常洪亮， 喬子洹, 廖文鍇， 國艷波

(中國南方電網(wǎng)深圳市供電局有限公司， 廣東 深圳 518048)

0 引言

在配電站電壓實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)智能化的發(fā)展趨勢下，使得配電站附件耗電量所占比例大大增加，因此，需要了解配電站電壓使用情況，保證配電站實(shí)時(shí)供電，實(shí)現(xiàn)配電站的安全與穩(wěn)定運(yùn)行[1-3]。傳統(tǒng)配電站電壓實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)功能單一，實(shí)用性較差，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，用戶對配電站的需求也在不斷提高，傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)不能完全滿足用戶需求[4]，因此，相關(guān)研究人員對該問題進(jìn)行了研究，并取得了一定的研究成果。

文獻(xiàn)[5]提出一種含光伏電站和蓄電池儲能系統(tǒng)的主動配電系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法，構(gòu)建光伏五參數(shù)模型，通過該模型推導(dǎo)光伏系統(tǒng)的量測函數(shù)，并對主動配電系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，同時(shí)剔除不良數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控，但是監(jiān)控用時(shí)較長，效率不高。文獻(xiàn)[6]提出變電站指針式儀表檢測與識別方法，通過構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型檢測儀表目標(biāo)，并檢測儀表圖像的畸變，采用霍夫變換檢測儀表實(shí)現(xiàn)儀表讀數(shù)的識別。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該方法雖然檢測用時(shí)不長，但是該方法無法自動更新配電站電壓數(shù)據(jù)，操作不方便，而且只能進(jìn)行一次讀數(shù)，不能連續(xù)記錄配電站真實(shí)變化情況，穩(wěn)定性不佳。

針對當(dāng)前配電站電壓監(jiān)控需求和現(xiàn)有方法存在的問題，設(shè)計(jì)了基于模糊目標(biāo)函數(shù)的配電站電壓實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)。該技術(shù)改變傳統(tǒng)監(jiān)控模式，在設(shè)備上顯示數(shù)據(jù)，結(jié)合模糊目標(biāo)函數(shù)動態(tài)跟蹤配電站電壓參考信號序列，在每個(gè)采樣周期分辨相關(guān)參數(shù)，同時(shí)施加自適應(yīng)控制，根據(jù)模糊控制理論實(shí)現(xiàn)了配電站電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 配電站系統(tǒng)

為了方便研究，建立配電站系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 配電站系統(tǒng)

圖中包括1個(gè)單向電源和3個(gè)恒功率負(fù)載，恒功率負(fù)載會向配電站實(shí)時(shí)反饋能量。該系統(tǒng)除了包含上述組件外，還包括混合儲能和能量耗散部分。配電站內(nèi)匯流條額定電壓為240 V，依據(jù)國際規(guī)定，240 V電流配電站穩(wěn)態(tài)電壓范圍為220 V—250 V。

由圖1可知，由于配電站中永磁電機(jī)能量傳輸是單向的，因此，當(dāng)兩個(gè)負(fù)載反饋功率大于第三個(gè)負(fù)載反饋功率時(shí)，反向裝置會及時(shí)抑制功率傳輸，此時(shí)將功率存儲到如圖1所示的配電站系統(tǒng)電容之中，會導(dǎo)致直流匯流完全過壓。為了改善這個(gè)問題，通過圖1所示的儲能耗散裝置中的電阻吸收配電站中多余的能量，以此來確保配電站的配電安全。

2 模糊目標(biāo)函數(shù)建立

2.1 建立模糊方程

以配電站系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建模糊方程，降低控制目標(biāo)的二次側(cè)電壓波動。調(diào)壓變壓器與電容器組的配電站等值電路圖如圖2所示。

圖2 配電站等值電路

根據(jù)圖2中設(shè)計(jì)的調(diào)壓變壓器與電容器組的配電站等值電路圖，忽略配電站阻抗和電容器阻抗中的電阻，剔除未知變量，充分考慮負(fù)荷靜態(tài)屬性，建立模糊方程，如式(1)。

(1)

式中，x、y、z、r、s、t表示配電站各項(xiàng)參數(shù)，由統(tǒng)計(jì)得到。

2.2 目標(biāo)函數(shù)建立

依據(jù)模糊方程構(gòu)建模糊目標(biāo)函數(shù)，并采用數(shù)值法求解模糊目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，得到配電站分接頭和開關(guān)電容器的最優(yōu)調(diào)壓策略，為實(shí)現(xiàn)配電站電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控提供前提條件。

(1) 原始目標(biāo)函數(shù)

在保證控制目標(biāo)的二次側(cè)電壓波動足夠小的前提下，才能提高功率因數(shù)，這就需要配電站接頭和電容器組動作次數(shù)要少，這屬于一個(gè)模糊性語言描述目標(biāo)，考慮上述因素對原始目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行模糊化處理[7]。設(shè)定約束條件，對電壓、接頭調(diào)整次數(shù)以及電容器投切次數(shù)約束為硬約束，而功率因數(shù)為軟約束[8]。在任何形式下，都不能約束電壓，但在允許功率范圍內(nèi)，設(shè)定滿足配電站電壓要求，通過隸屬函數(shù)區(qū)別硬、軟條件[9]。

(2) 各物理量隸屬函數(shù)

1) 二次側(cè)電壓隸屬函數(shù)的建立，目的是調(diào)節(jié)二次側(cè)電壓。

2) 功率隸屬函數(shù)的建立是以投切電容器為主要指標(biāo)，一旦改變投切容器功率因數(shù)，那么需保證其擁有較高的隸屬度。因此，功率因數(shù)受到的限制越大，隸屬函數(shù)值就越小，即在實(shí)際運(yùn)行過程中，功率因數(shù)一旦偏大，那么其越限程度就會越小，電容器出現(xiàn)投切現(xiàn)象可能性就越??；反之，則越大。

(3) 模糊目標(biāo)函數(shù)

選擇調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)參考?xì)v史數(shù)據(jù)，添加常量C，設(shè)fc和fd分別表示投、切電容隸屬度；fe和fg分別表示升降配電站分接頭隸屬度，當(dāng)歷史記錄為投電容器時(shí)，可表示為式(2)。

fc=C-fc-fg-fe

(2)

當(dāng)歷史記錄為升電容器時(shí)，可表示為式(3)。

fc=C-fg-(fc-fe)

(3)

當(dāng)歷史記錄為降分接頭時(shí)，可表示為式(4)。

fg=C-(fe-fd)-fc

(4)

根據(jù)式(2)、式(3)和式(4)，充分考慮用電峰谷期配電站電壓調(diào)節(jié)所受到的影響，增大投電容器隸屬度，得到模糊目標(biāo)函數(shù)為式(5)。

(5)

式中，λ表示增大常量；N1、N2分別表示配電站分接頭隸屬函數(shù)和并聯(lián)電容器組隸屬函數(shù)。

提出的基于模糊目標(biāo)函數(shù)的配電站電壓實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，根據(jù)負(fù)荷情況預(yù)測有載調(diào)壓配電站分接頭，通過加入有關(guān)模糊量，改進(jìn)模糊目標(biāo)函數(shù)，調(diào)節(jié)電壓[10]。導(dǎo)出的目標(biāo)函數(shù)表示一種線性規(guī)劃問題，采用數(shù)值法求出最優(yōu)解，以此得到配電站分接頭和開關(guān)電容器最優(yōu)調(diào)壓策略。

3 配電站電壓實(shí)時(shí)監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

對于波動劇烈的配電站系統(tǒng)，無法有效抑制噪聲，因此，采用模糊控制機(jī)制對配電站電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，模糊自適應(yīng)控制過程如圖3所示。

圖3 模糊自適應(yīng)控制過程

由圖3可知，模糊控制集合包括G1、G2、G3三個(gè)模糊子集，由此確定子隸屬函數(shù)形狀，根據(jù)配電站運(yùn)行機(jī)理，確定正態(tài)分布形，擬合隸屬函數(shù)。根據(jù)最小方差目標(biāo)要求和自適應(yīng)控制誤差消除原理，對三個(gè)模糊子集，設(shè)置誤差信號和控制變量，經(jīng)過模糊推理輸出模糊量，并將推理結(jié)果去模糊化處理后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。運(yùn)用模糊目標(biāo)函數(shù)，通過閉環(huán)控制流程，實(shí)現(xiàn)對配電站電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控，具體控制流程如圖4所示。

圖4 具體控制流程

由圖4可知，由配電站獲取實(shí)時(shí)信息，確定配電站當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，并判斷配電站電壓是否越限，如果不越限，則實(shí)現(xiàn)對配電站電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控。否則，計(jì)算步驟1中所有可能出現(xiàn)的監(jiān)控策略，確定相應(yīng)各組電壓值；將各組電壓值代入模糊目標(biāo)函數(shù)中，獲取二次側(cè)電壓值；計(jì)算各個(gè)物理量隸屬函數(shù)，經(jīng)由模糊目標(biāo)函數(shù)確定最優(yōu)監(jiān)控策略；依據(jù)模糊目標(biāo)函數(shù)獲取最優(yōu)監(jiān)控策略，并進(jìn)行實(shí)際調(diào)控；保存調(diào)控前后配電站運(yùn)行狀態(tài)，作為電壓監(jiān)控歷史參考信息；返回步驟(1)，不斷重復(fù)上述步驟，實(shí)現(xiàn)配電站電壓實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證基于模糊目標(biāo)函數(shù)的配電站電壓實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)的穩(wěn)定性與高效性，通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證分析。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為MATLAB7.0，該技術(shù)選取的模糊因子為2，迭代最大誤差為0.01，最大迭代次數(shù)為550次，并通過在線數(shù)據(jù)分析軟件MOA進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在上述條件下，對配電站存儲電壓和耗散電壓進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 存儲電壓和耗散電壓分析

由圖5可知，在時(shí)間為0.162—0.172時(shí)，耗散電壓最高為242.5 v；而存儲電壓隨著時(shí)間增加，最高可達(dá)到244 V。在此基礎(chǔ)下，為了驗(yàn)證所提技術(shù)的優(yōu)勢性，以文獻(xiàn)[5]方法和文獻(xiàn)[6]方法為對比方法，以監(jiān)控效率和監(jiān)控穩(wěn)定性為對比指標(biāo)，對比不同方法的應(yīng)用效果。監(jiān)控效率對比結(jié)果如表1所示。

表1 不同技術(shù)監(jiān)控效率(%)

由表1可知，基于模糊目標(biāo)函數(shù)技術(shù)對存儲電壓的監(jiān)控效率最高為97%，對耗散電壓的監(jiān)控效率最高為98%；而文獻(xiàn)[5]方法對存儲電壓的監(jiān)控效率最高為53%，對耗散電壓的監(jiān)控效率最高為45%；文獻(xiàn)[6]方法對存儲電壓的監(jiān)控效率最高為68%，對耗散電壓的監(jiān)控效率最高為73%。由此可知，基于模糊目標(biāo)函數(shù)的配電站電壓實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)監(jiān)控效率較高，這是因?yàn)樵摷夹g(shù)通過構(gòu)建模糊方程，來降低控制目標(biāo)的二次側(cè)電壓波動，從而降低了監(jiān)控干擾，進(jìn)而提升了監(jiān)控效率。

不同方法的監(jiān)控穩(wěn)定性對比結(jié)果，如圖6所示。

圖6 不同方法的監(jiān)控穩(wěn)定性對比

其中，控制穩(wěn)定性用數(shù)值進(jìn)行表示，具體為0—9，數(shù)值越高，穩(wěn)定性越好。

分析圖6可知，運(yùn)用所提技術(shù)對配電站電壓進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)明顯高于文獻(xiàn)[5]方法和文獻(xiàn)[6]方法，說明該技術(shù)在進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，不易受外在因素的干擾，抗干擾性更強(qiáng)。這是由于該技術(shù)在配電站分接頭和開關(guān)電容器的最優(yōu)調(diào)壓策略下，根據(jù)最小方差自適應(yīng)控制誤差消除原理，能夠抵抗外界噪聲，從而提高了穩(wěn)定性。

5 總結(jié)

提出的基于模糊目標(biāo)函數(shù)的配電站電壓實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)計(jì)算量小，容易快速實(shí)現(xiàn)，能夠滿足人們對配電站安全、可靠的高要求。經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)可知，該技術(shù)比傳統(tǒng)方法監(jiān)控效果要好，減少了配電站工作人員勞動強(qiáng)度，提高配電站自動化程度，對于改善傳統(tǒng)監(jiān)控效果，提高配電站安全運(yùn)行效率具有重要意義。