變電站電壓無功立體模糊控制

張寶杰， 張 超， 杜愛民

(北京電研華源電力技術(shù)有限公司，北京 102200)

0 引 言

隨著我國(guó)電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜和用戶對(duì)電能質(zhì)量要求的不斷提升，在系統(tǒng)運(yùn)行中必須進(jìn)行電壓和無功功率的優(yōu)化調(diào)節(jié).變電站作為聯(lián)接電網(wǎng)和用戶的樞紐，提高變電站電壓無功綜合控制水平，對(duì)保證供電系統(tǒng)電壓質(zhì)量有著現(xiàn)實(shí)的重要意義[1].針對(duì)現(xiàn)有各種控制策略未綜合考慮電壓、無功、功率因數(shù)3個(gè)因素相互影響的缺點(diǎn)，本文利用模糊控制理論善于處理非線性及多因素復(fù)雜控制等問題的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合電壓、無功變化的特點(diǎn)，提出了變電站電壓無功立體模糊控制策略[2-3],其工作原理為：依據(jù)電壓偏差、無功偏差、功率因數(shù)偏差3個(gè)輸入量的論域，得出它們所對(duì)應(yīng)的模糊詞集，再根據(jù)模糊詞集在模糊控制規(guī)則庫的位置，得出變壓器分接開關(guān)調(diào)節(jié)、電容器組投切2個(gè)輸出量的模糊詞集來控制變壓器分接開關(guān)的升級(jí)和電容器組的投切，以達(dá)到調(diào)節(jié)變電站電壓和無功的目的.

1 變電站電壓無功立體模糊控制器設(shè)計(jì)

1.1 模糊輸入、輸出量

變電站電壓無功立體模糊控制器具有電壓偏差、無功偏差、功率因數(shù)偏差3個(gè)輸入量和變壓器分接開關(guān)調(diào)節(jié)、電容器組投切2個(gè)輸出量[4].3個(gè)出入量關(guān)系如圖1所示，其中:Eu為電壓偏差;Eq為無功偏差;Pf為功率因數(shù)偏差.控制目標(biāo)是使電壓無功工作點(diǎn)運(yùn)行在由Eu,Eq和Pf組成的立體區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)域內(nèi)變電站2次側(cè)電壓和1次側(cè)功率因數(shù)均符合工作要求，具體控制策略詳見表1.

表1 模糊控制規(guī)則表

1.2 論域和模糊集的確定

圖1 立體模糊輸入量模型

模糊控制器的輸出變量為變壓器分接開關(guān)變化量Ut和電容器組的投切量Ct.根據(jù)變壓器的分接頭數(shù)，分接開關(guān)變化量Ut的基本論域?yàn)閧-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，論域上的值代表變壓器分接開關(guān)調(diào)節(jié)的偏差量，負(fù)數(shù)定義為降壓，正數(shù)定義為升壓.設(shè)電容器組共有3組，則電容器組輸出控制變量Ct的基本論域?yàn)閧-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，論域上的值表示投切電容器的組數(shù)，負(fù)數(shù)定義為切，正數(shù)定義為投.

取電壓偏差Eu的模糊詞集為{NB，NM，NZ，PZ，PM，PB}，其中:NB表示負(fù)大;NM表示負(fù)中;NZ表示負(fù)零;PZ表示正零;PM表示正中;PB表示正大.無功偏差Eq的模糊詞集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB},其中:NB表示負(fù)大;NM表示負(fù)中;NS表示負(fù)小;ZO表示零;PS表示正小;PM表示正中;PB表示正大.功率因數(shù)偏差Pf的模糊詞集為{NB，NS，ZO，PS，PB}，其中:NB表示負(fù)大;NS表示負(fù)小;ZO表示零;PS表示正小;PB表示正大.由于變壓器分接開關(guān)嚴(yán)禁發(fā)生滑檔動(dòng)作(分接開關(guān)連續(xù)調(diào)節(jié)2檔以上稱為滑檔)，因此,變壓器每次只能調(diào)1檔，升降檔位的調(diào)節(jié)量是固定的，對(duì)其調(diào)節(jié)只需要指明分接頭是升、降還是不動(dòng)作，所以分接開關(guān)變化量Ut的模糊詞集為{DOWN，ZO，UP},其中:UP表示升分接頭增大變比(減小電壓);ZO表示分接頭不動(dòng)作;DOWN表示降分接頭減小變比(增大電壓).電容器組的投切量Ct的模糊詞集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中:NB表示負(fù)大;NM表示負(fù)中;NS表示負(fù)小;ZO表示零;PS表示正小;PM表示正中;PB表示正大.考慮模糊集對(duì)論域有較好的覆蓋程度，按論域中元素總數(shù)為模糊詞集總數(shù)的2～3倍的規(guī)律，將模糊輸入變量Eu(電壓偏差)、Eq(無功偏差)、Pf(功率因數(shù)偏差)和模糊輸出變量Ct(電容器組投切控制量)均量化為13個(gè)等級(jí)，即量化論域?yàn)閧-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3, 4,5,6}，而輸出變量Ut(分接頭控制量)的量化論域?yàn)閧-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}.所以,輸入變量Eu,Eq,Pf的量化因子分別為：K1=6/0.15=40;K2=6/3=2;K3=6/0.25=24.輸出變量Ut,Ct的比例因子分別為：K4=3/4=0.75;K5=3/6=0.5.變電站電壓無功綜合控制模糊系統(tǒng)編輯窗口如圖2所示.

圖2 模糊系統(tǒng)編輯窗口

1.3 隸屬度函數(shù)和模糊控制規(guī)則的確定

輸入、輸出控制量的隸屬度函數(shù)采用梯形隸屬度函數(shù).

根據(jù)所選擇的輸入與輸出變量的模糊詞集和隸屬度函數(shù)特點(diǎn)，結(jié)合電壓無功綜合調(diào)節(jié)需遵守的一些規(guī)章規(guī)程和專家經(jīng)驗(yàn).可得到如表1所示的控制規(guī)則.表1中,分子對(duì)應(yīng)于變壓器分接頭的模糊輸出量為Ut，分母對(duì)應(yīng)于電容器投切的模糊輸出量為Ct.

由于變電站主要考核指標(biāo)是進(jìn)線側(cè)(一次側(cè))功率因數(shù)和二次側(cè)母線電壓，所以,上述控制規(guī)則庫綜合考慮了電壓、無功、功率因數(shù)三要素的相互影響，保證了電壓、功率因數(shù)合格，具體控制策略如下：無功偏差量在{NB，NM，NS}，功率因數(shù)在{NB，NS}，該區(qū)域按無功控制需切無功，而按功率因數(shù)控制則需投無功，這是相互矛盾的，所以,無論電壓偏差為何值，該區(qū)域在實(shí)際中是不存在的，在控制表中表現(xiàn)為“”部分.同理，無功偏差在{PB，PM，PS}，功率因數(shù)在{PB，PS}，所對(duì)應(yīng)區(qū)域同樣是實(shí)際不存在區(qū).

電壓偏差量在{NZ，PZ}，此時(shí)電壓合格，為電壓不控制區(qū).當(dāng)無功偏差在{NB，NM，NS}，功率因數(shù)在{PB，PS}，表示無功過剩、功率因數(shù)高，需要切電容；當(dāng)無功偏差在{PB，PM，PS}，功率因數(shù)在{NB，NS}時(shí)，表示無功不足、功率因數(shù)低，需要投電容.具體電容器的投切量當(dāng)電壓偏差在正零(PZ)或負(fù)零(NZ)時(shí)，如表1所示有所不同.

電壓偏差量在NS，電壓稍微偏低.當(dāng)無功偏差在{NB，NM，NS}，功率因數(shù)在{PB，PS}時(shí)，表示無功過剩、功率因數(shù)高，變壓器降檔升壓；當(dāng)無功偏差在{PB，PM，PS}，功率因數(shù)在{NB，NS}時(shí)，表示無功不足、功率因數(shù)低，在該區(qū)域內(nèi)變壓器分接頭不動(dòng)作，投電容.

電壓偏差量在NB，表示電壓非常低.當(dāng)無功偏差在{NB，NM，NS}，功率因數(shù)在{PB，PS}時(shí)，表示無功過剩、功率因數(shù)高，變壓器降檔升壓，如變壓器已在最低檔,則只能犧牲無功,保證電壓合格；當(dāng)無功偏差在{PB，PM，PS}，功率因數(shù)在{NB，NS}時(shí)，表示無功不足、功率因數(shù)低，在該區(qū)域內(nèi)投入較多電容:如電容全部投完，電壓仍然偏低，則變壓器降檔升壓.

電壓偏差量在PS，電壓稍微偏高.當(dāng)無功偏差在{NB，NM，NS}，功率因數(shù)在{PB，PS}時(shí)，表示無功過剩、功率因數(shù)高，此處變壓器分接開關(guān)不動(dòng)作，切電容；當(dāng)無功偏差在{PB，PM，PS}，功率因數(shù)在{NB，NS}時(shí)，表示無功不足、功率因數(shù)低，變壓器升檔降壓.

電壓偏差量在PB，表示電壓非常高.當(dāng)無功偏差在{NB，NM，NS}，功率因數(shù)在{PB，PS}時(shí)，表示無功過剩、功率因數(shù)高，此處切電容;電容切完后如果電壓仍然偏高，則升檔降壓.當(dāng)無功偏差在{PB，PM，PS}時(shí)，功率因數(shù)在{NB，NS}時(shí)，表示無功不足、功率因數(shù)低，在該區(qū)域內(nèi)變壓器升檔降壓[5].

1.4 模糊控制曲面圖分析

由圖3和圖4可得到如下結(jié)論:

圖3 分接頭控制策略三維曲面圖

1)Ut是改善電壓的直接參數(shù)，Ct是平衡無功功率、改善功率因數(shù)的主要參數(shù).

2)當(dāng)電壓偏差不在合格范圍內(nèi)時(shí)，無論功率因數(shù)合格與否，都要通過調(diào)節(jié)Ut和Ct來確保電壓運(yùn)行在合格范圍內(nèi).

3)當(dāng)電壓偏差較小(在合格范圍內(nèi))時(shí)，分接頭不動(dòng)作；當(dāng)電壓偏差為正大時(shí)升檔降壓；當(dāng)電壓偏差為負(fù)大時(shí)降檔升壓.

4)電壓偏差為負(fù)小時(shí)，無功偏差為負(fù)、功率因數(shù)為正，降檔升壓，在升高電壓的同時(shí)，可提高無功偏差降低功率因數(shù)；無功偏差為正、功率因數(shù)為負(fù)，分接頭不動(dòng)作，投入適量電容器組，在降低無功偏差提高功率因數(shù)的同時(shí)，可使電壓升高；同理可分析電壓偏差為正小時(shí)分接頭和電容器組的動(dòng)作狀態(tài).

圖4 電容器投切控制策略三維曲面圖

5)電壓偏差為負(fù)大時(shí)，無功偏差為負(fù)、功率因數(shù)為正，降檔升壓，在升高電壓的同時(shí)，可提高無功偏差降低功率因數(shù)；無功偏差為正、功率因數(shù)為負(fù)，投入適量電容器組，在降低無功偏差提高功率因數(shù)的同時(shí)，可使電壓升高，如電壓仍然較低則降檔升壓；同理可分析電壓偏差為正大時(shí)分接頭和電容器組的動(dòng)作狀態(tài).

6)可以直觀地看出在保證電壓、功率因數(shù)合格的同時(shí)有效地減少了分接開關(guān)的動(dòng)作次數(shù)和電容器組的投切次數(shù).

1.5 變電站電壓無功立體模糊控制仿真分析

利用MATLAB搭建變電站的仿真模型如圖5所示.導(dǎo)線采用LGJ-185，水平排列，線路長(zhǎng)100km,有載調(diào)壓變壓器型號(hào)SFZL1-31500/110，額定電壓(110±32.5%/6.3)kV，線路r0=0.17Ω/km，x0=0.394Ω/km，變壓器：短路損耗Pd=196.9kW，空載損耗P0=29.6kW，短路電壓百分?jǐn)?shù)Ud%=10.5，空載電流百分?jǐn)?shù)I0%=0.7，連接方式為YG，d11.電容器2 800kVAR，共3組.

圖5 變電站電壓無功立體模糊控制仿真模型

此仿真是針對(duì)線路1和線路2分別進(jìn)行的.其中線路1通過九區(qū)圖控制策略對(duì)變壓器分接開關(guān)和無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)；而線路2通過立體模糊控制分別對(duì)變壓器分接開關(guān)和無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行調(diào)節(jié).運(yùn)行仿真模型可得示波器1和示波器2,圖形如圖6、圖7所示.

圖6 示波器1仿真結(jié)果 圖7 示波器2(用戶端電壓)仿真結(jié)果

圖6、圖7中,粉線為線路1的仿真結(jié)果;黃線為線路2的仿真結(jié)果，具體分析如下：

1)Tapl，Tap2(變壓器分接開關(guān)檔位)：由于線路2模型中采用立體模糊控制對(duì)變壓器分接開關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從仿真結(jié)果中可以明顯看出其分接開關(guān)調(diào)節(jié)次數(shù)比采用九區(qū)圖控制策略的線路1模型的調(diào)節(jié)次數(shù)少.

2)VB2,VB4(pu)：VB2,VB4分別為線路1、線路2中變壓器二次側(cè)電壓.可以看出，通過立體模糊控制的系統(tǒng)其仿真輸出的黃線比通過九區(qū)圖控制的粉線波動(dòng)小,波動(dòng)次數(shù)也明顯少，說明使用立體模糊控制比使用九區(qū)圖控制的變壓器二次側(cè)電壓更加穩(wěn)定.

3)PB1,PB3(MW)：PB1,PB3分別為線路1、線路2中變壓器一次側(cè)有功功率.由于2個(gè)模型所帶負(fù)載相同，所以消耗的有功功率應(yīng)該相同，仿真結(jié)果顯示，2個(gè)模型的變壓器一次側(cè)有功功率基本一致，可見實(shí)際仿真結(jié)果與理論分析相一致.

4)QB1,QB3(MVar)：QB1,QB3分別為線路1、線路2中變壓器一次側(cè)無功功率.由仿真結(jié)果可見，線路1中變壓器一次側(cè)的輸入無功比線路2中變壓器一次側(cè)的輸入無功要多，系統(tǒng)中傳輸較多的無功會(huì)造成系統(tǒng)網(wǎng)損增加、電壓下降，由此可見,使用立體模糊控制比使用九區(qū)圖控制進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)男Ч?

5)示波器2：如圖7所示，線路2經(jīng)過立體模糊控制的用戶端電壓比線路1經(jīng)過九區(qū)圖控制的用戶端電壓波動(dòng)更小，更加平穩(wěn).

2 結(jié)束語

本文提出的變電站電壓無功立體模糊控制策略，充分考慮了電壓、無功和功率因數(shù)的相互關(guān)系，相比九區(qū)圖控制策略來說，更能提高供電電壓的質(zhì)量,有效地減少了輸電線路的無功功率傳輸和有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)的動(dòng)作次數(shù)，進(jìn)而延長(zhǎng)了變壓器的使用壽命，提升了整個(gè)電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定狀況.利用MATLAB搭建變電站電壓無功立體模糊控制和九區(qū)圖控制的對(duì)比仿真模型，通過仿真分析，驗(yàn)證立體模糊控制的優(yōu)越性及可行性.

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