CN111181181A - 基于模糊pid控制的低压配电网的三相不平衡负荷调控方法 - Google Patents

基于模糊pid控制的低压配电网的三相不平衡负荷调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于模糊PID控制的低压配电网三相不平衡负荷调控方法，本方法利用模糊PID功率控制模块，通过实时测量低压配电网三相不平衡电流，将三相不平衡电流与平均电流的差值作为输入信号传输给各相电器的模糊PID功率控制器，使低压配电网进行自适应控制下的参数整定，在电器的允许范围内微调功率，减小负荷的三相不平衡度，降低网损，提高配电网可靠性，保证配电网的安全稳定运行。

Description

基于模糊PID控制的低压配电网的三相不平衡负荷调控方法
技术领域
本发明属低压配电技术领域，具体涉及一种基于模糊PID控制的低压配电网的三相不平衡负荷调控方法。
背景技术
低压配电网中负荷三相不平衡的问题非常突出，负荷三相不平衡会增加线路以及各输电设备的损耗，影响输电设备的正常工作，降低配电网的可靠性，不利于电网的安全稳定运行。现有三相不平衡负荷调控只能通过断电人为调控的方式实现，然而随着我国电力事业的发展，低压配电网数量与范围不断扩大，三相不平衡程度愈加严重，沿用传统方法大大降低了电力传输的经济性和稳定性，增加运行成本的同时更难以满足用户生产生活的需要。
发明内容
针对在低压配电网中存在的负荷三相不平衡问题，本发明提出一种基于模糊PID控制的低压配电网三相不平衡负荷调控方法，包括如下步骤：
S1：利用安装在同一低压配电网中的用电设备上的控制器向云服务器实时传输用电设备信息；
所述控制器包括A/D模块、模糊PID控制模块和功率上下限控制模块；所述功率上下限控制模块的参数根据所述大功率电器的最大运行功率和最小运行功率设置；
所述模糊PID控制模块的控制关系如下：
Figure BDA0002373707650000011
所述模糊PID控制模块的传递函数为：
Figure BDA0002373707650000021
式中，C(t)为模糊PID控制模块输出值，R(t)为模糊PID控制模块的输入变量，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数；Ki＝Kp/Ti，为积分系数；Kd＝Kp*Td，为微分系数；G(s)：模糊PID控制模块的传递函数,
C(s)和E(s)分别为C(t)和e(t)经过傅里叶变换后得到的模糊PID控制模块的频域表达式；
Ki：积分系数,Kd：微分系数；
S2：利用云服务器计算三相不平衡度r(t)，包括以下具体步骤：
S21:利用S1中采样得到的用电设备信息中的各相电流计算各相电流不平衡度Devi为：
Figure BDA0002373707650000022
Figure BDA0002373707650000023
其中：
|Deva|，|Devb|，|Devc|分别为低压配电网的A，B和C相的电流不平衡度；
Iph,a、Iph,b、Iph,c分别为通过所述控制器测得低压配电网的A，B和C相电流；
Iave为Iph,a，Iph,b，Iph,c的平均电流；
S22:利用S22中得到|Deva|，|Devb|，|Devc|，得到低压配电网的三相不平衡度r(t)；
r(t)＝max(|Deva|,|Devb|,|Devc|)
S3：根据步骤S22得到的低压配电网的三相不平衡度r(t)确定模糊PID控制模块的边界条件为：
E＝min(e(t))
e(t)＝r(t)-C(t)
其中e(t)指实时的三相电流不平衡度r(t)和经模糊PID控制模块调整后的三相电流不平衡度C(t)之间的差值；
E为边界条件，指确定模糊PID控制模块调整前后三相电流不平衡度的最小差值；
S4：由模糊PID控制模块的比例环节、积分环节和微分环节的调节，使边界条件E达到最小，包括以下具体步骤：
S41：计算模糊PID控制模块的比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td；
S42：将步骤S22中得到的三相不平衡度r(t)作为模糊PID控制模块的输入，所述模糊PID控制模块对所述大功率电器的功率进行调节，最终使得模糊PID控制模块的边界条件E达到最小。
优选的，所述用电设备信息包括用电设备的实时功率、各相电压和各相电流。
优选的，所述步骤S41中利用Z-N法计算模糊PID控制模块的比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td的具体步骤包括：
S411、将模糊PID控制模块的积分时间Ti置于最大，微分时间Td置于零，将比例系数Kp设置为中间值，将PID控制器投入运行；
S412、将比例系数Kp逐渐调小，得到等幅振荡过程，此时即得到临界比例系数Kp‘和临界振荡周期Tk值；
S413、根据临界比例系数Kp′和临界振荡周期Tk值，采用下表的关系列表，计算出模糊PID控制模块的比例系数Kp、积分时间Ti和微分时间Td的值：
Figure BDA0002373707650000031
Kp‘表示临界比例系数，Tk表示临界振荡周期。
优选的，所述模糊PID控制模块参数要留有裕度，由运行人员根据该电器的运行特征设定，一般为电气正常工作功率的3％至5％，防止电器被损坏；
优选的，所述模糊PID控制模块配有保护电路，当调控信号C(t)超出上下限模块所设定的阈值时，保护电路启动，消纳多余的功率负荷。
与现有技术相比，本发明的效果如下：
本发明通过实时测算电流差值，计算三相不平衡度，通过参数整定实时调整各相负荷功率，具有较强的可行性。
本发明能够对低压配电网中负荷三相不平衡的现象做出快速的实时响应并且有着较高的可靠性。
本发明与用户的用电习惯等相关性不大，且可以通过功率控制器调整使用电设备在较长时间范围内保持三相平衡。
本方法利用模糊PID功率控制器，通过实时测量三相不平衡电流，将三相不平衡电流与平均电流的差值作为输入信号传输给各相电器的模糊PID功率控制器，可以使低压配电网进行自适应控制下的参数整定，在电器的允许范围内微调功率，减小负荷的三相不平衡度，降低网损，提高配电网可靠性，保证配电网的安全稳定运行，是一种新型的解决低压配电网三相不平衡的调整方法。
附图说明
图1为本发明实施例中的低压配电网的三相不平衡负荷调控方法；
图2为本发明实施例中的功率控制器的结构图；
图3为本发明实施例中14天中三相平均电流Iave及各相电流与三相平均电流的差值|Deva|，|Devb|，|Devc|变化图；
图4为本发明实施例中模糊PID系统Simulink仿真结构图；
图5为模糊逻辑工具箱界面；
图6为本发明实施例中模糊PID控制模块的仿真结果；以及
图7为本发明实施例中14天中三相平均电流Iave及各相电流与三相平均电流的差值|Deva|，|Devb|，|Devc|的调整结果；以及
图8本发明指调整前后低压配电网中三相电流不平衡度对比图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
本发明具体实施方式需要利用低压配电网电力信息传输网络，即需要基于在建的泛在电力物联网和5G技术上，在云端服务器中计算实时的低压配电网的A，B和C相电流和三相平均电流幅值的差值，将低压配电网A相上的差值信号通过通讯技术传输给低压配电网A相电器的功率控制器作为其输入量，经过模糊PID控制给各电器功率控制信号改变其功率上下限范围内，减小低压配电网a相上的电流差值信号，理想状态下在稳定时差值信号会是0。其中模糊PID控制是指在控制器进行的比例、积分和微分的控制基础上，使用模糊控制理论进行优化。本发明实施例采用的用于低压配电网的三相不平衡负荷调控方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：利用功率控制器中的A/D模块实时传输用电设备信息；
本实施例选取一处220V低压配电网，利用模糊PID控制器收集该处配电网连续两周共14天的三相电压、电流数据；
如附图2，利用安装在同一配电网中的各用电设备上的控制器向云服务器实时传输用电设备信息；
控制器包括A/D模块、D/A模块、模糊PID控制模块和功率上下限控制模块；其中模糊PID控制模块或者称模糊PID控制器包括指比例环节(Proportional)，用于将控制模块产生的偏差信号成比例地反映；指积分环节(Integral)，用于消除系统静差并提高系统的无差度，其中静差指系统的稳态误差；指微分环节(Differential)，用于是加快系统的动作系统，减少时间；
模糊PID控制模块参数根据临界比例系数法，即Z-N法进行设置，功率上下限控制模块的参数根据大功率电器的最大运行功率和最小运行功率设置；
模糊PID控制模块的控制关系如下：
Figure BDA0002373707650000051
模糊PID控制模块的传递函数为：
Figure BDA0002373707650000052
式中，C(t)为模糊PID控制模块的输出值，r(t)为模糊PID控制模块de输入变量，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数；Ki＝Kp/Ti，为积分系数；Kd＝Kp*Td，为微分系数；
G(s)：模糊PID控制模块的传递函数，C(s)和E(s)分别为c(t)和e(t)经过傅里叶变换后得到的模糊PID控制模块的频域表达式；Ki：积分系数，Kd：微分系数；
S2：利用云服务器计算三相不平衡度r(t)；主要包括以下具体步骤：
S21:利用S1中采样得到的低压配电网中各用电设备信息中的各相电流计算各相电流不平衡度Devi：
Figure BDA0002373707650000061
Figure BDA0002373707650000062
为形成直观的表示，这里采用折线图的形式展示，14天中三相平均电流Iave及各相电流与三相平均电流的差值|Deva|，|Devb|，|Devc|变化如下图3所示：
S22:利用S22中得到|Deva|，|Devb|，|Devc|，代入下式，得到三相不平衡度r(t)；
r(t)＝max(|Deva|,|Devb|,|Devc|)
如图3所示，低压配电网中三相不平衡突出表现在B相，14天内B相电流不平衡度最大在第10天，高达46.24％。
S3：根据S2中的三相不平衡度r(t)确定模糊PID控制模块的边界条件E：
E＝min(e(t))
e(t)＝r(t)-C(t)
模糊PID控制器控制e(t)达到E时，用电设备相对于低压配电网处于最优工作模式，负荷电流的不平衡度达到最小；
S4：由模糊PID控制模块调节负荷电流的不平衡度达到最小，包括以下具体步骤：
S41：利用Z-N法计算模糊PID控制模块的比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td；
本实施例利用MALTB Simulink中的模糊逻辑工具箱搭建模糊PID控制模型；模糊逻辑工具箱是工程实际中用于进行逻辑推理的经典工具，其原理与模糊控制器相同，该模型依据实际采用的模糊PID控制模块计算逻辑进行搭建，计算流程与实际情况一致。模糊PID控制模块的Simulink仿真结构图如图4所示，模糊逻辑工具箱界面如图5所示，模糊逻辑工具箱输出参数后经3个乘法器分别构成比例环节KpC(t)、积分环节
Figure BDA0002373707650000071
微分环节
Figure BDA0002373707650000072
再经三个加法器构成控制器的传递函数，即：
Figure BDA0002373707650000073
按照Z-N法要求在模糊逻辑工具箱进行设置，将PID控制器投入运行，关系列表如下表所示，模糊PID控制模块的仿真结果如图6所示。
调节器参数 K<sub>p</sub> T<sub>i</sub> T<sub>d</sub>
计算公式 1.6K<sub>p</sub>‘ 0.5T<sub>k</sub> 0.125T<sub>k</sub>
计算值 145.372 0.025 0.00625
Kp‘表示临界比例系数，Tk表示临界振荡周期；
S42：将步骤S22中得到的三相不平衡度r(t)作为模糊PID控制模块的输入，模糊PID控制模块对大功率电器的功率进行调节，最终使得低压配电网负荷电流的不平衡度达到最小。
得到模糊PID控制模块的传递函数为
Figure BDA0002373707650000074
Figure BDA0002373707650000075
以第12天的数据为例，代入第10天时三相不平衡度r(10)＝46.24％，以及云计算得到的模糊PID控制模块的边界条件E＝27.46％，得到C(10)＝18.78％
S5：根据C(t)对电器功率进行控制。
C(t)通过控制器中的A/D转换模块，控制电器降低功率，以第12天为例，电流降幅为-90，14天的调整结果如图7所示：
图8指调整前后低压配电网中三相电流不平衡度对比图，应用本发明实施例提出的三相不平衡负荷调控方法，将三相不平衡度控制在20％以内，基本保持在15％。
对比图3和图7可得，各相电流不平衡情况都得到了有效缓解，尤其对于B相，其单相不平衡度显著下降。
以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于模糊PID控制的低压配电网的三相不平衡负荷调控方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1：利用安装在同一低压配电网中的用电设备上的控制器向云服务器实时传输用电设备信息；
所述控制器包括A/D模块、模糊PID控制模块和功率上下限控制模块；所述功率上下限控制模块的参数根据大功率电器的最大运行功率和最小运行功率设置；
所述模糊PID控制模块的控制关系如下：
Figure FDA0002373707640000011
所述模糊PID控制模块的传递函数为：
Figure FDA0002373707640000012
式中，C(t)为模糊PID控制模块输出值，R(t)为模糊PID控制模块的输入变量，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数；Ki＝Kp/Ti，为积分系数；Kd＝Kp*Td，为微分系数；G(s)：模糊PID控制模块的传递函数,
C(s)和E(s)分别为C(t)和e(t)经过傅里叶变换后得到的模糊PID控制模块的频域表达式；
Ki：积分系数,Kd：微分系数；
S2：利用云服务器计算三相不平衡度r(t)，包括以下具体步骤：
S21:利用S1中采样得到的用电设备信息中的各相电流计算各相电流不平衡度Devi为：
Figure FDA0002373707640000013
Figure FDA0002373707640000014
其中：
|Deva|，|Devb|，|Devc|分别为低压配电网的A，B和C相的电流不平衡度；
Iph,a、Iph,b、Iph,c分别为通过所述控制器测得低压配电网的A，B和C相电流；
Iave为Iph,a，Iph,b，Iph,c的平均电流；
S22:利用S22中得到|Deva|，|Devb|，|Devc|，得到低压配电网的三相不平衡度r(t)；
r(t)＝max(|Deva|,|Devb|,|Devc|)
S3：根据步骤S22得到的低压配电网的三相不平衡度r(t)确定模糊PID控制模块的边界条件为：
E＝min(e(t))
e(t)＝r(t)-C(t)
其中e(t)指实时的三相电流不平衡度r(t)和经模糊PID控制模块调整后的三相电流不平衡度C(t)之间的差值；
E为边界条件，指确定模糊PID控制模块调整前后三相电流不平衡度的最小差值；
S4：由模糊PID控制模块的比例环节、积分环节和微分环节的调节，使边界条件E达到最小，包括以下具体步骤：
S41：计算模糊PID控制模块的比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td；
S42：将步骤S22中得到的三相不平衡度r(t)作为模糊PID控制模块的输入，所述模糊PID控制模块对所述大功率电器的功率进行调节，最终使得模糊PID控制模块的边界条件E达到最小。
2.根据权利要求1所述的基于模糊PID控制的低压配电网的三相不平衡负荷调控方法，其特征在于，所述步骤1中的用电设备信息包括用电设备的实时功率、各相电压和各相电流。
3.根据权利要求1所述的基于模糊PID控制的低压配电网的三相不平衡负荷调控方法，其特征在于，所述步骤S41中利用Z-N法计算模糊PID控制模块的比例系数Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td的具体步骤包括：
S411、将模糊PID控制模块的积分时间Ti置于最大，微分时间Td置于零，将比例系数Kp设置为中间值，将PID控制器投入运行；
S412、将比例系数Kp逐渐调小，得到等幅振荡过程，此时即得到临界比例系数Kp‘和临界振荡周期Tk值；
S413、根据临界比例系数Kp‘和临界振荡周期Tk值，采用下表的关系列表，计算出模糊PID控制模块的比例系数Kp、积分时间Ti和微分时间Td的值：
Figure FDA0002373707640000031
Kp‘表示临界比例系数，Tk表示临界振荡周期。
4.根据权利要求1所述的基于模糊PID控制的低压配电网的三相不平衡负荷调控方法，其特征在于，所述步骤1中的模糊PID控制模块的参数设定具有3％至5％的裕度。
5.根据权利要求1所述的基于模糊PID控制的低压配电网的三相不平衡负荷调控方法，其特征在于，所述步骤1中的模糊PID控制模块配有保护电路，当模糊PID控制模块输出值C(t)超出功率上下限控制模块所设定的阈值时，所述保护电路启动，消纳多余的功率负荷。
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