摘"要：針對電氣一次設(shè)備遠(yuǎn)程啟閉控制方法的落后狀況，提出了一種基于PID優(yōu)化的

PLC控制算法。該P(yáng)ID控制方法能夠根據(jù)誤差和干擾信號的變化，及時調(diào)整控制算法，并在線調(diào)整控制器參數(shù)，以提高電氣一次設(shè)備遠(yuǎn)程啟閉的控制效果。此外，結(jié)合B/S模式結(jié)構(gòu)搭建系統(tǒng)框架，文章提出了基于PLC自動控制的遠(yuǎn)程啟閉控制系統(tǒng)方案，為實(shí)現(xiàn)電氣一次設(shè)備的遠(yuǎn)程啟閉控制提供了技術(shù)支撐。仿真結(jié)果表明，該方法能夠較好地實(shí)現(xiàn)電氣一次設(shè)備的遠(yuǎn)程啟閉控制，為電氣一次設(shè)備的遠(yuǎn)程啟閉有效控制提供了一種新途徑。

關(guān)鍵詞：電氣一次設(shè)備；遠(yuǎn)程啟閉；PID；PLC控制

中圖分類號：TM762""""""文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A""""""文章編號：20959699（2024）03003806

隨著工業(yè)自動化技術(shù)的快速發(fā)展，電氣一次設(shè)備在各個領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。電氣一次設(shè)備遠(yuǎn)程啟閉控制的精確性和穩(wěn)定性對相關(guān)系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要。截至目前，人們在電氣設(shè)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(tǒng)響應(yīng)時間過長的問題，結(jié)合PLC與PID算法，合理調(diào)配設(shè)備控制參數(shù)以實(shí)現(xiàn)啟閉控制。劉慶康等[2]在閉環(huán)控制中以PLC為控制器，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的傳輸控制命令，從而實(shí)現(xiàn)PLC閉環(huán)控制。楊秀芬等[3]采用PLC實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，且PLC系統(tǒng)下的閉環(huán)控制安全效果更佳。陳江波[4]指出，在自動啟動環(huán)節(jié)中，可充分利用PLC系統(tǒng)內(nèi)嵌的控制模塊，并根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的操作特性，自主選擇適宜的運(yùn)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(shí)現(xiàn)對整個設(shè)備的控制。姬廣盈等[6]將PLC技術(shù)應(yīng)用于電氣系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)控制中，以可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的雙向控制。丁菊萍等[7]在閉環(huán)控制中引入PLC技術(shù)及變頻器設(shè)備，利用可編程控制器的精準(zhǔn)性能，對轉(zhuǎn)速測量情況進(jìn)行科學(xué)調(diào)節(jié)。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(wǎng)倒閘操作點(diǎn)網(wǎng)格布局的方式，實(shí)現(xiàn)倒閘模擬操作的更高精準(zhǔn)度。以上研究成果為在相關(guān)電氣設(shè)備的PID和PLC控制提供了一些參考。然而，截至目前，關(guān)于電氣一次設(shè)備遠(yuǎn)程啟閉的PID控制研究成果仍然存在啟閉響應(yīng)時間過長的問題?；诖耍恼略谝陨衔墨I(xiàn)研究的基礎(chǔ)上提出了PID優(yōu)化算法，同時通過PLC實(shí)現(xiàn)電氣一次的設(shè)備遠(yuǎn)程啟閉控制，以提高相關(guān)電氣設(shè)備的響應(yīng)速度和運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1"PID優(yōu)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(shè)備的遠(yuǎn)程啟閉采用PLC作為控制器，并使用優(yōu)化的PID控制算法實(shí)現(xiàn)。采用PID控制器的變電站電氣一次設(shè)備遠(yuǎn)程啟閉控制系統(tǒng)原理框圖，如圖1所示。

圖1展示的是模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖，要通過PLC并采用PID控制算法對系統(tǒng)進(jìn)行控制就必須將模擬PID進(jìn)行離散化，將模擬PID控制器變成數(shù)字PID控制算法，然后再將數(shù)字化PID進(jìn)行優(yōu)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(shù)學(xué)表達(dá)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(shù)，TI為積分系數(shù)，TD為微分系數(shù)，e（t）為控制器輸入偏差信號。

下面將式（2）中各個模擬量進(jìn)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(shù)字控制器算法。計算出控制量Δu（k）之后，在需要輸出值與執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如閥門的開啟位置）相對應(yīng)的場合，可由下式得出當(dāng)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(tǒng)存在飽和和非線性環(huán)節(jié)，位置型PID控制算法中積分項控制作用過大將出現(xiàn)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(xiàn)比例飽和或微分飽和，從而使系統(tǒng)出現(xiàn)過大超調(diào)或持續(xù)震蕩，動態(tài)品質(zhì)變差。因此，為克服以上情況，對標(biāo)準(zhǔn)PID控制算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1.1"積分分離PID優(yōu)化算法

積分分離PID優(yōu)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(jù)偏差e（k）的大小設(shè)置一個閾值，當(dāng)|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(tǒng)的控制精度，消除靜差；當(dāng)|e（k）|gt;閾值時，取消積分控制，采用PD控制，以降低超調(diào)量。若進(jìn)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(yōu)化

控制系統(tǒng)在開工、停工或大幅改變給定值時，系統(tǒng)輸出會出現(xiàn)較大偏差，且不可能在短時間內(nèi)消除。經(jīng)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(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行范圍，導(dǎo)致控制量達(dá)到飽和，可能溢出或小于零，此時執(zhí)行機(jī)構(gòu)已無響應(yīng)，這就是積分飽和。這種情況下就是采用對運(yùn)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(yōu)化算法

微分運(yùn)算的引入可以改善系統(tǒng)的動態(tài)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(xù)時間較短，執(zhí)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(dá)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(chǎn)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(jìn)的方法是采用不完全微分算法，即在微分部分串聯(lián)一個低通濾波器，或在PID控制器后串聯(lián)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(shù)，TD為微分系數(shù)。

以上是對PID控制器的優(yōu)化算法，根據(jù)系統(tǒng)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(yōu)化算法應(yīng)用于變電站電氣一次設(shè)備遠(yuǎn)程啟閉控制。

2"基于PID電氣一次設(shè)備遠(yuǎn)程啟閉PLC控制

2.1"遠(yuǎn)程監(jiān)控

本節(jié)簡要介紹一種基于B/S模式結(jié)構(gòu)的電氣一次設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。在該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，首先，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲和管理電氣一次設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)等信息?，F(xiàn)場控制端負(fù)責(zé)實(shí)時采集電氣一次設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器[4]。這樣一來，系統(tǒng)能夠?qū)崟r掌握設(shè)備的運(yùn)行狀況，為運(yùn)維人員提供有力支持。其次，系統(tǒng)還具備遠(yuǎn)程控制功能。通過現(xiàn)場控制端，運(yùn)維人員可以對電氣一次設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，如開關(guān)、調(diào)節(jié)參數(shù)等[5]。這大大提高了運(yùn)維效率，降低了人工巡檢的勞動強(qiáng)度。同時，系統(tǒng)還可以根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行故障預(yù)警和診斷，幫助運(yùn)維人員及時發(fā)現(xiàn)并解決問題。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該系統(tǒng)通過生成遠(yuǎn)程啟閉指令，能夠?qū)崿F(xiàn)電氣一次設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

2.2"指令傳輸

為了更好地實(shí)現(xiàn)電氣一次設(shè)備的遠(yuǎn)程啟閉，必須構(gòu)建一套啟閉指令控制系統(tǒng)，以完成遠(yuǎn)程操控。該系統(tǒng)分為四個部分：指令發(fā)出、指令傳輸、指令控制和指令執(zhí)行。在傳輸過程中，為保證指令的順利執(zhí)行，需要將數(shù)據(jù)信號逐步轉(zhuǎn)換為電頻信號。為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，文章將瞬態(tài)誤差控制在可接受范圍內(nèi)，以優(yōu)化電氣一次設(shè)備的遠(yuǎn)程啟閉指令，從而調(diào)整信號轉(zhuǎn)換結(jié)果[6]。電氣一次設(shè)備對應(yīng)的瞬態(tài)誤差曲線如圖3所示。

瞬時誤差變量是指在根據(jù)啟閉指令提取的誤差量基礎(chǔ)上，結(jié)合前兩個相鄰時間點(diǎn)的誤差值，用來衡量目標(biāo)物體的位置、速度或其他相關(guān)性質(zhì)的變量[7]。瞬時誤差變量的計算方法是根據(jù)啟閉指令的初始發(fā)送時間點(diǎn)確定的。通過對瞬時誤差變量的分析，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測目標(biāo)物體的位置和狀態(tài)。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(shè)備接收指令的時刻；e（k）表示誤差數(shù)值；Δe（k）代表瞬時誤差變量。

式（12）用于計算發(fā)送時間點(diǎn)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(xiàn)出持續(xù)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(yōu)化開環(huán)計算邏輯處理瞬態(tài)誤差，以提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

圖3中的瞬態(tài)誤差變量在1、3、5和7等區(qū)域主要采用開環(huán)邏輯進(jìn)行優(yōu)化計算。這意味著在這些區(qū)域，瞬態(tài)誤差變量通過開環(huán)控制算法進(jìn)行調(diào)整，以減少誤差。在這四個區(qū)域之外，在其他區(qū)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(tài)采用不同的計算方法，目的是確保指令傳輸結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

在控制系統(tǒng)中，瞬態(tài)誤差是指在遭遇外部干擾或發(fā)生變化時，系統(tǒng)所產(chǎn)生的短暫性誤差。反之，靜態(tài)誤差反映了系統(tǒng)在長時間穩(wěn)定狀態(tài)下的一般誤差狀況。為了減小瞬態(tài)誤差并逐步使其接近最小初始誤差絕對值，控制系統(tǒng)需根據(jù)當(dāng)前誤差狀況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。若誤差低于可控范圍下限，系統(tǒng)將自動選擇部分可控優(yōu)化量替代原有控制量，以降低瞬態(tài)誤差。反之，若可控范圍下限高于誤差絕對值，系統(tǒng)將逐步接近最大初始誤差絕對值[8]。由此，控制系統(tǒng)能夠保持更穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行狀態(tài)，并最大限度降低誤差水平。針對以上情況，可以采用相應(yīng)的PID優(yōu)化算法應(yīng)對。

2.3"基于PID電氣一次設(shè)備遠(yuǎn)程啟閉PLC控制

上文提出的PID優(yōu)化算法是一種用于優(yōu)化輸出結(jié)果穩(wěn)定性的算法。該算法通過監(jiān)測初始誤差變量的絕對值，并根據(jù)其變化趨勢調(diào)整優(yōu)化輸出量的強(qiáng)度，以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)初始誤差量的絕對值不變或連續(xù)下降時，采用式（7）和式（8）的PID優(yōu)化控制算法將保持輸出結(jié)果的穩(wěn)定性。這意味著系統(tǒng)已接近最優(yōu)狀態(tài)，不需要過多調(diào)整優(yōu)化輸出量。

然而，當(dāng)初始誤差變量的絕對值達(dá)到峰值狀態(tài)時，需要增加優(yōu)化輸出量的強(qiáng)度，以幫助系統(tǒng)快速調(diào)整到更優(yōu)的狀態(tài)；相反，如果初始誤差變量的絕對值較低，需要降低優(yōu)化輸出量的強(qiáng)度，以避免系統(tǒng)過度調(diào)整而導(dǎo)致不穩(wěn)定的情況發(fā)生。也就是說，當(dāng)誤差變量的絕對值達(dá)到峰值時，采用抗積分飽和控制方法。

另外，當(dāng)被控量開始被跟蹤時，偏差e（k）較大，其絕對值大于某一設(shè)定值時，采用式（8）的PD控制；當(dāng)控制處于線性區(qū)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(shè)備遠(yuǎn)程啟閉PLC控制系統(tǒng)是根據(jù)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(shè)備的遠(yuǎn)程啟閉得以平滑穩(wěn)定控制。

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

3"仿真實(shí)驗

3.1"實(shí)驗環(huán)境

為開展實(shí)驗研究，搭建了一個模擬電氣一次設(shè)備遠(yuǎn)程啟閉控制的實(shí)驗平臺。該平臺包括PLC控制器、電氣一次設(shè)備、遠(yuǎn)程通信模塊，以及相應(yīng)的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和換流器等。PLC控制器選用了高性能的PLC300，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和邏輯控制能力，確保控制算法的精確執(zhí)行。電氣一次設(shè)備采用了具有高精度和可靠性的產(chǎn)品，以滿足實(shí)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(shí)驗所用模型的主要參數(shù)如表1所示。

3.2"實(shí)驗過程

在電氣一次設(shè)備中，為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，通常需要對換流器端口的功率分配進(jìn)行優(yōu)化。在這種情況下，一種常見的策略是基于系統(tǒng)負(fù)載的分配原則，以確保每個設(shè)備都能正常工作，并且整個系統(tǒng)負(fù)載得到平衡。通常情況下，當(dāng)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(yīng)比例的功率，以平衡系統(tǒng)負(fù)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(shí)現(xiàn)的。有功功率是系統(tǒng)中真實(shí)功率的度量，而無功功率則表示系統(tǒng)中的虛功。通過對這兩種功率的變化趨勢進(jìn)行分析，可以得出關(guān)于換流器傳輸功率變化的詳細(xì)信息。仿真模型的應(yīng)用在此過程中至關(guān)重要。通過觀察和分析功率變化波形圖，可以獲得關(guān)于換流器傳輸功率變化的詳細(xì)信息，進(jìn)而評估系統(tǒng)的性能和穩(wěn)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(cè)預(yù)充電啟動的三個換流器中，線路合閘前這些換流器不會產(chǎn)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(fā)揮作用，產(chǎn)生一定的有功和無功功率。在實(shí)驗過程中，無功功率保持穩(wěn)定，而有功功率呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢，最終趨于穩(wěn)定，約為-100MW。值得關(guān)注的是，不同換流器之間的有功功率相互影響，從而導(dǎo)致整體呈現(xiàn)出不同程度的波動現(xiàn)象。

3.3"實(shí)驗結(jié)果分析

在實(shí)驗中，將本文提出的控制方法與文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[1]提出的PID控制方法的控制效果進(jìn)行比較。實(shí)驗結(jié)果顯示，使用本文提出的控制方法所有換流器的平均響應(yīng)時間為1.45秒。而使用文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[1]所提出的控制方法所有換流器平均響應(yīng)時間分別為3.77秒與4.03秒，顯然本文提出的方法更好?？傊?，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(yīng)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(yīng)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(xiàn)[9]中提出的控制方法，控制方法3為文獻(xiàn)[10]提出的控制方法。

通過以上實(shí)驗結(jié)果分析，文章提出的PID優(yōu)化控制方法在遠(yuǎn)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(jìn)，有效提升了設(shè)備的響應(yīng)速度，從而保障電氣一次設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，將文章提出的控制方法應(yīng)用于變電站工作系統(tǒng)中，具有良好的效果和安全性。

4"結(jié)論

本文針對變電站電氣一次設(shè)備閥門的遠(yuǎn)程啟閉控制方法開展了相應(yīng)的研究工作，提出了優(yōu)化的PID算法，并通過PLC實(shí)現(xiàn)對電氣一次設(shè)備遠(yuǎn)程啟閉過程的良好控制。仿真結(jié)果表明，文章提出的控制方法使換流器具有較高的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，能夠顯著提高設(shè)備的運(yùn)行效率和可靠性。此外，該方法還具備通用性和可擴(kuò)展性，能夠適應(yīng)不同設(shè)備和場景的控制需求。顯然，該文提出的PID優(yōu)化控制方法為變電站電氣一次設(shè)備控制閥門的遠(yuǎn)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(shí)驗完成的，如果將該方法應(yīng)用于實(shí)際，還需進(jìn)一步考慮實(shí)際系統(tǒng)的不確定因素，并不斷改進(jìn)，這是未來需要進(jìn)一步研究的課題。

參考文獻(xiàn)：

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［8］宋坤.基于FR+PLC控制的電氣倒閘操作模擬系統(tǒng)研究[J].微型電腦應(yīng)用，2023，39（10）：152155.

責(zé)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