基于虚拟测量的PID闭环快速分配控制方法与流程

基于虚拟测量的pid闭环快速分配控制方法
技术领域
1.本发明属于自动控制技术领域，具体涉及一种基于虚拟测量的pid闭环快速分配控制方法。


背景技术：

2.电力系统控制着众多类似的同类电力设备，随着以新能源为主的新型电力系统的发展，同类设备的数量如风电、光伏的装机量呈快速的增长，对电力系统的控制提出了大的挑战，在厂站端的agc、avc控制的：有功、无功、调频、调压等的群控设备，原来群控的分配控制如传统的水火电厂只是控制几台机组，现在新能源场站要变为控制几十台、几百台同类设备，传统的分配控制方法已不适应新能源发电设备的控制，另外传统分配控制也存在如不能按照不同容量比例分配、分配过程存在波动、占用资源大等问题。因此如何克服现有技术的不足是目前自动控制技术领域亟需解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种基于虚拟测量的pid闭环快速分配控制方法。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
5.基于虚拟测量的pid闭环快速分配控制方法，包括如下步骤：
6.步骤(1)，接受传来的上级总指令作为分配pid的设定值，被控量pvz是分配各设备输出值的总和经滤波的终值，自适应分配pid的比例增益k
p
和积分时间ti值是各设备投入自动状态a、闭锁增状态bi、闭锁减状态bd的集合的计算函数值；
7.dev＝pv
z-szꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
8.式(1)中，dev为分配pid的偏差输入，pvz为分配各设备输出值的总和经滤波的终值，sz为分配pid的设定值；
[0009][0010]
ti＝f2(a,bi,bd)＝t
i0
/k
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0011]
式(2)和式(3)中，f1(a,bi,bd)是各设备投入自动状态a、闭锁增状态bi、闭锁减状态bd的集合的计算函数值；f2(a,bi,bd)是各设备投入自动状态a、闭锁增状态bi、闭锁减状态bd的集合的计算函数值；
[0012]kp0
是自适应pid的比例参数初始设定值，t
i0
是自适应pid的积分参数初始设定值；通过pid运算的分配控制，以dev＝0为目标，进行迭代分配，直至分配各设备输出值的总和经滤波的终值与分配pid的设定值一致，保证了测量值pvz快速一致响应分配pid的设定值sz；zi是分配设备i的容量；z
t
是分配设备的总容量，是zi的总和；ai是分配设备i参与自动分配的状态；not(bii)是分配设备i的未闭锁增的状态，not(bdi)是分配设备i的未闭锁减的状态，&是逻辑“与”运算；n为设备的总数量；
[0013]
步骤(2)，计算分配各设备输出值的总和经滤波的终值作为虚拟测量的被控量，计算如下：
[0014][0015]
式(4)中，leadlag是滤波模块，oi是设备i的控制输出值；
[0016]
步骤(3)，计算设备i的控制输出值，计算如下：
[0017]
oi＝o
pid
·
zi biꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0018]
式(3)中，o
pid
是分配pid的控制输出值，bi是人工设定偏置值；
[0019]
步骤(4)，在个体设备闭锁增时，若分配pid指令继续增时，闭锁增的设备将保持输出值，按照分配算法有能力增的设备按容量比值分配不断增加，直到分配各设备输出值的总和经滤波的终值与分配pid的设定值一致；在个体设备闭锁减时，若分配pid指令继续减时，按照分配算法有能力减的设备按容量比值分配不断减少，闭锁减的设备将保持输出值，直到分配各设备输出值的总和经滤波的终值与分配pid的设定值一致。
[0020]
进一步，优选的是，ai是分配设备i参与自动分配的状态，其中状态为是否参与自动分配，参与自动分配时，ai为0；不参与自动分配时，ai为1。
[0021]
进一步，优选的是，not(bii)是分配设备i的未闭锁增的状态，外部条件赋予的闭锁增条件存在，bii为1，外部条件赋予的闭锁增条件不存在，bii为0.
[0022]
进一步，优选的是，not(bdi)是分配设备i的未闭锁减的状态，外部条件赋予的闭锁减条件存在，bii为1，外部条件赋予的闭锁减条件不存在，bii为0。
[0023]
本发明中，bi是人工设定偏置值，人工根据实际情况设定即可；偏置值为正，设备控制输出值相应增加，设定偏置值为负，设备控制输出值相应减少。
[0024]
本发明基于基于虚拟测量的pi d闭环快速分配控制方法可采用dcs(分散控制系统)或plc(可编程控制系统)等系统实现，通过模块图形化的运算实现分配控制策略的逻辑功能，并融入到相应的控制回路中，实现相应的控制功能。
[0025]
针对当前电力行业的厂级agc控制多台发电机组负荷、avc控制多个无功调节设备，工业系统中集群控制的多个同类设备，在控制的同类设备达到3个以上时，采用基于虚拟测量的pid闭环快速分配控制方法，能在各种运行方式组合下快速调节各自动设备指令满足总指令的要求，极大减少分配控制算法的复杂性，同时算法简洁，占用的模块资源少，安全与可靠性高，是传统居于公式算法、增量等算法的分配控制策略的理想升级方法。
[0026]
本发明的思路为，接受传来的上级总指令作为分配pid的设定值，然后进行pi d分配，计算分配各设备输出值的总和经滤波的终值，并与分配pid的设定值进行比较，若分配pid的偏差输入dev存在偏差，则进行迭代分配，直至偏差为0，同时给出部分设备闭锁增、闭锁减时相应的分配方法，以实现快速分配。
[0027]
本发明在同类的群控设备的分配控制中，为保证群控设备在投入自动或手动方式运行时，能快速响应上级总指令，使得每个在运群控设备的指令之和满足总指令的一致性要求，并具备不同容量设备按照容量比例增减出力，在部分设备增减出力受限时能快速把增量转移到未受限的其它设备出力增量上。本发明首先采用自适应pid自动控制设备的输出指令之和的虚拟测量被控量(即分配各设备输出值的总和经滤波的终值)快速满足上级来指令要求的一致性；同时pid的控制输出采用量化的百分数以满足出力比例相当的要求，
每个设备的输入采用pid输出百分数乘以设备容量(即设备i的分配额定容量值)转化为工程量值，叠加人工设定偏置值作为设备的最终输出值；其次pid的自适应参数采用每个设备的手自动状态和闭锁状态计算，使得各设备在自动、手动、达上限、达下限等不同状态下，处于自动状态的设备均能一致的快速响应总指令要求。本发明应用于工程自动控制中的采用同类设备实现的群控分配控制，如发电场站的agc有功分配控制、avc的无功分配控制，工厂的多台辅机分配控制等，具备分配控制简单、快速、灵活、可靠的优点，与采用公式计算的父、子分配控制算法或增量式等现有分配控制算法相比，能极大的减少运算模块量，对于群控设备众多的新能源、水电等厂站的应用场所具有明显优势，可群控不同容量的设备并保证各种运行方式下的分配的快速一致性，同时提供了每组设备出力的偏置设置修正，保证了群控设备控制的灵活运行，本发明方法为群控设备提供了一种新的简洁有效手段，解决了目前新能源场站设备众多带来的群控关键技术难题，对新能源、水火电的agc、avc控制与辅机的分配控制的稳定、快速与可靠运行具有重要意义。
[0028]
因此，本方法就是基于控制新能源众多群控设备提出的一种新的分配控制方法，采用毫秒级的快速控制周期逻辑页模块，实现快速的分配控制，用于新能源的agc、一次调频的有功分配与叠加控制，同时用于avc的无功分配与电压控制，也可用于原来传统工业系统中的同类设备的分配控制。通过分配控制实现的群控设备，极大减少了对同类设备控制的复杂性，保证了同类设备在在运、停运、手动、自动、闭锁增减等不同运行方式下控制品质的高质量和一致性。
[0029]
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
[0030]
本发明方法具有简洁实用性，计算量是传统分配算法的五分之一以下，能带几百上千的分配设备；
[0031]
本发明方法具有快速性，采用毫秒级的运算周期页可实现几十毫秒级的分配控制调节时间，以满足更高要求的新能源等的有功、无功分配控制要求；
[0032]
本发明方法具有稳定可靠性，各设备的手自动、闭锁等状态切换不影响分配控制的响应性能，控制输出不会突变和波动；
[0033]
本发明方法具有普适性，本分配控制方法适用于电力、能源、化工等行业的多个同类设备的分配控制，具有广阔的应用场景。
附图说明
[0034]
图1为本发明基于虚拟测量的pid闭环快速分配控制框图。
具体实施方式
[0035]
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0036]
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
[0037]
实施例1
[0038]
如图1所示，基于虚拟测量的pi d闭环快速分配控制方法，包括如下步骤：
[0039]
步骤(1)，接受传来的上级总指令作为分配pid的设定值，被控量pvz是分配各设备输出值的总和经滤波的终值，自适应分配pid的比例增益k
p
和积分时间ti值是各设备投入自动状态a、闭锁增状态bi、闭锁减状态bd的集合的计算函数值；
[0040]
dev＝pv
z-szꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0041]
式(1)中，dev为分配pid的偏差输入，pvz为分配各设备输出值的总和经滤波的终值，sz为分配pid的设定值；
[0042][0043]
ti＝f2(a,bi,bd)＝t
i0
/k
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0044]
式(2)和式(3)中，f1(a,bi,bd)是各设备投入自动状态a、闭锁增状态bi、闭锁减状态bd的集合的计算函数值；f2(a,bi,bd)是各设备投入自动状态a、闭锁增状态bi、闭锁减状态bd的集合的计算函数值；
[0045]kp0
是自适应pid的比例参数初始设定值，t
i0
是自适应pid的积分参数初始设定值；通过pid运算的分配控制，以dev＝0为目标，进行迭代分配，直至分配各设备输出值的总和经滤波的终值与分配pid的设定值一致，保证了测量值pvz快速一致响应分配pid的设定值sz；zi是分配设备i的容量；z
t
是分配设备的总容量，是zi的总和；ai是分配设备i参与自动分配的状态；not(bii)是分配设备i的未闭锁增的状态，not(bdi)是分配设备i的未闭锁减的状态，&是逻辑“与”运算；n为设备的总数量；
[0046]
步骤(2)，计算分配各设备输出值的总和经滤波的终值作为虚拟测量的被控量，计算如下：
[0047][0048]
式(4)中，leadlag是滤波模块，oi是设备i的控制输出值；
[0049]
步骤(3)，计算设备i的控制输出值，计算如下：
[0050]
oi＝o
pid
·
zi biꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0051]
式(3)中，o
pid
是分配pid的控制输出值，bi是人工设定偏置值；
[0052]
步骤(4)，在个体设备闭锁增时，若分配pid指令继续增时，闭锁增的设备将保持输出值，按照分配算法有能力增的设备按容量比值分配不断增加，直到分配各设备输出值的总和经滤波的终值与分配pid的设定值一致；在个体设备闭锁减时，若分配pid指令继续减时，按照分配算法有能力减的设备按容量比值分配不断减少，闭锁减的设备将保持输出值，直到分配各设备输出值的总和经滤波的终值与分配pid的设定值一致。
[0053]
实施例2
[0054]
如图1所示，基于虚拟测量的pid闭环快速分配控制方法，包括如下步骤：
[0055]
步骤(1)，接受传来的上级总指令作为分配pid的设定值，被控量pvz是分配各设备输出值的总和经滤波的终值，自适应分配pid的比例增益k
p
和积分时间ti值是各设备投入自动状态a、闭锁增状态bi、闭锁减状态bd的集合的计算函数值；
[0056]
dev＝pv
z-szꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0057]
式(1)中，dev为分配pid的偏差输入，pvz为分配各设备输出值的总和经滤波的终值，sz为分配pid的设定值；
[0058][0059]
ti＝f2(a,bi,bd)＝t
i0
/k
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0060]
式(2)和式(3)中，f1(a,bi,bd)是各设备投入自动状态a、闭锁增状态bi、闭锁减状态bd的集合的计算函数值；f2(a,bi,bd)是各设备投入自动状态a、闭锁增状态bi、闭锁减状态bd的集合的计算函数值；
[0061]kp0
是自适应pid的比例参数初始设定值，t
i0
是自适应pid的积分参数初始设定值；通过pid运算的分配控制，以dev＝0为目标，进行迭代分配，直至分配各设备输出值的总和经滤波的终值与分配pid的设定值一致，保证了测量值pvz快速一致响应分配pid的设定值sz；zi是分配设备i的容量；z
t
是分配设备的总容量，是zi的总和；ai是分配设备i参与自动分配的状态；not(bii)是分配设备i的未闭锁增的状态，not(bdi)是分配设备i的未闭锁减的状态，&是逻辑“与”运算；n为设备的总数量；
[0062]
步骤(2)，计算分配各设备输出值的总和经滤波的终值作为虚拟测量的被控量，计算如下：
[0063][0064]
式(4)中，leadlag是滤波模块，oi是设备i的控制输出值；
[0065]
步骤(3)，计算设备i的控制输出值，计算如下：
[0066]
oi＝o
pid
·
zi biꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0067]
式(3)中，o
pid
是分配pid的控制输出值，bi是人工设定偏置值；
[0068]
步骤(4)，在个体设备闭锁增时，若分配pid指令继续增时，闭锁增的设备将保持输出值，按照分配算法有能力增的设备按容量比值分配不断增加，直到分配各设备输出值的总和经滤波的终值与分配pid的设定值一致；在个体设备闭锁减时，若分配pid指令继续减时，按照分配算法有能力减的设备按容量比值分配不断减少，闭锁减的设备将保持输出值，直到分配各设备输出值的总和经滤波的终值与分配pid的设定值一致。
[0069]ai
是分配设备i参与自动分配的状态，其中状态为是否参与自动分配，参与自动分配时，ai为0；不参与自动分配时，ai为1。
[0070]
not(bii)是分配设备i的未闭锁增的状态，外部条件赋予的闭锁增条件存在，bii为1，外部条件赋予的闭锁增条件不存在，bii为0.
[0071]
not(bdi)是分配设备i的未闭锁减的状态，外部条件赋予的闭锁减条件存在，bii为1，外部条件赋予的闭锁减条件不存在，bii为0。
[0072]
实施例3
[0073]
如图1所示，基于虚拟测量的pid闭环快速分配控制方法，包括如下步骤：
[0074]
步骤(1)，接受传来的上级总指令作为分配pid的设定值，被控量pvz是分配各设备输出值的总和经滤波的终值(也是各设备的最终输出值总和的惯性滤波虚拟测量值)，自适应分配pid的比例增益k
p
和积分时间ti值是各设备投入自动状态a、闭锁增状态bi、闭锁减状态bd的集合的计算函数值；
[0075]
dev＝pv
z-szꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0076]
式(1)中，dev为分配pid的偏差输入，pvz为分配各设备输出值的总和经滤波的终
值，sz为分配pid的设定值；
[0077][0078]
ti＝f2(a,bi,bd)＝t
i0
/k
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0079]
式(2)和式(3)中，f1(a,bi,bd)是各设备投入自动状态a、闭锁增状态bi、闭锁减状态bd的集合的计算函数值；f2(a,bi,bd)是各设备投入自动状态a、闭锁增状态bi、闭锁减状态bd的集合的计算函数值；
[0080]kp0
是自适应pid的比例参数初始设定值，t
i0
是自适应pid的积分参数初始设定值；通过pid运算的分配控制，以dev＝0为目标，进行迭代分配，直至分配各设备输出值的总和经滤波的终值与分配pid的设定值一致，保证了测量值pvz快速一致响应分配pid的设定值sz；zi是分配设备i的容量；z
t
是分配设备的总容量，是zi的总和；ai是分配设备i参与自动分配的状态；not(bii)是分配设备i的未闭锁增的状态，not(bdi)是分配设备i的未闭锁减的状态，&是逻辑“与”运算；n为设备的总数量；
[0081]
步骤(2)，计算分配各设备输出值的总和经滤波的终值作为虚拟测量的被控量，计算如下：
[0082][0083]
式(4)中，leadlag是滤波模块，oi是设备i的控制输出值；
[0084]
步骤(3)，计算设备i的控制输出值，计算如下：
[0085]
oi＝o
pid
·
zi biꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0086]
式(3)中，o
pid
是分配pid的控制输出值，bi是人工设定偏置值；
[0087]
步骤(4)，在个体设备闭锁增时，若分配pid指令继续增时，闭锁增的设备将保持输出值，按照分配算法有能力增的设备按容量比值分配不断增加，直到分配各设备输出值的总和经滤波的终值与分配pid的设定值一致；在个体设备闭锁减时，若分配pid指令继续减时，按照分配算法有能力减的设备按容量比值分配不断减少，闭锁减的设备将保持输出值，直到分配各设备输出值的总和经滤波的终值与分配pid的设定值一致。
[0088]
本控制方法原理为：接受传来的上级总指令作为分配pid的设定值，被控量是各设备的最终输出总和的滤波值，自适应分配pid的比例增益k
p
和积分时间ti值是各设备投入自动状态a、闭锁增状态bi、闭锁减状态bd的集合的计算函数值，实现各投入、闭锁增减不同情况时，分配控制的快速稳定性品质的一致，分配pid控制输出采用百分数形式表示；在各设备收到pid输出(即分配pid的控制输出值)后通过乘以各自的容量(即设备i的分配额定容量值)后转化为工程量值，再叠加人工设定偏置值后作为各设备的最终控制输出值实现灵活增减且满足总指令要求的分配。
[0089]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。