摘要：文章結合電力系統(tǒng)運行狀況，介紹了一種基于閉環(huán)控制的電力自動化控制系統(tǒng)，通過閉環(huán)控制滿足智能管控的需求，實現(xiàn)電力系統(tǒng)運行自動化控制。該系統(tǒng)由基礎層、數(shù)據(jù)層和控制層構成，文章對系統(tǒng)的組成架構及相關部分功能進行了設計，該系統(tǒng)的推廣應用促進了電力系統(tǒng)管控的智能化發(fā)展和電力企業(yè)的數(shù)字化建設，提升了電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)度能力，有效實現(xiàn)了電力企業(yè)運營管理水平的提高，具有很好的應用前景和現(xiàn)實的應用價值。

關鍵詞：閉環(huán)控制；電力系統(tǒng)；自動控制；智能電網(wǎng)

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(tǒng)的持續(xù)發(fā)展， 電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行越來越重要。近年來電網(wǎng)智能化和自動化運行逐漸成熟，自動控制技術在電力系統(tǒng)中的應用可以掌握電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并對其運行實施自動化控制，從而實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動化，為電網(wǎng)的穩(wěn)定運行提供重要保障。通過自動化技術對電網(wǎng)相關運行狀態(tài)參數(shù)進行控制， 以數(shù)據(jù)回傳的方式向調(diào)度中心展示控制結果， 為調(diào)度人員對電網(wǎng)運行狀態(tài)的監(jiān)控提供了方便，也可以很好地了解電網(wǎng)供需平衡關系。實現(xiàn)電力系統(tǒng)運行及調(diào)度自動化可以有效降低人工成本，實現(xiàn)電網(wǎng)安全可靠運行，為智能電網(wǎng)建設提供了重要保障。

1 閉環(huán)控制技術

作為自動控制理論中的關鍵控制技術，閉環(huán)控制因引入了反饋環(huán)節(jié)可以實現(xiàn)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(wěn)定性好且易于調(diào)節(jié)的優(yōu)點成為自動控制的關鍵技術之一。當被控對象的數(shù)學模型難以建立，其結構及相關參數(shù)無法準確獲得，同時控制器結構和參數(shù)需要現(xiàn)場調(diào)試和經(jīng)驗進行確定時，PID控制技術具有一定的優(yōu)勢，該技術可以對掌握不全面的系統(tǒng)和被控對象進行閉環(huán)控制，避免通過測量手段獲取系統(tǒng)參數(shù)，降低了參數(shù)對控制性能的影響，具有較強的魯棒性^［1-2］。

PID調(diào)節(jié)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(diào)整實現(xiàn)實際值跟隨目標值的閉環(huán)控制。PID控制器的結構如圖1所示。

根據(jù)結構框圖可以推導其傳遞函數(shù)如式（1）所示：

式中，G（s）為系統(tǒng)傳遞函數(shù)；U（s）為系統(tǒng)輸出；E（s）為系統(tǒng)的偏差；K_p、K_I、K_D分別為比例、積分、微分系數(shù)。在對系統(tǒng)進行控制理論和數(shù)學分析過程中，通常借助拉普拉斯變換和傅里葉變換實現(xiàn)控制系統(tǒng)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性的分析。為了方便軟件代碼實現(xiàn)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(shù)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)的時域表達式如下所示：

式中，u（t）為時域系統(tǒng)輸出，e（t）為時域系統(tǒng)給定和反饋的偏差信號。

2 自動化控制系統(tǒng)技術方案

2.1 系統(tǒng)架構

基于閉環(huán)控制技術實現(xiàn)電力系統(tǒng)自動化控制，采用PID控制器實現(xiàn)系統(tǒng)輸出結果的反饋控制，從而實現(xiàn)電力系統(tǒng)的可靠運行，控制系統(tǒng)采用分層結構設計，由基礎層、數(shù)據(jù)層和控制層3部分構成，自動化控制系統(tǒng)的結構如圖2所示。

其中，基礎層通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對電力系統(tǒng)運行狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集，并通過信息交互接口將其傳輸至數(shù)據(jù)層；數(shù)據(jù)層采用數(shù)字簽名機制并根據(jù)數(shù)據(jù)分層傳輸結構對所接受的數(shù)據(jù)進行存儲和調(diào)用；控制層對數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)進行調(diào)用，采用PID控制器完成電力系統(tǒng)自動化控制，并向基礎層下發(fā)協(xié)調(diào)控制指令，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制^［3］。

2.2 控制器硬件結構

控制層主要用來實現(xiàn)電力系統(tǒng)控制方案及整體協(xié)調(diào)控制指令的下發(fā)，自動化控制系統(tǒng)控制層的控制方案通過控制器來執(zhí)行，電力系統(tǒng)運行控制指令由控制器下發(fā)并對其運行狀態(tài)進行監(jiān)測，當整體控制指令沒有下發(fā)前，控制器可以對區(qū)域電力系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進行采集并控制其運行狀態(tài)?？刂破饔布刹杉娐贰⒋谠O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(tǒng)設計關鍵技術

3.1 數(shù)據(jù)管理方法

數(shù)據(jù)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(tǒng)的重要組成部分，一方面可以接收基礎層發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，為自動化控制提供數(shù)據(jù)支撐；另一方面其存儲的數(shù)據(jù)可以滿足控制層的調(diào)度需求。為了保證數(shù)據(jù)傳輸過程的安全性和準確性，數(shù)據(jù)按分層的方式進行管理和傳輸。

由上述可知，數(shù)據(jù)層的作用是實現(xiàn)系統(tǒng)中相關數(shù)據(jù)信息的處理和存儲，在對數(shù)據(jù)進行操作時，數(shù)據(jù)處理服務器采用數(shù)字簽名機制可以為數(shù)據(jù)調(diào)度過程的穩(wěn)定性提供保證。數(shù)字簽名機制根據(jù)數(shù)據(jù)類型及應用需求，保存數(shù)據(jù)并形成數(shù)據(jù)庫供調(diào)度使用。電力自動化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸需要按照協(xié)議進行，可以為數(shù)據(jù)傳輸提供信息保障。電力系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)調(diào)度時采用的數(shù)字簽名機制如下所示：

式中，D₁和D₂分別為2種電力系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)；f為數(shù)據(jù)傳輸特征值；W為數(shù)據(jù)編碼轉(zhuǎn)換條件；a、b分別為電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)調(diào)用系數(shù)和一體化作用系數(shù)。

3.2 PID控制方法

結合電力系統(tǒng)運行的不確定性和系統(tǒng)非線性的特點，基于模糊控制對PID算法進行優(yōu)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(tǒng)的控制性能，采用PD控制器與模糊PID控制器進行級聯(lián)，控制層根據(jù)該控制策略實現(xiàn)電力系統(tǒng)的自動化控制。

采用級聯(lián)控制器實現(xiàn)電力系統(tǒng)的自動化控制包括內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制2部分，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制，具體功能如下。

（1）外環(huán)控制：采用PD控制器完成電網(wǎng)主回路控制，將區(qū)域電網(wǎng)的控制誤差作為PD控制器的輸入信號，通過對誤差的閉環(huán)控制實現(xiàn)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

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

將電力系統(tǒng)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(jù)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(shù)。為了保證系統(tǒng)非線性條件下的控制效果，通過模糊伸縮因子對控制參數(shù)進行優(yōu)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(shù)；B₁和B₂表示2個輸入變量模糊域邊界。參數(shù)優(yōu)化后可以通過控制層向基礎層下發(fā)協(xié)調(diào)控制指令，并對系統(tǒng)運行結果進行監(jiān)控，從而實現(xiàn)電力系統(tǒng)自動化控制。

4 案例分析

為了驗證電力自動化控制系統(tǒng)的控制效果，以某電力系統(tǒng)為研究對象，先對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)調(diào)度能力進行驗證，對不同調(diào)度數(shù)據(jù)類別下的調(diào)度能力進行了分析，如表1所示。

通過表1可以發(fā)現(xiàn)，由于本文采用數(shù)據(jù)分層傳輸管理，并采用數(shù)字簽名機制對數(shù)據(jù)進行調(diào)度，因此隨著數(shù)據(jù)量的不斷增加，數(shù)據(jù)調(diào)度能力量化值接近1，調(diào)度能力較好。

為了驗證自動化控制系統(tǒng)的性能，通過失效率和修復率對其進行評價，根據(jù)數(shù)據(jù)采樣時間和系統(tǒng)正常運行時間對某時刻的失效概率進行計算，同時根據(jù)故障持續(xù)時間對系統(tǒng)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(tǒng)的失效率和修復率都較高，驗證了本文設計的閉環(huán)控制器的性能，達到了較好的控制效果，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了保證。

5 結語

基于閉環(huán)控制技術構建電力自動化控制系統(tǒng)，可滿足電力系統(tǒng)智能化運行和智能電網(wǎng)建設的需求，實現(xiàn)了電力系統(tǒng)的自動化控制。該系統(tǒng)促進了電力自動化控制系統(tǒng)的科學化發(fā)展和電力企業(yè)信息化建設，采用閉環(huán)控制滿足電力系統(tǒng)安全穩(wěn)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(fā)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(tǒng)運行自動化控制系統(tǒng)［J］.控制系統(tǒng)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(wǎng)靜態(tài)安全運行風險評估及主動調(diào)控策略［J］.電力系統(tǒng)自動化，2022（1）：182-191.

［3］張成，張艷.新能源互聯(lián)電力系統(tǒng)雙積分反饋PID負荷頻率控制［J］.電力系統(tǒng)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(shù)階PID的含電動汽車的多能源微電網(wǎng)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(shù)據(jù)中心任務調(diào)度策略研究［J］.電力系統(tǒng)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