基于模糊控制的變電站電壓無功控制分析

貴州省國家電投集團貴州金元股份有限公司象鼻嶺水電站 徐雷清 盧 宇

1 引言

過去的變電站一般是由工作人員人工參與電壓無功調(diào)節(jié)，通過人為的判斷和調(diào)節(jié)很難使電壓無功運行在規(guī)定范圍，存在著一定程度的缺陷。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，自動控制技術(shù)和無人值班變電站開始登臺，從而使變電站中的電壓和無功功率得到更全面的控制，即在變電站中使用有載電壓互感器和并聯(lián)補償進行局部電壓調(diào)整和無功功率補償，以確保負載側(cè)母線電壓在指定范圍內(nèi)線路功率因數(shù)盡可能接近1，以達到穩(wěn)壓和無功功率補充，從而更有效地完成變電站電壓和無功功率調(diào)節(jié)的重要任務(wù)。為了平衡無功，提高網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟性，保證電壓達標(biāo)，必須研究變電站的電壓和無功功率的綜合控制。

2 變電站電壓無功調(diào)節(jié)

變電站電壓和無功調(diào)節(jié)的要達到的目標(biāo)是驗證電壓質(zhì)量達標(biāo)，驗證無功功率的基本平衡，并使調(diào)節(jié)振蕩最小化，即減少調(diào)節(jié)次數(shù)。因此，變電站電壓和無功功率調(diào)整包括多個限制（包括主變壓器抽頭開關(guān)的每日調(diào)整次數(shù)，電容器的每日開關(guān)次數(shù)，電壓的上下限，功率因數(shù)的上下限，有功功率的上下限，用戶特定要求），多功能（合格電壓，合格功率因數(shù)，最小網(wǎng)絡(luò)損耗）最佳控制問題。

2.1 變電站電壓無功綜合傳統(tǒng)控制方式

2.1.1 基于九區(qū)圖的變電站電壓無功綜合控制

該九區(qū)圖的控制方法通常分為電壓和無功功率的上下限，在平面上劃分為九個區(qū)域，每個區(qū)域?qū)?yīng)于不同控制方法。調(diào)整電壓和無功功率時，根據(jù)電壓和無功功率區(qū)域?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的控制方式。9區(qū)電壓和無功功率控制方法補償了由于簡單地調(diào)節(jié)電壓值作為調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)而導(dǎo)致的有功功率補償?shù)娜毕?，并且還克服了由于功率因數(shù)和電壓作為調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)而引起的并聯(lián)電容器的頻繁故障現(xiàn)象。

九區(qū)圖的控制策略仍然存在較為明顯的問題:即對電壓無功調(diào)節(jié)的目標(biāo)“盡量減少設(shè)備動作次數(shù)”的實現(xiàn)不夠好。在九區(qū)圖的九個區(qū)域中，只有0區(qū)為合格。該方法沒有考慮電壓和無功功率調(diào)節(jié)的相互影響，從而導(dǎo)致有些邊界處的控制結(jié)果模糊不清。例如，當(dāng)系統(tǒng)在某個邊界上的A點運行時，將在A點和B點發(fā)生振蕩。這使得難以保證控制的準(zhǔn)確性，從而使設(shè)備頻繁移動，從而影響控制效果以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.1.2 基于專家系統(tǒng)的變電站電壓無功綜合控制

基于專家系統(tǒng)的控制策略是一種計算機程序，可以基于過去的數(shù)據(jù)來解決問題，主要通過人類專家的相關(guān)經(jīng)驗和準(zhǔn)確的模型來模擬人類專家來解決實際問題。適用于研究沒有算法的對象。該綜合變電站電壓和無功功率控制單元基于專家系統(tǒng)，并存儲變電站電壓和無功功率控制的歷史數(shù)據(jù)。當(dāng)需要調(diào)整電壓和無功功率時，可以如同經(jīng)驗豐富的人員調(diào)整一樣合理利用這些數(shù)據(jù)。目前的基于專家系統(tǒng)的變電站電壓無功綜合控制策略已經(jīng)可以自適應(yīng)變電站的負荷情況，使控制結(jié)果達到期望范圍[1]。

2.2 電壓無功綜合控制目標(biāo)

2.2.1 確保電壓質(zhì)量合格

“真是中大獎了！”一個捕龜人小心翼翼地抓住鱷龜多節(jié)的長尾，拎起一只只鱷龜，笑著說，“多美的一批燉菜熬湯的龜肉！”他把反應(yīng)遲鈍的鱷龜們?nèi)舆M了平底船，由搭檔捆扎入麻袋?！澳切^子會出錢買的——現(xiàn)在讓我們瞧瞧，有大有小，收拾干凈以后，每只大概十磅肉吧——十乘以十六，就是一百六十磅，每磅十美分——那就是十六美元！要是在這兒能多來幾批這樣的，那——嘿！你干什么？干嗎把那只鱷龜扔回河里！你是不是腦殼壞了？”

衡量電壓質(zhì)量是否合格的標(biāo)準(zhǔn)為變壓器低壓側(cè)的母線電壓必須處于規(guī)定的母線電壓上下限值之間，即。由于母線電壓隨著電力系統(tǒng)負荷以及運行方式的改變而發(fā)生變化，無法長時間保持在額定水平，所以不影響系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行前提下在電壓監(jiān)測點允許有一定的電壓偏移。

2.2.2 基本保持無功功率平衡，盡量降低系統(tǒng)功率損耗

為確保電壓標(biāo)準(zhǔn)化，必須確保系統(tǒng)的無功分層平衡，以使通過變壓器的無功最小化。這是先決條件。從變電站電壓和無功綜合控制的角度來看，無功不可逆。無功功率大于零。無功平衡對于提升電網(wǎng)穩(wěn)定性和安全性有重要意義，同時對于網(wǎng)損的降低也有明顯的效果。然而為保證電壓合格，有些時候盡管對于功率因數(shù)和網(wǎng)損會產(chǎn)生負面影響，仍然會通過對電容器進行強投強切來對電壓偏移進行控制。

2.3 傳統(tǒng)電壓無功綜合控制的缺陷

在變電站的電壓和無功功率的控制中，電壓和無功功率不是彼此獨立的，也不是相互協(xié)調(diào)的。九區(qū)圖控制策略中定義的無功功率和電壓極限未考慮無功功率和電壓相互影響。由于相互影響和操作沖突，當(dāng)變壓器上有微調(diào)抽頭和一組并聯(lián)的開關(guān)電容器時，無法將操作點直接輸入目標(biāo)區(qū)域，但是只能在控制區(qū)域的相鄰區(qū)域之前控制相鄰區(qū)域。采用的策略的效果是使操作點返回到之前控制區(qū)域，即搖擺動作。這就導(dǎo)致九區(qū)圖的某些區(qū)域使控制效果不足。這種不良現(xiàn)象極容易出現(xiàn)在電壓-無功邊界及其附近區(qū)域，使得有載變壓器分接頭和并聯(lián)電容器頻繁動作，除了對設(shè)備性能會產(chǎn)生負面影響，對于系統(tǒng)穩(wěn)定性同樣具有威脅。

3 模糊理論

在1960年，美國的扎德（Zadeh）教授奠定了模糊理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，該理論主要包括模糊集，推理，控制和其他主要內(nèi)容。模糊在現(xiàn)代生活中的應(yīng)用越發(fā)普遍，例如現(xiàn)在較為普及的智能洗衣機或者可編程洗衣機，模糊控制可應(yīng)用與感知洗衣量和洗衣液濃度作為依據(jù)控制洗滌時間。

在一般接觸的數(shù)學(xué)集合中，元素與集合之間的關(guān)系是明確的，即∈或者（屬于、不屬于）。然而在生活與工作中，經(jīng)常會遇到模糊性的概念，例如遠大于某數(shù)、遠小于某數(shù)，這個“遠”的程度模糊不清不確切，這就是模糊概念。

3.1 模糊推理

雖然一般用模糊語言來對模糊控制規(guī)則進行描述，但是這些規(guī)則并非清晰明確，而是來源于實際的工作經(jīng)驗，導(dǎo)致無法清晰地對其進行描述。通常用一下條件語言對控制規(guī)則進行描述：

IF A THEN B

IF A THEN B ELSE C

IF A AND B THEN C

模糊推理不同于用已知命題和規(guī)則，推斷新命題的傳統(tǒng)邏輯推理。模糊推理以模糊邏輯為基礎(chǔ)，然后將模糊判斷作為前提，按照模糊語言規(guī)則推斷出新的模糊結(jié)語。其結(jié)語，并非根據(jù)大小前提推理出來的嚴(yán)格結(jié)語，而是一個近似結(jié)語，即近似推理。模糊推理即是近似推理的一種[2]。

3.2 模糊控制的概念

如今不管是電力系統(tǒng)還是其他系統(tǒng)，由于經(jīng)過長遠的發(fā)展都變得愈發(fā)的龐大和復(fù)雜，傳統(tǒng)的控制方法是基于較為精確的數(shù)學(xué)模型之上的，但是現(xiàn)在的系統(tǒng)有時過于復(fù)雜已經(jīng)無法提供精確的模型進行實時控制。而模糊控制是基于實際的工作經(jīng)驗，對于無法提供準(zhǔn)確模型的實時控制任務(wù)具有極大的意義。

3.3 模糊控制系統(tǒng)的構(gòu)成

模糊系統(tǒng)的特點主要體現(xiàn)在狀態(tài)、輸入、輸出具有模糊性。模糊控制器便是模糊控制系統(tǒng)的核心，如圖1所示。

圖1 模糊控制系統(tǒng)構(gòu)成

模糊控制器具備下列三個主要的功能。

一是模糊化：將數(shù)字量轉(zhuǎn)為模糊量；二是模糊推理：用給定規(guī)則進行推理；三是反模糊化：將模糊推理的結(jié)語從模糊量變?yōu)槟M量或者數(shù)字量。

4 變電站電壓無功控制仿真模型

4.1 簡化變電站模型的建立

以某110kV變電站為例，雙繞組變壓器：高壓側(cè)電壓為110±8×1.25%kV，低壓側(cè)電壓10.5kV，連接方式為Yg，D11。電容器共4組每組2400kVar。

4.2 MATLAB電壓無功模糊控制器設(shè)計

一是控制器的輸入輸出。在本設(shè)計中，由于電壓無功控制主要是根據(jù)變壓器低壓側(cè)電壓與高壓側(cè)無功的變化進行控制，所以輸入量就是電壓、無功功率；控制的結(jié)果是以變壓器分接頭的擋位變化和電容器的投切體現(xiàn)，就將其設(shè)為輸出量。二是模糊化。由圖1可知需要將輸入進行模糊化處理，也就是將精確數(shù)值轉(zhuǎn)化為模糊變量。三是模糊規(guī)則及推理方法。在本文中將以九區(qū)圖為基礎(chǔ)，結(jié)合人為工作經(jīng)驗進行規(guī)則覆寫，并且推理方法使用Mamdani方法以簡化計算。四是去模糊化。本文中選用在實際中普遍使用的重心法為去模糊化的方法。

4.3 Simulink模糊邏輯工具箱

模糊邏輯工具箱用于設(shè)計模糊控制器，包括:模糊推理系統(tǒng)編輯器，隸屬函數(shù)編輯器，模糊規(guī)則編輯器，模糊規(guī)則觀察器和輸出表面觀察器。GUI工具。打開MATLAB并在命令行窗口中鍵入:fuzzy，然后按Enter調(diào)用模糊推理系統(tǒng)編輯器。

4.3.1 模糊控制器的輸入輸出

本電壓無功模糊控制器所用算子均為FIS Editord的默認值，即：and算子默認為min，or算子默認為max，反模糊化默認為centroid。并且該控制器為雙輸入（電壓、無功功率）雙輸出（分接頭、電容器），使用在默認編輯器上應(yīng)該各增加一個輸入輸出。U、Q為輸入，TAP、CAP為輸出，如圖2所示。

圖2 雙輸入雙輸出系統(tǒng)

4.3.2 模糊化

根據(jù)GBl2325—90《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》，10kV電壓波動幅度不超過額定電壓的±15%，即8.5～11.5kV。將論域U設(shè)定為8.5～11.5。變壓器低壓側(cè)電壓上下限設(shè)為10.8kV和10kV。

在實際工作中VQC設(shè)備無功功率的波動不能超過一組電容器的3倍，即無功功率變化為-7.2～7.2MVar，使用設(shè)Q 的隸屬函數(shù)論域為-7.2～7.2，Q的上下限設(shè)置為-0.2 ～3.6MVar。

對于變壓器分接頭控制量TAP和電容器控制量CAP，根據(jù)分接頭動作與電容器動作，即升降檔和投切?？稍O(shè)置TAP、CAP隸屬函數(shù)論域為-1～+1。

4.3.3 模糊規(guī)則建立

使用模糊規(guī)則編輯器，根據(jù)模糊控制規(guī)則表對規(guī)則進行編寫，編寫完模糊控制規(guī)則后，使用FIS editor中View選項的Rules可以得到模糊推理情況，對變電站電壓無功進行模糊控制以后可看出，變壓器低壓側(cè)電壓在9.65～10.63kV，變壓器高壓側(cè)無功功率變化范圍在-1.23～4.11MVar，在24h的監(jiān)測中變壓器分接頭調(diào)檔1次，電容器投切7次[3]。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)控制與模糊控制對比，雖然兩者的變壓器低壓側(cè)電壓和變壓器高壓側(cè)無功功率都是在合格范圍內(nèi)。但是模糊控制的電壓無功變化范圍更小，控制更加平滑平緩。明顯改善了傳統(tǒng)控制出現(xiàn)的設(shè)備頻繁動作的缺陷以及其帶來的不良影響。減少了對于電壓無功邊界對于電壓無功之間影響沖突考慮不足，造成有載調(diào)壓變壓器分接頭與并聯(lián)電容器頻繁動作情況。