本發明涉及生產安全，特別是一種具有自適應抗電壓擾動的建模方法。
背景技術：
隨著現代化和信息化、自動化工業的快速發展，一方面電網系統中用電負荷、用電結構產生了一系列重大變化，用戶生產規模正在逐步變得越來越龐大，各個工業生產過程中的系統化和自動化程度越來越強，各個生產環節的聯系越來愈緊密，生產過程中對精密電子設備的依賴性快速增長。而另一方面來說，電能從生產到傳輸、使用的整個過程要跨越廣闊的地理區域，整個電能的傳輸系統會遭受閃電、暴雨、大風、人為等諸多意外事故，都可能引起電網故障導致電壓暫降或短時中斷（晃電），這些現象足以影響到敏感電子設備的正常運行，從而導致工業化生產活動的非正常中斷。而電壓暫升的危害更大，可以直接損壞電氣設備。在工廠低壓配電系統中，因電壓波動會造成接觸器脫扣，從而造成生產線上設備的異常停運，給企業生產造成損失。對于工業用戶來說，電壓暫降（晃電）的發生就成為一個亟待克服的重大的技術難題。
電壓暫降（晃電）屬于配電網技術領域，根據國家標準GB/T30137-2013《電能質量電壓暫降與短時中斷》的定義：電壓暫降是指在電力系統中的某點工頻電壓有效值暫時降低至額定電壓的10%～90%，并持續10ms～1s，在此期間，系統頻率仍為標稱值，然后又恢復到正常水平的現象。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，且持續時間為10ms～1s。其原因有諸多可能，如輸配電系統中發生的電力系統故障、雷擊、大型電機啟動、電容器的投切等事件。
根據EPRI（美國電科院）權威數據，92%以上的電能質量事件為電壓暫降和暫升，而這其中80%的事故是因為電壓暫降引起的。電壓暫降已被眾多的國際研究機構確定為電力系統中最為普遍發生的事件，在中國，配電網的用戶對于電壓暫降（晃電）的發生也是深惡痛絕。在石油化工、冶煉、食品生產、精密設備制造等領域，每年因發生晃電事故而造成的經濟損失十分巨大。
電壓暫降（晃電）主要發生在配電網中，更具體來說，發生在工業用戶的接觸器、變頻設備和軟起動等電氣開關設備，抽象來說，發生在電力系統配電網和用戶的機械設備之間的聯系上，也就是說，由于電氣設備的特性和機械設備特性不協調才發生的。因此，有必要在此之間，裝設一個能夠自動適應電氣和機械設備特性之間的一個單元，實現自動地適應、調節兩邊設備的特性，使之達到一致性的要求。這就是抑制電壓暫降（晃電）的控制設備，它必須具有自適應控制功能。自適應控制的先決條件是取得電氣和機械兩方面設備的數據和參數，濾掉不合理的干擾數據，然后分析數據特性，得到相應的數學控制模型，進一步得到初步的軟件控制程序，初步的軟件程序運行后，還要進一步的檢測運行系統，不斷的適應兩面的特性，最終滿足抑制晃電的需要。
目前在國內解決電壓暫降（晃電）的方法主要有以下幾種：
1、直流支撐：交流失電或發生電壓暫降（晃電）后，切除原來的交流系統供電，切換到用直流系統維持，使設備繼續運行。這種方案需要按實際負載的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，后期維護成本也很高，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，需維護和定期更換電池，由于其內部設計有整流和逆變電路，本身會產生諧波注入到電網，反而會進一步影響電能質量。
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，存在穩定性問題。
因此，如何解決電壓暫降（晃電）是業內關心的技術問題。
技術實現要素：
針對上述情況，為克服現有技術之缺陷，本發明之目的就是提供一種具有自適應抗電壓擾動的建模方法，可有效解決工業生產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的預防和保護，自動適應工業現場的運行參數，自動做出調整，保證生產安全的問題。
本發明解決的技術方案是，包括以下步驟：
（1）、建立自適應數據庫：利用自適應濾波器對輸入信號數據進行調整，成動態參數，非自適應濾波器有靜態的濾波器系數，動態參數與靜態的濾波器系數一起形成傳遞函數，構成自適應數據庫；
（2）、對數據特性進行分析：使用自適應濾波器調整濾波器系數及頻率響應，分析數據的變化特征、周期性特征和變化幅值特征；
（3）、根據步驟（2）的數據特性，建立初步的數學模型，形成控制程序的數學模型，隨著負載電流大小變化，使收斂的解析函數，還是非收斂的函數，進行分段函數處理；
（4）、根據數學模型設計便于計算機系統的軟件控制程序；
（5）、根據軟件控制程序，得到適應于配電網電氣方面和機械方面的自適應軟件，以滿足現場實際運行需要；
（6）、在生產運行中，不斷搜集電氣、機械兩面的運行參數，不斷地進行自適應迭代，接近最優解，直至滿足需求，達到系統穩定，確保生產安全。
本發明是通過一種自學習、自適應的模型算法，在低壓配電系統發生電壓波動時（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，從而保證了生產線上設備能夠不停機運行，保持生產的連續性，具有實際的應用價值，經濟和社會效益顯著。
具體實施方式
以下結合具體情況對本發明的具體實施方式作詳細說明。
本發明在具體實施中包括以下步驟：
（1）、建立自適應數據庫：利用自適應濾波器，根據輸入信號自動調整性能進行數字信號處理動態參數，非自適應濾波器靜態的濾波器系數與動態參數一起形成傳遞函數，構成自適應數據庫，由自適應濾波器進行異常數據篩查和過濾，根據輸入的電壓和電流信號，把不能表征數據運行軌跡的數據率除掉，首先去掉電壓電流數據的最大值和最小值，剩余數值取中間值，找出正常運行過程和異常運行過程中的運行曲線規律；
（2）、對數據特性進行分析：使用自適應濾波器調整濾波器系數及頻率響應，分析數據的變化特征、周期性特征和變化幅值特征；由于現場不知道所需要進行操作的參數，噪聲信號的特性，所以要求使用自適應的系數進行處理，自適應濾波器使用反饋來調整濾波器系數以及頻率響應，分析數據的變化特征，根據第一步自適應數字濾波器過濾后的數據來進行下一步分析，找出這些數據的周期性特征、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律，頻率限定45Hz～55Hz/60Hz，超出該值范圍之外的數據在通過濾波器被除掉，找到在正常運行情況下和異常運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°相位的變化規律，找到數據的特性，以電壓與電流的相位關系表征整個三相系統的相位關系；
（3）、根據步驟（2）的結果，得到初步的控制數學模型，也就是下一步形成控制程序的數學描述模型，隨著負載電流大小變化，是收斂的解析函數或是非收斂的函數，進行分段函數處理，建立數學模型：
自適應控制器運行時間區間為[0，T]，用d(t)表示t時刻能源功率變化率，u(t)為t時刻的機械元件的變化率，自適應控制器內協調量x(t)的變化率為：
設電氣特性產生特性和機械要求特性的理想數值分別為ud(t)和xd(t)，0≤t≤T，為克服理想數值的偏差，自適應控制器性能指標泛函：
其中，c、h>o為常數，使泛函J(u)達到最小值，x(t)≥o，u(t)≥o，設xd(t),ud(t)適當地大，最小值保持在x≥0，u≥0的范圍內；
根據哈密頓函數:
H(x,u,λ)＝-c(u-ud)2-h(x-xd)2+λ(u-d)
其輔助函數為
由最大值原理可知：
也即為：
將式(4)代人式(1)，得到：
式(5)和式(3)組成一個關于最優軌線和輔助變量的兩點邊值，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，這種做法的優點在于，一旦函數a（t）和b（t）確定了，關系式(4)和(6)就給出了帶有反饋形式的最優控制，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λ(T)＝0，不失一般性：
λ(T)＝0，a(T)＝0
式(10)是關于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
當將式(13)代入式(11)就得到一個關于a的線性微分方程．這個方程可以用變動參數法求解；
選擇實際運行中常見的特殊情況，即：ud(t)＝d(t)，xd(t)＝Cd（常數），運行穩定，電氣量保持一個常數Cd時，與機械量相匹配的協調量，a滿足：
所以有以下相應數學推導：
進一步，將(14)和(13)代入(4)得反饋最優控制函數為
于是得出結論：最優控制等于需求率加上一個協調修正因子．
進一步將(15)代人(1)，得到:
得出x＝Cd是微分方程(16)的解：
相應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學結論，只要將初始條件（即實際運行數字，由在特定的實驗室環境下，對于抗晃電自適應控制器代入穩定的功率，在特定的時間段，測量電氣設備，電動機等元件的變化量，做出統計表格）代入式（18），就可以得到相應的數值，時間區間[0-T]；
由于運行環境是一個隨機變化的量，趨近于高斯分布，所以，為了進一步計算，評估數學模型的準確率，采用三個標準差來計算置信度，也就是說，對于現場環境的模擬具有99%的置信度滿足實際運行需求；
（4）、根據步驟（3）所得到的數學模型，代入計算機軟件，以數字形成計算軟件，有效地為電路設計提供量化指標，設計出便于計算機系統運行的軟件控制程序；由于設備很小，有工作在現場惡劣的環境下，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）、根據第四步編制的程序，通過修正軟件對運行中的異常情況進行錯誤捕獲處理，濾除異常數據，得到適應于配電網電氣方面和機械方面的自適應動作滿足現場實際運行需要；本發明數學模型的適用范圍為1000V及以下的低壓配電網中抗擊電壓擾動引起的接觸器脫扣。
（6）、在模型運行中，模型能自動地搜集電氣運行參數，不斷地進行自適應迭代，接近最優解這一過程，直至滿足需求，達到系統穩定，并能在運行過程中把這些運行方法形成記憶，放在存儲媒介中，當現場運行條件符合數學模型時，自動執行，用于防止晃電。
本發明主要是考慮對于機械設備造成的影響：在制冷設備電子控制器應用上，當電壓低于80%，控制器會切除制冷電動機；在芯片制造業當電壓低于85%,測試和加工設備的電路會出現故障導致設備停運；在精密機械工具當電壓低于90%持續3個周波，機器人控制操作中斷；在直流電機,當電壓低于80%，電動機保護跳閘；在調速電機（VSD）當電壓低于70%、持續6周波以上，VSD將切除；在計算機，當電壓低于60%、持續12周波,計算機將停止工作；電壓跌落到60%Ue，持續10ms，60%的接觸器會脫扣，電壓跌落到65%Ue，在持續20ms時間后，65%的PLC會復位,電壓跌落到70%的額定電壓，持續10ms的時間，75%的變頻器會停止運行。當配電網電壓跌落到50%額定電壓，持續15ms的時間，55%的電源會停止運行。以上種種數據，可以作為初始化數據進入計算過程。
根據實際實驗，電壓擾動對于各類電氣啟動類設備的影響：
1、電網浪涌過電壓或制動反饋.
2、電網缺相或電壓過低.
3、控制電壓欠電壓。
總的來說，自適應的過程涉及到將價值函數用于確定如何更改濾波器系數從而減小下一次迭代過程成本的算法。價值函數是自適應濾波器，控制器最佳性能的判斷準則，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會造成的影響。
為了達到方法的穩定、可靠，保證使用效果，可根據不同的實際情況，對以下主要方面進行試驗：
（1）能通性：能通性是指本發明方法能控性、能觀性、能協調性的前提條件，主要包括控制信息結構能通性、觀測信息結構能通性、輸出信息結構能通性等。
（2）能控性：指控制目的與本發明方法過程實現的可能性。
（3）能觀性：指通過輸出對本發明方法狀態進行觀測的可能性。
（4）能協調性：本發明方法中所涉及設備相互協調配合，以完成控制的可能性。
（5）穩定性：包括穩態穩定性和輸入/輸出穩定性等。
（6）可靠性：本發明方法在給定環境條件下，在給定時間內，不發生故障，保持正常系統功能的可能性。
（7）快速性：本發明方法達到給定控制目的所需控制過程時間的長短。
（8）準確性：本發明方法偏離給定控制目標的誤差大小。