混沌及其在电力工程中的应用研究进展

叶 明

[摘要]混沌理论是非线性科学的重要分支,具有丰富的内涵和广博的外延空间,在很多领域都得到广泛的应用。总结混沌的重要本质特性,即非线性和内随机性、敏感性、遍历性、分维性和广谱等,分类讨论利用这些混沌特性解决有关工程实际问题的应用情况;并以电力系统这一典型的大规非线性系统为背景,分析混沌理论在电力系统稳定分析及其控制、电力系统经济调度与优化、电力统短期负荷预测以及电气设备状态监测等方面的应用研究进展。

[关键词]混沌混沌工程电力工程混沌应用

中图分类号:TU-0文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1210155-01

一、混沌理论研究与实际应用

混沌的含义:

混沌是自然界广泛存在的一种非线性现象,其覆盖面涉及到自然科学和社会科学的几乎每一个分支。混沌动力学的研究成果为人们揭开了混沌神秘的面纱,同时也极大地促进了混沌应用的研究,混沌优化就是混沌应用研究领域的一个崭新方向。混沌优化方法直接采用混沌变量进行搜索,搜索过程按混沌运动自身规律和特性进行,因而获得最优解的可能性更大,是一种极有前途的优化手段。我们曾采用混沌优化方法进行模糊电力系统稳定器的最优设计,本文将混沌优化方法应用于电力系统静态负荷模型参数辨识。

目前,混沌理论研究与实际应用之间有一定的差距,许多实际系统的数学模型无法求出,因此不能获得详细的动态特性。如何将理论成果应用到具体的生产实践,把实验研究成果转向应用研究,发现并研究工程中出现的混沌并实时处理,消除实际系统中混沌不利的一面,还有大量的工作要做。而且,现有的研究成果多限于时间混沌控制,其它混沌的类型,如空间混沌、时空混沌及超混沌等应用研究仍是前沿课题,这些混沌系统的理论和方法有待进一步探索,特别是有关混沌和超混沌同步系统的鲁棒性研究也将进一步展开。此外,还应把混沌从低维系统的研究推向高维系统,从一般系统的研究推向复杂的工程实际系统,从对低余维分叉的研究推向高余维退化分叉,进一步探索物理机制从而发现更新更好的方法,向机理研究、分类和构造理论等方向发展。

二、混沌理论在电力工程中的应用

电力系统实质上是一个强非线性的大系统,在一定条件下完全会出现混沌,其宏观上表现为无规则的机电振荡,严重时甚至会导致互联系统解列,混沌现象貌似随机的性质使得大多数电力系统分析和控制方法变得很不可靠。电力系统中混沌现象的研究始于20世纪80年代初期,人们最初是研究、分析和抑制混沌,如机电系统混沌振荡、混沌与电压骤降、电力经济中的混沌、水轮发电机组调速系统中控制器参数诱发的混沌等。其次是在电力系统中应用混沌,如混沌应用于电站经济运行最优负荷分配、静态负荷模型辨识、模糊电力系统稳定器的参数优化以及短期负荷预测以及电气设备状态监测中信号的检测方面等。

(一)在电力系统经济调度与优化中的应用

将混沌优化方法应用于电力系统静态负荷模型参数辨识,结果表明该方法具有较快的求解速度和较高的求解精度,是一种有效的负荷模型辨识方法。文献[3]将混沌优化方法用于模糊电力系统稳定器的参数设计,从而避免了设计过程中大量的参数调试工作,同时也使模糊电力系统稳定器获得最优的控制性能。在电力系统中还有很多优化问题用常规的优化方法解决不了,或只能达到局部优化结果,可以考虑利用混沌优化方法使其实现全局优化的目的。

(二)混沌用于电力系统的经济调度与优化的实质

混沌用于电力系统的经济调度与优化均是利用混沌运动的遍历性和自身规律的不重复性所进行的全局寻优能力。基于混沌搜索的机理类似于遗传算法,只是用混沌变量进行搜索。由于混沌遍历的不重复性,使得它具有比依概率随机遍历更快的速度进行全局搜索。电力系统中需要优化的问题还很多,而且许多问题利用常规的优化方法或者难以解决,或者只能达到局部优化结果。因此,混沌给电力系统的全局优化提供了新的手段和工具。

(三)混沌在电力系统短期负荷预测中的应用

短期负荷预测是电力系统的一项基本工作,是安排开停机组计划的基础,其预测精度直接影响电力系统的经济效益。长期以来,国内外电力工作者对短期负荷预测方法做了大量研究,提出了很多负荷预测算法,如时间序列法、神经网络法、加权组合法、专家系统法、模糊神经网络法等。但其收敛性和适应性均有不同程度的局限,并且由于影响负荷变化因素的复杂性和随机性很难用数学模型描述,人们一直致力于探索各种新的计算方法。基于混沌理论对负荷序列进行相空间重构、分形维数计算、不确定性检验以及最大指数计算基础上,进行电力系统短期负荷预测显示出诱人的前景。

三、混沌运用在电力系统中的问题并实行有效的控制

由于电力系统运行的复杂性和保守性,以及对混沌理论本身研究的不完善,因此,在电力系统一定还会有许多的混沌现象没有被发现,其中有些甚至有可能导致灾难性的混沌行为。这一切均需要靠科技工作者不懈的努力和探索。

如何对电力系统中的混沌现象实施有效的控制已成为摆在电力工作者面前的迫切任务之一。混沌振荡已成为电力系统稳定性研究的重要课题,而今天非线性科学的发展为这一方面的研究提供了很多好方法。

人们可望对电力系统复杂振荡现象进行数学化描述,把握振荡发生的机理和参数条件,从规律上认识混沌振荡,力图找到控制混沌振荡形式和规模的有效方法并设计比电力系统稳定器,更加优越的电力系统控制器。混沌判定与混沌控制可能是电力系统混沌研究的重点,贾宏杰等人认为通过配置合理的电力系统稳定器,可为电力系统提供正阻尼作用,能够抑制分叉和混沌现象的发生,谢华根据混沌控制原理,引入负载特性参数的微扰,有效抑制了电力系统电压骤降的出现。混沌的控制问题既具有控制系统的一般性又具有其特殊性,这已引起广大科技工作者的关注。关于混沌控制的研究,近几年在国内外刊物上已有多篇论文出现,其控制方法有的是将成熟的控制理论移植到混沌系统的控制,有的则提出针对混沌系统的崭新的理论方法。电力系统中混沌的稳定控制的研究有赖于控制理论和混沌控制理论本身的发展和完善。

参考文献:

[1]刘秉正,非线性动力系统与混沌基础[M].长春:东北师范大学出版社,2007.

[2]顾晓荣、薛禹胜,再同步中的混沌现象[J].电力系统自动化,2005,23(13):18-21.

[3]陈奉苏,混沌学及其应用[M].北京:中国电力出版社,2007.