基于閉環控制的電力自動化控制系統研究

摘要：文章結合電力系統運行狀況，介紹了一種基于閉環控制的電力自動化控制系統，通過閉環控制滿足智能管控的需求，實現電力系統運行自動化控制。該系統由基礎層、數據層和控制層構成，文章對系統的組成架構及相關部分功能進行了設計，該系統的推廣應用促進了電力系統管控的智能化發展和電力企業的數字化建設，提升了電力系統數據調度能力，有效實現了電力企業運營管理水平的提高，具有很好的應用前景和現實的應用價值。

關鍵詞：閉環控制；電力系統；自動控制；智能電網

中圖分類號：TP13

文獻標志碼：A

0 引言

隨著用電需求的增加和電力系統的持續發展， 電網安全穩定運行越來越重要。近年來電網智能化和自動化運行逐漸成熟，自動控制技術在電力系統中的應用可以掌握電力系統的運行狀態，并對其運行實施自動化控制，從而實現電網調度自動化，為電網的穩定運行提供重要保障。通過自動化技術對電網相關運行狀態參數進行控制， 以數據回傳的方式向調度中心展示控制結果， 為調度人員對電網運行狀態的監控提供了方便，也可以很好地了解電網供需平衡關系。實現電力系統運行及調度自動化可以有效降低人工成本，實現電網安全可靠運行，為智能電網建設提供了重要保障。

1 閉環控制技術

作為自動控制理論中的關鍵控制技術，閉環控制因引入了反饋環節可以實現輸入與輸出的無靜差控制，具有較高的控制精度，因此在工程中得到了廣泛的應用，而比例、積分和微分控制器（PID控制）具有結構簡單、可靠性高、穩定性好且易于調節的優點成為自動控制的關鍵技術之一。當被控對象的數學模型難以建立，其結構及相關參數無法準確獲得，同時控制器結構和參數需要現場調試和經驗進行確定時，PID控制技術具有一定的優勢，該技術可以對掌握不全面的系統和被控對象進行閉環控制，避免通過測量手段獲取系統參數，降低了參數對控制性能的影響，具有較強的魯棒性^［1-2］。

PID調節器將目標值與實際值偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行線性組合，通過對偏差量的不斷調整實現實際值跟隨目標值的閉環控制。PID控制器的結構如圖1所示。

根據結構框圖可以推導其傳遞函數如式（1）所示：

式中，G（s）為系統傳遞函數；U（s）為系統輸出；E（s）為系統的偏差；K_p、K_I、K_D分別為比例、積分、微分系數。在對系統進行控制理論和數學分析過程中，通常借助拉普拉斯變換和傅里葉變換實現控制系統暫態和穩態特性的分析。為了方便軟件代碼實現該算法，需要對其進行時域分析，并對其進行離散化從而得到相關參數，系統傳遞函數的時域表達式如下所示：

式中，u（t）為時域系統輸出，e（t）為時域系統給定和反饋的偏差信號。

2 自動化控制系統技術方案

2.1 系統架構

基于閉環控制技術實現電力系統自動化控制，采用PID控制器實現系統輸出結果的反饋控制，從而實現電力系統的可靠運行，控制系統采用分層結構設計，由基礎層、數據層和控制層3部分構成，自動化控制系統的結構如圖2所示。

其中，基礎層通過數據采集系統對電力系統運行狀態進行數據采集，并通過信息交互接口將其傳輸至數據層；數據層采用數字簽名機制并根據數據分層傳輸結構對所接受的數據進行存儲和調用；控制層對數據層的數據進行調用，采用PID控制器完成電力系統自動化控制，并向基礎層下發協調控制指令，從而實現閉環控制^［3］。

2.2 控制器硬件結構

控制層主要用來實現電力系統控制方案及整體協調控制指令的下發，自動化控制系統控制層的控制方案通過控制器來執行，電力系統運行控制指令由控制器下發并對其運行狀態進行監測，當整體控制指令沒有下發前，控制器可以對區域電力系統的運行數據進行采集并控制其運行狀態。控制器硬件由采集電路、串口設備、并口設備、計算機及接口、通信接口、控制接口、虛擬儀器設備和應用程序構成^［4-5］。

3 系統設計關鍵技術

3.1 數據管理方法

數據層作為基礎層和控制層的連接橋梁，是電力自動化控制系統的重要組成部分，一方面可以接收基礎層發送的數據信息，為自動化控制提供數據支撐；另一方面其存儲的數據可以滿足控制層的調度需求。為了保證數據傳輸過程的安全性和準確性，數據按分層的方式進行管理和傳輸。

由上述可知，數據層的作用是實現系統中相關數據信息的處理和存儲，在對數據進行操作時，數據處理服務器采用數字簽名機制可以為數據調度過程的穩定性提供保證。數字簽名機制根據數據類型及應用需求，保存數據并形成數據庫供調度使用。電力自動化控制系統數據傳輸需要按照協議進行，可以為數據傳輸提供信息保障。電力系統進行數據調度時采用的數字簽名機制如下所示：

式中，D₁和D₂分別為2種電力系統的運行數據；f為數據傳輸特征值；W為數據編碼轉換條件；a、b分別為電力系統數據調用系數和一體化作用系數。

3.2 PID控制方法

結合電力系統運行的不確定性和系統非線性的特點，基于模糊控制對PID算法進行優化，構建模糊PID控制器，包括伸縮因子、模糊控制器和PID控制器3部分。為了提高系統的控制性能，采用PD控制器與模糊PID控制器進行級聯，控制層根據該控制策略實現電力系統的自動化控制。

采用級聯控制器實現電力系統的自動化控制包括內環控制和外環控制2部分，從而實現系統的雙閉環控制，具體功能如下。

（1）外環控制：采用PD控制器完成電網主回路控制，將區域電網的控制誤差作為PD控制器的輸入信號，通過對誤差的閉環控制實現電力系統的穩定運行。

（2）內環控制：采用模糊PID控制器完成電網輔助回路控制，將外環控制的結果作為內環控制器的輸入信號，并將反饋信號作為其輸出。

將電力系統的給定結果表示為r（t），實際輸出結果表示為y（t），二值的誤差如下所示：

e（t）=r（t）-y（t） """（4）

根據PID控制器比例、積分、微分的組合關系，對誤差信號進行控制，控制器的輸入和輸出關系如下所示：

式中，K_p、K_I、K_D分別為比例、積分、微分系數。為了保證系統非線性條件下的控制效果，通過模糊伸縮因子對控制參數進行優化，伸縮因子計算公式如下：

式中，s₁（t）和s₂（t）表示輸入變量；ξ表示極小正數；B₁和B₂表示2個輸入變量模糊域邊界。參數優化后可以通過控制層向基礎層下發協調控制指令，并對系統運行結果進行監控，從而實現電力系統自動化控制。

4 案例分析

為了驗證電力自動化控制系統的控制效果，以某電力系統為研究對象，先對系統的數據調度能力進行驗證，對不同調度數據類別下的調度能力進行了分析，如表1所示。

通過表1可以發現，由于本文采用數據分層傳輸管理，并采用數字簽名機制對數據進行調度，因此隨著數據量的不斷增加，數據調度能力量化值接近1，調度能力較好。

為了驗證自動化控制系統的性能，通過失效率和修復率對其進行評價，根據數據采樣時間和系統正常運行時間對某時刻的失效概率進行計算，同時根據故障持續時間對系統運行過程中的故障修復概率進行計算，二者的計算結果取值范圍是0～100，值越大控制效果越好，具體如表2所示。

由表2可知，隨著故障比例的增加，自動化控制系統的失效率和修復率都較高，驗證了本文設計的閉環控制器的性能，達到了較好的控制效果，為電力系統的穩定運行提供了保證。

5 結語

基于閉環控制技術構建電力自動化控制系統，可滿足電力系統智能化運行和智能電網建設的需求，實現了電力系統的自動化控制。該系統促進了電力自動化控制系統的科學化發展和電力企業信息化建設，采用閉環控制滿足電力系統安全穩定運行需求，有效提升了電力公司的運營管理水平，具有很好的發展前景和實用價值。

參考文獻

［1］王馨悅，馬星河.基于PID控制技術的電力系統運行自動化控制系統［J］.控制系統與智能制造，2024（1）：66-70.

［2］徐浩，姜新雄，劉志成，等.基于概率預測的電網靜態安全運行風險評估及主動調控策略［J］.電力系統自動化，2022（1）：182-191.

［3］張成，張艷.新能源互聯電力系統雙積分反饋PID負荷頻率控制［J］.電力系統及其自動化學報，2022（10）：73-80.

［4］項雷軍，陳昊，郭新華，等.基于模糊分數階PID的含電動汽車的多能源微電網二次頻率控制［J］.電力自動化設備，2021（11）：74-80.

［5］孫湛冬，焦嬌，李偉，等.基于改進蟻群算法的電力云數據中心任務調度策略研究［J］.電力系統保護與控制，2022（2）：95-101.

（編輯 沈 強）

Research on power automation control system based on closed loop control technology

Sun" Zekun， Shu" Chenglong

（Yiyuan County Power Supply Company， State Grid Shandong Electric Power Company， Zibo 256100， China）

Abstract：this paper introduces a kind of power automation control system based on closed-loop control， which can satisfy the aim of intelligent management and control， and realize the automatic control of power system operation. The system consists of basic layer， data layer and control layer. This paper designs the structure and related functions of the system， the popularization and application of the system promotes the intelligent development of power system management and the digital construction of Power Enterprises， improves the data dispatching ability of power system， and effectively realizes the improvement of the operation and management level of power enterprises， it has good application prospect and practical application value.

Key words：closed loop control; power system; automatic control; smart grid