变电站电压和无功的综合控制研究

杨 辉

（河南省新乡供电公司调度中心，河南 新乡 453002）

电压是衡量电能质量的一个重要指标，电压过高或过低，都会影响用电设备的效率和寿命，甚至造成用电设备的损坏，严重时会造成电压崩溃。维持电压处于合理范围内，不仅关系到电力系统自身的安全，而且关系到千家万户的用电安全。

无功功率对电压影响很大，使无功就地平衡，不仅可以提高电压质量，提高电网的输送能力，而且可以降低有功损耗，节约投资并减少环境污染。对电网实现电压和无功的优化控制，可以确保电力系统中各节点电压和无功，处于安全合格的范围之内，具有巨大的经济效益和社会效益。

目前，变电站主要通过对有载调压变压器的分接头进行调节，和对并联电容器组进行投切，来实现电压合格和无功平衡的目的。人为地调节电压和无功功率，一方面增加了值班人员的负担，另一方面很难保证调节的合理性。随着计算机技术和通讯技术的快速发展，变电站综合自动化程度的提高，有必要对变电站电压和无功自动控制展开进一步的研究。

1 变电站电压和无功控制的现状

利用改变有载调压变压器的分接头位置进行调压时，它自身不产生无功功率，在系统无功功率不足的情况下，不能用改变变比的办法，来提高系统的电压水平，否则电压调得越高，无功功率就越不足。鉴于上述原因，在系统缺乏无功的情况下，必须利用电容器进行调压。

把调节有载调压变压器分接头和控制电容器组的投切两者结合起来，进行合理的调控，从而达到最优控制的效果，目前比较有代表性的方法有：

1.1 功率因数法和母线电压法

按照功率因数的大小，来控制电容器的投切，实现无功补偿，使系统的功率因数维持在一定的范围内。由于某些企业的日负荷曲线变化比较大，造成电压波动，可以根据母线电压的大小，自动投切并联电容器组，使母线电压保持在一定的范围内，以上两种控制方式比较简单，但控制精度不高。

1.2 九区图法

是将电压和无功上下限值划分为9个区域，各个区域对应不同的控制策略，该控制方案根据实时监测的电压和无功功率，判定当前变电站电压无功运行的区域，再根据相应区域的控制策略，对有载调压变压器的分接头和并联电容器组进行控制。但九区图法可靠性和经济性不强，容易出现“投切振荡”，既影响控制性能，又缩短了电器设备的使用寿命。

1.3 人工神经网络法

人工神经网络ANN（Artificial Neural Network）可以实时控制电容器的投切，建立具有两级人工神经元网络的控制网络模型。第一级，输入实时数据有有功功率、无功功率、电压值和当前电容器组的状态，输出负荷轮廓LP（Load Profile）；第二级，根据第一级输出的负荷轮廓选择最佳电容器组状态。该方法不仅可以保持电压处于合格的范围内，维持无功功率的平衡，而且有效地减少变电站有载调压开关的切换次数，和电容器组的投切次数，但人工神经网络对训练数据要求高，训练次数和训练时间不容易确定。

1.4 蚁群算法

蚁群算法ACO（Ant Colony Optimization）是人们受蚂蚁群体行为的启示，而提出的一种优化算法。它通过个体之间的信息交流与相互协作，最终得到待求问题的解。通过蚁群算法建立相应的无功优化模型和求解算法，使用高效的邻域搜索方法，提出新的收敛条件，从而进行无功优化，但是存在着易陷于局部最小值的缺点。

1.5 遗传算法

遗传算法GA（Genetic Algorithms）是一种随机搜索方法，它能够在可行解空间内进行大范围搜索，从而得到全局最优解，适合于解决组合优化问题，以及目标函数或某些约束条件不可微的非线性优化问题。遗传算法用于电压无功控制，可以更有效地搜索到最优控制策略，使主变中流过的无功功率及主变二次侧电压偏移值最小，并且可以增加电压合格裕度，但该算法迭代次数较多时，会影响计算时间和运行优化结果。

1.6 模糊逻辑控制法。

模糊逻辑控制FLC（Fuzzy Logic Control）可以根据系统的运行方式，把电压和无功边界模糊化，进行推理，计算出控制策略和延迟时间，列出模糊控制规则表，通过查表方式去控制有载调压分接头和电容器的投切，在有效保持电压质量和无功平衡时，避免投切振荡。但是它对信息的简单模糊化处理，容易导致系统精度不高，要提高控制精度必须增加量化等级，从而导致系统搜索范围增大，降低模糊决策速度。

2 电压和无功的综合控制方法研究

将模糊控制和专家系统相结合，是一种新的智能控制策略，即模糊专家系统。它不仅可以增强处理不确定性问题的能力，而且可以充分利用专家系统的综合决策能力。鉴于上述原因，本文采用模糊控制和专家系统相结合的控制策略（如图1所示）。

图1 模糊专家控制系统图

图1中，Ke和Kec为量化因子，Ku为比例因子，K1、K2和 K3为动态修正因子。模糊控制器完成控制系统受控对象的直接控制，而专家控制作用于在线的指导模糊控制器的量化因子和比例因子的大小，实现专家控制和模糊控制的完美结合。Ke值会影响误差值e的大小，进而模糊控制器模糊化最小量化值，增大Ke值，增强了误差值对控制系统的作用，从而导致系统的超调量增大，收敛速度减慢，甚至可能产生振荡分散现象；相反，若减小Ke值，将削弱误差控制作用；但是Ke过小，则使系统的响应时间增大，系统的静态误差较大。增大值，提高了系统的灵敏度，可以有效抑制超调量，但是Kec过大，不利于系统的稳定，Kec过小又不利于减小超调量。比例因子Ku直接影响模糊控制器的控制量输出值的大小，增大Ku可以提高系统的快速性，但Ku过大将增大系统的超调量，过小对系统的稳定时间不利。

对于量化因子Ke、Kec和比例因子Ku值的选取不能单纯的“选大”或“选小”固定值，理想的选择方法是根据控制系统的动态状态信息，对系统的量化因子Ke、Kec和比例因子Ku进行动态选择。通过专家控制器监控系统的状态，动态指导调整量化因子Ke、Kec和比例因子Ku值的大小，改善控制系统的性能。

变电站电压无功控制，是根据电压和无功功率两个参数的实时变化，对变电站有载调压变压器的分接头的升降和并联电容器组的投切，进行综合控制。采用模糊专家控制系统实现变电站电压和无功控制，以电压偏差和无功偏差作为输入量，变压器分接头调节和电容器组投切作为输出量，根据模糊控制设计出电压无功的模糊控制器，再根据专家的经验，调整模糊控制器的某些参数，如量化因子和比例因子等，这样在实时运行中，能更好的保持电压在合格范围内维持无功平衡，更好地保持电压稳定。

3 仿真分析

为了验证所提方法的正确性，本文用Matlab软件进行了仿真，图2是变电站的电压和无功波动图，图3是采用模糊专家控制系统后的电压波形、无功波形、变压器档位调节及电容器组投切的情况。

图2 电压无功变化曲线图

图3 模糊专家控制系统仿真图

可以看出，模糊专家控制系统的电压和无功波形平滑，变压器档位和电容器组比模糊控制系统控制的调节次数少，投切次数也少，变压器高压侧的的无功能基本保持平衡。

4 结束语

针对变电站电压和无功控制的现状，本文把模糊控制和专家系统结合起来，提出了一种模糊专家控制系统，仿真表明该方法在保证电压合格和无功基本平衡的基础下，能有效减少分接头档位和电容器组的动作次数，达到了很好的控制效果。

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