基于九區(qū)圖和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的電壓無功功率控制方法的研究

田龍

摘 要：目前我國的計算機(jī)水平、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、狀態(tài)估計、通信、實時監(jiān)控等硬、軟件技術(shù)仍有待發(fā)展，至今尚無成熟的適用于我國電力系統(tǒng)的全網(wǎng)智能動態(tài)規(guī)劃系統(tǒng)。本文提出了基于九區(qū)圖和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的控制策略，以九區(qū)圖為基礎(chǔ)，并在容易引起頻繁動作的邊界上結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測功能，在保證變壓合格率有線、無功功率基本平衡的原則下，盡量減少調(diào)節(jié)投切設(shè)備的動作次數(shù)。

關(guān)鍵字：電壓無功功率控制；九區(qū)圖；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

電壓是衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)，電壓穩(wěn)定是整個電力系統(tǒng)穩(wěn)定的一個重要方面。電壓的穩(wěn)定和質(zhì)量對于終端用戶是非常重要的，而對于負(fù)載端的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也有著至關(guān)重要的意義。

電力系統(tǒng)中的電壓與無功功率的狀況密切相關(guān)。無功功率從電源端經(jīng)線路和電壓器向負(fù)荷端輸送，要產(chǎn)生電壓損耗。高壓線路和變壓器的電壓損耗主要取決于無功功率。輸送的距離越遠(yuǎn)，中間環(huán)節(jié)越多，引起的電壓降也就越大，負(fù)荷端的電壓也就越低。合理配置無功電源，使無功功率就近平衡，不僅可以提高電壓水平，而且可以減少電網(wǎng)中有功功率的損耗。我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不夠合理，一些地區(qū)在電網(wǎng)發(fā)展過程中無功設(shè)備配備不足，使得局部地區(qū)在負(fù)荷增大后無功功率明顯不足，造成局部電網(wǎng)較長時間處于低電壓水平運(yùn)行。另外，隨著現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展，大容量機(jī)組直接接入超高壓電網(wǎng)，使超高壓電網(wǎng)內(nèi)無功過剩。城市供電網(wǎng)的迅速發(fā)展由于電纜數(shù)量增加使得充電功率增大。當(dāng)電力系統(tǒng)不正常運(yùn)行時，大容量發(fā)電機(jī)組或超高壓輸電線路退出運(yùn)行，又會使部分超高壓線路符合過重而使無功出力嚴(yán)重不足。這些問題的存在對用戶的電壓質(zhì)量、系統(tǒng)的輸電能力、電能損耗及安全、經(jīng)濟(jì)等方面產(chǎn)生不良影響。

1 電壓無功功率控制方法與現(xiàn)狀分析

充分開用各種調(diào)壓手段和無功電源的補(bǔ)償作用，實現(xiàn)電壓無功綜合控制對于提高電壓合格率和降低網(wǎng)損有很大的作用，能帶來經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。目前實現(xiàn)電壓和無功功率的綜合控制有全網(wǎng)電壓無功功率優(yōu)化和以變電站為單位的局部區(qū)域化兩種方法。全網(wǎng)電壓無功功率優(yōu)化是從整個電網(wǎng)考慮，根據(jù)電網(wǎng)的潮流分布，確定電網(wǎng)的運(yùn)行方式，并合理進(jìn)行無功電源的調(diào)度和配置，減少無功功率在電網(wǎng)中的流動。從理論上講，通過電網(wǎng)調(diào)度中心實施全網(wǎng)電壓、無功功率綜合控制是最合理的方法，但限于我國目前電力系統(tǒng)的自動化較低，實現(xiàn)全系統(tǒng)的電壓、無功功率控制困難較大，目前主要是以變電站為單位自動調(diào)節(jié)電壓和無功功率，就地平衡。

變電站電壓無功功率控制主要是采用有載調(diào)壓變壓器和補(bǔ)償并聯(lián)電容器組，通過調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器分接頭和投切并聯(lián)電容器組來實現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓和無功平衡。但是在電壓、無功功率雙參數(shù)需要調(diào)節(jié)的情況下，考人工調(diào)節(jié)往往難以做到準(zhǔn)確判斷和及時調(diào)節(jié)，人工調(diào)節(jié)不僅增加了運(yùn)行人員的勞動強(qiáng)度，而且不能充分利用無功電源設(shè)備的補(bǔ)償作用和保證電壓合格率。因此，如何實現(xiàn)變電站電壓、無功功率的自動控制是一個值得研究的問題。

2 傳統(tǒng)的九區(qū)圖法

傳統(tǒng)的九區(qū)圖法是固定電壓和無功功率邊界特性分割區(qū)的綜合控制策略。根據(jù)母線電壓和無功功率的運(yùn)行情況分為九個區(qū)域，在不同的區(qū)域采取不同的控制對策，綜合利用調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器分接頭和投切并聯(lián)電容器組兩種手段，將母線電壓和無功功率控制在各自的允許范圍之內(nèi)。該方法綜合考慮電壓和無功功率，是目前采用最多的控制方法，但在某些情況下也存在工作過于頻繁的問題，在有些情況下甚至?xí)鹫袷帯Ｒ虼耍绾伪M量減少工作次數(shù)是該方法要解決的主要問題。

3 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電壓無功功率調(diào)節(jié)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有集體運(yùn)算和自適應(yīng)學(xué)習(xí)的能力，具有預(yù)測性、指導(dǎo)性和靈活性的特點，能大大減少有載調(diào)壓變壓器分接頭調(diào)節(jié)次數(shù)，合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠逼近任何一種非線性系統(tǒng)。基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的、將無功功率和優(yōu)化決策相結(jié)合的電壓無功功率綜合只能控制方法，通過對電壓、無功功率進(jìn)行預(yù)測來減少工作次數(shù)。該方法根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，應(yīng)用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對無功負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測，然后將預(yù)測結(jié)果連同當(dāng)前的母線電壓、無功功率、功率因素等經(jīng)模糊化后作為決策人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，該決策人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出即為調(diào)節(jié)動作的策略，該方法實際上已經(jīng)脫離了九區(qū)圖的范疇，計算復(fù)雜、對硬件要求較高，而且其動作是否合理還依賴于對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練工作的成功與否。

4 九區(qū)圖法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的控制策略

傳統(tǒng)的九區(qū)圖法的控制策略是基于固定的電壓無功上、下限而沒有考慮無功調(diào)節(jié)對電壓的影響及其協(xié)調(diào)關(guān)系，用于運(yùn)算分析的信號有分散性、隨機(jī)性等特點，這就造成了該方法具有控制策略的盲目和不確定性，實際表現(xiàn)為在九區(qū)圖的某些邊界區(qū)域，設(shè)備會頻繁調(diào)節(jié)。

當(dāng)運(yùn)行點在圖中的9區(qū)時，由于它接近電壓上限區(qū)，根據(jù)該區(qū)的傳統(tǒng)控制規(guī)則“投電容器”，則有可能出現(xiàn)圖中所表示的三種結(jié)果。結(jié)果①是運(yùn)行點進(jìn)入了0區(qū)，說明這次控制成功。結(jié)果②和結(jié)果③是運(yùn)行點進(jìn)入了1區(qū)或2區(qū)，人為地增加了電壓的不合格率，并且它又會引起變壓器分接頭下調(diào)或切除電容器，從而造成設(shè)備的頻繁動作。因此在9區(qū)內(nèi)有兩種控制方式：一是直接投電容器；二是下調(diào)變壓器分接頭降壓，再投電容器。類似的情況還有可能出現(xiàn)在10區(qū)。

當(dāng)運(yùn)行點在圖中的11區(qū)時，由于它接近無功下限區(qū)，根據(jù)該區(qū)的傳統(tǒng)控制規(guī)則“調(diào)變壓器分接頭降壓”，則也有可能出現(xiàn)在圖中所描述的三種結(jié)果。結(jié)果④是運(yùn)行點進(jìn)入了0區(qū)，說明這次控制成功。結(jié)果⑤和結(jié)果⑥是運(yùn)行點進(jìn)入7區(qū)或8區(qū)，它又會引起變壓器分接頭下調(diào)或切除電容器。因此在11區(qū)內(nèi)也有兩種控制方式：一是直接調(diào)變壓器分接頭降壓；二是先切電容器使運(yùn)行點原理無功下限，若電壓還是越上限則再調(diào)變壓器分接頭降壓。類似的情況還有可能出現(xiàn)在12區(qū)。

因此，電力系統(tǒng)運(yùn)行在9，10，11，12區(qū)時，應(yīng)該考慮采用哪種控制方式以最小次數(shù)的動作達(dá)到預(yù)期效果。由于實時系統(tǒng)電壓、有功負(fù)荷和無功負(fù)荷之間的關(guān)系存在隨機(jī)性、非線性的特點，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的非線性逼近能力、聯(lián)想記憶能力功能，在九區(qū)圖的9，10，11，12區(qū)預(yù)測變壓器分接頭調(diào)節(jié)或電容器投切后的變壓無功，決定采用何種控制方式，以得到最佳控制效果。在除9～12區(qū)的其他區(qū)域內(nèi)可采用傳統(tǒng)的控制策略。這種結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的九區(qū)圖法控制策略，能夠在保證電壓合格率有線、無功功率基本平衡的原則下，盡量減少調(diào)節(jié)投切設(shè)備的動作次數(shù)。

5 小結(jié)

基于九區(qū)圖和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的策略依據(jù)給定合理的電壓無功功率上下限值和比較準(zhǔn)確的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測，能得到極好的控制效果，既考慮了對受控變壓器目標(biāo)側(cè)母線電壓和高壓側(cè)無功功率的最優(yōu)變化曲線的跟蹤，又估計了減少變壓器分接頭動作次數(shù)的要求。

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