張寶杰， 張 超， 杜愛民

(北京電研華源電力技術有限公司，北京 102200)

0 引 言

隨著我國電力網(wǎng)絡結構的日趨復雜和用戶對電能質(zhì)量要求的不斷提升，在系統(tǒng)運行中必須進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，對保證供電系統(tǒng)電壓質(zhì)量有著現(xiàn)實的重要意義[1].針對現(xiàn)有各種控制策略未綜合考慮電壓、無功、功率因數(shù)3個因素相互影響的缺點，本文利用模糊控制理論善于處理非線性及多因素復雜控制等問題的優(yōu)點，結合電壓、無功變化的特點，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個輸入量的論域，得出它們所對應的模糊詞集，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調(diào)節(jié)、電容器組投切2個輸出量的模糊詞集來控制變壓器分接開關的升級和電容器組的投切，以達到調(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計

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個輸入量和變壓器分接開關調(diào)節(jié)、電容器組投切2個輸出量[4].3個出入量關系如圖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.控制目標是使電壓無功工作點運行在由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次側電壓和1次側功率因數(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)，分接開關變化量Ut的基本論域為{-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，論域上的值代表變壓器分接開關調(diào)節(jié)的偏差量，負數(shù)定義為降壓，正數(shù)定義為升壓.設電容器組共有3組，則電容器組輸出控制變量Ct的基本論域為{-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，論域上的值表示投切電容器的組數(shù)，負數(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表示負大;NM表示負中;NZ表示負零;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表示負大;NM表示負中;NS表示負小;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表示負大;NS表示負小;ZO表示零;PS表示正小;PB表示正大.由于變壓器分接開關嚴禁發(fā)生滑檔動作(分接開關連續(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，對其調(diào)節(jié)只需要指明分接頭是升、降還是不動作，所以分接開關變化量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表示負大;NM表示負中;NS表示負小;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個等級，即量化論域為{-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)的量化論域為{-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，結合電壓無功綜合調(diào)節(jié)需遵守的一些規(guī)章規(guī)程和專家經(jīng)驗.可得到如表1所示的控制規(guī)則.表1中,分子對應于變壓器分接頭的模糊輸出量為Ut，分母對應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是進線側(一次側)功率因數(shù)和二次側母線電壓，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}，所對應區(qū)域同樣是實際不存在區(qū).

電壓偏差量在{NZ，PZ}，此時電壓合格，為電壓不控制區(qū).當無功偏差在{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；當無功偏差在{PB，PM，PS}，功率因數(shù)在{NB，NS}時，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電壓偏差在正零(PZ)或負零(NZ)時，如表1所示有所不同.

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

電壓偏差量在NB，表示電壓非常低.當無功偏差在{NB，NM，NS}，功率因數(shù)在{PB，PS}時，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；當無功偏差在{PB，PM，PS}，功率因數(shù)在{NB，NS}時，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.當無功偏差在{NB，NM，NS}，功率因數(shù)在{PB，PS}時，表示無功過剩、功率因數(shù)高，此處變壓器分接開關不動作，切電容；當無功偏差在{PB，PM，PS}，功率因數(shù)在{NB，NS}時，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.當無功偏差在{NB，NM，NS}，功率因數(shù)在{PB，PS}時，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.當無功偏差在{PB，PM，PS}時，功率因數(shù)在{NB，NS}時，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)當電壓偏差不在合格范圍內(nèi)時，無論功率因數(shù)合格與否，都要通過調(diào)節(jié)Ut和Ct來確保電壓運行在合格范圍內(nèi).

3)當電壓偏差較小(在合格范圍內(nèi))時，分接頭不動作；當電壓偏差為正大時升檔降壓；當電壓偏差為負大時降檔升壓.

4)電壓偏差為負小時，無功偏差為負、功率因數(shù)為正，降檔升壓，在升高電壓的同時，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，分接頭不動作，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，可使電壓升高；同理可分析電壓偏差為正小時分接頭和電容器組的動作狀態(tài).

圖4 電容器投切控制策略三維曲面圖

5)電壓偏差為負大時，無功偏差為負、功率因數(shù)為正，降檔升壓，在升高電壓的同時，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，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，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分接頭和電容器組的動作狀態(tài).

6)可以直觀地看出在保證電壓、功率因數(shù)合格的同時有效地減少了分接開關的動作次數(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.導線采用LGJ-185，水平排列，線路長100km,有載調(diào)壓變壓器型號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，短路電壓百分數(shù)Ud%=10.5，空載電流百分數(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

此仿真是針對線路1和線路2分別進行的.其中線路1通過九區(qū)圖控制策略對變壓器分接開關和無功補償裝置進行調(diào)節(jié)；而線路2通過立體模糊控制分別對變壓器分接開關和無功補償裝置進行調(diào)節(jié).運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仿真結果 圖7 示波器2(用戶端電壓)仿真結果

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

1)Tapl，Tap2(變壓器分接開關檔位)：由于線路2模型中采用立體模糊控制對變壓器分接開關進行調(diào)節(jié)，從仿真結果中可以明顯看出其分接開關調(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)圖控制的粉線波動小,波動次數(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中變壓器一次側有功功率.由于2個模型所帶負載相同，所以消耗的有功功率應該相同，仿真結果顯示，2個模型的變壓器一次側有功功率基本一致，可見實際仿真結果與理論分析相一致.

4)QB1,QB3(MVar)：QB1,QB3分別為線路1、線路2中變壓器一次側無功功率.由仿真結果可見，線路1中變壓器一次側的輸入無功比線路2中變壓器一次側的輸入無功要多，系統(tǒng)中傳輸較多的無功會造成系統(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)圖控制進行無功補償?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更小，更加平穩(wěn).

2 結束語

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)壓變壓器分接開關的動作次數(shù)，進而延長了變壓器的使用壽命，提升了整個電力系統(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)圖控制的對比仿真模型，通過仿真分析，驗證立體模糊控制的優(yōu)越性及可行性.

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