一种基于改进单神经元PID算法的小水电机组频率调节方法与流程

本发明属于水电机组调控，具体涉及一种基于改进单神经元pid算法的小水电机组频率调节方法。

背景技术：

1、目前小水电在山区配网中渗透率较高，且多以最大功率模式发电，由于大电网的支撑，山区配网电压与频率较为稳定。而当主供线路因故障断开时，小水电机组多运行于切机状态，浪费水资源的同时也无法保障本地居民的供电可靠性。小水电微网的应用有助于提高本地负荷与主电网脱离后的供电可靠性。

2、小水电微网主要由小水电机组、本地负荷与水电机组调控设备组成，水电机组调控设备主要负责维持微网系统的频率稳定，当微网系统内本地负荷变化时，系统频率也会变化，此时调控设备调节水电机组的发电量，保持微网内源荷平衡，维持微网系统的频率稳定。

3、由于投资与控制策略等问题，目前比较常见的有2种小水电机组控制模式，一种为手动模式，多数小水电站没有配置相关的调频控制器，单一采用高频减水，低频加水的手动控制策略；一种为自动调节模式，电站内安装自动调节设备，且普遍采用传统pid调节模式。

4、而小水电机组多数连接于线路末端，当主供线路因故障断开时，无调频控制器的小水电站采用直接解列小水电机组的方式，浪费水资源的同时也无法保障本地居民的供电可靠性；具备调频控制器的小水电站当采用高频减水，低频加水的控制策略时，常出现调速器调节量不当、调节频繁且频率波动较大的问题；当采用传统pid调节模式时，由于水电机组的非线性特性，固定的pid参数无法满足机组不同工况的控制需求，常出现一个工况点合适，工作点变化时不能稳、准、快地调节微网系统的频率。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于改进单神经元pid算法的小水电机组频率调节方法，用以解决现有技术中存在的上述问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，提供一种基于改进单神经元pid算法的小水电机组频率调节方法，包括：

4、a.获取小水电机组的初始化参数、参考频率以及当前频率；

5、b.根据小水电机组的初始化参数计算神经元乘积系数；

6、c.将小水电机组的当前频率、参考频率以及神经元乘积系数导入预置的pid神经元网络中进行计算，得到调节控制量，所述pid神经元网络包含输入层、隐含层和输出层，所述输入层用于输入当前频率和参考频率，并将当前频率和参考频率输出至隐含层，所述隐含层用于根据神经元乘积系数、当前频率、参考频率以及设定的第一连接权重值计算比例输出值、积分输出值和微分输出值，并将比例输出值、积分输出值和微分输出值传输至输出层，所述输出层用于根据比例输出值、积分输出值、微分输出值以及设定的第二连接权重值计算调节控制量；

7、d.根据调节控制量生成控制器控制律，并将控制器控制律传输至水电机组调控设备，以使水电机组调控设备根据控制器控制律对小水电机组进行频率调节，得到调节后的频率；

8、f.获取小水电机组调节后的频率，并将调节后的频率作为小水电机组的当前频率，循环执行步骤c至步骤d，直至调节后的频率与参考频率一致。

9、在一个可能的设计中，所述初始化参数包括水流惯性时间常数tw和机组惯性时间常数ta，且水流惯性时间常数tw≤4s，机组惯性时间常数ta≥4s，所述根据小水电机组的初始化参数计算神经元乘积系数，包括：

10、根据水流惯性时间常数tw和机组惯性时间常数ta确定暂态差值系数bt、暂缓时间常数td和加速时间常数tn，其中，

11、；

12、根据暂态差值系数bt、暂缓时间常数td和加速时间常数tn计算神经元乘积系数，所述神经元乘积系数包括第一神经元乘积系数kp、第二神经元乘积系数ki和第三神经元乘积系数kp，其中，

13、。

14、在一个可能的设计中，所述隐含层包含比例神经元、积分神经元和微分神经元，所述比例神经元、积分神经元和微分神经元的输入相同，均为

15、

16、其中，r（k）为比例神经元、积分神经元和微分神经元的输入，ω1（k）为第一连接权重值，xs（k）为当前频率，xc为参考频率，k表征pid神经元网络的循环计算轮次；

17、所述比例神经元的输出为

18、

19、其中，u1（k）为比例神经元的输出，即比例输出值，kp为第一神经元乘积系数；

20、所述积分神经元的输出为

21、

22、其中，u2（k）为积分神经元的输出，即积分输出值，ki为第二神经元乘积系数，u2（k）和u2（k-1）为基于pid神经元网络的循环计算轮次k的过渡函数，当k=1时，u2（k-1）=0；

23、所述微分神经元的输出为

24、

25、其中，u3（k）为微分神经元的输出，即微分输出值，kd为第三神经元乘积系数，当k=1时，r（k-1）=0。

26、在一个可能的设计中，所述输出层用于根据比例输出值、积分输出值、微分输出值以及设定的第二连接权重值计算调节控制量，包括：

27、将比例输出值、积分输出值和微分输出值输入预置的输出层计算式中进行计算，得到调节控制量，所述输出层计算式为

28、

29、其中，y（k）为调节控制量，ω2（k）为第二连接权重值。

30、在一个可能的设计中，在将调节后的频率作为小水电机组的当前频率，循环执行步骤c至步骤d时，所述方法还包括：

31、根据调节后的频率和参考频率计算控制误差；

32、根据控制误差对前一循环计算轮次的第一连接权重值和第二连接权重值进行权值修正，得到修正后的第一连接权重值和第二连接权重值，并将修正后的第一连接权重值和第二连接权重值作为当前循环计算轮次的第一连接权重值和第二连接权重值更新到pid神经元网络中进行计算。

33、在一个可能的设计中，所述根据调节后的频率和参考频率计算控制误差，包括：

34、将调节后的频率和参考频率代入预置的控制误差计算式中进行计算，得到控制误差，所述控制误差计算式为

35、

36、其中，j为控制误差，x（k）为调节后的频率，k表征pid神经元网络的循环计算轮次，xc为参考频率。

37、在一个可能的设计中，所述根据控制误差对前一循环计算轮次的第一连接权重值和第二连接权重值进行权值修正，得到修正后的第一连接权重值和第二连接权重值，包括：

38、将控制误差以及前一循环计算轮次的第一连接权重值和第二连接权重值代入预置的权值学习公式中进行计算，得到修正后的第一连接权重值和第二连接权重值，所述权值学习公式为

39、

40、其中，ω1（k+1）为修正后的第一连接权重值；ω2（k+1）修正后的第二连接权重值；ω1（k）为前一循环计算轮次的第一连接权重值；ω2（k）为前一循环计算轮次的第二连接权重值；当k=1时，ω1（k-1）=0，ω2（k-1）=0；η1和η2分别为设定的第一学习速率和第二学习速率。

41、第二方面，提供一种基于改进单神经元pid算法的小水电机组频率调节系统，包括获取单元、确定单元、计算单元和执行单元，其中：

42、获取单元，用于获取小水电机组的初始化参数、参考频率以及当前频率；

43、确定单元，用于根据小水电机组的初始化参数计算神经元乘积系数；

44、计算单元，用于将小水电机组的当前频率、参考频率以及神经元乘积系数导入预置的pid神经元网络中进行计算，得到调节控制量，所述pid神经元网络包含输入层、隐含层和输出层，所述输入层用于输入当前频率和参考频率，并将当前频率和参考频率输出至隐含层，所述隐含层用于根据神经元乘积系数、当前频率、参考频率以及设定的第一连接权重值计算比例输出值、积分输出值和微分输出值，并将比例输出值、积分输出值和微分输出值传输至输出层，所述输出层用于根据比例输出值、积分输出值、微分输出值以及设定的第二连接权重值计算调节控制量；

45、执行单元，用于根据调节控制量生成控制器控制律，并将控制器控制律传输至水电机组调控设备，以使水电机组调控设备根据控制器控制律对小水电机组进行频率调节，得到调节后的频率。

46、第三方面，提供一种基于改进单神经元pid算法的小水电机组频率调节设备，包括：

47、存储器，用于存储指令；

48、处理器，用于读取所述存储器中存储的指令，并根据指令执行上述第一方面中任意一种所述的方法。

49、第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行第一方面中任意一种所述的方法。同时，还提供一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行第一方面中任意一种所述的方法。

50、有益效果：本发明通过将当前频率、参考频率以及神经元乘积系数导入pid神经元网络中进行计算，得到调节控制量，然后根据调节控制量生成控制器控制律给到水电机组调控设备执行，得到调节后的频率，以此循环，直至调节后的频率与参考频率一致为止，可以实现小水电机组的高效、稳定调节。本发明通过在传统pid参数控制的基础上，引入相应的神经元网络，可以细化调频策略与调节量，同时，通过增加神经元网络的动量项，根据系统调节后频率与参考频率的误差动态更新调节参数，可以适应不同的工况，稳定小水电微网系统的频率稳定性。