基于模糊控制理论的变电站电压无功控制策略

尹小波 程锦闽 崔健

（江苏电力调度控制中心，江苏 南京 210024）

摘要：介绍了变电站电压无功控制的原理及目标，简要阐述了与电压关联的无功边界九区图的电压无功控制过程。基于模糊控制理论，重点分析变电站电压无功综合控制策略，在合理选择模糊集的基础上，设计了相应的控制规则。仿真结果证明，模糊控制策略在满足各个时段变电站电压和无功要求的基础上，有效降低了有载调压变压器分接头和无功补偿装置调节频率，有利于延长有载调压变压器和无功补偿装置的使用寿命，是一种值得研究和推广的有效、可行的电压无功控制方法。

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关键词 ：变电站；电压；无功；九区图；模糊控制

0引言

电网电压是衡量电能质量的一项重要指标，电压过高、过低不仅会降低电气设备的运行寿命和工作效率，还会对电网的安全稳定和经济运行带来严重危害。无功是制约电压的重要因素，实现无功的分层、分区和就地平衡是控制电压合格的主要手段。

变电站电压无功综合控制的目标是通过调整有载调压变压器分接头位置和投切无功补偿装置，实现电网电压合格和无功功率就地平衡，并尽可能地减少变压器有载调压开关的调节次数和无功补偿装置开关的投切次数。电压无功综合控制就是解决一个多目标、多限值的最优控制的问题，控制策略的好坏直接决定了变电站电压无功控制效果。

1电压无功控制基本原理

1.1电压无功控制基本原理和目标

变电站电压无功控制要求在调整主变分接头开关调节次数、无功补偿装置开关投切次数、电压上下限、无功上下限等限值的基础上，实现电压合格、无功平衡等控制目标。

变电站典型一次接线图如图1所示。

由图1可得如下公式：

ULD=U1/K-（PL×RL+QL×XL）/U2

（1）

S=P2L+（QL-QC）2/{U22［（RS/K2+RT）+j（XS/K2+XT）］}

（2）

由式（1）可知，通过调节变压器分接头，改变K值大小，可以实现对用户端电压ULD的控制。

由式（2）可知，通过投切无功补偿装置改变QC的大小，可以实现无功平衡，从而控制电网损耗。

变电站电压无功控制目标是在电压合格、无功平衡的基础上，尽量减少变压器分接开关的调节次数和无功补偿装置开关的投切次数。

1.2与电压关联的无功边界九区图

为了满足“电压合格，无功基本平衡，尽量减少有载调压变压器分接开关调节次数和电容器组开关投切次数”这一变电站电压和无功综合调节的基本原则，电压调节边界应当是相对固定的，无功调节边界应当是受电压状态影响的，即电压高时，无功不是太缺就不投电容，电压低时，无功不是太缺可以多投一点电容。基于这一思路，对于电容投入的判别量QCT建立数学模型：

QCT=a1（U0-U）/U0+a2Q/Q0

根据无功投切判据可得与电压关联的无功边界九区图如图2所示。

从图2可以看出：

（1） 在cba区域中，电压高于标准电压U0、低于电压U上限，按原Q上限，则需投入电容器，此时投入电容器将使电压更加偏离U0，并有可能使电压U超过U上限。按新Q上限，电压、无功均在限值内，可以不投切电容器，避免了无功设备投切和电压波动。

（2） 在cde区域中，按原Q上限，电压、无功均在限值内，无需投切电容器。按新Q上限，电压在限值内，但无功缺额，应投入电容器使电压升高。

（3） 在hfg区域中，按原Q下限，电压、无功均在限值内，无需投切电容器。按新Q下限，无功过剩且电压较高，应切除电容器使电压降低。

（4） 在hmn区域中，电压低于标准电压U0、高于U下限，按原Q下限，则需切除电容器，此时切除电容器将使电压U更加偏离U0，并有可能使电压U低于U下限。按新Q下限，电压、无功均在限值内，可以不投切电容器，避免了无功设备投切和电压波动。

从图2及上述分析可知，cba和hmn是不动作区域，cde和hfg是动作区域，由于前两个区域的面积与后两个区域的面积完全相等，所以与电压关联的无功边界调节方法在调整电压和减少有载分接开关动作次数的同时，不会增加无功调节次数和降低无功补偿效果。

2基于模糊理论的变电站电压无功控制策略

2.1模糊控制理论概述

模糊控制系统是将模糊语言、模糊数学形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理作为理论基础，利用计算机技术构成一种闭环结构且具有反馈通道的数字控制系统，其组成核心是智能化的模糊控制器。

模糊控制系统通常由模糊控制器、执行机构、输入/输出接口、测量装置及被控对象等5个部分组成，如图3所示。

2.2模糊词集

由无功综合控制九区图（图2）及其基本控制策略可知，变电站电压分3种状态，即电压合格、越上限、越下限。为了能够较为实际地反映变电站电压无功综合控制的目标，选择电压偏差的模糊词集为{NZ，NB，PB，PZ}。

变压器档位调节命令也是3种状态，即不动作、升档和降档。选择档位调节控制量的模糊词集为{DOWN，UC，UP}。

为满足不同的无功偏差投切不同组数电容器组的要求，选择电容器投切和无功偏差的控制量（QCO）模糊词集为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。

2.3模糊控制器控制规则

根据与电压关联的无功边界九区图各区控制的基本策略，所选择的输入/输出变量的模糊词集，电压无功控制遵守的规程规定和电力系统的常识，设计出如表1所示的28条控制规则。

3仿真实例

将图4所示的电压与无功日波动曲线作为系统的干扰量，运用模糊控制系统对上述变电站模型进行仿真试验，得到如图5所示的仿真结果。结果显示，在不同负荷条件下，系统均能维持电压合格和无功基本平衡，同时保证了变压器分接头调节次数和电容器组投切次数满足运行要求。

4结语

随着我国经济建设的快速发展，特别是精密制造业水平的不断提高，人们对电压质量的要求越来越高。变电站作为电网中电力传输转换的枢纽，在维持用户电压和无功平衡方面起着至关重要的作用。因此，研究变电站无功电压控制策略对提高供电质量，保证客户用电有着重要意义。

本文提出的基于模糊控制理论的变电站电压无功控制策略，在保证无功平衡和电压合格的基础上，较好地解决了变压器分接头频繁调节和电容器组频繁投切导致的设备使用寿命缩短和频繁操作带来的安全风险问题。

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参考文献］

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［3］张绍楠，张艳丽，张猛，等.模糊控制理论在变电站电压无功控制系统中的应用［J］.黑龙江电力，2011，33（4）：294-296.

［4］杨蔚.变电站电压无功的控制措施［J］.电源技术应用，2014，36（1）：131-132.

收稿日期：2015-08-03

作者简介：尹小波（1979—），男，四川人，工程师，从事电力调控运行管理工作。

程锦闽（1984—），男，福建人，工程师，从事电力调控运行管理工作。

崔健（1982—），男，江苏人，助理工程师，从事电力调控运行管理工作。