PID控制.docx
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PID控制
文献翻译
（2014届本科）
学院：
工程学院
专业：
电气工程及其自动化
班级：
电气一班
姓名：
曹成玉
学号：
1027132
指导教师：
李红梅
2014年03月
ElectricPowerComponentsandSystems
电力组件与系统
OptimalFLPIDControllersDesignbyBAforHydro-ThermalSystem
Journal:
ElectricPowerComponentsandSystems
ManuscriptID:
UEMP-2013-0434.R1
ManuscriptType:
OriginalArticle
DateSubmittedbytheAuthor:
17-Sep-2013
CompleteListofAuthors:
durongdumrongchai,pipat;MahasarakarmUniversity,ElectricalandComputerEngineering
Keywords:
automaticgenerationcontrol,powersystems,powersystemoperationandcontrol，ElectricPowerComponentsandSystems
最佳FLPID控制器设计系统
期刊：
电力组件和系统
稿件编号：
UEMP-2013-0434.R1
手稿类型：
原创文章
提交日期：
2013年9月17日
作者的完整列表：
durongdumrongchai，Pipat;Mahasarakarm大学电气与计算机工程
关键词：
自动发电控制，电力系统，电力系统运行控制电力组件和系统
1电力系统运行状态
从宏观上讲,电力系统的运行状态可分为正常状态和非正常状态。
为了调度控制电力系统,需要将电力系统的运行状态进行分类,以便说明在不同运行状态时应如何对电力系统实行控制。
目前,电力系统运行状态尚没有严格定义,一般将其分为正常状态、警戒状态、紧急状态、崩溃状态和恢复状态。
1.1电力系统中性点接地方式的分类规则
电力系统中性点接地方式的选择是一个涉及到系统绝缘水平、供电可靠性、继电保护、通信危险影响和干扰影响、断路器容量、避雷器配置等影响面较大的技术经济问题。
目前电力系统中性点接地方式主要分为以下两类：
中性点接地系统。
中性点通过弧线圈接地。
这种接地方式一般应用于接地电容超过了规定的允许值时的电力系统。
此接地系统的原理为在中性点和大地之间接入一个电感消弧线圈。
中性点直接接地系统。
中性点直接接地系统有着一个非常明显的优势，即该电力系统发生一相接地故障时，非故障相地对电压不会发生增高的现象。
电网的电压越高，所产生的经济效益就越大，在稍后要介绍的中性点不接地的系统当中，单相接地电流通常来说会比正常的负荷电流小很多，因而对接地保护方面就显得比较困难。
在中性点直接接地的系统当中，这方面就得到了很好的解决，因为中性点直接接地系统电流比较大，继电保护能够快速且准确的切除故障线路，起到保护的作用。
同时保护装置也简单，安全性能可靠。
中性点不接地系统。
这种电力系统的中性点和地之间没有电流，因此，结构比较简单，造价也比较便宜，运行起来也比较方便，没有任何附加设备，比较适合农村树状型的供电网。
中性点不接地系统因为和地之间的电流很小，所以在发生瞬时故障时，能够自动消弧，故非故障相电压升高的幅度不会太大，不会对电力系统的对称性造成大的破坏，可以在一定程度上提高供电的可靠性。
1.2正常状态。
电力系统是由发电机、变压器、输配电线路和用电设备按一定方式连接组成的整体。
其运行特点是发电、输电、配电和用电同时完成。
因此,为了向用户连续提供质量合格的电能,电力系统各发电机发出的有功和无功功率应随时随刻与随机变化的电力系统负荷消耗的有功功率和无功功率（包括系统损耗）相等,同时,发电机发出的有功功率和无功功率、线路上的功率潮流（视在功率）和系统各级电压应在安全运行的允许范围之内。
要保证电力系统这种正常运行状态,必须满足两点基本要求:
电力系统中所有电气设备处于正常状态,能满足各种工况的需要。
电力系统中所有发电机以同一频率保持同步运行。
在正常运行状态下,电力系统有足够的旋转备用和紧急备用以及必要的调节手段,使系统能承受正常的干扰（如电力系统负荷的随机变化、正常的设备操作等）,而不会产生系统中各设备的过载,或电压和频率偏差超出允许范围。
电力系统对不大的负荷变化能通过调节手段,可从一个正常运行状态连续变化到另一个正常运行状态。
正常运行状态下的电力系统是安全的,可以实施经济运行调度。
现代电力系统的特点是大机组、高电压、大电网、交直流远距离输电、电网互联,因而其结构复杂,覆盖不同环境的辽阔地域。
这样,在实际运行中,自然灾害的作用、设备缺陷和人为因素都会造成设备故障和运行条件发生变化,因而电力系统还会出现其他非正常运行的状态。
1.3警戒状态。
当负荷增加过多,或发电机组因出现故障不能继续运行而计划外停运,或者因发电机、变压器、输电线路等电力设备的运行环境变化,使电力系统中的某些电力设备的备用容量减少到使电力系统的安全水平不能承受正常干扰的程度时,电力系统就进入了警戒状态。
警戒状态下,电力系统仍能向用户供应合格的电能。
从用户的角度来看,电力系统仍处于正常状态。
但从电力系统调度控制来看,警戒状态是一种不安全状态,与正常状态是有区别的。
两者的区别在于:
警戒状态下的电能质量指标虽仍合格,但与正常状态相比与不合格更接近了;电力设备的运行参数虽然在允许的上、下限值之内,但与正常状态相比更接近上限值或下限值了。
在这种情况下,电力系统受正常干扰,特别是在电力系统发生故障时,可能使系统进入到不正常状态。
例如,使某些变压器或线路过载,使某些母线电压低于下限值等。
警戒状态下的电力系统是不安全的,调度控制需采取预防性控制措施,使系统恢复到正常状态。
例如,调整发电机出力和负荷配置、切换线路等。
这时经济调度就放到次要地位了。
1.3紧急状态。
一个处于正常状态或警戒状态的电力系统,如果受到严重干扰,比如短路或大
容量发电机组的非正常退出工作等,系统则有可能进入紧急状态。
电力系统的严重故障主要有:
a.线路、母线、变压器和发电机短路。
短路有单相接地、两相和三相短路。
短路又分瞬间短路和永久性短路。
在实际运行中,单相短路出现的可能性比三相短路多,而三相短路对电力系统影响最严重。
当然尤其严重的是三相永久性短路,这是极其稀少的。
在雷击等情况下,有可能在电力系统中若干点同时发生短路,形成多重故障。
b.突然跳开大容量发电机或大的负荷引起电力系统的有功功率和无功功率严重不平衡。
c.发电机失步,即不能保持同步运行。
电力系统出现紧急状态将危及其安全运行,主要事故有以下几个方面:
a.频率下降。
在紧急状态下,发电机和负荷间的功率严重不平衡,会引起电力系统频率突然大幅度下降,如不采取措施,使频率迅速恢复,将使整个电厂解列,其恶性循环将会产生频率崩溃,导致全电力系统瓦解。
b.电压下降。
在紧急状态下,无功电源可能被突然切除,引起电压大幅度下降,甚至发生电压崩溃现象。
这时,电力系统中大量电动机停止转动,大量发电机甩掉负荷,导致电力系统解列,甚至使电力系统的一部分或全部瓦解。
c.线路和变压器过负荷。
在紧急状态下,线路过负荷,如不采取相应技术措施,会连锁反应,出现新的故障,导致电力系统运行进一步恶化。
d.出现不稳定问题。
在紧急状态下,如不及时采取相应的控制措施或措施不够有效,则电力系统将失去稳定。
所谓电力系统稳定,就是要求保持电力系统中所有同步发电机并列同步运行。
电力系统失去稳定就是各发电机不再以同一频率,保持固定功角运行,电压和功率大幅度来回摇动。
电力系统稳定的破坏会对电力系统安全运行产生最严重后果,将可能导致全系统崩溃,造成大面积停电事故。
紧急状态下的电力系统是危险的。
电力系统进入紧急状态后,应及时依靠继电保护和安全自动装置有选择地快速切除故障,采取提高安全稳定性措施,争取使系统恢复到警戒状态或正常状态。
避免发生连锁性的故障,导致事故扩大和系统的瓦解。
1.4崩溃状态。
在紧急状态下,如果不能及时消除故障和采用适当的控制措施,或者措施不能
奏效,电力系统可能失去稳定。
在这种情况下为了不使事故进一步扩大并保证对部分重要负荷供电,自动解列装置可能动作,调度人员也可以进行调度控制,将一个并联运行的电力系统解列成几部分。
这时电力系统就进入了崩溃状态。
系统崩溃时,在一般情况下,解列成的各个子系统中等式和不等式的约束条件均不能成立。
一些子系统由于电源功率不足,不得不大量切除负荷;而另一些子系统可能由于电源功率大大超过负荷而不得不让部分发电机组解列。
系统崩溃时,电力系统调度控制应尽量挽救解列后的各个子系统,使其能部分供电,避免系统瓦解。
电力系统瓦解是由于不可控制的解列而造成的大面积停电状态。
1.5恢复状态。
通过继电保护、自动装置和调度人员的调度控制,使故障隔离,事故不扩大。
在崩溃系统大体上稳定下来以后,可使系统进入恢复状态。
这时调度控制应重新并列已解列的机组,增加并联运行机组的出力,恢复对用户供电,将已解列的系统重新并列。
根据实际情况将系统恢复到警戒状态或正常状态。
2电力系统安全控制
电力系统安全控制的目的是采取各种措施使系统尽可能运行在正常运行状态。
在正常运行状态下,调度人员通过制定运行计划和运用计算机监控系统（SCADA或EMS）实时进行电力系统运行信息的收集和处理,在线安全监视和安全分析等,使系统处于最优的正常运行状态。
同时,在正常运行时,确定各项预防性控制,以对可能出现的紧急状态提高处理能力。
这些控制内容包括:
系统以额定工况运行调整发电机出力、切换网络和负荷、调整潮流、改变保护整定值、切换变压器分接头等,使系统运行在最佳状态,在系统发生事故时有较高的安全水平当电力系统一旦出现故障进入紧急状态后,则靠紧急控制来处理。
这些控制措施包括继电保护装置正确快速动作和各种稳定控制装置等切除故障,防止事故扩大,平衡有功和无功,将系统恢复到正常运行状态或重新进入正常运行状态。
2.1提高系统稳定的措施有：
快速励磁、电力系统稳定器（PSS）、电气制动、快关汽机和切机、串联补偿、静止无功补偿（SVC）、超导电磁蓄能和直流调制等。
2.2维持系统频率的措施有：
低频减负荷、低频降电压、低频自起动、抽水蓄能机组抵频抽水改发电、低频发电机解列、高频切机、高频减出力等。
2.3预防线路过负荷的措施有：
过负荷切电源、过负荷切负荷等。
3提高系统稳定的基本措施
3.1加强电网网架,提高系统稳定。
线路输送功率能力与线路两端电压之积成正比,而与线路阻抗成反比。
减少线路电抗和维持电压,可提高系统稳定性。
在线路上装设串联电容是一种有效的减少线路阻抗的方法。
在长线路中间装设静止无功补偿装置（SVC）,能有效地保持线路中间电压水平（相当于长线路变成两段短线路）,并快速调整系统无功,是提高系统稳定性的重要手段。
3.2电力系统稳定控制和保护装置。
提高电力系统稳定性的控制可包括两个方面:
一是失去稳定前,采取措施提高系统的稳定性;二是失去稳定后,采取措施重新恢复新的稳定运行。
所谓稳定,是指电力系统可以连续不断地向负荷供电的状态。
电力系统继电保护的充足性、安全性、经济性和质量是电力工业生产稳定必须满足的几项基本要求。
4电力系统控制的发展趋势
现今电网互连，其带来显著经济效益和社会效益的同时，庞大的规模与复杂的运行特性给电力运行部门提出了巨大的挑战——如何发展、利用新的技术、方法，有效地对大系统进行控制，保证全国电网的稳定运行、提高系统的稳定水平与供电质量。
电力部门对提高电力系统的安全稳定性做了大量工作，如：
加强电力系统规划和运行管理，制定和健全有关规范、标准（如制定《电力系统安全稳定导则》）；加强电网建设，改善电网结构；改进继电保护装置的性能和设置，提高切除故障的速度和可靠性；加强电网安全稳定分析，积极推进安全稳定控制技术的开发和应用[2]，可见控制对电力系统能够安全稳定运行起着至关重要的作用。
提到“电力系统控制”，这只是一个泛泛的概念，控制在电力系统中几乎无所不在：
发电机组、锅炉、燃气轮机、给水系统等等，但无论何种形式的控制、采用什么样的控制方法、控制的对象是什么，控制的目的都是使整个系统安全稳定的运作，本文所讲的控制，是一个宽泛的概念，并不涉及电力系统中某项具体的控制措施。
电力系统规模在不断发展，科学技术、控制方法同样也在发展。
诸如新型电力电子技术、新型储能技术、广域测量技术和广域测量系统以及人工神经网络、模糊控制、专家系统、综合智能控制等控制方法与技术的完善与逐步应用或其应用潜力为改进、提高现今电力系统控制提供了基础与有利条件。
本文首先简单回顾现今电力系统控制，包括其理论、方法、实现手段，并对各种控制作简单的评测；接着总结未来电力系统控制的要求、需要解决的问题，进而讨论电力系统控制的发展趋势，总结提出几种应运而生的新的控制方法。
4.1现今电力系统控制
鲁棒控制
H∞鲁棒控制原理可简单归纳如下。
对一个线性系统
设在
时系统是稳定的，且
。
传递函数矩阵
的H∞范数为
为各次干扰谐波的幅值向量。
如果有一控制策略
使
为一足够小的正数，则称
是H∞的最优控制。
对仿射非线性系统
寻求一个控制
使得在
闭环系统是渐进稳定的，同时使上述系统以W为输入，罚函数向量Z为输出的系统满足下列不等式
则该系统即称为非线性H∞控制系统或非线性鲁棒控制系统。
可以看出上述积分体现了系统的输入对输出的影响限制在一个“满意程度”内。
H∞鲁棒控制不仅具有处理多变量问题的能力，而且与线性二次高斯最优控制不同，它可解决具有建模误差，参数不确定和干扰未知系统的控制问题，并直接解决鲁棒控制问题。
H∞算法具有较好的直观性及严格的数学基础。
此外，H∞控制经较简单的运算便可使系统具有良好的性能。
在H∞控制的应用上，目前主要还是线性系统及仿射非线性系统。
应当指出，好的鲁棒控制应能对结构方面的问题作出考虑，但H∞控制方法不能顾及信息类型，为此许多学者在H∞鲁棒控制中引入L综合及自适应控制对H∞控制进行修正并取得了较好的结果。
在进行电力系统H∞鲁棒控制设计时，如何采用系统化的方法来对权函数进行选择而又不过于复杂是一个亟待解决的问题，对一般非线性系统的H∞控制尚需进一步的研究。
线性最优控制
最优控制是现代控制理论的一个重要组成部分，也是将最优化理论用于控制问题的一种体现。
线性最优控制是目前诸多现代控制理论中应用最多，最成熟的一个分支。
对一般线性最优控制系统可有如下提法，控制系统
性能指标
分别为终端时间、终端状态。
目标集
。
由此最优控制问题可表述为：
求一允许控制
使系统由初始状态
出发在时间间隔
内，到达目标集
，并使性能指标J为最小。
对线性最优控制求解问题主要有变分法和最大值原理两种方法。
如果性能指标采用二次型性能指标
（其中R、Q分别为状态量与控制量的权阵），则线性最优控制系统的设计转化为从黎卡提方程，
中解出P阵从而得到最优控制
的问题。
对二次性能指标如何选择权阵R、Q是较困难的一项工作，如选择不同的R、Q，那么其最优控制则是针对由该R、Q所确定的性能指标而言的。
因此，如何恰当地选择权阵R、Q是线性最优控制设计中需注意的问题。
自余耀南在1970年提出将最优控制理论应用到电力系统中以来，在电力系统各个控制方面展开不少研究工作，电力系统线性最优控制器目前已在电力生产中获得了广泛的应用，发挥着重要的作用。
但应当指出，由于这种控制器是针对电力系统的局部线性化模型来设计的，在强非线性的电力系统中对大干扰的控制效果不理想。
可以相信，随着非线性最优控制理论的发展，这一缺点将得到克服。
变结构控制
如何对电力系统这一非线性大系统实现有效的降阶处理，如何在系统参数不精确可知的情况下使所设计的控制器具有简单的算法和较强的鲁棒性以及良好的动态品质，是电力系统研究者关注的一个焦点。
变结构控制理论在解决上述问题方面具有许多独特的优点，而为电力系统提供了一种可资参考的控制方法，并在电力系统很多方面取得了成果。
从控制的目的来看，变结构控制主要是解决系统的镇定问题，即寻求控制使原点渐近稳定，而许多课题都可以通过一定的变换使之成为这类调节器设计问题。
变结构控制是利用高速开关，将系统的相轨迹引导到一个由设计者所选择的可到达的曲面S（x）=0上，这一曲面位于状态空间之中被称为切换面或滑动面，只要满足SS<0这一条件，便称超曲面S（x）=0是可到达的。
为了加快到达这一超曲面的速度还可设置趋近律。
在S>0和S<0时采用不同的控制律
和
，轨线只要到达该曲面便由等效控制
。
来对轨线实施控制，使系统沿着切换面被驱至所期待的状态上。
系统在切换面上的运动即滑模运动只取决于被控对象及所选择的切换面。
由于变结构控制的设计思想是利用“开关’，变更控制律，因而具有不断改变系统结构的特征，其出发点不是基于线性系统，而是针对含有非线性系统在内的一般系统。
故此它可被用来处理非线性问题。
变结构控制具有对滑模摄动的不变性。
当系统到达切换面时，全部滑动模态均位于S（x）=0的子空间中，在一定的条件下，不论是系统受到干扰还是参数摄动均对滑模运动无影响。
在进行不确定系统的变结构控制时通常有三种方法可供选择，一是以滑动模态为目的的变结构控制；二是以李亚普诺夫方法为基础的变结构控制；三是以超稳定理论为基础的变结构控制。
另外，变结构控制理论提供了一套完整的大系统降阶处理方法，它将大的系统分为若干小系统，各小系统的切换面只取局部小系统的状态变量，进而实现局部分散、分散和多层控制。
在变结构控制设计中合理地选择切换面S（x）是极为重要的，这直接影响到滑模运动的动态性能。
在实用中，切面的选择尤其是对非线性系统仍有不少困难，如何通过较简单的计算学则切换面，且保证切换面滑动运动存在且动态性能最优是极为重要的问题。
此外，电力系统由于其自身的特点，在使用变结构方法时也遇到一些需解决的问题。
如开关过程的延迟，磁滞现象均可能引起高频振颤，而这些振颤又对某些未建模部分起到激励作用，给稳定性构成一定的威胁。
4.2电力系统控制未来要求与挑战
未来各个领域中，在许多未知情况存在的情形下，高性能、强相关、可调操作的系统，它们的共同特点是，系统级的要求远远超出对单独某个部件稳定性的要求，这恰恰是控制发挥作用所在。
要了解控制在新兴的应用中的潜力，新的方法与理论必须有所发展，控制所要达到的要求与面临的挑战，下面总结了若干。
[5]
包含符号和连续动态的系统控制。
下一代的系统将逻辑操作（如符号推理与决策）与连续物理量（如电压、位置和浓度）结合起来。
网络环境下异步分布控制。
高度协调和自动化。
反馈越来越多地被设计在大规模的决策系统中。
近几十年来分析和系统鲁棒控制设计的发展前进必须延伸到更高级别的决策系统中。
集成校验与验证的自动合成控制算法。
未来工程系统将要求快速设计、重新设计和应用控制软件，研究人员需要开发更多的有力的设计工具，能够从模型开发到硬件循环仿真，包括系统及软件校验和验证整个过程自动化。
大多数大型的工程系统必须在单独的部件失效的情况下仍然能够继续运行，这就要求设计能够允许系统自动调整，使得系统运行状态逐渐减弱过度而不是崩溃。
上面几点是工程对未来控制的要求，也是未来控制面临的挑战。
不难发现，以上几点恰恰也是电力系统对控制的要求。
具体说来，电力系统控制需要解决的难题有：
暂态功角失稳、小扰动功角失稳、频率失稳、短期电压失稳、长期电压不稳、线路机组切除等。
现今，今后的趋势也是如此，跨大区联网的逐步实现，使得电力系统的规模越来越大，不同地区的资源通过电网互联得以合理有效的利用，发电各方通过互联电网相互合作又相互竞争，传统的发输配电统一集中管理和运行的机制开始向发输配电分别作为独立实体而参与竞争的电力市场运行机制转化，未来的电力系统是一个基于信息互换而协调的分散决策系统。
一些发达国家由于环境条件的压力，架设新线路受到越来越严格的限制，加上经济上的压力使得电力系统运行越来越接近其临界值，互联系统振荡、暂态稳定和电压稳定问题越来越突出。
我国电力系统覆盖面积大，负荷密度小，电源往往远离负荷中心，网架结构薄弱，因而稳定水平较低。
所有这些都对系统稳定控制提出了高要求。
电力市场运行机制下，不同的发电公司，包括独立电能生产者，在发电侧实行竞争，输电系统与发电分离，独立经营管理，为发电公司和用户提供转送电能的服务，用户侧也可以作为独立实体参加价格控制，这样一个开放和鼓励竞争的运行环境增加了运行规划的不确定性，使电力系统运行复杂化，运行方式快速多变。
近年来，电力电子技术、计算机技术、通信技术也得到了快速发展，新的快速控制装置不断在电力系统中得到应用，为复杂快速多变的电力系统运行问题提供了解决方法，有代表性的如FACTS及基于GPS的系统同步测量技术，都可望使分析和控制以前所未有的规模和速度进行。
4.3电力系统控制发展趋势
电力系统控制中心的发展趋势
现代电力系统控制中心是基于分布式的开放式结构，将EMS/SCADA/DMS和MIS系统有机地集成为一体。
Internet和Intranet的使用正快速渗透到电力系统运行领域，为软件技术的集成提供了好的环境，成为决定EMS系统设计的因素之一。
跨平台的计算机高级语言，控制中心间的标准通信模式和电力系统分散化运行的软件体系结构将逐步导致共享数据库的集成系统。
在灵活多变的电力市场运行机制下，结合基于GPS的远方功角测量而进行的状态估计是一个重要课题。
包含暂稳、中长期动态稳定和电压稳定的动态安全评估应成为EM系统的标准功能，带有自学习功能的在线动态安全分析是发展方向。
现今在实际工程中，GPS技术以及相量测量技术已有很大的发展，在这方面已经积累了较为丰富的研究与工程实践经验，以相角测量单元（PMU）为基础，国内、国外许多电网中都已有广域测量系统（WAMS）系统投运。
我国电网检测已经从SCADA/EMS为代表的稳态秒级监测跨越到了以PMU/WAMS为核心的动态毫秒级监测的新阶段。
WAMS是SCADA/EMS系统的升级提高，这些提高主要瞄向两个关键的领域：
信息时效和信息解释。
很简单，如果操作员、调度员在手边就有关键的信息，并且拥有分析的便利，那么他就能更有效地对电网进行控制、操作。
综合智能控制
现今、模糊控制、人工神经网络专家系统等已有较大的发展，并在电力系统得到了一定的应用。
实际上，这些理论很早就提出并在电力系统有了初步应用，如在线汽轮发电机诊断专家系统、智能报警处理系统（自1990年底，该系统在PublicUtilitiesBoard，Singapor运作）等。
这些新方法的优点及其潜力是明显的，然而它们因有上为克服的不足而没有得到广泛的应用。
以下先分别对它们进行简单地总结，接着在此基础上讨论综合智能控制。
专家系统
专家系统具有这样的能力，基于大量知识和经验来解决问题提供专家建议或技术。
它是一个智能计算机程序，通过知识积累和交互解决只有专家才能解决的足够难的问题。
专家系统在电力系统中的应用范围很广，包括对电力系统处于警告状态或紧急状态的辨识，提供紧急处理，系统恢复控制，非常慢的状态转换分析，切负荷，系统规划，
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