用于SVC系統的自適應調整控制參考電壓值的方法

尚 春 林 永 張正祥 龔天森 胡 蓉

（1.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司，廣東 廣州 516202；

2.榮信電力電子股份有限公司，鞍山 114051）

1 引言

現有技術中的自動控制設備特別是電網中用于一次回路的電力設備，參考電壓值需由用戶人工給定輸入到控制系統中，在運行過程中不能由設備的控制系統本身跟隨外界條件變化進行自動調節。這一缺點在電網高壓系統中表現得尤為明顯，由于設備缺少自身自動調整電壓參考值的功能，而電力系統運行狀態時刻發生改變，需要系統調度員頻繁計算和下令現場操作員人工修訂設備的電壓參考值，這種做法既不能得到實時的電壓參考值，影響了設備的運行效果，又需要人工手動向設備控制系統裝入修訂的電壓參考值，降低了設備運行的可靠性和安全性。這種現象在高壓電網的SVC系統中更為突岀，需要找到有方法予以解決。

2 滑動平均法的原理

自適應調整控制參考電壓的核心控制算法就是利用滑動平均的方法來消除被控電壓的毛刺，是SVC得到被控電壓的整體變化趨勢，以便于實時調整參考電壓，從而實現SVC對于被控電壓瞬時波動的控制。下面簡述滑動平均法的原理。

動態測試數據y(t)由確定性成分f(t)和隨機性成分x(t)組成，且前者為所需的測量結果或有效信息，后者即隨機起伏的測試誤差或噪聲，即x(t)=e(t)，經離散化采樣后，可相應的將動態測試數據寫成

為了更精確的表示測量結果，抑制隨機誤差{ej}的影響，常對動態測試數據{yj}做平滑和濾波出力。具體的說，就是對非平穩的數據{yj}，在適當的小區間上視為接近平穩的，而作某種局部平均，以減小{ej}所造成的隨機起伏。這樣沿全長N的數據逐一小區間上進行不斷的局部平均，即可得出較平滑的測試結果{fj} ，而濾掉頻繁起伏的隨機誤差。

例如，對于N個非平穩數據{yj}，視之為每m個相鄰數據的小區間內是接近平穩的，即其均值接近于常量，于是可取每m個相鄰數據的平均值，來表示該m個數據中任一個的取值，并使其為抑制了隨機誤差的測量結果或消除了噪聲的信號。通常多用該均值來表示其中點數據或端點數據的測量結果或信號。例如取m等于5，并用均值代替這5個點最中間的一個就有下式：

上述動態測試數據的平滑與濾波方法就稱之為滑動平均。通過滑動平均后，可濾掉數據中頻繁隨即起伏，顯示出平滑的變化趨勢，同時還可得出隨機誤差的變化過程，從而可以估計出其統計特征量。

2.1 系統組成

為實現上述目的，通過以下技術方案實現。

技術方案見圖1。電壓傳感器PT采集母線電壓，通過變換器將大范圍的電壓信號轉變為小范圍電壓信號，再經A/D轉換器將模擬信號轉變成數字信號，采樣值經計算單元處理后，得到實時的電壓參考值，該電壓參考值輸入控制器，用于SVC等具有自動控制功能的電力設備。

圖1 系統組成結構示意圖

利用上述滑動平均法的原理得出本控制算法，該方法的核心思想是:

（1）采樣部分讀取到的電壓有效值與電網電壓的有效值相等。

（2）采樣部分讀取到的電壓有效值在進一步處理前經過篩選，超過電網電壓正常運行值的數據判定為無效數據丟棄不進行進一步的處理。

（3）將多個采樣值進行平均得到某個時段內電壓統計值用于下一步的處理。

（4）采樣部分按照一定的間隔持續讀取電網電壓有效值，每讀取到一個新的電壓值則參與電壓統計值的計算。

（5）最近的一系列電壓統計值有效數據依據“先進先出”（FIFO）的原則進入一定長度的數據寄存器或緩沖區，同時如果寄存器或者緩沖區溢出，則丟棄最古老的數據。

（6）寄存器或緩沖區中的數據每更新一次，寄存器或緩沖區中的數據進行一次加權平均，最近的數據的加權系數應大等于較古老的數據的加權系數，即實現了滑動加權平均。

（7）每計算出一次加權平均得到的值后，將這個值送入控制系統的參考電壓環節作為參考電壓值并即時生效，控制系統根據這個新的參考電壓相應調整控制器輸出指令。

2.2 計算單元

一種自適應調整控制參考電壓值的方法，通過對電網母線電壓采樣，進行丟棄無效數據處理后，獲得母線電壓有效值，將有效值輸入計算單元，通過時間滑動平均計算方法，得到實時的電壓參考值，具體步驟如下：

（1）對母線電壓進行采樣，按照一定的間隔持續讀取電網電壓有效值，獲得多個母線電壓采樣值；

其計算單元流程見圖2。

圖2 計算流程圖

計算流程圖中

（2）采樣讀取到的電壓有效值進行篩選處理，其中超過電網電壓正常運行值的數據判定為無效數據丟棄不進行進一步的處理。

（3）將篩選處理后保留的多個采樣值進行平均得到某個時段內的電壓統計值用于下一步的處理。

（4）最近的一系列電壓統計值有效數據依據“先進先出”（Fist In First Out，FIFO）原則進入一定長度的數據寄存器或緩沖區，如果寄存器或者緩沖區溢出，則丟棄最古老的數據。

（5）寄存器或緩沖區中的數據每更新一次，寄存器或緩沖區中的數據進行一次加權平均，最近的數據的加權系數應大于等于較古老的數據的加權系數，即實現了滑動加權平均。

（6）每計算出一次加權平均得到的值后，將這個值送入控制系統的參考電壓環節作為參考電壓值并即時生效，控制系統根據這個新的參考電壓相應調整控制器輸出指令。

2.3 自動控制系統參考電壓的裝入

自動控制系統的參考電壓裝入示意圖見圖3。

圖3 自動控制系統的參考電壓裝入示意圖

該方法可得到實時調整的參考電壓Uref，與反饋的母線電壓測量值Umeas經過信號加減環節后得到控制偏差量，經PID控制后，相應調節輸出。

采樣部分為控制系統的電壓采樣電路，如果反饋環節有電壓采樣電路，可以利用控制系統反饋環節的電壓采樣電路。控制系統為帶有負反饋的閉環控制系統。寄存器或緩沖區可以由硬件寄存器或者內存中的緩沖區來實現。電壓統計值計算的時間間隔大小可以根據需要進行調整?；瑒蛹訖嗥骄傅亩鄠€時間上相鄰的電壓統計值的滑動平均?？刂葡到y的參考電壓環節指的是控制器的電壓參考值輸入端或者可間接轉換到電壓值的參考值輸入端。

2.4 實驗效果

目前該算法已經在南方電網云廣直流輸電楚雄換流站SVC中投入使用，并且達到了預期的設計目標。楚雄換流站的 500kV母線電壓長期穩定在520～550kV范圍內，算法中將此范圍以外的采樣點視為無效數據丟棄，不利于求取參考電壓修正值。對500kV線母線電壓有效值進行采樣，采樣間隔為1s，采樣1分鐘的數據，然后求取平均值。按上述方法依次求取5min的數據，然后對5個電壓平均值進行計算，并將其設定為新設定值。延遲1min后，將電壓參考值平滑變化到新設定值。此過程為積分方式，積分時間為1min。依照此方法，系統可以根據系統電壓變化的趨勢自適應的調整系統的參考電壓。具體的調整過程參見圖 4，圖紙藍色曲線為參考電壓調整的曲線，中間波動范圍較大的粗線部分為實際的500kV母線電壓值。結果表明參考電壓由人為設定的550kV自適應的調整為當前500kV電壓的平均值附近。

圖4 參考電壓自適應調整曲線

3 系統優點

（1）實現了自動控制設備的電壓參考值根據外界變化自適應調整，能夠自動跟蹤電網的穩態電壓的變化。

（2）可以通過修改軟件來實現，不需要增加額外的硬件。

（3）代替了人工頻繁給定控制系統電壓參考值，能夠隨著系統變化自動調整控制系統的電壓參考值，從而調整控制器輸出，代替了人工操作。

（4）避免了人工操作過程中可能的失誤，提高了設備運行可靠性。

4 結論

本系統已經在南方電網云廣直流輸電楚雄換流站 SVC使用。通過采用本系統，楚雄換流站SVC能夠隨電力系統運行狀況變化自動調整其參考電壓值，免除了由系統調度員頻繁計算和下令調整參考電壓值，大大提高了SVC控制系統的自動化程度和可靠性，并增加了一定程度的適應變化系統的靈活性。該系統具有應用和推廣價值。