一种高速公路自适应控制系统及其控制方法与流程

本发明属于高速公路技术领域，特别涉及一种高速公路自适应控制系统及其控制方法。

背景技术：

现有技术中，高速公路中需要设置路灯、测速器等多个设备，这些设备目前均是通过布置在高速公路沿线的电网进行供电，并且设置多个供电控制箱，这些控制箱需要定期维护且对于局部电力消耗巨大，虽然高速公路的里程不断扩大，需要消耗的控制器以及供电的电力也不断增加，导致高速公路的成本也不断增加，如何控制高速公路的成本，是一个重要研究方向；随着光伏板的普及，在路灯上设置光伏板进行供电以在一定程度上进行应用，如何将高速公路上的路灯等负载充分利用新技术的发展，将光伏等设备应用到高速公路上，并匹配高速公路的区间控制，降低光伏等设备在高速公路上应用时的控制成本，这是高速公路具体控制的难点。

申请内容

本发明涉及一种高速公路自适应控制系统，包括：集中控制器、分布式控制器、监测设备、集控负载、独立负载；所述集中控制器与所述分布式控制器通讯连接，所述集中控制器控制所述集控负载，所述分布式控制器控制所述独立负载，所述监测设备监测高速公路的运行状态；所述集中控制器设置在区间服务站中，用于根据所述监测设备的监测参数，控制所述集控负载。

所述的高速公路自适应控制系统，所述集控负载包括动态显示牌，所述动态显示牌用于动态显示路标、车流拥堵、车流速度、区间高速公路的天气状态、区间服务站的服务状态至少之一。

所述的高速公路自适应控制系统，所述独立负载包括路灯、测速器。

所述的高速公路自适应控制系统，所述独立负载上均设置光伏板、储能电池，所述光伏板和储能电池并联后通过逆变电路连接独立负载，所述逆变电路的输出侧还连接电网，所述逆变电路与电网通过切换电路连接所述独立负载；所述集中控制器根据所述监测设备监测的所述区间高速公路的运行状态，发送第一控制信号给所述分布式控制器，所述分布式控制器根据所述第一控制信号，控制各自对应的独立负载进行动作。

所述的高速公路自适应控制系统，所述分布式控制器包括采样电路、功率计算单元、低通滤波器、功率处理单元、电压处理单元、电流处理单元、pwm处理单元，所述采样电路采集所述逆变电路输出的瞬时电流和瞬时电压，将所述瞬时电流和瞬时电压分解为有功输出电流和无功输出电流，通过所述功率计算单元计算瞬时有功功率和瞬时无功功率，具体功率处理方式如下：

p′o＝idvd+iqvq

q′o＝idvq-iqvd

计算出所述瞬时有功功率和瞬时无功功率后，输送到所述低通滤波器，所述低通滤波器是通过可控频率进行滤波控制的，所述低通滤波器的截止频率为ωc，功率与频率的关系如下：

所述功率处理单元接收所述低通滤波器输出的有功功率和无功功率，进行p-f、q-v下垂控制，确定下垂控制系数mi、ni；确定方式如下所示：

f＝f^r-mi*po

其中，p′o为瞬时有功功率,q′o为瞬时无功功率，id为有功输出电流，vd为有功输出电压；iq为无功输出电流，vq为无功输出电压；po为输出有功功率，qo为输出的无功功率；ωc为低通滤波器的关断频率，f^r为空载状态下额定频率，v^r为空载状态下额定电压，mi为p-f控制的下垂系数，ni为q-v控制的下垂系数，f为逆变电路的频率；

所述功率处理单元处理功率后，获得电压参考值，输出到所述电压处理单元，所述电压处理单元通过所述电压参考值和逆变电路输出电压，获得参考电流，将所述参考电流输出到所述电流处理单元，所述电流处理单元通过所述电流参考值和逆变电路输出的电流，确定逆变电路参考输出电压，并将所述逆变电路的参考输出电压输出到所述pwm处理单元，处理为pwm信号输出到所述逆变电路。

所述的高速公路自适应控制系统，所述独立负载上设置的光伏板、储能电池形成组合，每个组合至少包括一个太阳能电池和一个蓄电池；对于第k个的组合而言，独立负载的需求功率为ploadk，

ploadk＝ppvk+pbk

其中，ppvk为光伏板产生的功率，pbk为电池产生的功率；ηk为电池的充放电效率，为逆变电路输出的额定频率，fsk为逆变电路的实时频率变化，mk为第k个独立负载中所述功率处理单元的p-f控制的下垂系数；α为集中控制器控制的可调效率比例。

所述的高速公路自适应控制系统，逆变电路输出功率跟随频率进行变化，则频率变化产生的功率p′k为：

其中，δfstep为固定偏移频率；β为集中控制器控制的可调频率变化比例；

δpk＝βnl·δfsk

其中，βnl为系统频率改变和有功功率改变之间的线性关系系数；

其中，f′sk为当前周期的频率，fsk为上一周期的频率，δt为所述集中控制器的控制时间间隔；p′k当前周期的功率，pk为上一周期的功率。

所述的高速公路自适应控制系统，所述集中控制器与所述独立控制器进行通讯，接收当前多个独立控制器的可调效率比例和可调频率变化比例值，将其输入到数据处理平台，并接收所述监测设备监测的当前区间高速公路的天气状态、公路路面状态，所述数据处理平台根据区间高速公路的天气状态、公路路面状态确定所述可调效率比例和可调频率变化比例值的典型值，将所述典型值与接收的可调效率比例和可调频率变化比例值进行对比，确定最接近的其中一个独立控制器传送的可调效率比例和可调频率变化比例值，并选定该最接近的独立控制器作为参照物，其他独立控制器以该参照物作为参照，调整所述可调效率比例和可调频率变化比例值，以使得整个区间高速公路进行自适应控制。

一种如上述任意一项所述高速公路自适应控制系统的控制方法，包括如下步骤：

监测设备监测当前区间高速公路的天气状态、公路路面状态，将监测到的数据传输到集中控制器的数据处理平台；

所述数据处理平台接收当前多个独立控制器的可调效率比例和可调频率变化比例值，根据接收的监测到的数据进行典型值处理，将所述典型值与接收的可调效率比例和可调频率变化比例值进行对比，查找最接近典型值的独立控制器对应的分布式负载；

选取该该最接近的独立控制器作为参照物，其他独立控制器以该参照物作为参照，调整所述可调效率比例和可调频率变化比例值，以使得整个区间高速公路进行自适应控制。

所述的控制方法，所述根据接收的监测到的数据进行典型值处理具体包括：将监测到的数据求取平均值，将所述平均值输出到神经元网络中，通过所述神经元网络进行自学习，查找历史数据中是否有相同值，如果有，则将历史数据的相同值作为典型值，如果没有，则获取历史数据中最接近值，并将最接近值作为基准值，将基准值对应的监测数据与当前的监测数据求取差值，将差值进行神经网络的自学习，获取差值对应的典型值的偏差量，将所述偏差量与所述基准值求和后确定所述典型值。

为解决上述技术问题：本发明提出一种在高速公路上进行集中和分布式控制的控制系统，能够将高速公路的路灯、测速等利用自身的独立控制和集中控制进行统一协调，有助于高速公路能够利用新能源的同时，进行准确控制。作为本发明的主要改进点之一是，设置可调效率比例和可调频率变化比例值，能够准确控制利用新能源的路灯、测速器、显示牌等高速公路设备根据当前的区间高速公路所处的运行环境进行自适应控制，将独立控制与集中控制结合，能够减少当前高速公路的控制程序，使高速公路的各个独立负载能够快速响应当前的运行需求；作为本发明的另一改进之处在于，利用下垂控制独立负载利用光伏和电池以及电网协调的控制负载供电的需求，满足路灯根据光照等高速公路的运行条件进行自适应照明，满足测速器的测速电量需求，节约能量。作为本发明的另一改机之处为通过神经元网络中，获取历史数据中最接近值，并将最接近值作为基准值，将基准值对应的监测数据与当前的监测数据求取差值，将差值进行神经网络的自学习，获取差值对应的典型值的偏差量，将所述偏差量与所述基准值求和后确定所述典型值，以此确定各个独立控制器的控制典型值。

附图说明

图1为本发明一种高速公路自适应控制系统的示意图。

图2为本发明分布式控制器的示意图。

图3为本发明一种高速公路自适应控制方法的示意图。

图4为本发明典型值处理方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

如图1所示，为本发明一种高速公路自适应控制系统的示意图，包括：集中控制器、分布式控制器、监测设备、集控负载、独立负载；所述集中控制器与所述分布式控制器通讯连接，所述集中控制器控制所述集控负载，所述分布式控制器控制所述独立负载，所述监测设备监测高速公路的运行状态；所述集中控制器设置在区间服务站中，用于根据所述监测设备的监测参数，控制所述集控负载。

所述的高速公路自适应控制系统，所述集控负载包括动态显示牌，所述动态显示牌用于动态显示路标、车流拥堵、车流速度、区间高速公路的天气状态、区间服务站的服务状态至少之一。

优选的是，所述动态显示牌作为集控负载，接收集中控制器的直接控制，用于根据集中控制器确定的区间高速公路的信息进行动态显示，如进行车流拥堵状态显示，车流速度显示灯，用于动态显示牌增加了动态显示功能，则需要更多的供应电能，优选的是可以动态显示牌上设置光伏板，所述光伏板的电能输送控制接收最近的分布式控制器的控制，以使动态显示牌能够满足供电需求。

所述的高速公路自适应控制系统，所述独立负载包括路灯、测速器。

优选的是，所述路灯和测速器上设置光伏板和电池，所述光伏板通过逆变电路连接路灯，逆变电路根据独立负载上的分布式控制器进行控制。

所述的高速公路自适应控制系统，所述独立负载上均设置光伏板、储能电池，所述光伏板和储能电池并联后通过逆变电路连接独立负载，所述逆变电路的输出侧还连接电网，所述逆变电路与电网通过切换电路连接所述独立负载；所述集中控制器根据所述监测设备监测的所述区间高速公路的运行状态，发送第一控制信号给所述分布式控制器，所述分布式控制器根据所述第一控制信号，控制各自对应的独立负载进行动作。

如图2所示，为本发明分布式控制器示意图。所述的高速公路自适应控制系统，所述分布式控制器包括采样电路、功率计算单元、低通滤波器、功率处理单元、电压处理单元、电流处理单元、pwm处理单元，所述采样电路采集所述逆变电路输出的瞬时电流和瞬时电压，将所述瞬时电流和瞬时电压分解为有功输出电流和无功输出电流，通过所述功率计算单元计算瞬时有功功率和瞬时无功功率，具体功率处理方式如下：

p′o＝idvd+iqvq

q′o＝idvq-iqvd

计算出所述瞬时有功功率和瞬时无功功率后，输送到所述低通滤波器，所述低通滤波器是通过可控频率进行滤波控制的，所述低通滤波器的截止频率为ωc，功率与频率的关系如下：

所述功率处理单元接收所述低通滤波器输出的有功功率和无功功率，进行p-f、q-v下垂控制，确定下垂控制系数mi、ni；确定方式如下所示：

f＝f^r-mi*po

其中，p′o为瞬时有功功率,q′o为瞬时无功功率，id为有功输出电流，vd为有功输出电压；iq为无功输出电流，vq为无功输出电压；po为输出有功功率，qo为输出的无功功率；ωc为低通滤波器的关断频率，f^r为空载状态下额定频率，v^r为空载状态下额定电压，mi为p-f控制的下垂系数，ni为q-v控制的下垂系数，f为逆变电路的频率；

所述功率处理单元处理功率后，获得电压参考值，输出到所述电压处理单元，所述电压处理单元通过所述电压参考值和逆变电路输出电压，获得参考电流，将所述参考电流输出到所述电流处理单元，所述电流处理单元通过所述电流参考值和逆变电路输出的电流，确定逆变电路参考输出电压，并将所述逆变电路的参考输出电压输出到所述pwm处理单元，处理为pwm信号输出到所述逆变电路。

所述的高速公路自适应控制系统，所述独立负载上设置的光伏板、储能电池形成组合，每个组合至少包括一个太阳能电池和一个蓄电池；对于第k个的组合而言，独立负载的需求功率为ploadk，

ploadk＝ppvk+pbk

其中，ppvk为光伏板产生的功率，pbk为电池产生的功率；ηk为电池的充放电效率，为逆变电路输出的额定频率，fsk为逆变电路的实时频率变化，mk为第k个独立负载中所述功率处理单元的p-f控制的下垂系数；α为集中控制器控制的可调效率比例。

优选的是，所述mk和mi表示相同类型的下垂系数，mk为当i＝k时的系数，i＝1、2……k，表示存在多个独立负载对应的多个分布式控制器，所述分布式控制器主要接收集中控制器发送的参考值，根据参考值进行对应的独立负载的控制；

优选的是，分布式控制器以集中控制器给的参数，进行参考后，结合当前的位置信息，可以进行自适应调整。

所述的高速公路自适应控制系统，逆变电路输出功率跟随频率进行变化，则频率变化产生的功率p′k为：

其中，δfstep为固定偏移频率；β为集中控制器控制的可调频率变化比例；

δpk＝βnl·δfsk

其中，βnl为系统频率改变和有功功率改变之间的线性关系系数；

其中，f′sk为当前周期的频率，fsk为上一周期的频率，δt为所述集中控制器的控制时间间隔；p′k当前周期的功率，pk为上一周期的功率。

所述的高速公路自适应控制系统，所述集中控制器与所述独立控制器进行通讯，接收当前多个独立控制器的可调效率比例和可调频率变化比例值，将其输入到数据处理平台，并接收所述监测设备监测的当前区间高速公路的天气状态、公路路面状态，所述数据处理平台根据区间高速公路的天气状态、公路路面状态确定所述可调效率比例和可调频率变化比例值的典型值，将所述典型值与接收的可调效率比例和可调频率变化比例值进行对比，确定最接近的其中一个独立控制器传送的可调效率比例和可调频率变化比例值，并选定该最接近的独立控制器作为参照物，其他独立控制器以该参照物作为参照，调整所述可调效率比例和可调频率变化比例值，以使得整个区间高速公路进行自适应控制。

如图3所示，为本发明一种如上述任意一项所述高速公路自适应控制系统的控制方法，包括如下步骤：

监测设备监测当前区间高速公路的天气状态、公路路面状态，将监测到的数据传输到集中控制器的数据处理平台；

所述数据处理平台接收当前多个独立控制器的可调效率比例和可调频率变化比例值，根据接收的监测到的数据进行典型值处理，将所述典型值与接收的可调效率比例和可调频率变化比例值进行对比，查找最接近典型值的独立控制器对应的分布式负载；

选取该该最接近的独立控制器作为参照物，其他独立控制器以该参照物作为参照，调整所述可调效率比例和可调频率变化比例值，以使得整个区间高速公路进行自适应控制。

如图4所示，是本发明典型值处理方法示意图。所述的控制方法，所述根据接收的监测到的数据进行典型值处理具体包括：将监测到的数据求取平均值，将所述平均值输出到神经元网络中，通过所述神经元网络进行自学习，查找历史数据中是否有相同值，如果有，则将历史数据的相同值作为典型值，如果没有，则获取历史数据中最接近值，并将最接近值作为基准值，将基准值对应的监测数据与当前的监测数据求取差值，将差值进行神经网络的自学习，获取差值对应的典型值的偏差量，将所述偏差量与所述基准值求和后确定所述典型值。

本发明提出一种在高速公路上进行集中和分布式控制的控制系统，能够将高速公路的路灯、测速等利用自身的独立控制和集中控制进行统一协调，有助于高速公路能够利用新能源的同时，进行准确控制。作为本发明的主要改进点之一是，设置可调效率比例和可调频率变化比例值，能够准确控制利用新能源的路灯、测速器、显示牌等高速公路设备根据当前的区间高速公路所处的运行环境进行自适应控制，将独立控制与集中控制结合，能够减少当前高速公路的控制程序，使高速公路的各个独立负载能够快速响应当前的运行需求；作为本发明的另一改进之处在于，利用下垂控制独立负载利用光伏和电池以及电网协调的控制负载供电的需求，满足路灯根据光照等高速公路的运行条件进行自适应照明，满足测速器的测速电量需求，节约能量。作为本发明的另一改机之处为通过神经元网络中，获取历史数据中最接近值，并将最接近值作为基准值，将基准值对应的监测数据与当前的监测数据求取差值，将差值进行神经网络的自学习，获取差值对应的典型值的偏差量，将所述偏差量与所述基准值求和后确定所述典型值，以此确定各个独立控制器的控制典型值。