變電站電壓和無功的綜合控制研究

楊 輝

（河南省新鄉供電公司調度中心，河南 新鄉 453002）

電壓是衡量電能質量的一個重要指標，電壓過高或過低，都會影響用電設備的效率和壽命，甚至造成用電設備的損壞，嚴重時會造成電壓崩潰。維持電壓處于合理范圍內，不僅關系到電力系統自身的安全，而且關系到千家萬戶的用電安全。

無功功率對電壓影響很大，使無功就地平衡，不僅可以提高電壓質量，提高電網的輸送能力，而且可以降低有功損耗，節約投資并減少環境污染。對電網實現電壓和無功的優化控制，可以確保電力系統中各節點電壓和無功，處于安全合格的范圍之內，具有巨大的經濟效益和社會效益。

目前，變電站主要通過對有載調壓變壓器的分接頭進行調節，和對并聯電容器組進行投切，來實現電壓合格和無功平衡的目的。人為地調節電壓和無功功率，一方面增加了值班人員的負擔，另一方面很難保證調節的合理性。隨著計算機技術和通訊技術的快速發展，變電站綜合自動化程度的提高，有必要對變電站電壓和無功自動控制展開進一步的研究。

1 變電站電壓和無功控制的現狀

利用改變有載調壓變壓器的分接頭位置進行調壓時，它自身不產生無功功率，在系統無功功率不足的情況下，不能用改變變比的辦法，來提高系統的電壓水平，否則電壓調得越高，無功功率就越不足。鑒于上述原因，在系統缺乏無功的情況下，必須利用電容器進行調壓。

把調節有載調壓變壓器分接頭和控制電容器組的投切兩者結合起來，進行合理的調控，從而達到最優控制的效果，目前比較有代表性的方法有：

1.1 功率因數法和母線電壓法

按照功率因數的大小，來控制電容器的投切，實現無功補償，使系統的功率因數維持在一定的范圍內。由于某些企業的日負荷曲線變化比較大，造成電壓波動，可以根據母線電壓的大小，自動投切并聯電容器組，使母線電壓保持在一定的范圍內，以上兩種控制方式比較簡單，但控制精度不高。

1.2 九區圖法

是將電壓和無功上下限值劃分為9個區域，各個區域對應不同的控制策略，該控制方案根據實時監測的電壓和無功功率，判定當前變電站電壓無功運行的區域，再根據相應區域的控制策略，對有載調壓變壓器的分接頭和并聯電容器組進行控制。但九區圖法可靠性和經濟性不強，容易出現“投切振蕩”，既影響控制性能，又縮短了電器設備的使用壽命。

1.3 人工神經網絡法

人工神經網絡ANN（Artificial Neural Network）可以實時控制電容器的投切，建立具有兩級人工神經元網絡的控制網絡模型。第一級，輸入實時數據有有功功率、無功功率、電壓值和當前電容器組的狀態，輸出負荷輪廓LP（Load Profile）；第二級，根據第一級輸出的負荷輪廓選擇最佳電容器組狀態。該方法不僅可以保持電壓處于合格的范圍內，維持無功功率的平衡，而且有效地減少變電站有載調壓開關的切換次數，和電容器組的投切次數，但人工神經網絡對訓練數據要求高，訓練次數和訓練時間不容易確定。

1.4 蟻群算法

蟻群算法ACO（Ant Colony Optimization）是人們受螞蟻群體行為的啟示，而提出的一種優化算法。它通過個體之間的信息交流與相互協作，最終得到待求問題的解。通過蟻群算法建立相應的無功優化模型和求解算法，使用高效的鄰域搜索方法，提出新的收斂條件，從而進行無功優化，但是存在著易陷于局部最小值的缺點。

1.5 遺傳算法

遺傳算法GA（Genetic Algorithms）是一種隨機搜索方法，它能夠在可行解空間內進行大范圍搜索，從而得到全局最優解，適合于解決組合優化問題，以及目標函數或某些約束條件不可微的非線性優化問題。遺傳算法用于電壓無功控制，可以更有效地搜索到最優控制策略，使主變中流過的無功功率及主變二次側電壓偏移值最小，并且可以增加電壓合格裕度，但該算法迭代次數較多時，會影響計算時間和運行優化結果。

1.6 模糊邏輯控制法。

模糊邏輯控制FLC（Fuzzy Logic Control）可以根據系統的運行方式，把電壓和無功邊界模糊化，進行推理，計算出控制策略和延遲時間，列出模糊控制規則表，通過查表方式去控制有載調壓分接頭和電容器的投切，在有效保持電壓質量和無功平衡時，避免投切振蕩。但是它對信息的簡單模糊化處理，容易導致系統精度不高，要提高控制精度必須增加量化等級，從而導致系統搜索范圍增大，降低模糊決策速度。

2 電壓和無功的綜合控制方法研究

將模糊控制和專家系統相結合，是一種新的智能控制策略，即模糊專家系統。它不僅可以增強處理不確定性問題的能力，而且可以充分利用專家系統的綜合決策能力。鑒于上述原因，本文采用模糊控制和專家系統相結合的控制策略（如圖1所示）。

圖1 模糊專家控制系統圖

圖1中，Ke和Kec為量化因子，Ku為比例因子，K1、K2和 K3為動態修正因子。模糊控制器完成控制系統受控對象的直接控制，而專家控制作用于在線的指導模糊控制器的量化因子和比例因子的大小，實現專家控制和模糊控制的完美結合。Ke值會影響誤差值e的大小，進而模糊控制器模糊化最小量化值，增大Ke值，增強了誤差值對控制系統的作用，從而導致系統的超調量增大，收斂速度減慢，甚至可能產生振蕩分散現象；相反，若減小Ke值，將削弱誤差控制作用；但是Ke過小，則使系統的響應時間增大，系統的靜態誤差較大。增大值，提高了系統的靈敏度，可以有效抑制超調量，但是Kec過大，不利于系統的穩定，Kec過小又不利于減小超調量。比例因子Ku直接影響模糊控制器的控制量輸出值的大小，增大Ku可以提高系統的快速性，但Ku過大將增大系統的超調量，過小對系統的穩定時間不利。

對于量化因子Ke、Kec和比例因子Ku值的選取不能單純的“選大”或“選小”固定值，理想的選擇方法是根據控制系統的動態狀態信息，對系統的量化因子Ke、Kec和比例因子Ku進行動態選擇。通過專家控制器監控系統的狀態，動態指導調整量化因子Ke、Kec和比例因子Ku值的大小，改善控制系統的性能。

變電站電壓無功控制，是根據電壓和無功功率兩個參數的實時變化，對變電站有載調壓變壓器的分接頭的升降和并聯電容器組的投切，進行綜合控制。采用模糊專家控制系統實現變電站電壓和無功控制，以電壓偏差和無功偏差作為輸入量，變壓器分接頭調節和電容器組投切作為輸出量，根據模糊控制設計出電壓無功的模糊控制器，再根據專家的經驗，調整模糊控制器的某些參數，如量化因子和比例因子等，這樣在實時運行中，能更好的保持電壓在合格范圍內維持無功平衡，更好地保持電壓穩定。

3 仿真分析

為了驗證所提方法的正確性，本文用Matlab軟件進行了仿真，圖2是變電站的電壓和無功波動圖，圖3是采用模糊專家控制系統后的電壓波形、無功波形、變壓器檔位調節及電容器組投切的情況。

圖2 電壓無功變化曲線圖

圖3 模糊專家控制系統仿真圖

可以看出，模糊專家控制系統的電壓和無功波形平滑，變壓器檔位和電容器組比模糊控制系統控制的調節次數少，投切次數也少，變壓器高壓側的的無功能基本保持平衡。

4 結束語

針對變電站電壓和無功控制的現狀，本文把模糊控制和專家系統結合起來，提出了一種模糊專家控制系統，仿真表明該方法在保證電壓合格和無功基本平衡的基礎下，能有效減少分接頭檔位和電容器組的動作次數，達到了很好的控制效果。

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