基于PID電氣一次設備遠程啟閉優化PLC控制方法

摘"要：針對電氣一次設備遠程啟閉控制方法的落后狀況，提出了一種基于PID優化的

PLC控制算法。該PID控制方法能夠根據誤差和干擾信號的變化，及時調整控制算法，并在線調整控制器參數，以提高電氣一次設備遠程啟閉的控制效果。此外，結合B/S模式結構搭建系統框架，文章提出了基于PLC自動控制的遠程啟閉控制系統方案，為實現電氣一次設備的遠程啟閉控制提供了技術支撐。仿真結果表明，該方法能夠較好地實現電氣一次設備的遠程啟閉控制，為電氣一次設備的遠程啟閉有效控制提供了一種新途徑。

關鍵詞：電氣一次設備；遠程啟閉；PID；PLC控制

中圖分類號：TM762""""""文獻標識碼：A""""""文章編號：20959699（2024）03003806

隨著工業自動化技術的快速發展，電氣一次設備在各個領域的應用日益廣泛。電氣一次設備遠程啟閉控制的精確性和穩定性對相關系統的運行至關重要。截至目前，人們在電氣設備控制方面已有一些研究成果。陸旭鋒等[1]為解決啟閉控制系統響應時間過長的問題，結合PLC與PID算法，合理調配設備控制參數以實現啟閉控制。劉慶康等[2]在閉環控制中以PLC為控制器，實現電氣設備的傳輸控制命令，從而實現PLC閉環控制。楊秀芬等[3]采用PLC實現伺服電機轉速的閉環控制，且PLC系統下的閉環控制安全效果更佳。陳江波[4]指出，在自動啟動環節中，可充分利用PLC系統內嵌的控制模塊，并根據現場設備的操作特性，自主選擇適宜的運行時間。李曄等[5]以FPGA和ARM為核心控制器，并采用模糊PID控制算法實現對整個設備的控制。姬廣盈等[6]將PLC技術應用于電氣系統的發電機控制中，以可編程邏輯控制器實現發電機的雙向控制。丁菊萍等[7]在閉環控制中引入PLC技術及變頻器設備，利用可編程控制器的精準性能，對轉速測量情況進行科學調節。宋坤[8]利用PLC控制分解子程序，在FR+PLC算法控制下，通過電網倒閘操作點網格布局的方式，實現倒閘模擬操作的更高精準度。以上研究成果為在相關電氣設備的PID和PLC控制提供了一些參考。然而，截至目前，關于電氣一次設備遠程啟閉的PID控制研究成果仍然存在啟閉響應時間過長的問題。基于此，文章在以上文獻研究的基礎上提出了PID優化算法，同時通過PLC實現電氣一次的設備遠程啟閉控制，以提高相關電氣設備的響應速度和運行的穩定性。

1"PID優化算法

針對閥門啟閉過程中的非線性特性和時變特性，電氣一次設備的遠程啟閉采用PLC作為控制器，并使用優化的PID控制算法實現。采用PID控制器的變電站電氣一次設備遠程啟閉控制系統原理框圖，如圖1所示。

圖1展示的是模擬PID控制系統原理框圖，要通過PLC并采用PID控制算法對系統進行控制就必須將模擬PID進行離散化，將模擬PID控制器變成數字PID控制算法，然后再將數字化PID進行優化。從圖1可以看出PID控制器輸入信號為輸入與輸出的誤差信號，可表示為：

e（t）=r（t）－y（t）（1）

PID模擬控制器數學表達式如下：

u（t）=KPe（t）+1TI∫t0e（t）d（t）+TDde（t）d（t）（2）

式中，u為控制器輸出，KP為比例系數，TI為積分系數，TD為微分系數，e（t）為控制器輸入偏差信號。

下面將式（2）中各個模擬量進行離散化。令：

u（t）≈u（k），e（t）≈e（k）（3）

∫t0e（t）d（t）≈T∑kj=0e（j）（4）

de（t）d（t）≈e（k）－e（k－1）T（5）

將式（3）-（5）代入式（2）可得：

u（k）=u（k－1）+KPe（k）－e（k－1）+K1e（k）+KDe（k）－2e（k－1）+e（k－2）（6）

式中，K1=KPTTI，KD=KPTDT。

由式（6）可以得到：

Δu（k）=u（k）－u（k－1）=KPe（k）－e（k－1）+K1e（k）+KDe（k）－2e（k－1）+e（k－2）（7）

式（7）為增量式PID數字控制器算法。計算出控制量Δu（k）之后，在需要輸出值與執行機構（如閥門的開啟位置）相對應的場合，可由下式得出當前時刻控制量的值u（k），即位置型PID控制算法的遞推形式。

u（k）=u（k－1）+Δu（k）（8）

為了討論方便，將u（k）的增量式寫成如下：

Δu（k）=ΔuP（k）+ΔuI（k）+ΔuD（k）（9）

式中，ΔuP（k）=KPe（k）－e（k－1），ΔuI（k）=K1e（k），

ΔuD（k）=KDe（k）－2e（k－1）+e（k－2）

由于文章所討論的系統存在飽和和非線性環節，位置型PID控制算法中積分項控制作用過大將出現積分飽和，增量式控制算法中微分項或比例項控制作用過大將出現比例飽和或微分飽和，從而使系統出現過大超調或持續震蕩，動態品質變差。因此，為克服以上情況，對標準PID控制算法進行優化改進。

1.1"積分分離PID優化算法

積分分離PID優化算法的基本思想是：在被控量開始跟蹤時，偏差e（k）較大，取消積分，待被控量接近給定值時再將積分項投入作用。為此，根據偏差e（k）的大小設置一個閾值，當|e（k）|lt;=閾值時，即偏差e（k）比較小時，采用PID控制，以保證系統的控制精度，消除靜差；當|e（k）|gt;閾值時，取消積分控制，采用PD控制，以降低超調量。若進行積分分離，則使用以下算法：

u（k）=u（k－1）+ΔuP（k）+ΔuD（k）（10）

1.2"抗積分飽和優化

控制系統在開工、停工或大幅改變給定值時，系統輸出會出現較大偏差，且不可能在短時間內消除。經過PID算法中積分項的累計后，可能會使控制量u（k）變得很大，甚至超過執行機構的執行范圍，導致控制量達到飽和，可能溢出或小于零，此時執行機構已無響應，這就是積分飽和。這種情況下就是采用對運算出的控制量限幅，同時把積分項去掉。

1.3"不完全微分PID優化算法

微分運算的引入可以改善系統的動態特性，但對高頻干擾特別敏感，如遇被控量突變，微分輸出會增大，但由于持續時間較短，執行部件因慣性或動作范圍和速度的限制，其動作位置無法達到控制量的要求值，從而限制微分的正常校正作用，這樣就產生了所謂的微分失控（或微分飽和），其后果使過渡過程變長。改進的方法是采用不完全微分算法，即在微分部分串聯一個低通濾波器，或在PID控制器后串聯一個低通濾波器，抑制高頻干擾。不完全微分算法為：

uD（k）=－TfT+Tfu（k－1）+KPTDT+Tf［e（k）－e（k－1）］（11）

式中，T為采樣周期，Tf為慣性時間常數，TD為微分系數。

以上是對PID控制器的優化算法，根據系統控制器輸入偏差或具體情況，采用不同的控制策略。下面將討論分析如何將上述PID優化算法應用于變電站電氣一次設備遠程啟閉控制。

2"基于PID電氣一次設備遠程啟閉PLC控制

2.1"遠程監控

本節簡要介紹一種基于B/S模式結構的電氣一次設備遠程監控系統。在該遠程監控系統中，首先，數據庫服務器負責存儲和管理電氣一次設備的運行數據、設備參數等信息。現場控制端負責實時采集電氣一次設備的運行狀態、環境參數等，并將這些數據傳輸至數據庫服務器[4]。這樣一來，系統能夠實時掌握設備的運行狀況，為運維人員提供有力支持。其次，系統還具備遠程控制功能。通過現場控制端，運維人員可以對電氣一次設備進行遠程操作，如開關、調節參數等[5]。這大大提高了運維效率，降低了人工巡檢的勞動強度。同時，系統還可以根據設備的運行數據進行故障預警和診斷，幫助運維人員及時發現并解決問題。系統結構如圖2所示，該系統通過生成遠程啟閉指令，能夠實現電氣一次設備的遠程控制。

2.2"指令傳輸

為了更好地實現電氣一次設備的遠程啟閉，必須構建一套啟閉指令控制系統，以完成遠程操控。該系統分為四個部分：指令發出、指令傳輸、指令控制和指令執行。在傳輸過程中，為保證指令的順利執行，需要將數據信號逐步轉換為電頻信號。為確保系統的穩定性，文章將瞬態誤差控制在可接受范圍內，以優化電氣一次設備的遠程啟閉指令，從而調整信號轉換結果[6]。電氣一次設備對應的瞬態誤差曲線如圖3所示。

瞬時誤差變量是指在根據啟閉指令提取的誤差量基礎上，結合前兩個相鄰時間點的誤差值，用來衡量目標物體的位置、速度或其他相關性質的變量[7]。瞬時誤差變量的計算方法是根據啟閉指令的初始發送時間點確定的。通過對瞬時誤差變量的分析，可以更準確地預測目標物體的位置和狀態。計算公式如式（12）所示：

Δe（k）=e（k）－e（k－1）（12）

式中，k表示電氣設備接收指令的時刻；e（k）表示誤差數值；Δe（k）代表瞬時誤差變量。

式（12）用于計算發送時間點的誤差值。如果該誤差值超過可控范圍上限，則說明瞬時誤差表現出持續增長的趨勢。此時，信號傳輸速度與誤差峰值呈反比下降的趨勢。在瞬時誤差可控的情況下，可以通過優化開環計算邏輯處理瞬態誤差，以提高系統的性能和穩定性。

圖3中的瞬態誤差變量在1、3、5和7等區域主要采用開環邏輯進行優化計算。這意味著在這些區域，瞬態誤差變量通過開環控制算法進行調整，以減少誤差。在這四個區域之外，在其他區域則采用釋放控制量的方法，以計算瞬時誤差變量。針對不同的狀態采用不同的計算方法，目的是確保指令傳輸結果的準確性，從而保證系統的穩定性和可靠性。

在控制系統中，瞬態誤差是指在遭遇外部干擾或發生變化時，系統所產生的短暫性誤差。反之，靜態誤差反映了系統在長時間穩定狀態下的一般誤差狀況。為了減小瞬態誤差并逐步使其接近最小初始誤差絕對值，控制系統需根據當前誤差狀況進行相應調整。若誤差低于可控范圍下限，系統將自動選擇部分可控優化量替代原有控制量，以降低瞬態誤差。反之，若可控范圍下限高于誤差絕對值，系統將逐步接近最大初始誤差絕對值[8]。由此，控制系統能夠保持更穩定、可靠的運行狀態，并最大限度降低誤差水平。針對以上情況，可以采用相應的PID優化算法應對。

2.3"基于PID電氣一次設備遠程啟閉PLC控制

上文提出的PID優化算法是一種用于優化輸出結果穩定性的算法。該算法通過監測初始誤差變量的絕對值，并根據其變化趨勢調整優化輸出量的強度，以保持系統的穩定性。當初始誤差量的絕對值不變或連續下降時，采用式（7）和式（8）的PID優化控制算法將保持輸出結果的穩定性。這意味著系統已接近最優狀態，不需要過多調整優化輸出量。

然而，當初始誤差變量的絕對值達到峰值狀態時，需要增加優化輸出量的強度，以幫助系統快速調整到更優的狀態；相反，如果初始誤差變量的絕對值較低，需要降低優化輸出量的強度，以避免系統過度調整而導致不穩定的情況發生。也就是說，當誤差變量的絕對值達到峰值時，采用抗積分飽和控制方法。

另外，當被控量開始被跟蹤時，偏差e（k）較大，其絕對值大于某一設定值時，采用式（8）的PD控制；當控制處于線性區域時，為了防止高頻干擾，可以采用帶有式（9）的不完全微分PID控制算法。

總而言之，基于PID變電站一次電氣設備遠程啟閉PLC控制系統是根據上述幾種誤差信號情況，適時采用不同的PID控制策略，并通過PLC輸出控制信號，使一次電氣設備的遠程啟閉得以平滑穩定控制。

綜上分析，通過對PID算法的優化和改進，可以實現對電氣一次設備遠程啟閉系統的良好控制。改進后的PID控制算法不僅考慮了設備的時變性和非線性特性，還考慮了高頻干擾、超調和延時問題，從而提高了系統的穩定性和控制效果。另外，還可以通過整定PID算法中的參數進一步優化PLC控制輸出，以提高控制效果。下面通過仿真實驗來驗證上述提出的控制方法在一次電氣設備閥門遠程啟閉控制中的有效性和可行性。

3"仿真實驗

3.1"實驗環境

為開展實驗研究，搭建了一個模擬電氣一次設備遠程啟閉控制的實驗平臺。該平臺包括PLC控制器、電氣一次設備、遠程通信模塊，以及相應的傳感器、執行機構和換流器等。PLC控制器選用了高性能的PLC300，具備強大的數據處理和邏輯控制能力，確保控制算法的精確執行。電氣一次設備采用了具有高精度和可靠性的產品，以滿足實驗對其啟閉控制性能的要求。所用仿真模型如圖4所示。本仿真實驗所用模型的主要參數如表1所示。

3.2"實驗過程

在電氣一次設備中，為確保系統的穩定運行，通常需要對換流器端口的功率分配進行優化。在這種情況下，一種常見的策略是基于系統負載的分配原則，以確保每個設備都能正常工作，并且整個系統負載得到平衡。通常情況下，當一個換流器（如換流器1）注入基本功率時，其余的四個換流器會吸收相應比例的功率，以平衡系統負載。這種功率分配策略是通過對有功功率和無功功率的分析來實現的。有功功率是系統中真實功率的度量，而無功功率則表示系統中的虛功。通過對這兩種功率的變化趨勢進行分析，可以得出關于換流器傳輸功率變化的詳細信息。仿真模型的應用在此過程中至關重要。通過觀察和分析功率變化波形圖，可以獲得關于換流器傳輸功率變化的詳細信息，進而評估系統的性能和穩定性。模擬得出的換流器功率變化情況通常以圖表的形式展示，如圖5所示。

如圖5所示，在直流側預充電啟動的三個換流器中，線路合閘前這些換流器不會產生任何有功和無功功率。但在線路合閘后，這些換流器開始發揮作用，產生一定的有功和無功功率。在實驗過程中，無功功率保持穩定，而有功功率呈現出顯著的下降趨勢，最終趨于穩定，約為-100MW。值得關注的是，不同換流器之間的有功功率相互影響，從而導致整體呈現出不同程度的波動現象。

3.3"實驗結果分析

在實驗中，將本文提出的控制方法與文獻[5]和文獻[1]提出的PID控制方法的控制效果進行比較。實驗結果顯示，使用本文提出的控制方法所有換流器的平均響應時間為1.45秒。而使用文獻[5]和文獻[1]所提出的控制方法所有換流器平均響應時間分別為3.77秒與4.03秒，顯然本文提出的方法更好。總之，本文提出的控制方法與其他兩種控制方法比較，啟閉控制響應時間分別減少了61.54%和64.02%，圖6所示為三種控制方法的換流器平均響應時間對比圖，其中控制方法1為該文提出的控制方法，控制方法2為文獻[9]中提出的控制方法，控制方法3為文獻[10]提出的控制方法。

通過以上實驗結果分析，文章提出的PID優化控制方法在遠程閥門啟閉控制效果方面比目前已有控制方法有了顯著提高，具有明顯的改進，有效提升了設備的響應速度，從而保障電氣一次設備的安全運行。因此，將文章提出的控制方法應用于變電站工作系統中，具有良好的效果和安全性。

4"結論

本文針對變電站電氣一次設備閥門的遠程啟閉控制方法開展了相應的研究工作，提出了優化的PID算法，并通過PLC實現對電氣一次設備遠程啟閉過程的良好控制。仿真結果表明，文章提出的控制方法使換流器具有較高的響應速度和穩定性，能夠顯著提高設備的運行效率和可靠性。此外，該方法還具備通用性和可擴展性，能夠適應不同設備和場景的控制需求。顯然，該文提出的PID優化控制方法為變電站電氣一次設備控制閥門的遠程啟閉控制提供了一種新的途徑。然而，該文的研究是通過仿真實驗完成的，如果將該方法應用于實際，還需進一步考慮實際系統的不確定因素，并不斷改進，這是未來需要進一步研究的課題。

參考文獻：

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責任編輯：肖祖銘

Optimal PLC Control Method for Remote Opening and Closing ofElectrical Primary Equipment Based on PID

XIE Shanjin1， GUO Zhan2

（1. Zhicheng College， Fuzhou University， Fuzhou 350000， China;

2.School of Mechanical and Electronic Engineering， Jingdezhen University， Jingdezhen 333400， China）

Abstract：Aiming at the backward condition of remote opening and closing control method of electrical primary equipment， a PLC control algorithm based on PID optimization is proposed. The PID control method can adjust the control algorithm in time and the parameters of the controller online according to the change of error and interference signal， improving the remote opening and closing control effect of electrical primary equipment. In addition， the system framework is built combined with B/S mode structure， and the scheme of remote opening and closing control system based on PLC automatic control is given， which provides technical support for realizing remote opening and closing control of electrical primary equipment. The simulation experiment results show that this method can well realize the remote opening and closing control of electrical primary equipment， providing a new approach for effective remote control.

Keywords：electrical primary equipment; remote opening and closing; PID; PLC control