电压无功模糊控制系统设计

张卓司泽宣

（国网山西省电力公司检修分公司山西太原030006）

摘要：文章对电压无功补偿中模糊控制器的设计方法给予详细介绍，采有模糊控制可较好地处理电压质量和功率因数的关系，能够适应现场的不同控制要求。

关键词：电压；无功；模糊控制

1控制策略的设定

模糊数学[2]在1965年提出，模糊逻辑于1974年进行成功应用于锅炉和蒸汽机控制[3]。由于模糊控制不需要建立精确的数学模型，能获得专家经验的优点，对经典手段难以控制的对象或只能靠有经验的操作人员才能控制的对象更为适用。

电压无功补偿有不同的电压等级和应用场合，难以建立精确的数学模型。使用模糊控制策略，利用长期积累的专家经验来进行控制操作，可以解决传统控制方法中存在的系统不稳定、开关器件频繁动作等问题。

2变压器电压无功补偿的的方案比较

变电站电压无功控制的主要目的是提高变电站二次侧的电压质量和实现无功平衡。为了达到这个目的，变电站目前主要采用以下两种调节手段，调节有载变压器的分接头和投切安装在变压器低压侧的并联电容器组。这两种调节和控制措施各有优缺点，必须把调节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，达到最优控制。

目前，国内外对这种双参数控制提出不少控制方法，比较有代表性的方法有：

2.1.功率因数或母线电压自动控制方法

根据用电网的功率因数或母线电压的变化来决定电容器的投切，实现无功补偿和电压的调节。该控制方式通过功率因数变换器或单片机来控制，实现电容器的投切，但控制精度不高，难以保证电压质量，效果比较差。[1]

2.2.九区图实现电压无功控制

九区图控制方法是将电压和无功上下限值划分为九个区域，各个区域对应不同的控制策略。该控制方法在一定程度上能满足运行要求，但可靠性和经济性不强，容易出现“投切振荡”。

2.3.人工神经元网络实现电压无功控制

应用人工神经元网络方法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。该方法用于控制电容器补偿无功，实时控制所需计算量小。[2]但人工神经元网络的训练对训练数据要求高，训练数据的选取将关系到神经网络性能的好坏。

2.4.模糊控制和专家系统相结合的方法

采用模糊控制和专家系统相结合的方法实现电压无功综合控制，即用模糊专家控制系统实现变电站电压无功控制。该控制方法对分接头和电容器组实现综合控制，能更好的保持电压在合格范围内维持无功平衡，更好的保持电压稳定。[3]

通过前面几种控制方案的比较，本文引用模糊专家控制理论，改进传统的九区图法的电压无功控制。该模糊专家控制器能很好的解决原九区图和模糊控制的缺点，利用模糊专家控制算法得出电压无功控制策略去控制分接头调节电压和电容器组投切补偿无功，能有效地减少分接头的动作次数，提高电压质量。

3系统安全控制

无功电压优化控制系统的安全策略。预算10kV母线电压，防止电容器投切振荡：预算无功负荷随电压交化量，防止主变有载分接开关调节振荡；双主变并联运行，先调节可能发生拒动的主变有载分接开关，以免发生另一台主变有载分接开关往返调节：根据负荷变化趋势，决定是否实施逆调压，以减少设备动作次数；设备每日容许动作次数及动作间隔可迸行人工设置。并在此基础上实现设备动作次数按时段和负荷优化分配；电容器、主变及有载调压开关异常变位系统进行自动闭锁，且必须人工解锁。电网、设备运行数据异常自动闭锁。10KV发生单相接地电容器自动闭锁。系统数据不刷新自动闭锁；

计算机与网络传输的安全策略。使用了“内存数据库技术”，极大的提高了数据存取速度，为无功优化的快速计算提供了可能。同时，由于大量数据只与内存交互而不存取硬盘，防止了硬盘的早损；使用了“多线程技术”，实现了无功优化系统并发事件的执行，达到实时控制的效果；动态使用好定时器的个数，防止计算机系统运行性能的下降；根据传输数据的类型和要求的不同，采用不同的传输协议。对于量大的重要的数据传送采用TCP/IP协议，对于量少的需要广播的数据传输采用UDP协议，这样提高了网络数据的传输效率和安全性；采用数据传输“回校”功能，即网络传输数据接受方向必须再向传输方进行一次数据返送校验，以核实数据传输的正确性。

无功电压优化运行管理的安全策略。制定“县级电网无功电压优化运行集中控制系统”运行管理规程，并进行操作培训；厂、站、点号的调整必须严格保证无功优化系统与调度SCADA系统的一致性。手动操作时，应先对无功优化系统进行闭锁；实施用户级别控制，使不同的用户具有不同的权限。同时，用户对系统的修改，系统将自动保存用户名称、修改时间、修改内容等；无功优化系统所作的操作记录，必须妥善保管，以各安全分析。

通过模糊推理得到的模糊量不能直接用于控制，必须转换为精确量，这种转换过程称为模糊判决，即清晰化。清晰化方法中重心法较为常用。该法以控制作用论域上的点u∈U对控制作用模糊集的隶属度U（u）为加权系数进行加权平均而求得解模糊结果。对于离散论域的情形，本次设计中由所得论域Z={-6，-5，…，0，…，5，6}上的元素Zk，采用重心法对其进行模糊判决，将模糊输出量转制为用于实际控制的精确量uij。

4电压无功模糊专家控制器的结构

电压无功模糊专家控制系统主要由模糊控制去控制变电站电压和无功功率两个变量，而专家系统主要

作用是监控系统状态，动态指导调整电压无功模糊控制系统的量化因子和比例因子，主要包含以下5个模块：变电站运行信息获取模块、基于模糊控制器的电压无功模糊控制模块、基于专家系统的电压无功综合分析模块、控制命令执行模块、电压和无功偏差的量化因子模块以及电压和无功的比例因子。控制系统框图如图1所示。

通过专家模糊模糊控制系统框图可知，首先从变电站母线上采集电压和无功的实时数据作为电压无功模糊控制器的的输入量，确定变电站的运行状态，并通过模糊控制对此做出初步的控制策略。同时，电压无功专家系统将根据系统的动态状态信息，对电压和无功的量化因子和比例因子进行动态选择，模糊控制器根据专家系统所选择的量化因子和比例因子并结合变电站的实际运行约束条件进行综合决策分析，确定最终的电压无功控制命令，通过控制命令模块完成。

运用MATLAB软件中FuzzyLogicToolBox提供的图形用户界面工具或利用MATIAB命令编程均可建立模糊推理系统。将模糊推理系统变量结构导人Simulink之中，并利用PowerSystemBlocket模块根据电压等级、负荷特点建立电网模型进行仿真。

5电压无功模糊专家系统的仿真

利用Matlab中的模糊逻辑工具箱建立变电站电压无功模糊控制器，得出仿真波形。图2是采用模糊控制器后的电压波形、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。

通过图2，图3比较得，通过模糊专家控制的电压和无功波形比模糊控制系统控制的更加平滑，效果更好；模糊专家控制的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。因此模糊专家控制对变电站电压无功控制能保证变压器二次侧电压维持在合格的范围内，使变压器高压侧的的无功能基本保持平衡，能有效地减少变压器分接头的调节次数和电容器组的投切次数。

结束语

电压无功模糊控制不需要建立精确的数学模型，可避免在轻载时出现的振荡问题，减少开关器件的动作次数，可适用于不同电压等级和工作场合，具有良好的准确性和鲁棒性。

参考文献：

[1]吴慧政，赵景水，王峰.基于九区图法的变电站VQC频繁动作的分析和预防[J].电力学报，2007，22（1）：65-67.

[2]ZadehLA，FuzzySet.Informationandcontrol.1965，8（2）：338-

358.

[3]MamdaniEH.ApplicationsofFuzzyAlgorithmsforControlofSimpleDynamicPlant.ProcIEEE，1974，121：1585-1588.

[4]YiHsinLen，ChernLinChen，TsoMinChen.AnalysisandDesignforAsymmetricalHalf-bridgeForwardModeConverters[C].IEEEPowerElectronicsDriveSystems，2001（1）：126-130.

[5]李士勇.模糊控制・神经控制和智能控制论[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1996：35-40.