用于SVC系统的自适应调整控制参考电压值的方法

尚 春 林 永 张正祥 龚天森 胡 蓉

（1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司，广东 广州 516202；

2.荣信电力电子股份有限公司，鞍山 114051）

1 引言

现有技术中的自动控制设备特别是电网中用于一次回路的电力设备，参考电压值需由用户人工给定输入到控制系统中，在运行过程中不能由设备的控制系统本身跟随外界条件变化进行自动调节。这一缺点在电网高压系统中表现得尤为明显，由于设备缺少自身自动调整电压参考值的功能，而电力系统运行状态时刻发生改变，需要系统调度员频繁计算和下令现场操作员人工修订设备的电压参考值，这种做法既不能得到实时的电压参考值，影响了设备的运行效果，又需要人工手动向设备控制系统装入修订的电压参考值，降低了设备运行的可靠性和安全性。这种现象在高压电网的SVC系统中更为突岀，需要找到有方法予以解决。

2 滑动平均法的原理

自适应调整控制参考电压的核心控制算法就是利用滑动平均的方法来消除被控电压的毛刺，是SVC得到被控电压的整体变化趋势，以便于实时调整参考电压，从而实现SVC对于被控电压瞬时波动的控制。下面简述滑动平均法的原理。

动态测试数据y(t)由确定性成分f(t)和随机性成分x(t)组成，且前者为所需的测量结果或有效信息，后者即随机起伏的测试误差或噪声，即x(t)=e(t)，经离散化采样后，可相应的将动态测试数据写成

为了更精确的表示测量结果，抑制随机误差{ej}的影响，常对动态测试数据{yj}做平滑和滤波出力。具体的说，就是对非平稳的数据{yj}，在适当的小区间上视为接近平稳的，而作某种局部平均，以减小{ej}所造成的随机起伏。这样沿全长N的数据逐一小区间上进行不断的局部平均，即可得出较平滑的测试结果{fj} ，而滤掉频繁起伏的随机误差。

例如，对于N个非平稳数据{yj}，视之为每m个相邻数据的小区间内是接近平稳的，即其均值接近于常量，于是可取每m个相邻数据的平均值，来表示该m个数据中任一个的取值，并使其为抑制了随机误差的测量结果或消除了噪声的信号。通常多用该均值来表示其中点数据或端点数据的测量结果或信号。例如取m等于5，并用均值代替这5个点最中间的一个就有下式：

上述动态测试数据的平滑与滤波方法就称之为滑动平均。通过滑动平均后，可滤掉数据中频繁随即起伏，显示出平滑的变化趋势，同时还可得出随机误差的变化过程，从而可以估计出其统计特征量。

2.1 系统组成

为实现上述目的，通过以下技术方案实现。

技术方案见图1。电压传感器PT采集母线电压，通过变换器将大范围的电压信号转变为小范围电压信号，再经A/D转换器将模拟信号转变成数字信号，采样值经计算单元处理后，得到实时的电压参考值，该电压参考值输入控制器，用于SVC等具有自动控制功能的电力设备。

图1 系统组成结构示意图

利用上述滑动平均法的原理得出本控制算法，该方法的核心思想是:

（1）采样部分读取到的电压有效值与电网电压的有效值相等。

（2）采样部分读取到的电压有效值在进一步处理前经过筛选，超过电网电压正常运行值的数据判定为无效数据丢弃不进行进一步的处理。

（3）将多个采样值进行平均得到某个时段内电压统计值用于下一步的处理。

（4）采样部分按照一定的间隔持续读取电网电压有效值，每读取到一个新的电压值则参与电压统计值的计算。

（5）最近的一系列电压统计值有效数据依据“先进先出”（FIFO）的原则进入一定长度的数据寄存器或缓冲区，同时如果寄存器或者缓冲区溢出，则丢弃最古老的数据。

（6）寄存器或缓冲区中的数据每更新一次，寄存器或缓冲区中的数据进行一次加权平均，最近的数据的加权系数应大等于较古老的数据的加权系数，即实现了滑动加权平均。

（7）每计算出一次加权平均得到的值后，将这个值送入控制系统的参考电压环节作为参考电压值并即时生效，控制系统根据这个新的参考电压相应调整控制器输出指令。

2.2 计算单元

一种自适应调整控制参考电压值的方法，通过对电网母线电压采样，进行丢弃无效数据处理后，获得母线电压有效值，将有效值输入计算单元，通过时间滑动平均计算方法，得到实时的电压参考值，具体步骤如下：

（1）对母线电压进行采样，按照一定的间隔持续读取电网电压有效值，获得多个母线电压采样值；

其计算单元流程见图2。

图2 计算流程图

计算流程图中

（2）采样读取到的电压有效值进行筛选处理，其中超过电网电压正常运行值的数据判定为无效数据丢弃不进行进一步的处理。

（3）将筛选处理后保留的多个采样值进行平均得到某个时段内的电压统计值用于下一步的处理。

（4）最近的一系列电压统计值有效数据依据“先进先出”（Fist In First Out，FIFO）原则进入一定长度的数据寄存器或缓冲区，如果寄存器或者缓冲区溢出，则丢弃最古老的数据。

（5）寄存器或缓冲区中的数据每更新一次，寄存器或缓冲区中的数据进行一次加权平均，最近的数据的加权系数应大于等于较古老的数据的加权系数，即实现了滑动加权平均。

（6）每计算出一次加权平均得到的值后，将这个值送入控制系统的参考电压环节作为参考电压值并即时生效，控制系统根据这个新的参考电压相应调整控制器输出指令。

2.3 自动控制系统参考电压的装入

自动控制系统的参考电压装入示意图见图3。

图3 自动控制系统的参考电压装入示意图

该方法可得到实时调整的参考电压Uref，与反馈的母线电压测量值Umeas经过信号加减环节后得到控制偏差量，经PID控制后，相应调节输出。

采样部分为控制系统的电压采样电路，如果反馈环节有电压采样电路，可以利用控制系统反馈环节的电压采样电路。控制系统为带有负反馈的闭环控制系统。寄存器或缓冲区可以由硬件寄存器或者内存中的缓冲区来实现。电压统计值计算的时间间隔大小可以根据需要进行调整。滑动加权平均指的多个时间上相邻的电压统计值的滑动平均。控制系统的参考电压环节指的是控制器的电压参考值输入端或者可间接转换到电压值的参考值输入端。

2.4 实验效果

目前该算法已经在南方电网云广直流输电楚雄换流站SVC中投入使用，并且达到了预期的设计目标。楚雄换流站的 500kV母线电压长期稳定在520～550kV范围内，算法中将此范围以外的采样点视为无效数据丢弃，不利于求取参考电压修正值。对500kV线母线电压有效值进行采样，采样间隔为1s，采样1分钟的数据，然后求取平均值。按上述方法依次求取5min的数据，然后对5个电压平均值进行计算，并将其设定为新设定值。延迟1min后，将电压参考值平滑变化到新设定值。此过程为积分方式，积分时间为1min。依照此方法，系统可以根据系统电压变化的趋势自适应的调整系统的参考电压。具体的调整过程参见图 4，图纸蓝色曲线为参考电压调整的曲线，中间波动范围较大的粗线部分为实际的500kV母线电压值。结果表明参考电压由人为设定的550kV自适应的调整为当前500kV电压的平均值附近。

图4 参考电压自适应调整曲线

3 系统优点

（1）实现了自动控制设备的电压参考值根据外界变化自适应调整，能够自动跟踪电网的稳态电压的变化。

（2）可以通过修改软件来实现，不需要增加额外的硬件。

（3）代替了人工频繁给定控制系统电压参考值，能够随着系统变化自动调整控制系统的电压参考值，从而调整控制器输出，代替了人工操作。

（4）避免了人工操作过程中可能的失误，提高了设备运行可靠性。

4 结论

本系统已经在南方电网云广直流输电楚雄换流站 SVC使用。通过采用本系统，楚雄换流站SVC能够随电力系统运行状况变化自动调整其参考电压值，免除了由系统调度员频繁计算和下令调整参考电压值，大大提高了SVC控制系统的自动化程度和可靠性，并增加了一定程度的适应变化系统的灵活性。该系统具有应用和推广价值。