基于爬山算法的煤礦電力系統(tǒng)功率控制技術(shù)

姜國(guó)軍

（中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，北京 102400）

煤碳采掘行業(yè)是基礎(chǔ)能源開發(fā)的重要領(lǐng)域，大量的煤礦機(jī)械在采掘作業(yè)中發(fā)揮了重要的作用。除部分采煤機(jī)械進(jìn)行了電氣化改造外，煤礦及礦井下也需要各種電力供給[1]。因此，研究煤礦電力系統(tǒng)是能源領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題。煤礦電力系統(tǒng)控制的核心問題是功率穩(wěn)定和功率匹配。煤礦電力系統(tǒng)需要保持穩(wěn)定功率輸出，以此保證煤礦、井下照明以及各種用電設(shè)備能穩(wěn)定工作，沒有尖峰噪聲極值，保障整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)營(yíng)[2]。同時(shí)，煤礦電力系統(tǒng)具備自適應(yīng)調(diào)整能力，當(dāng)作業(yè)端功率需求不斷增加時(shí)，能調(diào)整電力系統(tǒng)的功率輸出，確保輸出功率和作業(yè)端功率需求相匹配，避免無法滿足功率供給導(dǎo)致停工或減產(chǎn)的問題[3]。在功率控制和功率匹配方面，爬山算法是一種常見且有效的方法。該文通過改進(jìn)爬山算法，將其應(yīng)用于煤礦電力系統(tǒng)的功率控制，以期保證煤礦電力系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

1 煤礦電力系統(tǒng)功率控制爬山算法設(shè)計(jì)

爬山算法廣泛應(yīng)用于功率控制領(lǐng)域，基本原理是在功率變化曲線上，利用爬山算法不斷地進(jìn)行尋優(yōu)和修正，使功率供給在安全范圍內(nèi)并滿足功率需求。爬山算法控制主要根據(jù)兩個(gè)參數(shù)：尋優(yōu)步長(zhǎng)和尋優(yōu)方向。但對(duì)煤礦電力系統(tǒng)的功率控制問題，傳統(tǒng)的爬山算法在設(shè)定上述兩個(gè)參數(shù)方面有一定的局限性。因此，該文主要對(duì)尋優(yōu)步長(zhǎng)和尋優(yōu)方向這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)處理，形成一種改進(jìn)的爬山算法，用于煤礦電力系統(tǒng)的功率控制。

在功率控制過程中利用爬山算法尋優(yōu)處理，功率曲線幅度、形狀等變化如圖1所示。

圖1 爬山算法的功率尋優(yōu)過程

在煤礦工作過程中，電力系統(tǒng)功率曲線變化的幾種形式如下。

第一種形式：假設(shè)煤礦電力系統(tǒng)正好在功率曲線V1上的A點(diǎn)工作，并且各種配置條件和需求不變，爬山算法將在功率曲線V1上尋找最大的功率點(diǎn)，在曲線變化上體現(xiàn)為從A點(diǎn)逐漸向B點(diǎn)搜索的過程，當(dāng)找到最佳功率點(diǎn)B時(shí)，系統(tǒng)符合公式（1）。

式中：P（B）為B點(diǎn)的功率；wn為帶有調(diào)整量的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；wB為B點(diǎn)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；α為轉(zhuǎn)速調(diào)整參數(shù)；kwo為功率調(diào)整參數(shù)。

如果煤礦電力系統(tǒng)的功率需求不發(fā)生變化，爬山算法就成為在功率曲線上尋求峰值功率的過程，在功率曲線上任意一點(diǎn)都可以按照該方法進(jìn)行。

在實(shí)際情況中，煤礦電力系統(tǒng)的需求在不斷變化，如果電力系統(tǒng)的功率需求從曲線V1變化為V3，就需要調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)最佳功率點(diǎn)的位置也發(fā)生了改變。圖1中，功率曲線V1上的最佳功率點(diǎn)B變?yōu)楣β是€V3上的C點(diǎn)，但此時(shí)的C點(diǎn)并不是功率曲線V3上的最佳功率點(diǎn)。

因此利用爬山算法進(jìn)行尋優(yōu)，從C點(diǎn)搜索到D點(diǎn)，從而找到功率曲線V3的最佳功率點(diǎn)。在該過程中，系統(tǒng)符合公式（2）。

式中：P（C）為C點(diǎn)的功率；wn為帶有調(diào)整量的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；wC為C點(diǎn)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；α為轉(zhuǎn)速調(diào)整參數(shù)；kwo為功率調(diào)整參數(shù)。

第二種形式：如果煤礦電力系統(tǒng)的功率需求又一次發(fā)生了改變，從功率曲線V3變化為功率曲線V2，就進(jìn)一步調(diào)整電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且原本功率曲線V3上的最佳功率點(diǎn)D變化到功率曲線V2上的E點(diǎn)，而E點(diǎn)卻不是功率曲線V2的最佳功率點(diǎn)。此時(shí)，爬山算法為尋找新的最佳功率點(diǎn)F，將不斷執(zhí)行反向搜索。

第三種形式：要充分考慮當(dāng)煤礦電力系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的特殊情況，通常根據(jù)最低功率需求，設(shè)定各參數(shù)以及電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

第四種形式：當(dāng)電力系統(tǒng)執(zhí)行爬山算法時(shí)恰好是在最佳功率點(diǎn)上工作，即圖1中的B點(diǎn)、D點(diǎn)或F點(diǎn)，如果爬山算法無法尋找該點(diǎn)外的最佳功率點(diǎn)，就會(huì)停在原地等待新的功率變化需求。

解決尋優(yōu)步長(zhǎng)的合理設(shè)置問題，分為以下兩種可能。

第一種可能：如果爬山算法需要向右執(zhí)行最佳功率尋優(yōu)，如公式（3）所示。

式中：P（n）為n點(diǎn)的功率；wn為帶有調(diào)整量的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；α為轉(zhuǎn)速調(diào)整參數(shù)；kwo為功率調(diào)整參數(shù)。

第二種可能：如果爬山算法需要向左執(zhí)行最佳功率尋優(yōu)，如公式（4）所示。

式中：P（n）為n點(diǎn)的功率；wn為帶有調(diào)整量的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；β為轉(zhuǎn)速調(diào)整參數(shù)；kwo為功率調(diào)整參數(shù)。

解決尋優(yōu)方向的合理設(shè)置問題，如公式（5）所示。

如果爬山算法找到的下個(gè)功率點(diǎn)和當(dāng)前功率點(diǎn)的差值?P>0，就表明最佳功率還在提升，應(yīng)維持原方向繼續(xù)尋優(yōu)；如果下個(gè)功率點(diǎn)和當(dāng)前功率點(diǎn)的差值?P<0，就表明最佳功率被下調(diào)，尋優(yōu)方向錯(cuò)誤，應(yīng)改變方向，如果差值變化非常小，并且?w（n）的變化也非常小，就表明到最佳功率點(diǎn)位置，可以停止尋優(yōu)。

2 煤礦電力系統(tǒng)功率控制試驗(yàn)與分析

煤礦電力系統(tǒng)實(shí)際功率需求變化較為靈活，因此改進(jìn)傳統(tǒng)的爬山算法，分別考慮4種形式下的最佳功率尋優(yōu)情況，同時(shí)對(duì)尋優(yōu)步長(zhǎng)和尋優(yōu)方向進(jìn)行設(shè)置。在后續(xù)的工作中，為驗(yàn)證改進(jìn)的爬山算法對(duì)煤礦電力系統(tǒng)功率控制的有效性，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)利用Matlab仿真平臺(tái)，對(duì)電力系統(tǒng)的功率曲線變化和占空比情況進(jìn)行仿真，并對(duì)傳統(tǒng)爬山算法和該文提出的爬山算法的異同進(jìn)行對(duì)比。

在Matlab仿真平臺(tái)下，設(shè)定煤礦電力系統(tǒng)的最初功率需求為0.5kW，功率需求變化為2.5kW，觀察在傳統(tǒng)爬山算法控制下，電力系統(tǒng)的功率曲線變化情況，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)爬山算法下功率曲線的變化情況

從圖2可以看出，在傳統(tǒng)爬山算方法的尋優(yōu)控制下，爬山算法執(zhí)行2.0s后調(diào)整功率，功率點(diǎn)出現(xiàn)明顯躍遷。2.0s～2.8s，功率曲線波動(dòng)較大，隨后分別在3.6s和4.5s附近出現(xiàn)波動(dòng)，表明傳統(tǒng)爬山算法對(duì)煤礦電力系統(tǒng)的功率控制在一定程度不穩(wěn)定。

進(jìn)一步觀察圖2的功率曲線變化對(duì)應(yīng)的煤礦電力系統(tǒng)占空比情況，如圖3所示。

圖3 功率曲線對(duì)應(yīng)的占空比變化

從圖3可以看出，在傳統(tǒng)爬山算法的控制下，當(dāng)功率需求為0.5kW時(shí)，煤礦電力系統(tǒng)中占空比參量在0.30～0.45，并不穩(wěn)定；當(dāng)功率需求從0.5kW突變?yōu)?.5kW時(shí)，煤礦電力系統(tǒng)中占空比參量隨之增加，直至約0.55；當(dāng)功率需求維持在2.5kW時(shí)，煤礦電力系統(tǒng)中占空比參量在0.48～0.60。

在Matlab仿真平臺(tái)下，設(shè)定傳統(tǒng)爬山算法的條件，觀察該文提出的改進(jìn)爬山算法控制下，電力系統(tǒng)的功率曲線變化情況，如圖4所示。

圖4 該文提出的改進(jìn)爬山算法下功率曲線的變化情況

從圖4可以看出，在該文提出的改進(jìn)爬山算方法的尋優(yōu)控制下，爬山算法執(zhí)行3.0s后調(diào)整功率，出現(xiàn)明顯的功率點(diǎn)躍遷。隨后，在3.0～3.5s出現(xiàn)一定程度地波動(dòng)，功率曲線整體穩(wěn)定。進(jìn)一步觀察圖4的功率曲線變化對(duì)應(yīng)的煤礦電力系統(tǒng)占空比情況，結(jié)果類似圖3。在該文提出的改進(jìn)爬山算法的控制下，當(dāng)功率需求為0.5kW時(shí)，煤礦電力系統(tǒng)中占空比參量一直在0.33～0.36，波動(dòng)范圍比傳統(tǒng)爬山算法小且相對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)功率需求變化為2.5kW時(shí)，煤礦電力系統(tǒng)中占空比參量隨之增加，直到約0.60；當(dāng)功率需求維持在2.5kW時(shí)，煤礦電力系統(tǒng)中占空比參量在0.56～0.60，波動(dòng)范圍比傳統(tǒng)爬山算法小。

綜合試驗(yàn)結(jié)果可以看出，利用改進(jìn)的爬山算法，功率控制結(jié)果較好，可以更好地跟蹤功率控制曲線，提升控制精度，符合煤礦電力系統(tǒng)的需求。

3 結(jié)論

煤礦的安全穩(wěn)定作業(yè)需要電力系統(tǒng)提供支撐，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出和根據(jù)需求調(diào)整功率影響采煤效率和井下工作安全。該文針對(duì)煤礦電力系統(tǒng)的功率控制問題，在傳統(tǒng)爬山算法的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)。在改進(jìn)的爬山算法中，充分考慮煤礦電力系統(tǒng)功率曲線變化的幾種情況，并對(duì)尋優(yōu)步長(zhǎng)和尋優(yōu)方向進(jìn)行重新設(shè)置。在Matlab仿真平臺(tái)下，對(duì)煤礦電力系統(tǒng)功率需求發(fā)生改變時(shí)的爬山算法效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)過改進(jìn)，爬山算法可以更穩(wěn)定地調(diào)整控制功率曲線，波動(dòng)幅度小、波動(dòng)周期短，適用于煤礦電力系統(tǒng)控制。