)確性：本發(fā)明方法偏離給定控制目標(biāo)的誤差大小。