维普资讯 http://www.cqvip.com 第２６卷第４期 、，ｏ１．２６ Ｎｏ．４ 文章编号：１００８－０５６２（２００７）ｏ４—０５５９－０４ 辽宁工程技术大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ２００７年８月 Ａｕｇ． ２００７ １０ ｋＶ变电站电压无功模糊控制系统设计 鲍雅萍 ，顾德英 （１．安阳工业大学机械工程系，河南安阳４５５０００；２．东北大学秦皇岛分校自动化系，河北秦皇岛０６６００４） 摘 要：针对变电站传统九区域分区控制方法无视电压与无功耦合的缺点，结合变电站电压无功控制的实践经验，设计了变电站 电压无功模糊控制的控制系统。仿真数据表明，将模糊控制引入电压无功综合控制中，控制系统能够正确的完成对有载调压变压器 分接头的升降和电容器组的投切，并可以避免设备频繁调节和振荡，提高了设备运行寿命。该系统的应用可以大大提高电网的质量。 关键词：电压；无功；模糊控制 中图分类号：ＴＭ ７１４．４ 文献标识码：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ Ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ １ Ｏ ｋＶ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ＢＡＯ Ｙａ－ｐｉｎｇ ，ＧＵ Ｄｅ－ｙｉｎ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｎｙａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ａｎｙａｎｇ ４５５０００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｉｎ Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ ０６６００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｎｉｎｅ ｚｏｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｄｉｄ ｎｏｔ ｃｏｎｓｉｄｅｒ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｏｌａｇｅ ａｎｄ ｔｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｐｒｏｐｅｒｌｙ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｌｉｆｔｉｎｇ ａｎｄ ｆａｌｌｉｎｇ ｏｆ ｏｎ－ｌｏａｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｒａｔｎｓｆｏｒｍｅｒ ｔａｐ ａｎｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｂａｎｋ ｗｈｅｎ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｖｏｌａｇｅ ａｔｎｄ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ａｌｓｏ ａｖｏｉｄ ｆｒｅｑｕｅｎｔ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ ｔｈＵｓ ｒａｉｓｉｎｇ ｈｅ ｌｔｉｆｅｓｐａｎ ｏｆ ｔｈｅ ｑｕｉｅｐｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ Ｃａｎ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｈｅ ｔｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｏｗｅｒ ｐｎｅｔｗｏｒｋｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｏｌｔａｇｅ，ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ，ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ０ 引 言 目前，中国变电站的电压无功综合控制方案， １ 电压无功模糊控制系统设计 １．１ 系统结构 大多采用电压和无功功率双参数构成的传统九区 域分区控制图进行控制。传统九区图控制策略在 一对变电站电压和无功进行综合控制，需根据 电压和无功的实时量的变化，对变电站变压器的 分接头和电容器的投切进行综合控制。为实现此 定程度上能够满足运行要求，但是实际上变电 站的综合控制是一个多变量、强耦合的非线性控 制问题，而传统的控制方案中，无功调节判据是 一功能，需从变电站母线采集电压和无功，经过模糊 化后作为模糊控制的输入量，作用于变压器分接 个与电压无关的平行于电压坐标轴的固定边 根据“保证电压合格，无功基本平衡，尽量 头和电容器投切的控制量为模糊控制的输出量。 因此，变电站电压无功模糊控制系统应是双入双 出的结构，其系统结构如图１。考虑控制调节的 目标是“电压在合格的范围内，无功基本保持平 界，这显然忽视了无功调节与电压调节的相关性。 减少调节次数”的变电站电压和无功综合调节的 基本原则，将模糊控制引进电压无功综合控制， 实现电压和无功边界的模糊化，以使电容器工作 在最佳状况，确保电压合格率达到规定的要求， 有效减少无功损耗并保持系统功率因数在较高范 围内，并大大减少有载调压变压器分接头动作次 衡，尽量减少调节次数”，因而选取电压和无功的 偏差作为模糊控制器的输入量，即选择一阶模糊 控制模型。 图中ｅ 、ｅ。表示偏差输入的连续值， ＾，ｖ、 表示电压和无功从基本论域到模糊论域转 化的量化因子，ｘｌ、 表示偏差输入的模糊值， 、 数，减少电压波动，提高电压质量。 收稿日期：２００６－０４—２４ 基金项目：河南省教育厅自然科学基金资助项目２００６０００１２） 表示作用于分接头和电容器投切的控制输 作者简介：鲍雅萍（１９６６一），女，河南获嘉人，副教授，主要从事智能控制、机电一体化等方面的研究。本文编校：杨瑞华 维普资讯 http://www.cqvip.com 辽宁工程技术大学学报 第２６卷 二次端的电压标准为１００ Ｖ，这样二次端允许电 压变化范围８５ Ｖ至１１５ Ｖ，偏差的范围为一１５ Ｖ 至＋１５ Ｖ。这时模糊论域的范围定义为．６至＋６， 因此确定量化因子为０．４。 不同的电网中的变电站对于运行时的功率因 数有着不同的要求，工业用电允许的功率因数最 低为０．８，农业用电允许的功率因数最低为０．７。 一般变电站都希望功率因数达到０．９以上，本文 图１ 电压无功模糊控制器输入、输出原理图 中希望将功率因数尽量提高到１．０，允许的偏差为 Ｆｉｇ．１ ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｄｉａｇｒａｍｓ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｖｅ ０．２，偏差范围为一０．２～Ｏ．２，模糊论域的范围定义 ｐｏｗｅｒ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ 为．６～＋６，因此确定量化因子为３０。 出量的模糊值， 、 表示作用于分接头和电容 电容器分为６组，基本论域为 器投切输出量的模糊值到精确值转化的比例因 ｛．６，一５，一４，一３，一２，一１，０，ｌ，２，３，４，５，６ｌ，论域上的值对应于 子，ｙ】、ｙ２表示作用于分接头和电容器投切控制 投切的组数，＋为投，一为切，则变压器输出量的 输出量的精确值。 基本论域定义为一６至＋６，比例因子为１。变压器 １．２控制系统实现 为７档位的可调变压器，则变压器输出量的基本 论域为｛一３，一２，一１，０，１，２，３），论域上的一个值对应于 （１）量化因子和比例因子的选择 对于１Ｏ 分接头上的一个档位，＋为升压，．为降压。模糊 ｋＶ变电站，母线电压在７％以内变化都属于正 论域定义为一６至＋６，比例因子为１／２。从而得到 常范围，１５％是允许的最大偏差。这样１０ｋＶ变 模糊控制系统Ｉ／Ｏ表如表１。 电站中母线上允许的电压变化范围应该在８．５ ｋＶ 至１１．５ ｋＶ，偏差的变化范围一１．５ ｋＶ至＋１．５ ｋＶ。 控制装置采样的回路要求接在变电站的二次端， 表１模糊控制系统Ｉ／Ｏ Ｔａｂ．１ ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｔａｂｌｅ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ 模糊论域：｛－６，－５，－４，－３，－２，－１，０，１，２，３，４，５，６｝ （２）隶属度函数的选择 到推理后的结果。图３是模糊输出量Ｕｔ（对应于 模糊推理前必须合理确定模糊集论域内元素 变压器分接头）的隶属度函数，输出量Ｕ２（对 对模糊子集的隶属度，从而对模糊输入量进行合 应于电容器的控制量）的隶属度函数和 的隶属 理的模糊化，使之转变成为模糊向量。对于模糊 度函数类似。 变量进行赋值有多种形式，在实际应用中主要有 ＮＢ ＮＭ ＮＳ ０ ＰＳ ＰＭ ＰＢ 梯形、三角形，在工程应用中多用三角形法，本 文中选用了三角形法。图２给出了模糊变量ｘ， （对应于电压偏差）的隶属函数，模糊输入量Ｘ２ 对应于无功偏差的隶属度函数和 相似。 －６ －５ ４ ．３ －２ －１．０ １ ２ ３ ４ ５ ６ 对于输出量也应该具有隶属度函数，这样才 图２模糊输入量蜀的隶属度函数 能够在模糊规则的基础上进行模糊推理，从而得 Ｆｉｇ．２ ｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐ ｕｆｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｉｎｐｕｔ Ｘ１ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 鲍雅萍，等：１０ｋＶ变电站电压无功模糊控制系统设计 ５６１ （３）模糊推理规则对于电压无功综合控制 器，在电网中的电压和无功是相互影响的，电压 的波动会影响到电网中无功的分布和大小，同时 电网中无功的大小会导致电压的波动。参考九区 图控制法的控制策略，根据电压和无功相互影响 的关系，结合实际操作人员的经验总结出电压无 图３模糊输出量 的隶属度函数 功综合控制器的模糊控制规则表如表２，表中分 Ｆｉｇ．３ Ｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ｏｕｔｐｕｔ 子对应于分接头的模糊输出量，分母对应于电容 器的模糊输出量。 表２模糊控制规则 Ｔａｂ．２ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌｒｕｌｅｓ （４）非模糊化非模糊化把输出模糊量转化 图４是变压器分接头的控制输出曲面，两个 为输出变量的精确值，采用重心法完成非模糊化。 输入：电压偏差和功率因数（或无功功率）偏差。 ２仿真结果 可以看出：变压器分接头在电压偏差大致在 ．２～＋２的区域内，无论功率因数变化与否都不动 利用ＭＡＴＬＡＢ图形显示功能，可以降模糊 作，该区域是电压不动作区；在电压偏差大致从 推理系统的输出曲面图形进行显示，通过下面的 ．２～．６的范围内，当功率因数偏差为正（无功偏 三维图形可以清楚的看出模糊推理系统的输入和 差为负）时，电压调节正常。功率因数偏差为负 输出的关系。 （无功偏差为正）时，电压调节较小。因为投入 电容器功率因数变大同时电压也变大，所以电压 调节幅度较小。在电压偏差大致从＋２～＋６的范围 内，功率因数为正（无功为负）时，电压调节幅 度较小。因为切除电容器功率因数变小同时电压 也变小所以分接头的动作也较小。功率因数为负 （无功为正）时，电压调节正常。 图５是电容器组对应的输出曲面图，和图４ 一样两个输入分别为电压偏差和功率因数（或无 功功率）偏差。与变压器分接头的控制输出曲面 相比，该输出曲面的动作是较多的，这是因为在 电压无功综合控制的实践中，在不互相排斥的情 图４变压器分接头控制量输出曲面 况下电容的调节较变压器分接头的调节优先级 Ｆｉｇ．４ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｖｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ 高，也就是说，在这种情况下，总是先调电容器 ｄｉａｇｒａｍ ｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｔａｐ ． 再调节变压器的分接头；同时本设计中希望得到 维普资讯 http://www.cqvip.com ５６２ 辽宁工程技术大学学报 第２６卷 较高的功率因数水平，因而在设计时将ＣＯＳ 的 上限和下限设计的比较接近，因而电容器的动作 和变压器分接头的动作比相对比较为频繁。 图５电容器组控制量输出量曲面 Ｆｉｇ．５ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｖｅｄ ｆａｃｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｂａｎｋ 从图５中可以看出，功率因数偏差在＋２～＋６ 时，电压偏差为负，电压调节正常，电容器调节 幅度较大。因为升压的同时功率因数变大（无功 变小），为保证回到不动作区，切电容器的动作幅 度较大。电压偏差为正，电容器调节正常，电压 调节幅度较小。因为切电容功率因数变小（无功 变大）的同时电压也会变小，所以这是变压器的 分接头的动作应该较小。功率因数偏差在。２～。６ 时，电压偏差为负，电容器调节正常，电压调节 幅度较小。这是因为投电容功率因数变大（无功 变小）的同时电压也会变大。电压偏差为正，电 压调节正常，电容器调节幅度较大。因为降压使 得电压降低的同时功率因数变小（无功变大）。所 以此时为保证回到不动作区，投入的电容也较大。 ３ 结论 结合变电站电压无功控制的实践经验，在传 统控制方法上引入模糊控制，设计了基于模糊控 制的电压无功综合控制系统。设计中，模糊推理 系统对电压一无功平面进行模糊分区，分区的边 界不再是传统九区图控制中的某一确定数值，运 行点也不是绝对的属于某一区域，输入和输出的 关系是通过模糊关系矩阵来体现的。这样就减小 了由于测量值的微小变化引起运行点在相邻区域 来回跳跃，引起不必要的电容器投切或电压调节。 同时在设计控制规则时，针对九区图特殊的几个 区域之间的振荡现象，制定了相应的规则来避免 振荡。模糊控制实现电压无功综合控制避免了大 量的数学计算，增加了系统的稳定性，减少电容 器动作的次数。仿真结果表明控制系统能够按照 设计思路正确完成有载调压器分接头的升降和电 容器组的投切，证明控制系统的模糊控制器合理， 模糊逻辑算法正确可行。 参考文献： 【１】秦勇，贾利民，张锡第．多变量模糊系统建模与控制理论【Ｊ】．计算机 仿真，１９９９（３）：１５－１８． 【２】李 升．基于模糊理论的变电站电压无功控制策略研究【Ｊ】．电力电 容器，２００５（３）：２１－２４． 【３】Ｔｏｍｓｏｖｉｃ Ｋ．Ａ ｆｕｚｚｙ ｌｉｎｅａｒ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ／ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｂｌｅｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ， １９９２，７（１）：２８７－２９３． 【４１ Ｌｕ Ｆ Ｃ，Ｈｓｕ Ｙ Ｙ＿Ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ／ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎＵ－ｏｌ ｉｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ［Ｊ］．１ＥＥ Ｐｒｏｃ．Ｇｅｎｅｒ． Ｔｒａｎｓｍ．Ｄｉｓｔｒｉｂ，１９９５，１４２（６）：６３９—６４５． 【５】Ｂｒｉｄｅｎｂａｕｇｈ Ｃ Ｊ，Ｄｉｍａｓｃｉｏ Ｄ Ａ，Ａｑｕｉｌａ Ｒ Ｄ．Ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｔａｐ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ，１９９２，７（１）：７４４－７５２． 【６】王涛，董明哲，曲之国．基于组态软件的矿山电力调度微机监控系统 【Ｊ】＿辽宁工程技术大学学报，２００７，２６（１）：９３—９５．
