10kV变电站电压无功模糊控制系统设计.pdf

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1、第 2 6卷第 4期、，o 1 26 No 4 辽宁工程技术大学学报 J o ur na l o f Li a on i n g T e c h ni c al Un i ve r s i t y 2 0 0 7年 8月 Aug 2 0 0 7 文章编号：1 0 0 8-0 5 6 2(2 0 0 7)o 4 0 5 5 9-0 4 1 0 k V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 4 5 5 0 0 0；2 东北大学 秦皇岛分校 自动化系，河北 秦皇岛 0 6 6 0 0 4)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

2、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：T M 7 1 4 4 文献标识码：A De s i g n O f v o l t a g e a n d r e a c t i v e p o we r f u z z y c o n t r o l s y s t e m f o r 1 O k V s u

3、b s t a t i o n B A O Y a-p i n g ，GU De-y i n (1 De p a r t me n t o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g，An y a n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,An y a n g 4 5 5 0 0 0，Ch i n a；2 D e p a r t me n t o f A u t o ma t i o n，N o r t h e a s t e r n Un i v e r s i t y i n Qi n h u a

4、n g d a o，Qi n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4，C h i n a)Ab s t r a c t：B e c a u s e t h e n i n e z o n e c o n t r o l me tho d f o r s u b s t a ti o n d i d n o t c o n s i d e r c o u p l i n g o f v o l t a g e a n d r e a c ti v e p o we r,the c o n tro l s y s t e m f o r s u b s t a t i o n b

5、a s e d o n v o l tag e a n d r e a c ti v e po we r f u z z y c o n tr o l wa s d e s i g n e d T h e s i mu l a ti o n s s h o w tha t the c o n tr o l s y s t e m c a n p r o p e r l y i mp l e me n t l i f t i n g an d f a l l i n g o f o n-l o a d r e g u l a ti o n trans f o r me r tap a n d s

6、 wi t c h i n g o f c a p a c i t o r b a n k wh e n fuz z y c o n tro l wa s u s e d i n v o l tag e an d r e a c ti v e p o we r c o n tro 1 Th i s c o n tro l me tho d c a n a l s o a v o i d f r e q u e n t r e g u l a t i o n and o s c i l l a t i o n thU s r a i s i n g the l i f e s p an o f

7、t h e eq u i p me n t s Th e s y s t e m a p p l i c a t i o n i n s u b s t a ti o n C an g r e a t l y i mp r o v e the q u a l i t y o f po we r n e t wo r k s Ke y wo r ds：v o l tag e，r e a c t i v e po we r,fu z z y c o ntro l 0 引 言 目前，中国变 电站的电压无功综合控制方案，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

8、策略在 一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 一个 与电压 无关的平行于 电压坐标轴 的固定边 界，这显然忽视了无功调节与电压调节的相关性。根据“保证 电压合格，无功基本平衡，尽量 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 数，减少电压波动，提高 电压质量。1 电压无功

9、模糊控制系统设计 1 1 系统结构 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 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 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 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

10、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，、表示作用于分接头和电容器投切的控制输 收稿日期：2 0 0 6-0 4 2 4 基金项目：河南省教育厅 自然科学基金资助项目2 0 0 6 0 0 0 1 2)作者简介：鲍雅萍(1 9 6 6 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:/ 辽宁工程技术大学学报 第 2 6 卷 图 1 电压无功模糊控制器输入、输出原理图 F i g 1 i n p u t a n d o u t p u t d i a g r a m s o f v o l t a g e

11、 an d r e a c t i v e p o we r f u z z y c o n t r o l l e r 出量的模糊值，、表示作用于分接头和 电容 器投切输 出量 的模糊值 到精确值转化 的比例 因 子，y】、y 2 表示作用于分接头和电容器投切控制 输出量的精确值。1 2控制系统实现(1)量化 因子和 比例 因子的选择 对于 1 O k V 变电站，母线 电压在 7 以内变化都属于正 常范围，1 5 是允许 的最大偏差。这样 1 0k V 变 电站中母线上允许的电压变化范围应该在 8 5 k V 至 1 1 5 k V，偏差 的变化范围一 1 5 k V至+1 5 k V。控

12、制装置采样的回路要求接在变 电站的二次端，二次端的电压标准为 1 0 0 V，这样二次端允许 电 压变化范 围 8 5 V至 1 1 5 V，偏差的范围为一 1 5 V 至+1 5 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 中希望将功率因数尽量提高到 1 0，允许的偏差为 0 2，偏差范围为一 0 2 O 2，模糊论域 的范围定义 为 6+6，因此确定量化因子为 3 0。

13、电 容 器 分 为6 组，基 本 论 域 为 6，一 5，一 4，一 3，一 2，一 1，0，l，2，3，4，5，6 l，论域上 的值对应于 投切的组数，+为投，一 为切，则变压器输出量的 基本论域定义为一 6至+6，比例因子为 1。变压器 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 分接头上的一个档位，+为升压，为降压。模糊 论域定义为一 6至+6，比例因子为 1 2。从而得到 模糊控制系统 I O表如表 1。表 1模糊控制系统 I O Ta b 1 i n p u t a n d o u t p u t t a b

14、l e o f f u z z y c o n t r o l s y s t e m 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 模糊推理前必须合理确定模糊集论域 内元素 对模糊子集的隶属度，从而对模糊输入量进行合 理的模糊化，使之转变成为模糊向量。对于模糊 变量进行赋值有多种形式，在实际应用 中主要有 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 X 2 对应于无功偏差的隶属度函数和 相似。对于输出量也应该具有隶属度函数，这样才 能够在模糊规则的基础

15、上进行模糊推理，从而得 到推理后的结果。图 3是模糊输出量 U t(对应于 变压器分接头)的隶属度函数，输出量 U 2(对 应于电容器的控制量)的隶属度函数和 的隶属 度 函数类似。NB NM NS 0 P S PM P B-6 -5 4 3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 图 2模糊输入量 蜀 的隶属度函数 F i g 2 me mb e r s h i p fun c t i o n o f f u z z y i n p u t X1 维普资讯 http:/ 第4 期 鲍雅萍，等：1 0 k V变电站电压无功模糊控制系统设计 5 6 1 图3模糊输出量 的隶属度函数 F i g

16、3 Me mb e r s h i p f u n c t i o n o f f u z z y o u t p u t (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 功综合控制器 的模糊控制规则表如表 2，表 中分 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 T a b 2f u z z y c o n t r o l r u l

17、 e s (4)非模糊化非模糊化把输 出模糊量转化 为输出变量的精确值，采用重心法完成非模糊化。2 仿真结果 利用 MA T L AB 图形显示功能，可 以降模糊 推理系统 的输 出曲面图形进行显示，通过下面的 三维图形可以清楚的看出模糊推理系统的输入和 输出的关系。图4 变压器分接头控制量输出曲面 F i g 4 c o n t r o l o u t p u t c u r v e d s u r f a c e d i a g r a m o f t r a n s f o r me r t a p 图 4是变压器分接头的控制输出曲面，两个 输入：电压偏差和功率因数(或无功功率)偏差。可

18、 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 作，该区域是 电压不动作区；在 电压偏差大致从 2 6的范围内，当功率因数偏差为正(无功偏 差为负)时，电压调节正常。功率因数偏差为负(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

19、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 况下 电容 的调节较变压器分接头 的调节优 先级 高，也就是说，在这种情况下，总是先调 电容器 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:/ 5 6 2 辽宁工程技术大学学报 第 2 6 卷 较高的功率因数水平，因而在设计时将C O S 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 F i g 5 c o n t r o l o

20、 u t p u t c u r v e d f a c e d i a g r a m o f c a p a c i t o r b a n k 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(

21、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

22、。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，1 9 9 9(3)：1 5-1 8 【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，2 0 0 5(3)：2 1-2 4 【3】T o

23、ms o v i c KA f u z z y l i n e a r p r o g r a mmi n g a p p r o a c h t o r e a c t i v e p o w e r v o lt a g e c o n t r o l p r o b l e m J I E E E T r a n s o n P o w e r S y s t e ms，1 9 9 2，7(1)：2 8 7-2 9 3 【4 1 L u F C，H s u Y Y _ R e a c t i v e po w e r v o l t a g e c o n U-o l i n d i s

24、 tr i b u ti o n s u b s t a ti o n u s i n g d y n a m i c p r o g r a mm i n g J 1 E E P r o c Ge n e r T r a n s m Di s tr i b，1 9 9 5，1 4 2(6)：6 3 9 6 4 5 【5】B r i d e n b a u g h C J，D i m a s c i o D A，A q u i l a R D V o l t a g e c o n tr o l i mp r o v e me n t t h r o u g h c a p a c i to r a n d t r a n s f o r me r t a p o p t i m i z a ti o n J I E E E T r ans o n P o w e r S y s t e m，1 9 9 2，7(1)：7 4 4-7 5 2 【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，2 0 0 7，2 6(1)：9 3 9 5 维普资讯 http:/