基于PID 控制技術(shù)的電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化控制系統(tǒng)

王馨悅，馬星河

（河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，焦作 454003）

電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展及用電需求持續(xù)增加，對于電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性需求也逐漸增加，因此，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能化、自動化[1]尤為重要。電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化控制指的是將自動控制技術(shù)應(yīng)用于整個電力系統(tǒng)中[2-3]，以此提升電力系統(tǒng)的自動化水平[4-5]，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。但是由于當(dāng)先電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致控制效果仍舊存在一定局限性[6]，整體控制效果不理想。因此，文獻(xiàn)[7]采用兩層控制結(jié)構(gòu)，進(jìn)行電網(wǎng)的分層控制，但是該方法無法滿足整體電力系統(tǒng)的控制需求；文獻(xiàn)[8]構(gòu)建基于信息熵的耦合控制模型，完成電力系統(tǒng)在多種擾動下的穩(wěn)定控制，如果電力系統(tǒng)在故障運(yùn)行狀態(tài)下，則該方法的控制可靠性不足。

PID 控制技術(shù)也稱為比例積分微分控制，其是依據(jù)給定結(jié)果和實際輸出結(jié)果組成控制偏差[9]，并按照比例、積分、微分的線性組合形成控制量，以此完成目標(biāo)控制[10-11]。因此，本文為實現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化控制，利用PID 控制技術(shù)的自動化優(yōu)勢，設(shè)計基于PID 控制技術(shù)的電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化控制系統(tǒng)。

1 電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

為實現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化控制，本文結(jié)合PID控制技術(shù)，設(shè)計基于PID 控制技術(shù)的電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于PID 控制技術(shù)的電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化控制系統(tǒng)Fig.1 Power system operation automation control system based on PID control technology

本系統(tǒng)整體分為3 層，分別是基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層以及控制層。基礎(chǔ)層主要是通過電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過通信管理機(jī)完成該數(shù)據(jù)傳輸，將其傳送至數(shù)據(jù)層中；數(shù)據(jù)層完成數(shù)據(jù)的接收和存儲，在該過程中采用數(shù)字簽名機(jī)制完成數(shù)據(jù)處理，以此保證數(shù)據(jù)的有效調(diào)用；控制層則依據(jù)電力系統(tǒng)的控制需求，調(diào)用數(shù)據(jù)層中存儲的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過PID 控制技術(shù)實現(xiàn)電力系統(tǒng)自動化控制。

1.2 現(xiàn)場控制器硬件結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場控制器是依據(jù)控制層的控制指令和控制方案，進(jìn)行電力系統(tǒng)現(xiàn)場控制指令的執(zhí)行，并且該控制器在控制層沒有下達(dá)控制整體控制指令前[12]，可自主依據(jù)采集的電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域的電力系統(tǒng)運(yùn)行控制。現(xiàn)場控制器整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。現(xiàn)場控制器整體結(jié)構(gòu)包含采集電路、串口、并口、串口儀器、并口儀器、控制接口、虛擬儀器軟件、計算機(jī)、計算機(jī)接口以及應(yīng)用程序等部分。控制層下達(dá)電力系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)控制指令和控制方案[13-14]。

圖2 現(xiàn)場控制器整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of onsite controller

1.3 數(shù)據(jù)層結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.3.1 數(shù)據(jù)分層傳輸結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)實現(xiàn)電力系統(tǒng)自動化控制的核心支撐，其可為自動化控制的實現(xiàn)提供可靠的電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)層能接收基礎(chǔ)層傳送的數(shù)據(jù)，同時支持控制層的數(shù)據(jù)調(diào)度，其在數(shù)據(jù)傳輸過程中，為保證數(shù)據(jù)的可靠性和安全性，采用分層傳輸管理模式完成數(shù)據(jù)傳輸，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)Fig.3 Data transmission structure

1.3.2 數(shù)據(jù)管理方法

數(shù)據(jù)層在進(jìn)行數(shù)據(jù)管理過程中，數(shù)據(jù)管理服務(wù)器為保證數(shù)據(jù)調(diào)度過程中的穩(wěn)定性，引入數(shù)字簽名機(jī)制。該機(jī)制可為電力系統(tǒng)自動化控制提供數(shù)據(jù)傳輸所需的信息保障協(xié)議，同時能夠依據(jù)應(yīng)用需求，將信息存儲于數(shù)據(jù)庫中。如果G1和G2表示不同類別的電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，則電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)度的數(shù)字簽名機(jī)制公式為

式中：W 表示數(shù)據(jù)編碼轉(zhuǎn)換條件；f 表示數(shù)據(jù)調(diào)度傳輸特征值參量；l 表示數(shù)據(jù)調(diào)用系數(shù)；χ 表示電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)一體化作用系數(shù)。

1.4 基于PID 的自動化控制方法

1.4.1 控制器結(jié)構(gòu)

本文對PID 控制方法進(jìn)行優(yōu)化，采用模糊理論對電力系統(tǒng)的非線性運(yùn)行變化特點(diǎn)進(jìn)行建模，精準(zhǔn)描述電力系統(tǒng)運(yùn)行的不確定性以及模糊性，并結(jié)合PD 控制器形成模糊級聯(lián)PID 控制器，控制層則依據(jù)該控制器完成電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化控制。模糊級聯(lián)PID 控制器結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 模糊級聯(lián)PID 控制器結(jié)構(gòu)Fig.4 Fuzzy cascade PID controller structure

模糊級聯(lián)PID 控制器在控制過程中主要包含兩個部分，一是外環(huán)控制，二是內(nèi)環(huán)控制，兩部分詳情如下所述：

（1）外環(huán)控制：外環(huán)控制也稱為電網(wǎng)主回路控制，該控制主要是依據(jù)PD 控制器完成，該控制器在進(jìn)行外環(huán)控制時，輸入?yún)?shù)為局部電網(wǎng)的控制誤差，其用ε（t）表示。

（2）內(nèi)環(huán)控制：該控制也稱為輔助回路控制，其主要采用模糊PID 控制器完成，該控制器以外環(huán)控制的輸出結(jié)果為輸入，輸出反饋信號。

1.4.2 電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化控制方法

如果電力系統(tǒng)的實際輸出結(jié)果用y（t）表示，設(shè)定結(jié)果用r（t）表示，兩者之間的誤差計算公式為

依據(jù)比例、積分和微分線形關(guān)系，完成ε（t）的組合處理，以此形成PID 控制器的控制量，用u（t）表示，則PID 控制器輸入和輸出之間的關(guān)聯(lián)為

式中：Kp表示比例系數(shù)；Ki表示積分時間常數(shù)；Kd表示微分時間常數(shù)。

傳遞函數(shù)用f（s）表示，其計算公式為

式中：s 表示電力系統(tǒng)的變化量。

本文為保證更佳的電力系統(tǒng)自動化控制效果，引入自適應(yīng)伸縮因子ηi，以此保證電力系統(tǒng)在非線性情況下的自動化控制效果，ηi的計算公式為

式中：ξ 表示極小正數(shù)；sc（t）和s（t）均表示輸入變量；兩者的初始模糊論域邊界用E1和E2表示。

由于Kp、Ki和Kd對于PID 控制器的控制效果存在直接影響，因此，為保證電力系統(tǒng)自動化控制效果，依據(jù)誤差ε（t）的計算結(jié)果，通過模糊理論完成Kp、Ki和Kd的優(yōu)化控制，優(yōu)化后三者的計算公式分別為

式中：φu和γu分別表示臨界增益和周期；ψm表示調(diào)整系數(shù)；Am表示調(diào)整幅度。

依據(jù)上述公式獲取的優(yōu)化后參數(shù)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化控制，并向基礎(chǔ)層下達(dá)協(xié)調(diào)控制指令以及結(jié)構(gòu)現(xiàn)場控制結(jié)果。

2 測試結(jié)果與分析

為驗證本文系統(tǒng)對于電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化控制的應(yīng)用效果，文中以某地區(qū)接入2 個光伏電站和風(fēng)機(jī)的360 V 電力系統(tǒng)為實驗對象，接入的光伏電站功率均為200 kW，風(fēng)機(jī)功率均為100 kW。

采用RPS 系數(shù)作為評價指標(biāo)，其值越大表示本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)調(diào)度能力越佳。獲取本文系統(tǒng)在不同的調(diào)度數(shù)據(jù)類別下，隨著數(shù)據(jù)量的逐漸增加，RPS 系數(shù)的測試結(jié)果，如表1 所示。對表1 測試結(jié)果進(jìn)行分析后得出：在不同的調(diào)度數(shù)據(jù)類別下，隨著數(shù)據(jù)量的逐漸增加，RPS 系數(shù)結(jié)果均在0.942 以上，極大程度接近1。是由于本文系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，數(shù)據(jù)層分層傳輸管理模式完成數(shù)據(jù)傳輸，并利用數(shù)字簽名機(jī)制完成數(shù)據(jù)調(diào)度。

表1 數(shù)據(jù)的調(diào)度能力測試結(jié)果Tab.1 Results of scheduling capability test of data

為驗證本文系統(tǒng)對于電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化控制的可靠性，文中采用失效率λ（t）和修復(fù)率μ（t）作為評價指標(biāo)，兩個指標(biāo)的計算公式為

式中：λ（t）表示系統(tǒng)在控制過程時，在t 時刻的失效概率；T 表示電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時間；P（）表示條件概率函數(shù)；Δt 表示采樣時間；μ（t）表示電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，故障的修復(fù)概率；TY表示故障持續(xù)時間。兩個指標(biāo)的結(jié)果均在0～100%之間，其值越大，表示本文系統(tǒng)控制的可靠性越佳。

依據(jù)上述公式獲取電力系統(tǒng)在故障運(yùn)行時，隨著故障比例的不斷增加，通過本文系統(tǒng)對其進(jìn)行控制，獲取控制后λ（t）和μ（t）指標(biāo)的結(jié)果，如表2 所示。對表2 測試結(jié)果進(jìn)行分析后得出：在不同的故障比例下，采用本文系統(tǒng)對其進(jìn)行自動化控制后，λ（t）和μ（t）的結(jié)果均在92.7%以上；是由于本文系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，結(jié)合現(xiàn)場控制器和模糊級聯(lián)PID 控制器完成控制，因此，控制效果較好，可更好地保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

表2 電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化控制的可靠性測試結(jié)果Tab.2 Reliability test results of automatic control of power system operation

為進(jìn)一步驗證本文系統(tǒng)對于電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化的控制效果，文中采用絕對誤差積分作為評價指標(biāo)，該指標(biāo)能夠衡量控制誤差的大小，該指標(biāo)取值在0～1 之間，其值越小，表示控制誤差越小，則本文系統(tǒng)的控制效果越佳，該指標(biāo)的計算公式為

式中：xol表示電網(wǎng)實際調(diào)度數(shù)值；xoq表示電力系統(tǒng)的實際控制結(jié)果。

依據(jù)公式（11）計算本文系統(tǒng)在不同的負(fù)荷比例下，隨著電力系統(tǒng)的運(yùn)行線路數(shù)量的逐漸增加的結(jié)果如圖5 所示。對圖5 測試結(jié)果進(jìn)行分析后得出：電力系統(tǒng)中發(fā)生不同比例負(fù)荷后，隨著運(yùn)行線路數(shù)量的逐漸增加，采用本文系統(tǒng)對其進(jìn)行控制后的結(jié)果均在0.025 以下，其中的最高值為0.020。因此，本文系統(tǒng)控制效果較好，可在極小誤差下完成電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化控制。

圖5 電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化的控制誤差Fig.5 Control error of power system operation automation

為驗證本文系統(tǒng)對于電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化控制的應(yīng)用性，采用本文系統(tǒng)對電力系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷進(jìn)行調(diào)度控制，并將控制結(jié)果和理想結(jié)果進(jìn)行對比，測試結(jié)果如圖6 所示。對圖6 測試結(jié)果進(jìn)行分析后得出：采用本文系統(tǒng)進(jìn)行電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化控制后，對電力系統(tǒng)中負(fù)荷的調(diào)度控制結(jié)果與理想結(jié)果幾乎完全吻合。因此，本文系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用性，能夠按照理想控制方案完成電力系統(tǒng)的自動化控制。

圖6 電力系統(tǒng)負(fù)荷控制結(jié)果Fig.6 Load control results of power system

為深入驗證本文系統(tǒng)的應(yīng)用性，獲取本文系統(tǒng)應(yīng)用后，電力系統(tǒng)的運(yùn)行電壓自動化控制輸出響應(yīng)結(jié)果，如圖7 所示。對圖7 測試結(jié)果進(jìn)行分析后得出：本文系統(tǒng)應(yīng)用后，下達(dá)電力系統(tǒng)運(yùn)行電壓控制指令后，現(xiàn)場控制器能夠依據(jù)控制指令完成電壓控制；并且呈現(xiàn)控制響應(yīng)結(jié)果，電壓的控制響應(yīng)結(jié)果均在360 V 左右，波動幅度較小，控制響應(yīng)能力較好。

圖7 電力系統(tǒng)自動化控制輸出響應(yīng)結(jié)果Fig.7 Output response results of power system automation control

3 結(jié)語

為滿足電力系統(tǒng)智能化運(yùn)行需求和用電需求，實現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化控制，本文設(shè)計基于PID控制技術(shù)的電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化控制系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)實現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)行自動化控制，全面掌握電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并呈現(xiàn)電力系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果以及故障處理，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。