目錄7269摘要 第1章緒論電壓是衡量電能質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。從節(jié)約電能的角度來(lái)看，除要求發(fā)電方面節(jié)約一次能源耗量（如煤耗）和減少?gòu)S用電外，還要求輸配電方面降低網(wǎng)損，用電方面則要求提高用電設(shè)備的效率、改善功率因數(shù)。由于用電設(shè)備在其額定電壓下工作可獲得最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，因此保證用戶端電壓接近額定值是電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整的基本任務(wù)之一。電壓質(zhì)量如果得不到保障，不僅會(huì)影響用電設(shè)備的效率、安全和壽命，影響產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，還有可能會(huì)使網(wǎng)損過(guò)大，而且還會(huì)危及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，甚至?xí)痣妷罕罎⒃斐纱竺娣e停電的嚴(yán)重事故。因此保證電壓質(zhì)量合格，是電力系統(tǒng)安全優(yōu)質(zhì)供電的重要條件，對(duì)節(jié)約電能有著重要的意義，而社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，也對(duì)電壓質(zhì)量提出了更高的要求。變電站電壓無(wú)功控制的目標(biāo)是保證變電站負(fù)荷側(cè)電壓無(wú)功，在合格范圍內(nèi)的基礎(chǔ)上盡量減少有載調(diào)壓變壓器分接頭和電容器動(dòng)作次數(shù)。目前，國(guó)內(nèi)在線運(yùn)行的變電站電壓無(wú)功綜合控制裝置多數(shù)基于傳統(tǒng)九區(qū)圖控制策略。但是，實(shí)踐表明，九區(qū)圖的分區(qū)控制策略是基于理想的電壓和無(wú)功控制，在實(shí)際控制中會(huì)出現(xiàn)振蕩動(dòng)作現(xiàn)象，也就是變壓器的分接頭和電容器頻繁交替動(dòng)作。對(duì)此，筆者在傳統(tǒng)九區(qū)圖的基礎(chǔ)上，結(jié)合模糊控制理論形成了合理的變電站電壓無(wú)功控制策略，保證了變電站低壓側(cè)電壓質(zhì)量，對(duì)系統(tǒng)無(wú)功進(jìn)行有效補(bǔ)償，明顯地解決了設(shè)備振蕩投切問(wèn)題，減少了設(shè)備動(dòng)作次數(shù)，從而為電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了基本保障。 改革開(kāi)放以前,由于電力工業(yè)發(fā)展水平低,我國(guó)電網(wǎng)長(zhǎng)期處于低電壓水平,由于設(shè)備和系統(tǒng)的可靠性低,一些大型事故經(jīng)常發(fā)生,給整個(gè)電力工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大的損失。自改革開(kāi)放以來(lái),按照電力先行的原則,在國(guó)家的重視和大力投資下,電力行業(yè)得到大力發(fā)展,電網(wǎng)電壓水平也得到不斷的改善。但不可否認(rèn)的是雖然我國(guó)電網(wǎng)水平得到快速的發(fā)展,但是由于各電網(wǎng)水平發(fā)展不一,或是無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的容量不相適應(yīng),造成局部電網(wǎng)電壓在負(fù)荷較輕時(shí)電壓偏高,在負(fù)荷高峰電壓又偏低的現(xiàn)象。要維護(hù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行電壓水平,就必須作好電網(wǎng)無(wú)功電源的優(yōu)化規(guī)劃,增強(qiáng)電網(wǎng)電壓無(wú)功的調(diào)控能力,實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的就地平衡。 由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜,電壓等級(jí)不斷提高,各種用電設(shè)備接入電網(wǎng)消耗大量無(wú)功,必須加裝如補(bǔ)償電容器等的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備,才能保證電壓水平,一般情況下,為避免無(wú)功在電網(wǎng)上的遠(yuǎn)距離傳輸從而造成損耗,無(wú)功補(bǔ)償采取就近補(bǔ)償?shù)脑瓌t進(jìn)行。變電站作為用戶和電網(wǎng)聯(lián)系的樞紐,尤其是末端變電站,其變壓器低壓側(cè)的電壓質(zhì)量直接影響用戶用電設(shè)備的正常工作,因此,控制變電站的主變壓器分接抽頭和補(bǔ)償電容器的投切,是保證電壓水平合格一種有效的手段。 變電站利用有載調(diào)壓變壓器和并聯(lián)電容器補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行局部的電壓及無(wú)功補(bǔ)償,其控制目標(biāo)是:(1)保持變電站負(fù)荷側(cè)母線電壓在規(guī)定水平:如變電站10kV母線電壓要求保持在10~10.7kv的水平。(2)使變電站無(wú)功盡可能就地平衡,減少遠(yuǎn)距離輸送無(wú)功引起的損耗。按照分層、分區(qū)就地平衡無(wú)功的原則,就需要盡量使變電站不向系統(tǒng)倒送無(wú)功,并按變電站無(wú)功負(fù)荷的需要來(lái)確定投運(yùn)的補(bǔ)償容量。為達(dá)到以上目標(biāo),變電站采用的一般方法為:(1)調(diào)節(jié)變壓器的分接頭位置,通過(guò)改變變壓器變比來(lái)保持負(fù)荷側(cè)母線電壓。(2)通過(guò)投入補(bǔ)償電容器,使變電站無(wú)功盡量平衡。實(shí)際上,電力系統(tǒng)中的電壓和無(wú)功不是相互孤立的,而是彼此影響,相互之間有著緊密聯(lián)系的。在變電站調(diào)節(jié)變壓器分接頭同時(shí),由于改變了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù),從而在影響電壓的同時(shí)也影響了系統(tǒng)的無(wú)功潮流;而控控制無(wú)功補(bǔ)償量,既影響無(wú)功,也影響電壓。 要較好地實(shí)現(xiàn)變電站的電壓、無(wú)功控制,不能為了調(diào)壓而僅調(diào)節(jié)主變壓器分接頭位置,也不能為了改變從系統(tǒng)吸收無(wú)功功率總量而僅考慮電容器的投切,應(yīng)該對(duì)二者進(jìn)行科學(xué)的綜合考慮,進(jìn)行優(yōu)化控制,才能充分發(fā)揮調(diào)壓和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的作用。所以,根據(jù)變電站電壓無(wú)功控制的目標(biāo),變電站電壓無(wú)功控制的最佳調(diào)節(jié)手段應(yīng)為:通過(guò)有載調(diào)壓變壓器分接頭和電容器組投切的綜合調(diào)控,改變變電站主變壓器電壓側(cè)電壓和變電站的無(wú)功補(bǔ)償,從而保證變電站變壓器低壓側(cè)電壓在規(guī)定的合格范圍內(nèi),同時(shí)盡量保證變電站無(wú)功功率盡可能在合格范圍內(nèi)。電壓穩(wěn)定和無(wú)功平衡影響著整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大。電壓與無(wú)功的控制問(wèn)題早就引起電力部門和科研單位的重視,隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,對(duì)電壓無(wú)功進(jìn)行控制的研究和調(diào)節(jié)手段也日益增多。從整個(gè)電網(wǎng)考慮,主要是對(duì)無(wú)功功率電源進(jìn)行合理規(guī)劃和配置,并根據(jù)電網(wǎng)的潮流分布情況確定電網(wǎng)的運(yùn)行方式,減少無(wú)功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)。另外,鑒于我國(guó)大部分電網(wǎng)總體自動(dòng)化水平還比較低,而部分變電站自動(dòng)化水平比較高,實(shí)現(xiàn)整個(gè)電網(wǎng)的調(diào)壓和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備同意調(diào)度有一定困難,因此,無(wú)功電壓的控制主要還是以變電站為單位自動(dòng)調(diào)節(jié)為主。電壓無(wú)功的優(yōu)化控制是一個(gè)較為復(fù)雜的非線性優(yōu)化問(wèn)題。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面的研究比較多,采用的方法也多中多樣。主要的方法包括九區(qū)圖控制、變電站電壓無(wú)功模糊控制和基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變電站電壓無(wú)功控制。本文主要研究一種基于模糊控制器的變電站電壓無(wú)功控制方法，將變電站的無(wú)功和電壓邊界模糊化，并建立基于模糊控制調(diào)節(jié)控制系統(tǒng),為將變電站母線電壓控制在既定目標(biāo)內(nèi),當(dāng)電壓較高時(shí)，無(wú)功不是很缺時(shí)就不投電容器或少投電容器組，電壓較低時(shí),無(wú)功不是很大就不切或多投一些電容器,以克服運(yùn)用較多的基于“九區(qū)法”固定無(wú)功、電壓控制邊界的變電站電壓無(wú)功綜合自動(dòng)控制裝置在實(shí)際運(yùn)行中帶來(lái)的弊病,降低變壓器有載分接開(kāi)關(guān)的調(diào)節(jié)次數(shù)和電容器組的投切次數(shù)。并針對(duì)一個(gè)具體的實(shí)例，建立了系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行仿真分析和設(shè)計(jì)。第2章變電站電壓無(wú)功控制原理2.1變電站電壓無(wú)功控制方法變電站簡(jiǎn)化系統(tǒng)接線圖，如圖2.1所示，雙繞組變壓器通過(guò)1條線路接入上一級(jí)電源。圖2.1中，UG是電源電壓（維持不變），U1和U2分別是變電站主變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)母線電壓，ULD為負(fù)荷端電壓；RG+jXG和RL+jXL分別為電源阻抗和線路阻抗，RT+jXT為變壓器阻抗，RWL+jXWL分變電站出線阻抗；PL+jQL為用戶負(fù)荷復(fù)數(shù)功率（通常以滯后功率因數(shù)運(yùn)行），P1+jQ1、S1、PF1分別為主變高壓側(cè)復(fù)數(shù)功率、視在功率和功率因數(shù)；QC為并聯(lián)電容器發(fā)出的無(wú)功功率；k為變壓器變化。圖2.1變電站簡(jiǎn)化系統(tǒng)接線圖VQC的控制目標(biāo)一方面維持用戶端電壓在0.95ULDN~1.05ULDN（ULDN是用戶端電壓額定值）；另一方面還要使系統(tǒng)的功率損耗（網(wǎng)損）達(dá)到最小。假設(shè)用戶的自然功率因數(shù)角φ保持不變，則可近似認(rèn)為：U2=（0.95~1.05）ULDN+SL(2.1)由式（2.1）可知要維持用戶端電壓在允許的變化范圍內(nèi)，需按負(fù)荷視在功率SL對(duì)主變低壓側(cè)電壓實(shí)行逆調(diào)壓調(diào)整。在多用戶時(shí)，可按式（2.2）分別計(jì)算出各用戶對(duì)應(yīng)的主變低壓側(cè)母線電壓允許范圍，再取它們的交集，即為U2應(yīng)處的區(qū)域，由式（2.3）可得。U2i=(0.95~1.05)ULDN+SLi(i=1,2,…,n)(2.2){U2}={U2i}(2.3)由于變電站往往具有多回出線（如單母分段接線的110kV變電站可有3~4回出線），各回路用戶負(fù)荷的變化規(guī)律不同，因此只能按變電站總的負(fù)荷（綜合負(fù)荷）變化情況進(jìn)行逆調(diào)整。在滿足主變低壓側(cè)母線電壓U2要求的前提下，還需考慮使變電站高壓側(cè)系統(tǒng)（包括變電站）的網(wǎng)損達(dá)到最小。系統(tǒng)的功率損耗為（忽略變電站出線的損耗）：△≈（2.4）由式（2.4）可知，只要使|QL－QC|達(dá)到最小，就可使功率損耗最小。要達(dá)到上述目標(biāo)，110kV變電站中常采用以下兩種調(diào)節(jié)手段：一種是改變有載調(diào)壓變壓器（OLTC）的變比k（通過(guò)調(diào)節(jié)分接頭即調(diào)檔實(shí)現(xiàn)）對(duì)U2實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，但改變OLTC變比的調(diào)壓手段本身并不會(huì)產(chǎn)生無(wú)功功率，它通過(guò)改變無(wú)功分布來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，因此該手段適合在系統(tǒng)無(wú)功電源供給充足但無(wú)功分布不合理而造成電壓質(zhì)量下降的情況。另一種是通過(guò)合理地投切集中裝設(shè)在主變壓器變電站低壓側(cè)母線（6~10kV）上的并聯(lián)電容器組來(lái)改變QC，減小變電站無(wú)功負(fù)荷（減小|QL－QC|），使高壓網(wǎng)絡(luò)傳送的感性（或容性）無(wú)功功率減少，從而減少電壓損耗和功率損耗，進(jìn)而改善變電站的母線電壓和功率因數(shù)。一般當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功電源供給不足（或過(guò)剩）時(shí)，應(yīng)通過(guò)設(shè)切并聯(lián)電容器組來(lái)改變無(wú)功分布實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，并使無(wú)功達(dá)到基本平衡及變電站的功率因數(shù)接近1，減小網(wǎng)損和電壓損耗。圖2.2給出了無(wú)功補(bǔ)償電源調(diào)壓過(guò)程的示意圖。圖2.2中，曲線1和曲線2的交點(diǎn)為a為額定電壓下的無(wú)功平衡點(diǎn)，當(dāng)無(wú)功負(fù)荷增加變?yōu)榍€4時(shí)，若無(wú)功電源沒(méi)有增加，則曲線1和曲線4的交點(diǎn)b為新的無(wú)功平衡點(diǎn)，但顯然該點(diǎn)電壓低于額定電壓，這是由于無(wú)功電源供給不足而導(dǎo)致的結(jié)果。如果此時(shí)投入電容，使無(wú)功電源的電壓特性曲線上移至曲線3，則曲線3和曲線4的交點(diǎn)c所確定的電壓可恢復(fù)為（或接近）額定電壓。圖2.2無(wú)功補(bǔ)償電源調(diào)壓過(guò)程示意圖圖2.2無(wú)功補(bǔ)償電源調(diào)壓過(guò)程示意圖1、3—無(wú)功電源的無(wú)功電壓特性；2、4—無(wú)功負(fù)荷的無(wú)功電壓特性實(shí)際中通常的做法是綜合運(yùn)用上述兩種調(diào)節(jié)手段，并采取一定的控制策略，使主變低壓側(cè)母線電壓和高壓側(cè)無(wú)功功率（或功率因數(shù)）在規(guī)定的范圍之內(nèi)，即采用電壓無(wú)功綜合調(diào)節(jié)方式（VQC），這樣才可獲得較滿意的控制效果。通常VQC中所討論的電容器均為等容量電容器組，例如某變電站有4組電容器組，每組電容器的容量為2400kVar。投切任何1組電容器所引起的電壓變化量都不應(yīng)超過(guò)2.5%[1]。2.2變電站電壓無(wú)功控制目標(biāo)和模式變電站電壓無(wú)功綜合控制系統(tǒng)通常取主變低壓側(cè)母線電壓U2和主變高壓側(cè)注入無(wú)功功率Q1（或主變高壓側(cè)功率因數(shù)PF1）作為電壓、無(wú)功考察指標(biāo)，具體的控制目標(biāo)為：“保證電壓質(zhì)量合格，在無(wú)功基本平衡的前提下，盡量減少有載調(diào)壓變壓器分接頭的調(diào)節(jié)次數(shù)和并聯(lián)補(bǔ)償電容器組的投切次數(shù)”。VQC的控制對(duì)象是有載調(diào)壓變壓器的分接頭和并聯(lián)電容器組的投切開(kāi)關(guān)。由于變壓器的分接頭是一檔一檔進(jìn)行調(diào)節(jié)的，并聯(lián)電容器也是以組為單位進(jìn)行投切的，因此只能使電壓U2在一定范圍內(nèi)接近額定值，無(wú)功功率Q1（或功率因數(shù)PF）在一定范圍內(nèi)接近0（或1）。2.2.1VQC的控制目標(biāo)（1）保證電壓質(zhì)量合格主變低壓側(cè)母線電壓U2必須滿足：UL≤U2≤UH（UH、UL是規(guī)定的母線電壓上下限值），并盡量使負(fù)荷端電壓偏差|ULD－ULDN|達(dá)到最小值。電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)由于負(fù)荷的隨機(jī)變化和運(yùn)行方式的改變，母線上的電壓是經(jīng)常變動(dòng)的，因此允許各電壓中樞點(diǎn)（監(jiān)測(cè)點(diǎn)）的電壓有一定的偏移范圍，例如10kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%。（2）維持無(wú)功基本平衡，使系統(tǒng)的功率損耗盡量減小為了保證電壓合格，就必須保證系統(tǒng)無(wú)功分層平衡，使通過(guò)變壓器的無(wú)功功率盡量的少，這是一個(gè)前提條件。從變電站電壓無(wú)功綜合控制的角度，通常要求主變高壓側(cè)注入無(wú)功功率Q1必須滿足：QL≤Q1≤QH，Q1越接近0越好，一般情況下應(yīng)使流入變電站的無(wú)功功率大于0，即無(wú)功功率不倒送；或主變高壓側(cè)功率因數(shù)PF1必須滿足；PFL≤PF1≤PFH，PF1越接近1越好（QH、QL、PFH、PFL分別是規(guī)定的無(wú)功功率上下限和功率因數(shù)上下限）。保持無(wú)功平衡，對(duì)保持電網(wǎng)穩(wěn)定性，減少網(wǎng)損也是十分有益的。在保證電壓合格的前提下，應(yīng)使網(wǎng)損盡量小。有時(shí)候，為保證電壓合格，常采用強(qiáng)行調(diào)節(jié)的措施，如當(dāng)分接頭調(diào)節(jié)達(dá)限或閉鎖時(shí)，常采用強(qiáng)投、強(qiáng)切電容器組的措施來(lái)保證電壓質(zhì)量，以犧牲無(wú)功功率（功率因數(shù)）和網(wǎng)損的合格率為代價(jià)。需要說(shuō)明的是，VQC也可取主變低壓側(cè)作為無(wú)功考察點(diǎn)，甚至可以取變電站前端的供電線路進(jìn)線端作為無(wú)功考察點(diǎn)。（3）盡量減少控制對(duì)象的動(dòng)作次數(shù)，尤其是減少有載分接頭的調(diào)節(jié)次數(shù)由于變壓器在電網(wǎng)中的重要地位，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。在有載調(diào)節(jié)分接頭時(shí)，由于會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的匝間短路產(chǎn)生電弧，一方面會(huì)對(duì)分接頭的機(jī)械和電氣性能產(chǎn)生影響；另一方面也影響變壓器油的性能。有關(guān)資料表明，有載調(diào)壓變壓器80%的故障是由于有載分接頭所引起的，因此各變電站都嚴(yán)格限制了有載分接頭的日最大調(diào)節(jié)次數(shù)（一般110kV變壓器為10次，35kV變壓器為20次）；并對(duì)總的動(dòng)作次數(shù)作出了限制，一般要求分接頭動(dòng)作3000次后必須停電檢修。變電站對(duì)電容器組的日最大投切次數(shù)也作出了限制（如30次）。因此，在控制策略上應(yīng)盡量使控制對(duì)象的日動(dòng)作次數(shù)越少越好，特別是減少分接頭的調(diào)節(jié)次數(shù)。2.2.2VQC的控制模式前已述及，變電站電壓無(wú)功綜合控制系統(tǒng)的無(wú)功指標(biāo)既可以取主變高壓側(cè)母線無(wú)功功率，也可取主變高壓側(cè)母線功率因數(shù)，對(duì)應(yīng)的VQC控制模式可分別稱為“電壓—無(wú)功功率控制模式”和“電壓—功率因數(shù)控制模式”?，F(xiàn)對(duì)這兩種控制模式進(jìn)行評(píng)價(jià)。（1）電壓—無(wú)功功率控制模式無(wú)功功率的特點(diǎn)：無(wú)功功率能真實(shí)反映無(wú)功出力的情況，可充分區(qū)分無(wú)功吸收和倒送兩種狀態(tài)；變壓器重載運(yùn)行時(shí)無(wú)功功率的數(shù)值波動(dòng)較大，輕載運(yùn)行時(shí)無(wú)功功率的數(shù)值波動(dòng)較??；無(wú)功功率與全網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)緊密關(guān)聯(lián)。評(píng)價(jià)：這種控制模式的優(yōu)點(diǎn)是，可避免變壓器輕載運(yùn)行時(shí)電容器組頻繁投切現(xiàn)象；對(duì)負(fù)荷波動(dòng)較大的運(yùn)行方式適應(yīng)性強(qiáng)；無(wú)功功率是全網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化考慮的主要因素，便于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的無(wú)功控制；無(wú)功功率控制與電容器無(wú)功補(bǔ)償容量密切關(guān)聯(lián)，控制簡(jiǎn)單方便，考慮了電容器容量級(jí)差大的問(wèn)題，可有效避免電容器組的頻繁投切現(xiàn)象。其缺點(diǎn)是變壓器重載運(yùn)行時(shí)無(wú)功功率波動(dòng)較大，可能會(huì)增加電容器組的投切次數(shù)；與變電站的無(wú)功考核指標(biāo)即功率因數(shù)無(wú)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，控制限值輸入復(fù)雜；控制原理復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)較繁瑣。（2）電壓—功率因數(shù)控制模式功率因數(shù)的特點(diǎn)：功率因數(shù)角僅是無(wú)功功率3個(gè)因素中的1個(gè)（Q=），不能直接反映無(wú)功功率的大小，在考慮到有功功率電壓靜態(tài)特性的情況下，功率因數(shù)與無(wú)功功率不存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；變壓器輕載運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)的數(shù)值波動(dòng)交大，重載運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)的數(shù)值波動(dòng)則較?。还β室驍?shù)是變電站無(wú)功考核的指標(biāo)。評(píng)價(jià)：這種控制模式的優(yōu)點(diǎn)是，可避免變壓器重載運(yùn)行時(shí)電容器組頻繁投切現(xiàn)象；與變電站無(wú)功優(yōu)化指標(biāo)一致，因此參數(shù)設(shè)定方便簡(jiǎn)單；控制原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是變壓器輕載運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)波動(dòng)較大，容易造成電容器組的頻繁投切；全網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化主要考慮無(wú)功功率，對(duì)電網(wǎng)實(shí)時(shí)電壓無(wú)功波動(dòng)大的場(chǎng)合，難以實(shí)現(xiàn)有效的無(wú)功優(yōu)化控制；變電站電容器組數(shù)少，容量和容量級(jí)差較大，容易產(chǎn)生投切次數(shù)頻繁，輕載時(shí)還容易過(guò)補(bǔ)償。對(duì)于負(fù)荷波動(dòng)較大、無(wú)功優(yōu)化實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合，考慮電網(wǎng)的無(wú)功要求，選用電壓—無(wú)功功率控制方式較為合理[2]。2.3變電站基本控制規(guī)律VQC通過(guò)調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器分接頭和投切電容器組來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站低壓側(cè)母線電壓和高壓側(cè)無(wú)功功率（或功率因數(shù)）的調(diào)節(jié)，調(diào)檔和投切電容對(duì)變電站電壓和無(wú)功均會(huì)產(chǎn)生一定的影響，因此VQC是一個(gè)多參數(shù)、強(qiáng)耦合的復(fù)雜的非線性控制問(wèn)題。鑒于各類變電站電壓無(wú)功控制策略都是在調(diào)檔和投切電容對(duì)變電站電壓無(wú)功影響規(guī)律的基礎(chǔ)上建立的，有必要對(duì)這些基本規(guī)律進(jìn)行深入地探討?，F(xiàn)將圖中變電站的各用戶負(fù)荷用綜合負(fù)荷表示，系統(tǒng)等值電路如圖2.3所示。圖2.3變電站綜合負(fù)荷系統(tǒng)等值電路圖圖中UG為無(wú)窮大電源電壓，RL+jxL為變電站進(jìn)線阻抗，P1+jQ1為進(jìn)線上消耗功率RT+jxT為變壓器參數(shù)，PLD+jQLD為負(fù)荷，QC為投入電容器組電容。為方便討論，將變壓器組抗歸算到進(jìn)線上，可得到如圖2.4的簡(jiǎn)化電路圖：圖2.4變電站綜合負(fù)荷系統(tǒng)等值電路簡(jiǎn)化圖式中R=RL+RT，X=XL+XT。RT，XT均為變壓器歸算到高壓側(cè)參數(shù)。U2電壓相量圖如圖2.5所示圖2.5U2電壓相量圖可得：（2.5）式中，△U2=，=分別稱為至U2電壓降落dU2的縱分量和橫分量。設(shè)投入運(yùn)行的并聯(lián)電容器額定容量為QCN，額定電壓為UCN，則電容器電納BC為BC=（2.6）故并聯(lián)電容器實(shí)際發(fā)出的無(wú)功功率QC為QC=BCU22（2.7）代入式（2.5）有：U2++j（2.8）+(2.9)由式（2.9）即可解出低壓側(cè)電壓U2的值，顯然其過(guò)程較繁鎖，在工程上往往采用簡(jiǎn)化的方法求取U2。如圖2.5所示，為維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，正常運(yùn)行時(shí)功角δ2一般很小，因此電壓降落橫分量較小，一般110kV及以下電網(wǎng)的電壓降落橫分量可忽略不計(jì)；又由于高壓電網(wǎng)RS＜＜XS，故可忽略不計(jì)RS。因此，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)可認(rèn)為：≈U2+（2.10）可按式（2.10）求出U2的近似解。求得U2后，即可求取主變高壓側(cè)無(wú)功功率Q1和功率因數(shù)PF1。主變高壓側(cè)無(wú)功功率Q1和有功功率P1為：（2.11）因此（2.12）（2.13）損耗的△QT非常小，為便于討論，忽略不計(jì)。功率因素COSΦ=（2.14）2.3.1變電站綜合負(fù)荷取恒定功率模型即取PLD+jQLD為常量，從上式來(lái)看，改變變比，對(duì)電壓無(wú)功的影響如下當(dāng)變比k增大，電壓U2將下降；對(duì)電容器無(wú)功功率的影響，由式QC=BCU22，電壓U2下降將導(dǎo)致無(wú)功功率QC的下降；輸入無(wú)功率Q1由式知將增大，功率因素COSΦ將減小。當(dāng)變比k減小，電壓U2將上升；對(duì)電容器無(wú)功功率的影響，由式QC=BCU22，電壓U2上升將導(dǎo)致無(wú)功功率QC的上升；輸入無(wú)功率Q1由式知將減小，功率因素COSΦ將增大。改變電容器組投切的影響如下，投入電容器組，無(wú)功功率QC將增大，無(wú)功Q1減小，阻抗壓降△U減小，電壓U2增大，功率因素COSΦ增大。改變電容器組投切的影響如下，切除電容器組，無(wú)功功率QC將減小，無(wú)功Q1增大，阻抗壓降△U增大，電壓U2減小，功率因素COSΦ減小。2.3.2變電站綜合負(fù)荷取恒定阻抗模型這種情況下，可將GLD與BLD視作常量，綜合負(fù)荷可表示為SLD=GLD·U22+jBLD·U22，此時(shí)（2.15）Q1=(BLD－BC)·U22（2.16）（2.17）式中GLD、BLD為負(fù)荷端以及電容器導(dǎo)納。調(diào)檔的影響如下：上調(diào)檔位，變比k增大，電壓U2減小，無(wú)功功率Q1急劇下降，功率因素不變。下調(diào)檔位，變比k減小，電壓U2增大，無(wú)功功率Q1急劇上升，功率因素不變。投切電容器組的影響如下投入電容器組，U2升高，Q1減小，功率因素增大。切除電容器組，U2降低，Q1增大，功率因素減小。將以上所總結(jié)的規(guī)律歸結(jié)如表2.1所示。表2.1變電站電壓無(wú)功基本控制規(guī)律負(fù)荷模型控制手段恒定功率恒定阻抗調(diào)檔當(dāng)變比k增大，電壓U2將下降；對(duì)電容器無(wú)功功率的影響如下，由式QC=BCU22，電壓U2下降將導(dǎo)致無(wú)功功率QC的下降；輸入無(wú)功率Q1由式知將增大，功率因素COSΦ將減小。上調(diào)檔位，變比k增大，電壓U2減小，無(wú)功功率Q1急劇下降，功率因素不變。投切電容投入電容器組，無(wú)功功率QC將增大，無(wú)功Q1減小，阻抗壓降△U減小，電壓U2增大，功率因素COSΦ增大。投入電容器組，U2升高，Q1減小，功率因素增大。下圖分別描述了VQC所采用的調(diào)檔和投切電容對(duì)變電站電壓無(wú)功的影響規(guī)律示意圖。圖2.6OLTC調(diào)檔對(duì)變電站電壓無(wú)功的影響規(guī)律示意圖(a)恒定功率負(fù)荷模型；(b)恒定阻抗負(fù)荷模型圖2.7投切電容對(duì)變電站電壓無(wú)功的影響規(guī)律示意圖2.4九區(qū)圖控制策略控制策略（或稱控制方案、控制規(guī)則、控制原則）是變電站VQC調(diào)節(jié)的基本準(zhǔn)則。變電站電壓無(wú)功綜合控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的雙參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，因此合理的控制策略是VQC實(shí)際投用的基本要求之一。由于變電站可看作是電力系統(tǒng)的一個(gè)元件，其電壓水平和無(wú)功流動(dòng)與系統(tǒng)是相互影響的，因此在控制策略上VQC除必須滿足變電站調(diào)節(jié)電壓和平衡無(wú)功的要求，同時(shí)還要盡量減小有載調(diào)壓變壓器分接頭和電容器組的動(dòng)作次數(shù)，另外還需服從系統(tǒng)運(yùn)行的需要。為實(shí)現(xiàn)VQC的控制目標(biāo)，早期的VQC裝置都采用基于九區(qū)圖的控制策略，控制裝置根據(jù)電壓、無(wú)功、時(shí)間、負(fù)荷率、開(kāi)關(guān)信息、OLTC分接頭檔位和電容器組投切開(kāi)關(guān)狀態(tài)等多因素進(jìn)行綜合判斷，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前的運(yùn)行區(qū)域，再按照一定的控制策略，閉環(huán)地控制站內(nèi)并聯(lián)電容器組的投切以及有載調(diào)壓變壓器分接頭的調(diào)節(jié)，以最優(yōu)的控制順序和最少的動(dòng)作次數(shù)使運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)入到正常工作區(qū)（目標(biāo)區(qū)域），使電壓合格而無(wú)功功率盡量接近于0（功率因數(shù)盡量接近于1）[3]。圖2.8九區(qū)圖2.4.1九區(qū)圖的基本原理九區(qū)圖控制策略是按照固定的電壓和無(wú)功功率（或功率因數(shù)）上下限將電壓—無(wú)功平面劃分為9個(gè)區(qū)域。請(qǐng)參見(jiàn)圖2.8所示，U取主變低壓側(cè)母線電壓U2，Q取主變高壓側(cè)母線無(wú)功功率Q1，構(gòu)成電壓—無(wú)功功率控制模式，也可取主變高壓側(cè)母線功率因數(shù)PF1代替Q1，構(gòu)成電壓—功率因數(shù)控制模式。無(wú)功功率越下限（或功率因數(shù)超前越上限）表示無(wú)功過(guò)剩，變電站向電網(wǎng)倒送無(wú)功（一般不允許倒送）；無(wú)功功率越上限（或功率因數(shù)滯后越下限）表示無(wú)功不足。為防止電容投切振蕩，無(wú)功上下限之差應(yīng)至少為投切1組電容器所引起的無(wú)功最大變化量。一般取無(wú)功功率下限不大于0（功率因數(shù)上限不小于1）。九區(qū)圖中電壓、無(wú)功功率以及功率因數(shù)上下限可分別用UH、UL、QH、QL、PFH、PFL表示。電壓—功率因數(shù)控制模式下，超前的功率因數(shù)一律按加2處理。根據(jù)VQC的調(diào)控要求，應(yīng)將受控母線（即主變低壓側(cè)母線）電壓控制在規(guī)定的電壓上下限之間，確保電壓合格；同時(shí)盡量將無(wú)功功率（或功率因數(shù)）控制在規(guī)定的無(wú)功功率（或功率因數(shù)）上下限之間；若不能使電壓、無(wú)功功率（或功率因數(shù)）同時(shí)滿要求，則優(yōu)先保證電壓合格。九區(qū)圖各區(qū)域具體的控制策略如下。9區(qū)：電區(qū)、無(wú)功均合格，為不動(dòng)作區(qū)（正常工作區(qū)），是VQC控制的目標(biāo)區(qū)域。1區(qū)：電壓越上限，無(wú)功功率（功率因數(shù)）合格，先升檔降壓至電壓合格；若分接頭檔位已上調(diào)至最高檔，而電壓仍高于上限，則強(qiáng)行切除部分并聯(lián)電容器組（強(qiáng)切電容）。2區(qū)：電壓越上限，無(wú)功功率越上限（功率因數(shù)越下限），先升檔降壓至電壓合格；若分接頭檔位已上調(diào)至最高檔，而電壓仍記于上限，則強(qiáng)切電容。3區(qū)：電壓正常，無(wú)功功率越上限（功率因數(shù)越下限），投入并聯(lián)電容器組；若無(wú)電容器組可投，則維持。4區(qū)：電壓越下限，無(wú)功功率越上限（功率因數(shù)越下限），先投入并聯(lián)電容器組使無(wú)功功率（功率因數(shù)）合格；若無(wú)電容可投或電容器組投完后而電壓仍低于下限，則再降檔升壓至電壓合格。5區(qū)：電壓越下限，無(wú)功功率（功率因數(shù)）合格，降檔升壓至電壓合格；若分接頭檔位已調(diào)至最低檔，而電壓仍低于下限，則強(qiáng)行投入新并聯(lián)電容器組（強(qiáng)投電容）。6區(qū)：電壓越下限，無(wú)功功率越下限（功率因數(shù)越上限），降檔升壓至電壓合格；若分接頭檔位已調(diào)至最低檔，而電壓仍低于下限，則強(qiáng)投電容。7區(qū)：電壓合格，無(wú)功功率越下限（功率因數(shù)越上限），切除并聯(lián)電容器組；若無(wú)電容器組可切，則維持。8區(qū)：電壓越上限，無(wú)功功率越下限（功率因數(shù)越上限），先切除并聯(lián)電容器組；若無(wú)電容可切或電容器組切完后而電壓仍高于上限，則再升檔降壓至電壓合格。九區(qū)圖的電壓、無(wú)功上下限一般在某個(gè)負(fù)荷時(shí)段取固定值（可將1天分為12、24或48個(gè)負(fù)荷時(shí)段分別整定上下限值），并按逆調(diào)壓原則自動(dòng)調(diào)整電壓下限值。變電站負(fù)荷越大、電壓下限值越高，即在高峰負(fù)荷時(shí)適當(dāng)提高運(yùn)行電壓，將電壓下限值提高；同理，在低谷負(fù)荷時(shí)候適當(dāng)降低運(yùn)行電壓，將電壓下限值降低。圖2.2給出了九區(qū)圖各區(qū)域的控制策略示意圖。圖2.9九區(qū)圖各區(qū)域的控制策略示意圖九區(qū)圖控制策略不區(qū)分變電站負(fù)荷的電壓靜態(tài)特性，對(duì)恒定功率負(fù)荷和恒定阻抗負(fù)荷是通用的?；诰艆^(qū)圖策略的VQC在一定程度上提高了主變低壓側(cè)母線電壓的合格率，實(shí)現(xiàn)了無(wú)功就地基本平衡，改善了變電站的功率因數(shù)和減少了電網(wǎng)的功率損耗，在一定程度上能夠滿足變電站的運(yùn)行要求[4]。2.4.2九區(qū)圖控制策略的不合理動(dòng)作九區(qū)圖控制策略存在不合理動(dòng)作，如圖2.10所示。圖2.10九區(qū)圖不合理動(dòng)作示意圖（a）恒定阻抗負(fù)荷模型（b）恒定功率負(fù)荷模型（c）振蕩動(dòng)作示意圖針對(duì)圖2.10（c）中a點(diǎn)和b點(diǎn)對(duì)VQC控制的結(jié)果可能會(huì)產(chǎn)生振蕩動(dòng)作的情況，很多VQC裝置在九區(qū)圖中增加了2個(gè)防振小區(qū)，如南瑞繼保的RCS—9656電壓無(wú)功綜合調(diào)節(jié)裝置。如圖2.11所示，改進(jìn)九區(qū)圖在九區(qū)圖原先的3區(qū)中增加30防振小區(qū)、在原先的7區(qū)中增加70防振小區(qū)。防振小區(qū)的設(shè)置原則是：當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)落于現(xiàn)在的3區(qū)（或7區(qū)）中時(shí)，投入1組電容（或切除1組電容）都不會(huì)使運(yùn)行越電壓上限（或電壓下限）。因此，防振小區(qū)的電壓寬度應(yīng)取投切1組電容所引導(dǎo)的電壓最大變化量△Uqmax，即UHB=UH－△Uqmax，ULB=UL+△Uqmax。圖2.11增加2個(gè)防振小區(qū)的改進(jìn)九區(qū)圖當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)位于30（或70）小區(qū)中時(shí)，一般VQC廠家給出的控制策略為：30小區(qū)—維持（不動(dòng)作）或升檔降壓；70小區(qū)—維持或降檔升壓。選擇維持策略的目的是等待運(yùn)行點(diǎn)出防振小區(qū)，雖犧牲了無(wú)功指標(biāo)卻保證了電壓合格，并避免了振蕩動(dòng)作現(xiàn)象。當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)落于30小區(qū)時(shí)，電壓正常偏高；落于70小區(qū)時(shí)，電壓正常偏低。在這兩個(gè)小區(qū)選擇調(diào)檔策略，VQC廠家的本意是一方面是使電壓變?yōu)檎＃ㄟm中）；另一方面也為改善無(wú)功，然而在大多數(shù)時(shí)候改善無(wú)功是不可能實(shí)現(xiàn)的[5]。在30小區(qū)升檔降壓，對(duì)于電壓—無(wú)功功率控制模式，在恒定阻抗負(fù)荷模型下，升檔使感性無(wú)功功率數(shù)值減小，無(wú)功得到了改善，運(yùn)行點(diǎn)有可能進(jìn)入9區(qū)，但更多的時(shí)候是進(jìn)入3區(qū)，從而在3區(qū)的策略控制之下投電容進(jìn)入9區(qū)；在恒定功率負(fù)荷模型下，升檔總是使感性無(wú)功功率數(shù)值增大，無(wú)功惡化，運(yùn)行點(diǎn)只可能進(jìn)入3區(qū)。對(duì)于電壓—功率因數(shù)控制模型，在恒定阻抗負(fù)荷模型下，升檔不能改變功率因數(shù)大小，因此運(yùn)行點(diǎn)只能進(jìn)入3區(qū)；在恒定功率負(fù)荷模型下，升檔使功率因數(shù)減小，無(wú)功惡化，運(yùn)行點(diǎn)也只能進(jìn)入3區(qū)。在70小區(qū)降檔升壓，對(duì)于電壓一無(wú)功功率控制模式，當(dāng)無(wú)功功率下限不大于0時(shí)，不管是恒定阻抗還是恒定功率負(fù)荷模型，降檔總是使容性無(wú)功功率增大，無(wú)功惡化，運(yùn)行點(diǎn)不可能直接進(jìn)入9區(qū)，而是進(jìn)入7區(qū)后再切電容進(jìn)入9區(qū)。對(duì)于電壓一功率因數(shù)控制模式，在恒定阻抗負(fù)荷阻抗負(fù)荷模型下，降檔不能改變功率因數(shù)大小，因此運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)入7區(qū)；在恒定功率負(fù)荷模型下，降檔使功率因數(shù)增大，無(wú)功惡化，運(yùn)行點(diǎn)也進(jìn)入7區(qū)。由上述分析可知：在30（或70）小區(qū)升檔降壓（或降檔升壓），在絕大多數(shù)進(jìn)修會(huì)導(dǎo)致分接頭和電容器組的連鎖動(dòng)作，增加了受控設(shè)備的動(dòng)作次數(shù)。維持策略和調(diào)檔策略相比節(jié)約了至少兩次設(shè)備的動(dòng)作，但不能保證無(wú)功功率合格?？刹捎靡环N折中的策略，即：運(yùn)行點(diǎn)位于30小區(qū)時(shí)，若PF1≥0.9，無(wú)功考核指標(biāo)合格（變電站以功率因數(shù)作為無(wú)功考核指標(biāo)），則維持；否則如有電容可投，則升檔降壓，如無(wú)電容可投，則維持。運(yùn)行點(diǎn)位于70小區(qū)時(shí)，若PF1≤1.1（即PF1實(shí)際值≤.0.9），則維持；否則如有電容可切，則降檔升壓，如無(wú)電容可切，則維持。在工程實(shí)際中△Uqmax一般近歷史數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)公式得到，在給定后VQC將一直使用此定值。由于該定值不一定是投切1組電容所引起的真正的電壓最大變化量，因此可能會(huì)出現(xiàn)由于該定值小于實(shí)際最大值而造成電容器組誤投切的現(xiàn)象。另外，當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)落于30（或70）小區(qū)中接近電壓UHB（或ULB）和無(wú)功邊界處時(shí)，由于投入（或切除）1組電容產(chǎn)生的實(shí)際電壓變化量不超過(guò)△Uqmax，因此投切電容后運(yùn)行點(diǎn)很可能直接進(jìn)入9區(qū)，因此30（或70）小區(qū)的劃分相對(duì)較為保守[6]。第3章變電站電壓無(wú)功模糊控制基本理論3.1模糊控制基本理論3.1.1模糊集合對(duì)于普通集合，其論域中的元素要么屬于這個(gè)集合，要么不屬于這個(gè)集合，即存在非此即彼的概念。而現(xiàn)實(shí)生活中，卻存在很多大量的模糊事物，它們不能用普通集合來(lái)描述。例如，中年人，它就是一個(gè)模糊概念。這涉及到兩個(gè)問(wèn)題：①中年人的外延問(wèn)題，即中年人的年齡界限是什么？可以說(shuō)，每個(gè)人都有自己的理解。②當(dāng)一個(gè)人的年齡在此界限內(nèi)，那么，他是否完全屬于中年人的范疇。假設(shè)我們認(rèn)為中年人的年齡界限是35到50，設(shè)3個(gè)人的年齡分別為36、43、50，我們可否認(rèn)為他們屬于中年人的程序是一樣嗎？根據(jù)人的一般常識(shí)，36歲的那個(gè)人剛剛?cè)胫心辏鼘儆谥心耆思系某绦驊?yīng)該低于正值中年的43歲的那個(gè)人，而43歲的那個(gè)屬于中年人集合的程序應(yīng)該低于將要進(jìn)入老年的50歲的那個(gè)人[7]。類似上面的例子還很多，如青年、老年、高個(gè)子等。我們將外延（或邊界）不明確的集合稱為模糊集合。由于模糊集合往往是某個(gè)論域的子集，所以，在討論模糊集合時(shí)，常常稱它為模糊子集。3.1.2隸屬函數(shù)對(duì)于上述模糊概念，不能用普通集合中的屬于或不屬于來(lái)描述，即不能簡(jiǎn)單的用普通集合中的特征函數(shù)來(lái)描述，必須通過(guò)反映某個(gè)元素x屬于模糊集合A的程序的隸屬函數(shù)μA(x)來(lái)描述。其中μA(x)表示元素x屬于模糊集合A的隸屬度，它將普通集合中的特征函數(shù)的取值|0，1|，拓展到閉區(qū)間的[0，1]，即可用0到1之間的一個(gè)數(shù)來(lái)表達(dá)。例如以年齡作為論域，設(shè)E=[0，100]，Zadeh給出了模糊集合青年人的隸屬函數(shù)為0≤0≤x≤2525＜x≤100其中，x代表年齡，當(dāng)x分別為26、35、55時(shí)，通過(guò)上式計(jì)算可得到：μ青年人（26）=0.96，μ青年人（35）=0.2，μ青年人（55）=0.03。這說(shuō)明隨著x的增大，它隸屬于青年人模糊集合的程序越來(lái)越低，即它的隸屬度也越來(lái)越低。幾種常見(jiàn)的隸屬函數(shù)形式在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)滿足問(wèn)題需要及計(jì)算簡(jiǎn)便的原則，常用的隸屬函數(shù)有下列幾種：⑴正態(tài)型（如圖3.1）。μA(x)=，b＞0（3.1）⑵三角形（如圖3.2）。μA(x)=（3.2）圖3.2正態(tài)型隸屬函數(shù)圖3.3三角形隸屬函數(shù)⑶升半梯形（如圖3.3）。1x＞a20x≤a1μA1x＞a20x≤a1⑷降半梯形（如圖3.4）。圖3.3升半梯形隸屬函數(shù)0x＞a20x＞a21x≤a1μA(x)=1x≤a1除此之外，隸屬函數(shù)還有很多其他分布形式，如梯形分布、矩形、S形、單點(diǎn)形、柯西分布等[8]。3.1.3模糊推理所謂推理，就是從一個(gè)或多個(gè)已知的判斷（或前提）出發(fā)，推出另一個(gè)新的判斷（稱為結(jié)論）的思維形式。推理有直接推理、演繹推理、歸納推理、類比推理等形式。但是，用得最多的是演繹推理中的假言推理。例如：大前提：若P，則Q小前提：現(xiàn)P結(jié)論：Q例如：若小明是蘭州人，則他會(huì)講蘭州話，現(xiàn)在“小明是蘭州人”命題（或判斷）為真，則“他會(huì)講蘭州話”命題（或判斷）也為真。上邊所談到的命題都是確定性命題。當(dāng)推理所用到的命題（或判斷）具有模糊性，也就是在大前提和小前提中含有模糊命題時(shí)，這種推理就稱之為模糊推理，所得結(jié)論為一個(gè)新的模糊命題。例如：規(guī)則“若溫度偏低，則增加燃料量”，現(xiàn)在溫度稍低，所以稍微增加一些燃料。模糊推理的特點(diǎn)是一種近似推理，即小前提與大前提的條件可能不完全相符，但可根據(jù)小前提與大前提的條件相符的程序，推出有一定價(jià)值的結(jié)論。目前，模糊推是理有許多種方法，常用的有Mamdani法和Zadeh方法。下面，我們按模糊控制中所使用的模糊條件語(yǔ)句的種類來(lái)介紹模糊推理[9]。設(shè)A、B分別為論域X、Y上的兩個(gè)模糊集合，其對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)分別為μA(x)、μA(y)，又設(shè)R=A→B是X×Y上描述模糊條件語(yǔ)句“若xisA，則yisB”或“若P，則Q”的模糊關(guān)系，其中，P表示命題xisA，Q表示命題yisB。該模糊關(guān)系的隸屬隸屬函數(shù)由Zadeh定義為μA→B(x，y)=[μA(x)∧μB(y)]∨[1－μA(x)]（3.5）可用模糊向量的笛卡爾積表示模糊關(guān)系RB=(A×B)∪(AC×E)（3.6）其中，E是代表論域Y的全稱矩陣。模糊假言推理可看作為模糊關(guān)系的合成，其揄的邏輯結(jié)構(gòu)如下：大前提：若xisA，則yisB小前提：現(xiàn)xisA′結(jié)論：yisB′，且B′=A′。（A→B）上述推理方法稱作Zadeh推理法。若用Mamdani的極大極小推理法，則隸屬函數(shù)定義為μA→B(x，y)=μA(x)∧μB(y)（3.7）可用模糊向量的笛卡爾積表示模糊關(guān)系RR=A×B（3.8）雙輸入模糊推理設(shè)A、B分別為論域X上的2個(gè)模糊集合，C為論域Y上的模糊集合，其對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)分別為μA(x)、μB(y)、μA(z)，又設(shè)R=((AandB)→C)是X×Y上描述模糊條件語(yǔ)句“若xisA，且yisB，則zisC”的模糊關(guān)系，其隸屬函數(shù)由Mamdani定義為μR(x，y)=[μA(x)∧μB(y)]∧μC(z)（3.9）可用模糊向量的笛卡爾積表示模糊關(guān)系R（3.10）其中，為由模糊關(guān)系矩陣（A×B）n×m構(gòu)成的nm維行向量，n和m分別為模糊集合A、B的論域元素?cái)?shù)。根據(jù)已知的輸入模糊集合A′、B′及模糊關(guān)系R，可求得與A′、B′對(duì)應(yīng)的C′為C′=（3.11）其中，為由模糊關(guān)系矩陣n×m構(gòu)成的nm維行向量。例如已知論域X={x1，x2}、Y=|y1，y2，y3|和Z={z1，z2}。設(shè)有輸入模糊集合A=0.8/x1+0.5/x2、B=0.2/y1+0.5/y2+1/y3，輸出模糊集合C=0.3/z1+1/z2，試確定由規(guī)則“若xisA且yisB，則zisC”所確定的模糊關(guān)系，并計(jì)算當(dāng)輸入A′=0.6/x1+0.1/x2、B′=0.4/y1+0.2/y2+0/y3時(shí)輸出的C′。解：⑴求R：0.20.50.80.20.50.8[0.20.51]=0.20.50.80.20.50.80.20.20.30.50.30.80.20.20.20.20.30.50.30.80.20.20.30.50.30.5[0.31]=⑵求C′：0.40.200.10.10[0.40.20]=0.40.200.10.100.20.20.30.50.30.80.20.20.30.50.30.50.20.20.30.50.30.80.20.20.30.50.30.5[0.40.200.10.10]=[0.20.2]故：C′=0.2/z1+0.2/z23.2電壓無(wú)功模糊控制器設(shè)計(jì)3.2.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖要實(shí)現(xiàn)變電站電壓無(wú)功的模糊控制，可從變電站低壓側(cè)母線上實(shí)時(shí)采集電壓和從高壓側(cè)（或低壓側(cè)）母線上實(shí)時(shí)采集無(wú)功功率（或功率因數(shù)），或直接以它們作為模糊控制器的輸入變量，或以它們的偏差（相對(duì)于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值）作為模糊控制器的輸入變量（這是通常的做法），以作用于有載調(diào)壓變壓器分接頭和并聯(lián)電容器組投切的控制量作為模糊控制器的輸出變量，這是一個(gè)多變量模糊控制系統(tǒng)，如圖3.5，模糊控制器為雙輸入輸出一階結(jié)構(gòu)模型。圖3.5雙輸入雙輸出模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.2.2模糊器把精確變量變成模糊變量，實(shí)際上是找出該精確量隸屬于某個(gè)模糊子集的隸屬度函數(shù)值，即把精確變量映射成模糊變量。模糊子集即模糊語(yǔ)言變量的語(yǔ)言值，模糊子集的數(shù)量一般可取3、5、7、9等奇數(shù)值以獲得對(duì)零值（或正常值）的對(duì)稱性和平衡性，數(shù)量越多，控制越平滑，控制效果越好，但需要更多的計(jì)算時(shí)間且過(guò)多會(huì)導(dǎo)致控制規(guī)則復(fù)雜及控制不穩(wěn)定[10]。（1）輸入變量的模糊化=1\*GB3①直接采用電壓U和無(wú)功功率Q（或功率因數(shù)PF）作為輸入變量變電站低壓側(cè)母線電壓U和高壓側(cè)進(jìn)站無(wú)功是變電站VQC系統(tǒng)最直接的輸入信號(hào)，可直接采用它們作為FVQC的輸入變量，也可用進(jìn)站功率因數(shù)PF來(lái)代替Q，和Q相比，PF能直觀反映主變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀況，但不能直接反映Q的大小。對(duì)模糊語(yǔ)言變量U可定義其模糊詞集為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。此模糊詞集共有7個(gè)模糊子集，NB等符號(hào)又稱為模糊子集的標(biāo)號(hào)，輸入變量對(duì)模糊子集的隸屬度函數(shù)值即標(biāo)號(hào)的值，即為模糊輸入。各標(biāo)號(hào)的意義如下：NB（NegativeBig）——負(fù)大；NM（NegativeMedium）——負(fù)中；NS(NegativeSmall)——負(fù)??；Z（Zero）——正常；PS（PositiveSmall）——正??；PM（PositiveMedium）——正中；PB（PositiveBig）——正大。模糊語(yǔ)言值最終是通過(guò)隸屬度函數(shù)來(lái)描述的，隸屬度函數(shù)即語(yǔ)言值的語(yǔ)義規(guī)則。隸屬度函數(shù)的定義常用方法有正態(tài)分布法、梯形或三角形法、矩形法等。采用正態(tài)分布曲線（高斯型隸屬度函數(shù)）比較符合人的思維特點(diǎn)，并適合于自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)模糊控制的隸屬度函數(shù)的修正，但計(jì)算較麻煩。采用梯形或三角形隸屬度函數(shù)靈活性大，計(jì)算工作量較小，也適合隸屬度函數(shù)在線調(diào)整的自適應(yīng)模糊控制。=2\*GB3②采用電壓偏差和無(wú)功功率偏差作為輸入變量對(duì)電壓偏差和無(wú)功功率偏差可定義其模糊詞集均為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}或{NM，NS，Z，PS，PM}等。設(shè)模糊子集為2s+1,量化等級(jí)數(shù)為2t+1,考慮到模糊子集對(duì)論域有較好的覆蓋程度，通常取t=（2~3）s為宜。確定了基本論域和模糊論域后，可得量化因子為：（3.12）則量化后的偏差為：（3.13） 按式（3.13）的計(jì)算結(jié)果可取最接近的值為量化值（一般采用四舍五入法）。式（3.12）中，為最大無(wú)功偏差，是故障時(shí)母線允許的最大電壓偏差。值得注意的是偏差和這兩個(gè)變量的連續(xù)值和其模糊論域中的離散值并非一一對(duì)應(yīng)的，因?yàn)榱炕^(guò)程存在近似的情況。（2）輸出變量的模糊化 輸出變量（控制變量）為作用于有載調(diào)壓變壓器分接頭檔位調(diào)節(jié)的控制量tap和作用于并聯(lián)電容器組投切的控制量cap?？紤]到變壓器分接頭是一檔一檔調(diào)節(jié)及電容器是以組為單位進(jìn)行投切的，tap和cap的基本論域均取.1~+1?？啥x模糊輸出變量TAP、CAP的模糊詞集均為{N，Z，P}，其中N、Z、P分別表示下調(diào)1檔分接頭（切除1組電容器）、不動(dòng)作、上調(diào)1檔分接頭（投入1組電容器）。定義TAP、CAP的模糊論域均為.1~+1，則比例因子為1，按四舍五入法取實(shí)際輸出控制量。 也可按與輸入變量模糊化類似的方法對(duì)輸出變量進(jìn)行模糊化，TAP、CAP的模糊詞集也可設(shè)置為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}或{NM，NS，Z，PS，PM}等。設(shè)TAP、CAP的模糊量論域?yàn)?t~+t,OLTC分接頭檔位為.m~+m檔，tap基本論域取.m~+m，電容器共有n組，基本論域取.n~+n，則比例因子可按如下公式進(jìn)行計(jì)算：（3.14）3.2.3模糊推理 模糊控制器的核心是模糊推理，故模糊控制器又稱為模糊推理器，而模糊控制器設(shè)計(jì)的核心又是模糊控制規(guī)則，模糊IF.THEN規(guī)則（又稱模糊推理規(guī)則）的制定可根據(jù)專家及現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)獲得，也可根據(jù)數(shù)學(xué)模型判據(jù)獲得，如根據(jù)九區(qū)圖、十三區(qū)域圖或十七區(qū)域圖組織模糊IF.THEN規(guī)則，也可依據(jù)模糊無(wú)邊邊界的九區(qū)圖組織模糊IF.THEN規(guī)則[11]。 對(duì)于如圖3.5所示的雙輸入雙輸出電壓無(wú)功模糊控制器，其第k條模糊IF.THEN規(guī)則可描述為： IFEUisAandEQisBTHENTAPisCandCAPisD 其中：k=1,2,…，n(共有n條規(guī)則)，A、B、C、D是相應(yīng)模糊語(yǔ)言變量所取語(yǔ)言值。 由于模糊規(guī)則需要設(shè)計(jì)提取，規(guī)則表的組織建立也帶有設(shè)計(jì)者很濃厚的主觀經(jīng)驗(yàn)性，因此同隸屬函數(shù)曲線的選擇一樣，需要進(jìn)行大量的仿真調(diào)試和反復(fù)分析，以盡量減少人為因素的影響。另外，在組織模糊規(guī)則時(shí)，還需注意規(guī)則的完整性、相容性、干涉性和魯棒性等問(wèn)題。3.2.4解模糊器通過(guò)模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè)模糊集合,也可以說(shuō)是一個(gè)模糊量;但實(shí)際模糊控制系統(tǒng)需要一個(gè)精確值控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此,模糊控制器經(jīng)過(guò)推理后的模糊輸出量必須經(jīng)過(guò)反模糊化處理,才能控制被控對(duì)象。常用的反模糊化法有如下幾種：(1)重心法它取推理結(jié)論模糊集合隸屬函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)軸所圍成面積的中心作為代表點(diǎn)即(3.15)當(dāng)輸出變量的隸屬函數(shù)為離散單點(diǎn)集時(shí)，則為(3.16)(2)最大隸屬度法在推理結(jié)論的模糊集合中選取隸屬度最大的元素作為最終精確控制量，如果論域上多個(gè)元素同時(shí)出現(xiàn)最大隸屬度值，則取它們的平均值作為反模糊化結(jié)果。如果該模糊集合隸屬函數(shù)曲線是梯形,那么具有最大隸屬度的元素就可能不止一個(gè),這時(shí)就要對(duì)所有取最大隸屬度的元素求取平均值[12]。第4章MATLAB仿真軟件4.1Matlab簡(jiǎn)介MATLAB軟件是由美國(guó)MathWorks公司推出的用于數(shù)值計(jì)算和圖形處理的科學(xué)計(jì)算系統(tǒng)。MATLAB是英文MatrisLaboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫，被譽(yù)為“巨人肩上的工具”。由于使用MATLAB編程運(yùn)算與人進(jìn)行科學(xué)計(jì)算的思路和表達(dá)方式完全一致，所以不像學(xué)習(xí)其他高級(jí)語(yǔ)言，如Basic、Fortran和C等語(yǔ)言那樣難于掌握，用MATLAB編寫程序猶如在演算紙上排列出公式與求解問(wèn)題。在這個(gè)環(huán)境下，對(duì)所要求解的問(wèn)題，用戶只需簡(jiǎn)單地列出數(shù)學(xué)表達(dá)式，其結(jié)果便以數(shù)值或圖形方式顯示出來(lái)。最早開(kāi)發(fā)MATLAB軟件的目的就是幫助學(xué)校的老師和學(xué)生更好地授課和學(xué)習(xí)。從MATLAB誕生開(kāi)始，由于其高度的集成性和應(yīng)用的方便性，在高校中得到了廣泛的應(yīng)用與推廣。由于它能非?？斓貙?shí)現(xiàn)科研人員的設(shè)想，極大地節(jié)約了科研人員的時(shí)間，受到了大多數(shù)科研人員的青睞與重視。它可以很方便地設(shè)計(jì)出漂亮的界面，例如，它像VB等高級(jí)語(yǔ)言一樣，也可以設(shè)計(jì)出漂亮的用戶接口，同時(shí)因?yàn)樗€具有最豐富的函數(shù)庫(kù)（工具箱），極易實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能。另外MATLAB和其他高級(jí)語(yǔ)言也具有良好的接口，可以很方便地與其他語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)混合編程，這都進(jìn)一步拓寬了它的應(yīng)用范圍和使用領(lǐng)域[13]。在美國(guó)的一些大學(xué)里，MATLAB軟件正在成為對(duì)數(shù)值、線性代數(shù)以及其他一些高等應(yīng)用數(shù)學(xué)課程進(jìn)行輔助教學(xué)的有力工具；在工程技術(shù)界，MATLAB軟件也被用來(lái)構(gòu)建與分析一些實(shí)際課題的數(shù)學(xué)模型，其典型的應(yīng)用包括數(shù)值計(jì)算、算法預(yù)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，以及一些特殊矩陣的計(jì)算應(yīng)用，如自動(dòng)控制理論、統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識(shí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。它包括了被稱作工具箱（TOOLBOX）的各類應(yīng)用問(wèn)題的求解工具。工具箱實(shí)際上是對(duì)MATLAB軟件進(jìn)行擴(kuò)展應(yīng)用的一系列MATLAB函數(shù)（稱為M函數(shù)文件），它可用來(lái)求解許多學(xué)科門類的數(shù)據(jù)處理與分析問(wèn)題。4.2Simulink簡(jiǎn)介Simulink是MATLAB軟件的擴(kuò)展與特色體現(xiàn)，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，它與MATLAB語(yǔ)言的主要區(qū)別在于，它與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其優(yōu)點(diǎn)是使用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語(yǔ)言的編程上。所謂模型化圖形輸入是指Simulink提供了一些按功能分類的基本系統(tǒng)的功能模塊，用戶只需要知道這些功能模塊的輸入輸出及功能模塊的功能，而不必考察功能模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)和工作的，通過(guò)對(duì)這些基本功能模塊的調(diào)用，再將它們連接起來(lái)就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型（以后綴名為.mdl的文件進(jìn)行存?。?，從而完成系統(tǒng)仿真模型的分析與構(gòu)建。Simulink可以模擬線性與非線性系統(tǒng)，連續(xù)與非連續(xù)系統(tǒng)，或它們的混合系統(tǒng)，它是強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真工具。除此之外，它還提供了圖形動(dòng)畫處理方法，以方便用戶觀察系統(tǒng)仿真的整個(gè)過(guò)程。Simulink的重要特點(diǎn)是快速、準(zhǔn)確，對(duì)于比較復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，效果更為明顯。Simulink提供了一種函數(shù)規(guī)則—S函數(shù)。S函數(shù)可以是一個(gè)M文件、C語(yǔ)言程序或者其他高級(jí)語(yǔ)言程序。Simulink模型或者功能模塊可以通過(guò)一定的語(yǔ)法規(guī)則來(lái)調(diào)用S函數(shù)。正是由于有了S函數(shù)的引入，才使得Simulink更加充實(shí)，處理能力更加強(qiáng)大。Simulink的另外一個(gè)重要特點(diǎn)就是它的開(kāi)放性，它允許用戶定制自己的功能模塊和模塊庫(kù)。此外，Simulink為用戶提供了比較全面的幫助系統(tǒng)，以指導(dǎo)用戶如何使用這些功能模塊（庫(kù)）。Simulink的最新版本是Simulink4.0（包含在MATLAB6.0及其以上版本里），MATLAB5.3里Simulink的版本雖為3.0版，但是它們之間的差別并不是太大[14]。4.3MATLAB模糊邏輯工具箱可運(yùn)用MATLAB的FuzzyLogicToolBox（模糊邏輯工具箱）的GUI工具直接建立模糊推理系統(tǒng)（FIS—FuzzyInferenceSystem）。FuzzyLogicToolBox有5個(gè)主要GUI工具：FIS編輯器、隸屬度函數(shù)編輯器、模糊規(guī)則編輯器以及模糊規(guī)則觀察器、輸出曲面觀察器。這些GUI工具相互之間是動(dòng)態(tài)連接的，即只要任何一個(gè)GUI的參數(shù)被用戶修改，其他任何打開(kāi)的GUI中相應(yīng)的參數(shù)也都將自動(dòng)被改變[15]。第5章變電站電壓無(wú)功模糊控制仿真設(shè)計(jì)變電站電壓無(wú)功綜合控制是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合的復(fù)雜的非線性控制問(wèn)題，受到電壓、無(wú)功、時(shí)間、負(fù)荷率、負(fù)荷特性、開(kāi)關(guān)信息、有載調(diào)壓變壓器分接頭檔位和并聯(lián)電容器組投切開(kāi)關(guān)狀態(tài)等多因素的影響，其控制規(guī)律難以用精確的數(shù)學(xué)模型表述。從第2章的有關(guān)分析可知，采用基于傳統(tǒng)九區(qū)圖的控制策略和方法，存在著某些區(qū)對(duì)控制的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生振蕩動(dòng)作的現(xiàn)象以及其他一些缺陷。模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型，模糊控制器可以看作是一種模仿人的經(jīng)驗(yàn)而不依賴于模型的估計(jì)器，它主要依賴于模糊控制規(guī)則和模糊變量的隸屬度函數(shù)，而無(wú)須知道輸入輸出之間的數(shù)學(xué)依存關(guān)系，因此模糊控制理論適合于研究變電站VQC問(wèn)題。5.1變電站主接線圖和參數(shù)本文仿真研究的實(shí)例的主接線圖如圖5.1所示。圖5.1變電站接線圖系統(tǒng)：假設(shè)為理想的無(wú)窮大系統(tǒng)，內(nèi)阻抗為0。進(jìn)線：LGJ—185/30，100km，r1=0.17Ω/km，x1=0.41Ω/km。變壓器：OLTC（雙繞組），SFZQ7—31500/110，115±8×1.25%kV/10.5kV，△Pk=148kW，Uk(%)=10.5。電容器組：10.5kV，共4組，每組2400kvar。負(fù)荷：如表5.1所示（含25個(gè)時(shí)段負(fù)荷數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)進(jìn)線電壓，24:00的數(shù)據(jù)作為參考）。表5.1變電站負(fù)荷及進(jìn)線電壓時(shí)間(時(shí):分)P（MW）Q（Mvar）UO(kV)時(shí)間(時(shí):分)P（MW）Q（Mvar）UO(kV)0:009.234.45123.23130011.35.93116.861:0010.85.11123.0814:0010.765.75115.052:009.314.47124.0515:0013.137.53113.633:009.985.1124.1316:0014.999.13113.254:0010.595.55123.2117:0015.419.99113.185:0010.345.21122.718:0015.299.36113.946:0011.046.22121.2819:0012.486.53112.87:0010.925.65120.2320:0012.715.86112.738:0013.188.11117.6821:0012.566.33114.39:0015.610.24113.3322:0012.236.17117.0610:0014.419.38111.2223:0011.485.75120.3411:0013.638.37111.5224:0010.415.07120.7912:0011.517.11115.95變電站低壓側(cè)10kV母線電壓上下限值分別為10.7kV和10kV。變壓器分接頭檔位和電容器組初始狀態(tài)（0：00時(shí)）：分接頭檔位為+3檔，電容器投入1組。5.2構(gòu)建變電站電壓無(wú)功控制仿真模型在MATLAB中選擇相應(yīng)模塊，然后連接起來(lái)。建立圖5.2所示變電站的Simulink仿真模型，如圖5.2所示。各模塊有關(guān)說(shuō)明如下：①系統(tǒng)系統(tǒng)采用三相交流電源模塊，為獲得各時(shí)段相應(yīng)的進(jìn)線電壓，應(yīng)使電網(wǎng)的內(nèi)阻抗為無(wú)窮小，其參數(shù)設(shè)置如圖5.3所示，其中R=0Ω，L=le－9H，A相參考角為0°。②進(jìn)線進(jìn)線線路采用三相串聯(lián)RLC支路模塊，參數(shù)設(shè)置如圖5.4所示。(a)(b)圖5.2實(shí)例變電站電壓無(wú)功模糊控制仿真模型圖(a)變電站Simulink仿真模型圖；(b)電壓無(wú)功測(cè)量及模糊控制器子系統(tǒng)模型圖③變壓器雙繞組變壓器模塊參數(shù)設(shè)置如圖5.5所示，其中一次、二次繞組的電阻和電感參數(shù)計(jì)算公式為：（5.1）（5.2）圖5.3系統(tǒng)模塊參數(shù)設(shè)置示意圖圖5.4線路模塊參數(shù)設(shè)置示意圖式中：STN為變壓器額定容量，kVA；△Pk為短路功率，kW；Uk（%）為短路電壓百分?jǐn)?shù)，pu表示標(biāo)幺值。變壓器激磁電阻和電感均取默認(rèn)值500pu。④負(fù)荷變電站負(fù)荷采用三相并聯(lián)RLC負(fù)荷模塊，參數(shù)設(shè)置如圖5.6所示。由于電力系統(tǒng)負(fù)荷為感性無(wú)功，因此令QC=0。采用三相并聯(lián)RLC負(fù)荷模塊模擬的負(fù)荷為恒定阻抗模型。圖5.5變壓器模塊參數(shù)設(shè)置示意圖⑤電容器組并聯(lián)電容器組也采用三相并聯(lián)RLC負(fù)荷模塊，參數(shù)設(shè)置如圖5.7所示，需令P=0，QL=0。⑥母線母線采用三相電壓電流測(cè)量模塊。其電壓測(cè)量選項(xiàng)可選擇線電壓（phase.to.phase）、相電壓（phase.to.ground）。如圖5.8所示，母線Bus1電壓測(cè)量選擇為相電壓，輸出信號(hào)選擇為復(fù)數(shù)（Complex）；母線Bus2電壓測(cè)量選擇為線電壓，輸出信號(hào)選擇為幅值（magnitude）。圖5.6負(fù)荷模塊參數(shù)設(shè)置示意圖圖5.7電容器組模塊參數(shù)設(shè)置示意圖(a)(b)圖5.8母線參數(shù)設(shè)置示意圖(a)母線Bus1；(b)母線Bus2⑦潮流計(jì)算Powergui模塊可實(shí)現(xiàn)潮流計(jì)算功能。雙擊該模塊后會(huì)彈出一個(gè)分析工具欄，如圖5.9所示：點(diǎn)擊“steady.stateVoltagesandCurrents”按鈕即可打開(kāi)穩(wěn)態(tài)電壓電流計(jì)算工具，由該工具提供穩(wěn)態(tài)電壓電流值，如圖5.10所示。對(duì)于母線Bus1，由于電壓測(cè)量值是相電壓[如圖5.8(a)中的設(shè)置]，因此有功、無(wú)功功率計(jì)算公式為：（5.3）（5.4）對(duì)于母線Bus2，由于電壓測(cè)量值是線電壓[如圖5.8(b)中的設(shè)置]，因此有功、無(wú)功功率計(jì)算公式為：（5.5）（5.6）⑧功率測(cè)量顯然按照式（5.3）~式（5.6）計(jì)算功率是非常不便的，可采用相量測(cè)量和時(shí)域仿真的方法獲得功率值。在變電站仿真模型中可設(shè)置PQ功率測(cè)量模塊直接測(cè)量母線Bus1的有功和無(wú)功功率，如圖5.8(a)所示。為保證功率的正常測(cè)量，母線Bus1模塊設(shè)置時(shí)需將輸出信號(hào)設(shè)置為Complex（復(fù)數(shù)），如圖5.8(a)所示。為提高時(shí)域仿真速度，Powergui時(shí)仿真類型選擇phasorsimulation，如圖5.9所示，即采用只計(jì)幅值和角度的相量測(cè)量法，頻率設(shè)置為50Hz。PQ模塊也應(yīng)采用Phasor型。Display（數(shù)據(jù)顯示）模塊采樣時(shí)間設(shè)置為0.02s，設(shè)置動(dòng)態(tài)仿真時(shí)間為0~0.02s，點(diǎn)擊時(shí)域仿真按鈕進(jìn)行0.02s的動(dòng)態(tài)仿真后，如圖5.8(b)所示，可從Display模塊直接讀出有功、無(wú)功功率數(shù)據(jù)。圖5.9Powergui工具欄示意圖圖5.10Powergui穩(wěn)態(tài)電壓電流計(jì)算工具示意圖⑨模糊控制器在Simulink中可采用FuzzyLogicController（模糊邏輯控制器）模塊，需要事先將FIS文件另存到MATLAB的Workspace，然后雙擊FuzzyLogicController模塊，彈出如圖5.11的對(duì)話框，輸入另存到Workspace的FIS的名稱即可。時(shí)域仿真后模糊控制器的清晰輸出值可直接從Display模塊讀取。圖5.11模糊邏輯控制器參數(shù)設(shè)置示意圖需注意的是，運(yùn)用圖5.2所示的仿真模型對(duì)變電站進(jìn)行電壓無(wú)功控制仿真是一個(gè)開(kāi)環(huán)的結(jié)構(gòu)，變壓器分接頭檔位和電容器組數(shù)的改變以及每個(gè)負(fù)荷時(shí)段負(fù)荷功率和進(jìn)線電壓的設(shè)置，都需要研究者通過(guò)手工方式改變變壓器、電容器、負(fù)荷、系統(tǒng)等模塊中的相應(yīng)參數(shù)才可實(shí)現(xiàn)。5.3模糊控制器的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的電壓無(wú)功模糊控制器直接以變壓器低壓側(cè)母線電壓和高壓側(cè)無(wú)功功率作為輸入變量，以變壓器分接頭控制量和電容器組投切控制量為輸出變量，模糊控制器是一個(gè)雙輸入雙輸出一階結(jié)構(gòu)模型。輸入變量和輸出變量的模糊化情況，如表5.2所示。表5.2模糊化表I/O量論域模糊語(yǔ)言變量的模糊詞集比例因子U[-1.85,+1.15](kV){N,NZ,Z,PZ,P}Q[-3Qco,+3Qco](kvar){N,NZ,Z,PZ,P}tap-1~+1TAP-1~+1{N,Z,P}1cap-1~+1CAP-1~+1{N,Z,P}1輸入變量模糊子集的劃分，如圖5.12所示，△Uqmax和△Qqmax分別為投切1組電容器所引起的電壓和無(wú)功功率最大變化量。輸入變量U和Q的語(yǔ)言值N表示負(fù)、NZ表示負(fù)0、Z表示0、PZ表示正0、P表示正。輸出變量（控制量）TAP、CAP的語(yǔ)言值N表示下調(diào)檔位或切電容，Z表示不動(dòng)作，P表示上調(diào)檔位或投電容。輸入變量U、Q的隸屬度函數(shù)曲線采用三角形和梯形隸屬度函數(shù)，如圖5.12所示，取△Uqmax=0.2kV和△Qqmax=3Mvar。輸出變量TAP、CAP隸屬度函數(shù)的確定參照?qǐng)D5.13（采用高斯型隸屬度函數(shù)）。圖5.12輸入變量模糊子集的劃分圖5.13輸入變量隸屬度函數(shù)的確定示意圖U隸屬度函數(shù)的確定；（b）Q隸屬度函數(shù)的確定圖5.12將電壓無(wú)功平面劃分成5×5=25個(gè)區(qū)域，因此可組織提取25條模糊IF.THEN規(guī)則。表3.3為依據(jù)圖5.12組織提取的模糊規(guī)則，表中，分子/分母表示TAP/CAP，標(biāo)*者表示為控制的主措施。在組織模糊IF.THEN規(guī)則時(shí)，用到了調(diào)檔和投切電容對(duì)變電站電壓無(wú)功的基本控制規(guī)律，即：上調(diào)（檔位），電壓降低（升高），無(wú)功功率變化不大；投入（切除）電容，無(wú)功功率減小（增大），電壓升高（或降低）。表5.3模糊IF.THEN規(guī)則表QUNNZZPZPPP/N*P/N*P/ZP/ZP/ZPZZ/NZ/NZ/ZZ/ZZ/ZZZ/NZ/ZZ/ZZ/ZZ/PNZZ/NZ/ZZ/ZZ/PZ/PNN/ZN/ZN/ZN/P*N/P*運(yùn)用MATLAB模糊邏輯工具箱建立所設(shè)計(jì)電壓無(wú)功模糊控制器的Mamdani型FIS文件，模糊推理采用最小推理機(jī)，解模糊采用重心法，圖5.14為輸入/輸出變量的隸屬度函數(shù)曲線，各變量隸屬度函數(shù)曲線參數(shù)如下。圖5.14輸入/輸出變量的隸屬度函數(shù)曲線(a)U隸屬度函數(shù)曲線；(b)Q隸屬度函數(shù)曲線；(c)TAP（CAP）隸屬度函數(shù)輸入變量U：N：[88.51010.1]NZ：[1010.110.2]Z：[10.110.3510.6]PZ：[10.510.610.7]P：[10.610.711.510.2]輸入變量Q：N：[9.67.20.20.3]NZ：[0.20.30.8]Z：[0.30.82.83.3]PZ：[2.83.33.8]P：[3.33.87.29.6]輸出控制變量TAP（CAP）：N：[0.3398-1]Z：[0.33980]P：[0.33981]現(xiàn)對(duì)運(yùn)用GUI工具建立FIS的主要步驟進(jìn)行介紹。（1）FIS編輯器①首先在MATLAB的CommandWindow(命令窗口)提示符＞＞下鍵人：fuzzy，打開(kāi)FIS編輯器（默認(rèn)為Mamdani型模糊推理系統(tǒng)），此時(shí)文件名為untitled。FIS編輯器左下方推理方法下拉菜單中，Andmethod(與方法)默認(rèn)為“min”，Ormethod(或方法)默認(rèn)為“max”，Implication（蘊(yùn)涵算子）默認(rèn)為“min”，Aggregation（集結(jié)）默認(rèn)為“max”，Defuzzification(反模糊化)默認(rèn)為“cemtroid”（重心法），若全部采用默認(rèn)值，則選用的推理機(jī)為最小推理機(jī)。②選擇FIS編輯器菜單Edit——AddVariable…——Input，可增加一個(gè)輸入變量，選擇Edit——AddVariable…——Output，可增加一個(gè)輸出變量，形成一個(gè)雙輸入雙輸出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖5.15所示。圖5.15FIS編輯器③單擊inputl輸入框（其邊框變紅），將FIS編輯器右下方Name文本框中的“inputl”改為模糊輸入變量名（如U）。同樣，可對(duì)input2、outputl和output2分別命名。④選擇菜單File——Export——ToDisk…，彈出一個(gè)保存位置對(duì)話框，輸入文件名（如“FVQC”），選擇要保存的路徑（如保存在MATLAB/work下），點(diǎn)擊保存按鈕即可。該文件以*.fis的格式保存?；蛘唿c(diǎn)擊FIS編輯器的關(guān)閉按鈕，或點(diǎn)擊FIS編輯器右下方的Close按鈕，或選擇FIS編輯器菜單File——Close，彈出一個(gè)保存確認(rèn)對(duì)話框，點(diǎn)擊Yes，出現(xiàn)保存位置對(duì)話框，輸入文件名，選擇要保存的路徑位置，確認(rèn)后即可。⑤再次打開(kāi)FVQC.fis時(shí)，只需在CommandWindow提示符＞＞下鍵人：fuzzyFIS文件名（保存在MATLAB/work下），找到FVQC.fis。值得注意的是MATLAB命令對(duì)FIS文件名字母是否大小寫并不加以區(qū)分。（2）隸屬度函數(shù)編輯器①在FIS編輯器中雙擊某個(gè)變量（如U）輸入框，打開(kāi)隸屬度函數(shù)編輯器，如圖5.16所示；或選擇FIS編輯器菜單Edit——MembershipFunctions...，打開(kāi)隸屬度函數(shù)編輯器。圖5.16隸屬度函數(shù)的設(shè)置②單擊選中隸屬度函數(shù)編輯器左上方變量區(qū)中的某個(gè)變量（邊框變成紅色），先清除繪圖區(qū)中的mf1、mf2、mf3這3個(gè)默認(rèn)的隸屬度函數(shù)曲線（用鼠標(biāo)單擊選中變成紅色，再按Delete鍵）；再選擇隸屬度函數(shù)編輯器菜單Edit——AddMFs…，則彈出加入隸屬度函數(shù)對(duì)話框，可分別定義該輸入變量的隸屬度函數(shù)類型（MFtype）和數(shù)量（NumberofMFs），其中trimf表示三角形隸屬度函數(shù)，trapmf表示梯形隸屬度函數(shù)，gaussmf表示高斯型隸屬度函數(shù)。③在隸屬度函數(shù)編輯器左下方Range（當(dāng)前變量范圍）文本框中可輸入模糊論域范圍。在繪圖區(qū)中，單擊選擇mf1曲線（變成紅色），再將隸屬度函數(shù)編輯器右下方Name文本框中的“mf1”改為“NB”或其他符號(hào)，Type下拉菜單為隸屬度函數(shù)類型，在Params（參數(shù)）文本框中可輸入隸屬度函數(shù)的參數(shù)。參數(shù)格式為：trimf——[abc]，trapmf——[abcd]，gaussmf——[σc]。（3）規(guī)則編輯器①在FIS編輯器中雙擊中間的模糊規(guī)則圖標(biāo)，打開(kāi)規(guī)則編輯器，如圖5.17所示；或選擇FIS編輯器菜單Edit——Rules…，打開(kāi)規(guī)則編輯器；或在CommandWindow提示符＞＞下健人：ruleeditFIS文件名，打開(kāi)規(guī)則編輯器。圖5.17模糊規(guī)則編輯器②規(guī)則編輯器左下方Connection（連接關(guān)系）選項(xiàng)有or和and兩個(gè)選項(xiàng)，選擇and。Weight文本框可對(duì)每條規(guī)則進(jìn)行權(quán)重設(shè)置，默認(rèn)值為1。在輸入/輸出變量選擇框中按照事先建立的模糊IF.THEN規(guī)則依次設(shè)置各條規(guī)則（順序不受限制）并點(diǎn)擊Addrule即可添加到規(guī)則庫(kù)（可視化區(qū)域）中。若某條規(guī)則設(shè)置錯(cuò)誤，可在規(guī)則庫(kù)中先選中該條規(guī)則，然后點(diǎn)擊Changerule或Deleterule重新設(shè)置即可。對(duì)所組織的模糊IF.THEN規(guī)則進(jìn)行分析：⑴在U=P，Q∈{N，NZ}區(qū)域，電壓越上限，無(wú)功功率越下限或雖合格但偏下限。由于切電容不會(huì)導(dǎo)致無(wú)功功率越上限，因此控制以切電容為主，升檔降壓為輔。⑵在U=P，Q∈{Z，PZ}區(qū)域，電壓越上限，無(wú)功功率合格或雖合格但偏上限。由于切電容會(huì)使無(wú)功功率增大，極可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)功功率越上限，因此控制宜采用升檔降壓的措施。在U=P，Q=P區(qū)域，電壓越上限，無(wú)功功率也越上限，切電容會(huì)導(dǎo)致無(wú)功功率更為惡心，因此也宜采用升檔降壓的措施。⑶在U=PZ，Q∈{N，NZ}區(qū)域，電壓合格但偏上限，無(wú)功功率越下限或雖合格但偏下限。這種情況可能是由于夜間負(fù)荷較輕而引起，因此采用切電容的控制措施，可使電壓降低（符合逆調(diào)壓原則）、無(wú)功功率增大但不會(huì)越上限，運(yùn)行點(diǎn)可進(jìn)入或接近更為理想的運(yùn)行區(qū)域。⑷在U=PZ，Q∈{Z，PZ}區(qū)域，電壓合格（偏上限），無(wú)功功率合格（包括偏上限），分接頭和電容器組均可不動(dòng)作。在U=PZ，Q=P區(qū)域，電壓合格但偏上限，無(wú)功功率越上限。由于投電容可能會(huì)導(dǎo)致電壓越上限，從而造成振蕩動(dòng)作的現(xiàn)象，因此分接頭和電容器組均不動(dòng)作。⑸在U=Z，Q=N區(qū)域，電壓合格，無(wú)功功率越下限，宜采用切電容的控制措施。在U=Z，Q∈{NZ，Z，PZ}區(qū)域，電壓合格，無(wú)功功率合格，因此分接頭和電容器組均不動(dòng)作。在U=Z，Q=P區(qū)域，電壓合格，無(wú)功功率越上限，宜采用投電容的控制措施。⑹在U=NZ，Q=N區(qū)域，電壓合格但偏下限，無(wú)功功率越下限。由于切電容可能會(huì)導(dǎo)致電壓越下限，從而造成振蕩動(dòng)作的現(xiàn)象，因此分接頭和電容器組均不動(dòng)作。在U=NZ，Q∈{NZ，Z}區(qū)域，電壓合格（偏下限），無(wú)功功率合格（包括偏下限），分接頭和電容器組均可不動(dòng)作。⑺在U=NZ，Q∈{PZ，P}區(qū)域，電壓合格但偏下限，無(wú)功功率雖合格但偏上限或越上限。這種情況可能是由于負(fù)荷較重引起，因此采用投電容的控制措施，可使電壓升高（符合逆調(diào)原則）、無(wú)功功率減小但不會(huì)越下限，運(yùn)行點(diǎn)可進(jìn)入或接近更為理想的運(yùn)行區(qū)域。⑻在U=N，Q=N區(qū)域，電壓越下限，無(wú)功功率也越下限，投電容會(huì)導(dǎo)致無(wú)功功率更為惡化，因此宜采用降檔升壓的措施。在U=N，Q∈{N，NZ}區(qū)域，電壓越下限，無(wú)功功率合作或雖合格但偏下限。由于投電容會(huì)使無(wú)功功率減小，極可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)功功率越下限，因此控制也宜采用升檔降壓的措施。⑼在U=N，Q∈{PZ，P}區(qū)域，電壓越下限，無(wú)功功率雖合格但偏上限或越上限。由于投電容不會(huì)導(dǎo)致無(wú)功功率越下限，因此控制以投電容為主，降檔升壓為輔。通過(guò)模糊邏輯工具箱的規(guī)則觀察器（RuleViewer），設(shè)置一定的輸入量（在RuleViewer的“Input”項(xiàng)手工輸入電壓和無(wú)功值），確定后即可獲得相應(yīng)的輸出量（解模糊后的清晰值），將輸出的清晰值經(jīng)過(guò)取整處理后，便可得到實(shí)際輸出控制量，從而可獲得模糊控制查詢表（響應(yīng)表）。5.4仿真結(jié)果及分析上節(jié)構(gòu)建了變電站電壓無(wú)功模糊控制仿真模型，設(shè)計(jì)了變電站電壓無(wú)功模糊控制器，可以進(jìn)行仿真研究了，具體方法是由表取時(shí)段0:00負(fù)荷組的電壓與無(wú)功功率，修改