基于模糊目標函數的配電站電壓實時監控技術

常洪亮， 喬子洹, 廖文鍇， 國艷波

(中國南方電網深圳市供電局有限公司， 廣東 深圳 518048)

0 引言

在配電站電壓實時監控技術智能化的發展趨勢下，使得配電站附件耗電量所占比例大大增加，因此，需要了解配電站電壓使用情況，保證配電站實時供電，實現配電站的安全與穩定運行[1-3]。傳統配電站電壓實時監控技術功能單一，實用性較差，隨著科學技術的不斷進步，用戶對配電站的需求也在不斷提高，傳統監控技術已經不能完全滿足用戶需求[4]，因此，相關研究人員對該問題進行了研究，并取得了一定的研究成果。

文獻[5]提出一種含光伏電站和蓄電池儲能系統的主動配電系統狀態估計方法，構建光伏五參數模型，通過該模型推導光伏系統的量測函數，并對主動配電系統的狀態進行估計，同時剔除不良數據。實驗結果表明，該方法能夠實現狀態監控，但是監控用時較長，效率不高。文獻[6]提出變電站指針式儀表檢測與識別方法，通過構建卷積神經網絡模型檢測儀表目標，并檢測儀表圖像的畸變，采用霍夫變換檢測儀表實現儀表讀數的識別。分析實驗結果可知，該方法雖然檢測用時不長，但是該方法無法自動更新配電站電壓數據，操作不方便，而且只能進行一次讀數，不能連續記錄配電站真實變化情況，穩定性不佳。

針對當前配電站電壓監控需求和現有方法存在的問題，設計了基于模糊目標函數的配電站電壓實時監控技術。該技術改變傳統監控模式，在設備上顯示數據，結合模糊目標函數動態跟蹤配電站電壓參考信號序列，在每個采樣周期分辨相關參數，同時施加自適應控制，根據模糊控制理論實現了配電站電壓的實時監控。

1 配電站系統

為了方便研究，建立配電站系統，如圖1所示。

圖1 配電站系統

圖中包括1個單向電源和3個恒功率負載，恒功率負載會向配電站實時反饋能量。該系統除了包含上述組件外，還包括混合儲能和能量耗散部分。配電站內匯流條額定電壓為240 V，依據國際規定，240 V電流配電站穩態電壓范圍為220 V—250 V。

由圖1可知，由于配電站中永磁電機能量傳輸是單向的，因此，當兩個負載反饋功率大于第三個負載反饋功率時，反向裝置會及時抑制功率傳輸，此時將功率存儲到如圖1所示的配電站系統電容之中，會導致直流匯流完全過壓。為了改善這個問題，通過圖1所示的儲能耗散裝置中的電阻吸收配電站中多余的能量，以此來確保配電站的配電安全。

2 模糊目標函數建立

2.1 建立模糊方程

以配電站系統為基礎，構建模糊方程，降低控制目標的二次側電壓波動。調壓變壓器與電容器組的配電站等值電路圖如圖2所示。

圖2 配電站等值電路

根據圖2中設計的調壓變壓器與電容器組的配電站等值電路圖，忽略配電站阻抗和電容器阻抗中的電阻，剔除未知變量，充分考慮負荷靜態屬性，建立模糊方程，如式(1)。

(1)

式中，x、y、z、r、s、t表示配電站各項參數，由統計得到。

2.2 目標函數建立

依據模糊方程構建模糊目標函數，并采用數值法求解模糊目標函數的最優解，得到配電站分接頭和開關電容器的最優調壓策略，為實現配電站電壓的實時監控提供前提條件。

(1) 原始目標函數

在保證控制目標的二次側電壓波動足夠小的前提下，才能提高功率因數，這就需要配電站接頭和電容器組動作次數要少，這屬于一個模糊性語言描述目標，考慮上述因素對原始目標函數進行模糊化處理[7]。設定約束條件，對電壓、接頭調整次數以及電容器投切次數約束為硬約束，而功率因數為軟約束[8]。在任何形式下，都不能約束電壓，但在允許功率范圍內，設定滿足配電站電壓要求，通過隸屬函數區別硬、軟條件[9]。

(2) 各物理量隸屬函數

1) 二次側電壓隸屬函數的建立，目的是調節二次側電壓。

2) 功率隸屬函數的建立是以投切電容器為主要指標，一旦改變投切容器功率因數，那么需保證其擁有較高的隸屬度。因此，功率因數受到的限制越大，隸屬函數值就越小，即在實際運行過程中，功率因數一旦偏大，那么其越限程度就會越小，電容器出現投切現象可能性就越小；反之，則越大。

(3) 模糊目標函數

選擇調節方式調節參考歷史數據，添加常量C，設fc和fd分別表示投、切電容隸屬度；fe和fg分別表示升降配電站分接頭隸屬度，當歷史記錄為投電容器時，可表示為式(2)。

fc=C-fc-fg-fe

(2)

當歷史記錄為升電容器時，可表示為式(3)。

fc=C-fg-(fc-fe)

(3)

當歷史記錄為降分接頭時，可表示為式(4)。

fg=C-(fe-fd)-fc

(4)

根據式(2)、式(3)和式(4)，充分考慮用電峰谷期配電站電壓調節所受到的影響，增大投電容器隸屬度，得到模糊目標函數為式(5)。

(5)

式中，λ表示增大常量；N1、N2分別表示配電站分接頭隸屬函數和并聯電容器組隸屬函數。

提出的基于模糊目標函數的配電站電壓實時監控技術，根據負荷情況預測有載調壓配電站分接頭，通過加入有關模糊量，改進模糊目標函數，調節電壓[10]。導出的目標函數表示一種線性規劃問題，采用數值法求出最優解，以此得到配電站分接頭和開關電容器最優調壓策略。

3 配電站電壓實時監控的實現

對于波動劇烈的配電站系統，無法有效抑制噪聲，因此，采用模糊控制機制對配電站電壓進行實時監控，模糊自適應控制過程如圖3所示。

圖3 模糊自適應控制過程

由圖3可知，模糊控制集合包括G1、G2、G3三個模糊子集，由此確定子隸屬函數形狀，根據配電站運行機理，確定正態分布形，擬合隸屬函數。根據最小方差目標要求和自適應控制誤差消除原理，對三個模糊子集，設置誤差信號和控制變量，經過模糊推理輸出模糊量，并將推理結果去模糊化處理后輸出到執行機構。運用模糊目標函數，通過閉環控制流程，實現對配電站電壓的實時監控，具體控制流程如圖4所示。

圖4 具體控制流程

由圖4可知，由配電站獲取實時信息，確定配電站當前運行狀態，并判斷配電站電壓是否越限，如果不越限，則實現對配電站電壓的實時監控。否則，計算步驟1中所有可能出現的監控策略，確定相應各組電壓值；將各組電壓值代入模糊目標函數中，獲取二次側電壓值；計算各個物理量隸屬函數，經由模糊目標函數確定最優監控策略；依據模糊目標函數獲取最優監控策略，并進行實際調控；保存調控前后配電站運行狀態，作為電壓監控歷史參考信息；返回步驟(1)，不斷重復上述步驟，實現配電站電壓實時監控。

4 仿真實驗

為驗證基于模糊目標函數的配電站電壓實時監控技術的穩定性與高效性，通過仿真實驗進行驗證分析。實驗環境為MATLAB7.0，該技術選取的模糊因子為2，迭代最大誤差為0.01，最大迭代次數為550次，并通過在線數據分析軟件MOA進行數據分析。在上述條件下，對配電站存儲電壓和耗散電壓進行分析，結果如圖5所示。

圖5 存儲電壓和耗散電壓分析

由圖5可知，在時間為0.162—0.172時，耗散電壓最高為242.5 v；而存儲電壓隨著時間增加，最高可達到244 V。在此基礎下，為了驗證所提技術的優勢性，以文獻[5]方法和文獻[6]方法為對比方法，以監控效率和監控穩定性為對比指標，對比不同方法的應用效果。監控效率對比結果如表1所示。

表1 不同技術監控效率(%)

由表1可知，基于模糊目標函數技術對存儲電壓的監控效率最高為97%，對耗散電壓的監控效率最高為98%；而文獻[5]方法對存儲電壓的監控效率最高為53%，對耗散電壓的監控效率最高為45%；文獻[6]方法對存儲電壓的監控效率最高為68%，對耗散電壓的監控效率最高為73%。由此可知，基于模糊目標函數的配電站電壓實時監控技術監控效率較高，這是因為該技術通過構建模糊方程，來降低控制目標的二次側電壓波動，從而降低了監控干擾，進而提升了監控效率。

不同方法的監控穩定性對比結果，如圖6所示。

圖6 不同方法的監控穩定性對比

其中，控制穩定性用數值進行表示，具體為0—9，數值越高，穩定性越好。

分析圖6可知，運用所提技術對配電站電壓進行監控時，穩定系數明顯高于文獻[5]方法和文獻[6]方法，說明該技術在進行監控時，不易受外在因素的干擾，抗干擾性更強。這是由于該技術在配電站分接頭和開關電容器的最優調壓策略下，根據最小方差自適應控制誤差消除原理，能夠抵抗外界噪聲，從而提高了穩定性。

5 總結

提出的基于模糊目標函數的配電站電壓實時監控技術計算量小，容易快速實現，能夠滿足人們對配電站安全、可靠的高要求。經過仿真實驗可知，該技術比傳統方法監控效果要好，減少了配電站工作人員勞動強度，提高配電站自動化程度，對于改善傳統監控效果，提高配電站安全運行效率具有重要意義。