免疫系统建模及其在电力系统电压调节中的应用

时间:2019-07-11 08:30:57 分享到:

  络、遗传算法等,在电力系统中的应用已获得了广泛重视最近,出现了将免疫系统应用于反馈控制系统设计的研究为此,在介绍了免疫系统基本原理的基础上,提出了以电力系统电压调节为应用目的的免疫系统的基本模型,演示了应用于STATCOM的细胞免疫电压调节器的控制作用。

  英国9学2会1中国联合资助项目巧11 1免疫系统的基本原理和模型1.1免疫学与免疫系统免疫学是一门研究机体免疫系统的组织结构和生理功能的新兴学科免疫系统是人体的一个重要的功能系统,担负着免疫防御免疫监视与免疫自稳的功能免疫系统由免疫器官、免疫细胞和免疫分子组成免疫器官:①中枢:胸腺骨髓法氏囊(禽类);②周围:脾脏、淋巴结、粘膜免疫系统、皮肤免疫系统免疫细胞:淋巴细胞系、干细胞系、单核吞噬细胞系、其他抗原提呈细胞(树突状细胞内皮细胞等)其他免疫细胞(粒细胞肥大细胞、血小板红细胞等)免疫分子:①膜型分子:T细胞抗原识别受体(TCR)B细胞抗原识别受体(BCR)、白细胞分化抗原(CD分子)粘附分子主要组织相容性抗原(MHC分子)其他受体分子;②分泌型分子:免疫球蛋白分子(Ig分子)、补体分子(C分子)、细胞因子(CK)在免疫学发展的早期,人们应用细菌或其他毒素给动物注射,在动物血清中发现一种能使细菌发生特异性凝集反应的凝集素或能中和体外毒素的抗毒素其后,将血清中这种具有特异性反应的物质统称为抗体(antibody,简称为Ab),而将能刺激机体产生抗体的物质统称为抗原(antigen,简称为Ag)由此建立了抗原与抗体的概念现代免疫学的发展己经证明,当抗原分子进入机体后,能触发免疫细胞产生一系列的复杂的生物学过程,称之为免疫应答(immuneresponse)目前认为凡能诱导免疫系统发生免疫应答,并能与其产生的抗体或效应细胞在体内或体外发生特异性反应的物质,可称之为抗原抗体是由浆细胞合成和分泌的。抗体的产生是由多细胞完成的,且具有一般性规律:当第一次用适量抗原给动物免疫,需经一定潜伏期才能在血液中出现抗体,含量低,且维持时间短,很快下降,称这种现象为初次免疫应答。若在抗体下降期再次以相同抗原免疫时,则发现抗体出现的潜伏期较初次应答明显缩短,抗体含量也随之上升,而且维持时间长,称这种现象为再次免疫应答或回忆应答。

  免疫系统最重要的生理功能是对“自己”和“非己”抗原分子的识别及应答免疫应答过程就是由免疫细胞对抗原分子的识别、活化分化和效应的过程免疫应答过程的效应表现主要是以T细胞介导的细胞免疫和以B细胞介导的体液免疫。体内和体外的。

  T细胞活化需有双信号刺激,即其抗原识别受体(TCR<|3)与APC上的MHC-肽分子复合物结合后,可通过CD3复合分子传递第一信号T细胞上其他辅助分子(如CD28)可与APC上相应的配体分子(如表面B7)结合,不仅强了T细胞与APC之间的粘附作用,同时可向T细胞传递协同刺激信号(co―stimulatorysignal)使之活化并产生多种细胞因子,它们促进了T细胞克隆的扩,是细胞免疫的分子基5础如无辅助信号发生则T细胞处于不应答(anergy)状态。可见APC的抗原呈递作用就是APC将Ag内化、加工、处理,在其细胞表面生成MH肽分子复合物的过程,主要包括呈递抗原供TCR识别和激活T细胞2个作用。

  T细胞经过APC的抗原呈递作用,由静息转变为激活状态,进行克隆殖并合成和分泌大量的各类细胞因子。同时活化的T细胞可借其自分泌的白细胞介素-2(IL-2)进一步促进T细胞的殖,产生孕细胞,并最终分化为效应T细胞以上就是由T细胞介导的细胞免疫的基本过程。而B细胞则介导了体液免疫由抗原激发的体液免疫,是多细胞相互作用的结果体液免疫对抗原dependentantigen,间称为TDAg)引起的体液免疫和由胸腺非依赖抗原(thymus-ndependent antigen,简称为TIAg)引起的体液免疫前者必须有TH细胞参与才能完成,而后者不需TH细胞参与,可单独刺激B细胞产生抗体只表现初次应答的特性而不出现再次应答的一系列变化由TDAg引起的体液免疫具有初次免疫应答和免疫记忆特性。其初次免疫应答的基本过程主要包括了TH细胞的活化B细胞的活化活化B细胞的殖分化、抗体和记忆B细胞设的产生以及TS细胞对免疫应答的抑制作用,如所示B细胞必须要在活化TH细胞的辅助下才能产生抗体TH细胞的产生和活化是由亚T细胞CD4fT细胞介导的,基本过程如虚线框所示,和细胞免疫中产生效应T细胞的过程相同,TDAg抗原由APC摄取,经表面呈递作用激活CD4fT细胞,活化的CD4+T细胞殖并合成和分泌大量的各类细胞因子,在细胞因子特别是其自身分泌的It2的作用下进一步促进细胞的殖,产生孕细胞,并最终分化产生活化的TH细胤TH细胞产生和活化后,进一步诱导B细胞活化B细胞的活化需要2种活化信号。B细胞可通过其表面受体BCR与TDAg抗原结合,经内化作用将抗原摄入,然后经过加工处理,与MHC分子结合,形成MH肽分子复合物并运送至B细胞表面,将其呈递给活化的TH细胞,传递活化信号1;B细胞表面的CD40分子与T细胞表面的相应配体分子CD40L结合可激发其产生活化信号2,在此双信号作用下可使B细胞活化另外,B细胞和T细胞的活化是相互的:B细胞可通过其抗原呈递作用刺产生细胞因子对B细胞环节作用。因而,B细胞环节共有于活化,另外,来源于进作用,而来源于起抑制作甩B细胞环节的输的细胞因子。

  在活化B细胞产生的细f化环节输出用于产生抗体的浆功能的记忆B细胤由于在体子,即抗体最终是由浆细胞产环节可采用简单的模型描述产生抗体,其模型可根据被控器自身的要求选择相应的模型计控制器的底层控制环节记次免疫应答B细胞环节对抗I用以在再次免疫应答过程中替疫应答的响应速度和调整对i在免疫应答后期,T细胞分化活TS细胞环节,用以描述由的过程根据输入的控制信号TH细胞环节和B细胞环节的通过其表面B7及其他协同刺激分子与T细胞表面相应的受体分子相结合,可激发产生协同刺激信号2,在双信号作用下可使TH细胞进一步活化在活化的TH细胞分泌的多种细胞因子以及由APC分泌的细胞因子的作用下,活化的B细胞可殖分化为记忆B细胞和分泌抗体的浆细胞(plasmacell)在免疫应答后期,经CD4+T的作用可活化抑制性T细胞TS,使之分化成为效应TS细胞它可分泌抑制因子,可抑制TH细胞及B细胞的功能,发挥负反馈调节作用,以抑制免疫应答,借以维持机体的免疫稳定平衡当发生再次免疫应答时,抗原呈递细胞则主要由己产生的记忆B细胞承担。

  1.3免疫系统建模由以上介绍的免疫应答过程可见,免疫系统包含了辨识、反馈动态调整、动态协调、记忆等诸多单元,比较具体、完整的数学描述将十分复杂。在研究的初始阶段,本文针对在电力系统电压调节中应用的背景,提出了细胞免疫模型和体液免疫模型,其框图分别如和所示在细胞免疫模型中,APC环节将抗原摄入,其主要作用包括:①抗原的识别;②抗原的处理和加工;③抗原呈递作用,反映了APC通过MHC限制和T细胞结合以及APC产生细胞因子对T细胞的协同激活APC环节的输出包括经加工和处理后在MHC限制条件下输出的抗原信息和具有协同激活作用的细胞因子2个信号细胞因子的有无决定了免疫应答的产生与否,而细胞因子的多少则反映了免疫应答响应的强弱这2个输出信号对于免疫应答的产生与继续缺一不可T细胞由静息转变为激是由APC环节产生的双信号,输出是用于T细胞进一步殖的细胞因子殖环节反映了在殖细胞因子的作用下T细胞的进一步殖扩张、产生孕细胞的过程分化环节的输入是由殖环节产生的孕细胞,输出是效应T细胤孕细胞的分化和效应T细胞的产生用模糊控制过程和人口模型描述利用孕细胞数量的多少以及孕细胞数量的变化,经过模糊推理过程来决定分化的孕细胞产生效应T细胞在免疫效应过程中,效应T细胞和targetcell相互作用,其数量随着免疫反应的强弱长、消亡,类似于人口的变化,因而现利用人口模型描述效应T细胞的产生过程。

  在体液免疫过程中,从TDAg抗原摄取到TH细胞产生和活化的过程,因基本原理和细胞免疫中效应T细胞的产生相似,所以在体液免疫模型中,这一过程采用了和细胞免疫相似的模型,输入是抗原,输出是用于活化的TH细胞和B细胞环节相互作用的双信号实质上,B细胞是体液免疫中的targetcell,要靠活化的TH细胞与其相互作用激活B细胞环节的活化需要3个输入:其中1个来源于抗原,另外2个输入反映了B细胞环节与活化的TH细胞的双信号活化过程在APC环节对摄入抗原处理的过程中也产生细胞因子,对B细胞环节的活化起辅助作用。体液免疫响应晚期,抑制T细胞的活化起负反馈调节5个输入,其中3个用1输入对活化过程起促节的输入对活化过程I出是反映其激活程度胞因子作用下,殖分〔细胞和具有免疫记忆s液免疫过程中效应分:生的,因此,殖分化浆细胞环节的作用是:对象的特性以及控制1通常,此环节是所设i忆B细胞环节记忆本京刺激所产生的反应,M代APC环节,加快免疫应答的响应强度,环节输出控制信号激T细胞产生TS细胞TS细胞环节输出对附周整量,抑制免疫应考值的电压偏移和和其邻近点出现的电压越限。输出个负荷为使系统中各节点的电压在正常运运行的的范从显示的免疫应答模型可以看出,此模型实际上反映了由TDAg诱发的体液免疫应答过程,不难看出,点划线上半部分的模型则可用于由TIAg诱发的体液免疫应答过程。

  2STATCOM的细胞免疫控制21电力系统的电压调节电力系统中的电压调节主要由发电机和装设在网络中的调相机以及SVC,STATCOM等诸多电压调节器完成,包含2层含义:①将电压调节器装设点的电压维持在指定值;②保证系统电压水平偏差不超过额定值的±5%在系统的正常运行情况下,将电压调节器装设点的电压维持在指定值就可以保证系统电压水平偏差在所要求的范围内所以,电压调节器的设计通常只是在这个单一的控制目标下进行,即保持安装点的电压在指定值的水平。但是最近的研究表明:在电力系统紧急运行状态下,系统中某些非电压调节器装设点的电压会越过偏差±5%的限制因此,我们以为,电力系统电压调节器的设计应该有2个控制目标:①保证其邻近点的电压偏差在额定值的±5%以内;②保证其安装点的电压在指定的值而且,第1个目标应该优先于第2个目标。应用免疫系统建模理论,可以实现这个双控制目标的电压调节器的设计。

  我们认为,对于一个电压调节器,若其安装点的电压保持在值,同时其安装点附近的电压偏差也在额定值的±5%的限制内,它就是“健康”的。如果其安装点的电压偏离了指定值,意味着出现了“自己”抗原;如果其邻近点的电压偏差越过了额定值的±5%的限制,则意味出现了“非己”抗原。“自己”和“非己”抗原应该能激励电压调节器产生效应T细胞或抗体,即电压调节作用,清除抗原所以在这一基本思想的指导下,可以按照免疫系统模型设计电压调节器,当出现“自己”和“非己”抗原时,通过其免疫应答作用进行系统电压调节本文在细胞免疫模型的基础上,提出了细胞免疫型电压控制器,给出了将细胞免疫型电压控制器应用于STATC0M的结果,并通过数字仿真研究了多机电力系统中STATCOM的细胞免疫电压调节器的控制作甩22细胞免疫型电压控制器的结构根据第1节中的细胞免疫模型,提出细胞免疫型的电压控制器的结构如所示控制器的输入VAg是电压调节器的“自己”和环节(APC)T细胞激活环节、T细胞殖环节和分化环节组成分化环节利用模糊过程和人口模型反映T细胞的分化,产生控制器的输出输入电压信号进入APC后,首先由APC进行识别,区分自己非己抗原,然后将抗原加工、处理,呈递给T细胞激活环节。T细胞的激活还同时取决于APC环节根据输入电压确定的协同调节信号。

  现用简单的一阶惯性环节表示T细胞的激活,其中Fa表示T细胞的激活程度,Ta表示T细胞激活的惯性时间常数T细胞的殖用比例环节表示,Kp反映了T细胞的殖,其输出是经T细胞殖后产生的孕细胞数量CP分化环节由模糊逻辑控制器和人口模型组成根据孕细胞数量Cp以及孕细胞数量的变化Cp经模糊推理决定孕细胞的分化Cp和Vf之间的关系是模糊、不确定的,可利用模糊Lyapunov综合方法设计该模糊逻辑控制器该模糊推理环节包括3部分,分别执行输入量Cp和Cp的模糊化模糊推理和解模糊判决功能,即实现由精确到模糊再回到精确的控制过程(见附录A)模糊推理环节的输出是输入量Cp和Cp的非线性函数:分化作用由人口模型描述,即:其中pa,ph,p(。,pd分另lj是长系数饱和系数倍系数和死亡率,即认为效应T细胞的产生服从人口长规律。

  2.3应用实例根据电力系统电压调节的2个控制目标和细胞免疫型电压控制器,本文以所示的新英格兰系统为例,研究了STATCOM的细胞免疫型电压控制器的控制效果。

  新英格兰系统有10台发电机、39条母线和19围内,以验证所提出的STATCOM细胞免疫型电压调节器的控制作用,首先通过西门子公司提供的NETOMAC仿真软件,进行了最优潮流计算优化潮流以系统网损最小为目标,通过对各发电机的功率和变压器变比的调整,使各节点电压在0.95和1.05之间以潮流优化后的系统作为系统系统中各节点的电压如所示。

  潮流优化后系统各节点电压从图中可以看出,系统中20号母线电压最低,为Q 9810*35号母线电压最高,为1.0482,系统电压维持在较好的运行水平内。各节点电压及发电机负荷功率如表1所示以此条件作为系统的初始运行状态。

  表1新英格兰系统仿真分析的初始条件Table1Initialstatesforsimulation母线作原理和模型如~527附录A T细胞分化环节中模糊逻辑推理环节的设计T细胞分化环节中的模糊推理环节如文中细胞型免疫电压控制器结构所描述假定该被控对象数学模型为:和x2的函数,但不能确定具体的模型,仅能获得的信息是Vf与x2的微分成正比对象在平衡点(0,)T渐近稳定=0,V(x1,x2)在平衡点的邻域正定,要使V(X1,X2)为Lyapunov函数,则在平衡点的邻域应该有:通过上式推导其成立的充分条件,并注意到x2和控制变量Vf成正比的关系,可获得下述模糊推理规则:①如果x1为正,且x2也为正,则Vf为负大;②如果x1为负,且x2也为负,则Vf为正大;③如果x1为正,且x2为负,则Vf为0;④如果x1为负,且x2为正,则Vf为0输入语言变量取2个语言值:正(P)负(N);输出语言变量取3个语言值:负大(NB)零(ZE)正大(PB)通过仿真计算可大致定出这些变量的基本采用单点模糊,乘积推理,加权平均解模糊方式,应用所得的模糊推理规则,则可得模糊控制器的输出Vf为:其中以上应用模糊Lyapunov综合方法设计了分化环节的模糊逻辑控制器,只利用了部分信息就可推导出相应的模糊控制规则,同时保证了被控对象在平衡点处的局部渐近稳定性李海峰,男,博士研究生,研究方向为灵活交流输电系统王海风,男,博士,主要研究方向为灵活交流输电系统陈珩,男,教授,博士生导师,主要研究方向为电力系统仿真电力系统运行与控制、灵活交流输电系统

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