尚 春 林 永 張正祥 龔天森 胡 蓉

（1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司，廣東 廣州 516202；

2.榮信電力電子股份有限公司，鞍山 114051）

1 引言

現(xiàn)有技術(shù)中的自動控制設(shè)備特別是電網(wǎng)中用于一次回路的電力設(shè)備，參考電壓值需由用戶人工給定輸入到控制系統(tǒng)中，在運行過程中不能由設(shè)備的控制系統(tǒng)本身跟隨外界條件變化進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。這一缺點在電網(wǎng)高壓系統(tǒng)中表現(xiàn)得尤為明顯，由于設(shè)備缺少自身自動調(diào)整電壓參考值的功能，而電力系統(tǒng)運行狀態(tài)時刻發(fā)生改變，需要系統(tǒng)調(diào)度員頻繁計算和下令現(xiàn)場操作員人工修訂設(shè)備的電壓參考值，這種做法既不能得到實時的電壓參考值，影響了設(shè)備的運行效果，又需要人工手動向設(shè)備控制系統(tǒng)裝入修訂的電壓參考值，降低了設(shè)備運行的可靠性和安全性。這種現(xiàn)象在高壓電網(wǎng)的SVC系統(tǒng)中更為突岀，需要找到有方法予以解決。

2 滑動平均法的原理

自適應(yīng)調(diào)整控制參考電壓的核心控制算法就是利用滑動平均的方法來消除被控電壓的毛刺，是SVC得到被控電壓的整體變化趨勢，以便于實時調(diào)整參考電壓，從而實現(xiàn)SVC對于被控電壓瞬時波動的控制。下面簡述滑動平均法的原理。

動態(tài)測試數(shù)據(jù)y(t)由確定性成分f(t)和隨機性成分x(t)組成，且前者為所需的測量結(jié)果或有效信息，后者即隨機起伏的測試誤差或噪聲，即x(t)=e(t)，經(jīng)離散化采樣后，可相應(yīng)的將動態(tài)測試數(shù)據(jù)寫成

為了更精確的表示測量結(jié)果，抑制隨機誤差{ej}的影響，常對動態(tài)測試數(shù)據(jù){yj}做平滑和濾波出力。具體的說，就是對非平穩(wěn)的數(shù)據(jù){yj}，在適當(dāng)?shù)男^(qū)間上視為接近平穩(wěn)的，而作某種局部平均，以減小{ej}所造成的隨機起伏。這樣沿全長N的數(shù)據(jù)逐一小區(qū)間上進(jìn)行不斷的局部平均，即可得出較平滑的測試結(jié)果{fj} ，而濾掉頻繁起伏的隨機誤差。

例如，對于N個非平穩(wěn)數(shù)據(jù){yj}，視之為每m個相鄰數(shù)據(jù)的小區(qū)間內(nèi)是接近平穩(wěn)的，即其均值接近于常量，于是可取每m個相鄰數(shù)據(jù)的平均值，來表示該m個數(shù)據(jù)中任一個的取值，并使其為抑制了隨機誤差的測量結(jié)果或消除了噪聲的信號。通常多用該均值來表示其中點數(shù)據(jù)或端點數(shù)據(jù)的測量結(jié)果或信號。例如取m等于5，并用均值代替這5個點最中間的一個就有下式：

上述動態(tài)測試數(shù)據(jù)的平滑與濾波方法就稱之為滑動平均。通過滑動平均后，可濾掉數(shù)據(jù)中頻繁隨即起伏，顯示出平滑的變化趨勢，同時還可得出隨機誤差的變化過程，從而可以估計出其統(tǒng)計特征量。

2.1 系統(tǒng)組成

為實現(xiàn)上述目的，通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。

技術(shù)方案見圖1。電壓傳感器PT采集母線電壓，通過變換器將大范圍的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)樾》秶妷盒盘?，再?jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，采樣值經(jīng)計算單元處理后，得到實時的電壓參考值，該電壓參考值輸入控制器，用于SVC等具有自動控制功能的電力設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

利用上述滑動平均法的原理得出本控制算法，該方法的核心思想是:

（1）采樣部分讀取到的電壓有效值與電網(wǎng)電壓的有效值相等。

（2）采樣部分讀取到的電壓有效值在進(jìn)一步處理前經(jīng)過篩選，超過電網(wǎng)電壓正常運行值的數(shù)據(jù)判定為無效數(shù)據(jù)丟棄不進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

（3）將多個采樣值進(jìn)行平均得到某個時段內(nèi)電壓統(tǒng)計值用于下一步的處理。

（4）采樣部分按照一定的間隔持續(xù)讀取電網(wǎng)電壓有效值，每讀取到一個新的電壓值則參與電壓統(tǒng)計值的計算。

（5）最近的一系列電壓統(tǒng)計值有效數(shù)據(jù)依據(jù)“先進(jìn)先出”（FIFO）的原則進(jìn)入一定長度的數(shù)據(jù)寄存器或緩沖區(qū)，同時如果寄存器或者緩沖區(qū)溢出，則丟棄最古老的數(shù)據(jù)。

（6）寄存器或緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)每更新一次，寄存器或緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次加權(quán)平均，最近的數(shù)據(jù)的加權(quán)系數(shù)應(yīng)大等于較古老的數(shù)據(jù)的加權(quán)系數(shù)，即實現(xiàn)了滑動加權(quán)平均。

（7）每計算出一次加權(quán)平均得到的值后，將這個值送入控制系統(tǒng)的參考電壓環(huán)節(jié)作為參考電壓值并即時生效，控制系統(tǒng)根據(jù)這個新的參考電壓相應(yīng)調(diào)整控制器輸出指令。

2.2 計算單元

一種自適應(yīng)調(diào)整控制參考電壓值的方法，通過對電網(wǎng)母線電壓采樣，進(jìn)行丟棄無效數(shù)據(jù)處理后，獲得母線電壓有效值，將有效值輸入計算單元，通過時間滑動平均計算方法，得到實時的電壓參考值，具體步驟如下：

（1）對母線電壓進(jìn)行采樣，按照一定的間隔持續(xù)讀取電網(wǎng)電壓有效值，獲得多個母線電壓采樣值；

其計算單元流程見圖2。

圖2 計算流程圖

計算流程圖中

（2）采樣讀取到的電壓有效值進(jìn)行篩選處理，其中超過電網(wǎng)電壓正常運行值的數(shù)據(jù)判定為無效數(shù)據(jù)丟棄不進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

（3）將篩選處理后保留的多個采樣值進(jìn)行平均得到某個時段內(nèi)的電壓統(tǒng)計值用于下一步的處理。

（4）最近的一系列電壓統(tǒng)計值有效數(shù)據(jù)依據(jù)“先進(jìn)先出”（Fist In First Out，F(xiàn)IFO）原則進(jìn)入一定長度的數(shù)據(jù)寄存器或緩沖區(qū)，如果寄存器或者緩沖區(qū)溢出，則丟棄最古老的數(shù)據(jù)。

（5）寄存器或緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)每更新一次，寄存器或緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次加權(quán)平均，最近的數(shù)據(jù)的加權(quán)系數(shù)應(yīng)大于等于較古老的數(shù)據(jù)的加權(quán)系數(shù)，即實現(xiàn)了滑動加權(quán)平均。

（6）每計算出一次加權(quán)平均得到的值后，將這個值送入控制系統(tǒng)的參考電壓環(huán)節(jié)作為參考電壓值并即時生效，控制系統(tǒng)根據(jù)這個新的參考電壓相應(yīng)調(diào)整控制器輸出指令。

2.3 自動控制系統(tǒng)參考電壓的裝入

自動控制系統(tǒng)的參考電壓裝入示意圖見圖3。

圖3 自動控制系統(tǒng)的參考電壓裝入示意圖

該方法可得到實時調(diào)整的參考電壓Uref，與反饋的母線電壓測量值Umeas經(jīng)過信號加減環(huán)節(jié)后得到控制偏差量，經(jīng)PID控制后，相應(yīng)調(diào)節(jié)輸出。

采樣部分為控制系統(tǒng)的電壓采樣電路，如果反饋環(huán)節(jié)有電壓采樣電路，可以利用控制系統(tǒng)反饋環(huán)節(jié)的電壓采樣電路?？刂葡到y(tǒng)為帶有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。寄存器或緩沖區(qū)可以由硬件寄存器或者內(nèi)存中的緩沖區(qū)來實現(xiàn)。電壓統(tǒng)計值計算的時間間隔大小可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整?；瑒蛹訖?quán)平均指的多個時間上相鄰的電壓統(tǒng)計值的滑動平均。控制系統(tǒng)的參考電壓環(huán)節(jié)指的是控制器的電壓參考值輸入端或者可間接轉(zhuǎn)換到電壓值的參考值輸入端。

2.4 實驗效果

目前該算法已經(jīng)在南方電網(wǎng)云廣直流輸電楚雄換流站SVC中投入使用，并且達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。楚雄換流站的 500kV母線電壓長期穩(wěn)定在520～550kV范圍內(nèi)，算法中將此范圍以外的采樣點視為無效數(shù)據(jù)丟棄，不利于求取參考電壓修正值。對500kV線母線電壓有效值進(jìn)行采樣，采樣間隔為1s，采樣1分鐘的數(shù)據(jù)，然后求取平均值。按上述方法依次求取5min的數(shù)據(jù)，然后對5個電壓平均值進(jìn)行計算，并將其設(shè)定為新設(shè)定值。延遲1min后，將電壓參考值平滑變化到新設(shè)定值。此過程為積分方式，積分時間為1min。依照此方法，系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)電壓變化的趨勢自適應(yīng)的調(diào)整系統(tǒng)的參考電壓。具體的調(diào)整過程參見圖 4，圖紙藍(lán)色曲線為參考電壓調(diào)整的曲線，中間波動范圍較大的粗線部分為實際的500kV母線電壓值。結(jié)果表明參考電壓由人為設(shè)定的550kV自適應(yīng)的調(diào)整為當(dāng)前500kV電壓的平均值附近。

圖4 參考電壓自適應(yīng)調(diào)整曲線

3 系統(tǒng)優(yōu)點

（1）實現(xiàn)了自動控制設(shè)備的電壓參考值根據(jù)外界變化自適應(yīng)調(diào)整，能夠自動跟蹤電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)電壓的變化。

（2）可以通過修改軟件來實現(xiàn)，不需要增加額外的硬件。

（3）代替了人工頻繁給定控制系統(tǒng)電壓參考值，能夠隨著系統(tǒng)變化自動調(diào)整控制系統(tǒng)的電壓參考值，從而調(diào)整控制器輸出，代替了人工操作。

（4）避免了人工操作過程中可能的失誤，提高了設(shè)備運行可靠性。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)已經(jīng)在南方電網(wǎng)云廣直流輸電楚雄換流站 SVC使用。通過采用本系統(tǒng)，楚雄換流站SVC能夠隨電力系統(tǒng)運行狀況變化自動調(diào)整其參考電壓值，免除了由系統(tǒng)調(diào)度員頻繁計算和下令調(diào)整參考電壓值，大大提高了SVC控制系統(tǒng)的自動化程度和可靠性，并增加了一定程度的適應(yīng)變化系統(tǒng)的靈活性。該系統(tǒng)具有應(yīng)用和推廣價值。