摘要：本文闡明了變電站電壓無功的控制原理，控制方式。 同時，本文詳述了各種控制策略，分析了人工智能技術在電壓無功控制中的作用。尤其分析了目前電力系統廣泛使用的“九區圖”法所存在的問題，以及基于此的各種改進策略。最后本文對我國變電站電壓無功控制的現狀和未來發展所需要注意的問題進行了總結。

　　1 引言

　　電力系統中，電壓時衡量電能質量的一項重要 指標，電壓波動過大，不僅影響電氣設備的利用效 率和使用壽命，而且會危及系統的安全穩定運行， 甚至會引起電壓崩潰，并造成大面積的停電事故。 同時，無功功率也是影響電壓質量的一個重要因素， 實現無功的分層、分區就地平衡，是降低網損的重 要手段，因此各級變電站承擔著電壓無功調節的重 要任務。

　　在變電站中，電壓無功控制（voltage reactive power control，VQC）主要采取的是利用有載變壓 器和并聯補償電容器組進行局部的電壓及無功補 償的自動調節，以保證負荷側母線電壓在規定的范 圍內及進線功率因素盡可能接近 1。 VQC 保證了電壓合格、無功基本平衡，同時也減少了變壓器和電 容器的調節次數。頻繁操作有載調壓變壓器分接頭 開關和投切并聯補償電容器會引起變壓器和開關 設備故障，因此各變電站對其每天的調節次數均有 嚴格的限制。采取合理的控制策略和控制手段，能 夠降低電容器組的平均運行溫度、減少投切開關的 動作次數及變壓器分接開關的調節次數，可延長開 關、電容器、變壓器的使用壽命。

　　變電站電壓無功的調節性能與VQC的控制策 略是密切相關的。 VQC裝置的研究是從上世紀70年 代開始的，如今內外已形成了一整套比較成熟的控 制策略［1~3］。近年來，隨著電力系統信號采集和處 理技術、高速通信技術和衛星同步授時技術的迅速 發展［4］，為區域電網電壓與無功的多級分層與分 區協調控制提供了技術支撐［5］。

　　本文首先論述了變電站無功綜合控制的幾種控制方式，隨后對各種變電站電壓無功控制策略做了詳細的介紹和分析，最后對現在變電站常用的 “九區圖”法的改進策略作了詳細說明和分析。

　　2 變電站電壓無功綜合控制的主要方式

　　當系統無功電源不足時，不宜采用調整變壓器變比的方法來提高電壓，而必須增設無功補償裝置。 目前，國內外主要采用有載調壓變壓器和補償并聯電容器組，通過自動調節有載變壓器的分接頭位置和投切并聯電容器來實現調節電壓合格和無功平衡的目的。其控制方式分三種［6］：

　　2.1 集中控制方式

　　集中控制是指在調度中心對各個配電中心的調壓 設備和無功補償設備進行統一控制。這種控制方式 從理論上講是保持系統電壓正常和實現無功平衡 以及提高系統運行可靠性和經濟性的最佳方案。但 它要求調度中心必須具有因地制宜的電壓和無功 優化實時控制軟件，而且它需要對各配電中心具有

　　2011-2012 學期電力自動化系統課程論文

　　遙測、遙信和遙控的功能， 對通道的可靠性要求高。 另外，最好各配電中心具備智能執行單元。但在我 國目前各變電站的基礎自動話層次不一的情況下， 實現全系統的集中優化控制難度還比較大。

　　2.2 分散控制

　　分散控制是我國當前進行電壓無功綜合控制 的組要方式。它是在各個變電站或發電廠中，自動 調節有載調壓變壓器的分接頭位置和其它電壓調 節器，控制無功功率補償設備的工作狀態，使得當 前負荷變化時，該地區的電壓和無功功率保持在規 定的范圍內。分散控制對提高受控站供電范圍內的 電壓質量和降低局部網絡變壓器的電能損耗，減輕 值班員的操作很有價值，但它只能實現局部優化， 無法實現全局優化。

　　2.3 關聯分散控制方式

　　關聯分散控制是指在正常運行情況下，由安裝 在各站的關聯分散控制裝置根據設計好的控制規 律對電壓進行控制，調控范圍和整定值是從整個系 統的安全、穩定和經濟運行出發，可先由電壓無功 優化程序計算好，做出責任分散、控制分散、危險 分散;而在緊急情況下或系統運行方式發生大的變 動時，則可由調度中心直接控制或由調度中心修改 下屬變電站所維持的母線電壓和無功功率的整定 值，以滿足系統安全、穩定、經濟運行的新要求， 從而從根本上提高全系統的可靠性和經濟性。該控 制方式要求執行關聯分散控制任務的裝置一方面 要有較高的智能水平，能夠進行邏輯分析、判斷、 自動修改調整控制規律;另一方面要有強大的通訊 能力和手段，既能方便地向上級調度中心遞交正常 運行報告，又能接受調度中心的各種控制命令。但 是這種方式需要采用專門的關聯分散控制裝置，這 就會帶來投資成本的增加。

　　3 電壓無功控制的調節判據

　　變電站的電壓無功控制其實是一個多目標（電 壓合格、無功平衡）及多約束（無功功率上下限、 電壓上下限、并聯電容器投切次數和調壓變壓器分 接頭動作次數）的最優控制問題。但是，對于這個 多輸入多輸出的閉環控制系統（MIMO），實際上很 難建立精確的數學模型。目前所采用的實用有效的 控制策略是根據工程實用算法得到的。按控制策略 的不同可分為以下幾種：

　　3.1 單一控制策略

　　3.1.1 按功率因素控制

　　功率因素數值實時變化是在一定范圍內的，以 功率因素作為判據是，即當功率因素低于所設定的 變化范圍下限時，電容器組投入，當功率因數高于 所設定的變化范圍區間的上限時，電容器組切除。 但是這種控制方式沒有考慮投切并聯電容器后無 功功率的變化對母線電壓的影響，而且假如負荷較 小，投切電容器組產生的無功功率的變化會使功率 因數發生較大的變化，因此，投切電容器組的動作 過于頻繁， 極易引起投切振蕩。 為了克服這些缺陷， 出現了改進的自動投切裝置，這種裝置根據負載區 的不同自動整定各負載區不同的功率因數，并采用 自動選取法進行自動投切，此外，臨界因數法也是 一種解決臨界振蕩問題經常采用的方法，這種方法 限定了輕負荷時的臨界震蕩區，有效地解決了電容 器投切的振蕩問題。

　　3.1.2 按電壓控制

　　電壓控制是通過實施監控母線電壓的變化看、來進 行電容器組的投入或切除操作。當母線電壓低于所 設定的限定值時，投入相應數量的補償電容器組， 當母線電壓高于所設定的變化范圍限定值時，自動 切除相應數量的補償電容器組。但是這種判據忽略 了無功功率因數平衡這個要求，雖然對母線電壓的 調節取得了一定的效果，但是在無功功率補償問題 上，作用并不明顯。

　　3.2 綜合控制策略

　　3.2.1 按電壓和晝夜時間負荷控制

　　此方法是通過研究采集到的變電站的日負荷 曲線變化特點，然后通過給曲線分段來確定負荷時 段分布的。采用這種方法，可以在不同負荷階段及 時監控變電站電壓和無功功率，調節變壓器的分接 頭和并聯電容器組。由于需要對負荷進行分段，此 方法的適應性較差，只適和變電站的負荷比較穩定 的情況，而且隨著季節和負荷的不斷變化，負荷時 段的劃分需要進行相應調整。

　　3.2.2 按電壓綜合控制有載分接開關和電容器組

　　其電壓控制邊界如圖 A1 所示，當母線電壓 U≤ Ut下限時， 降有載分接開關升壓;當 U≤Uc 下限 時，投入電容器組;當 U≥ Ut上限時，升有載分接 開關降壓;當 U≥Uc 上限時，切除電容器組。這種 方案比僅調節電容的方案好一些，但仍沒有考慮無 功的補償效果，且調節過程也不合理，比如電壓高是升有載分接開關還是切電容，要首先判別電壓高 是由無功過剩引起的還是由于有載分接開關位置 過低引起的，不能簡單的規定調有載分接開關或是 投切電容器組。

　　3.2.3 按電壓和功率因數復合控制

　　按電壓、功率因數復合控制構成的判據有兩種 判別方式，一是以電壓以主，功率因數為輔，即只 要電壓合格， 則不考慮功率因數， 當電壓不合格時， 根據電壓和功率因數的性質決定電容器組的自動 投切;另一種是以電壓和功率因數作為兩個并行的 判據，即使電壓在合格范圍內，如果功率因數滿足 投切的條件，則對電容器組發出投切指令。第一種 判別方式，盡管考慮了無功補償效果，但由于在某 些運行狀態下，缺無功補不上去，超無功切不下， 致使無功補償效果仍然較差;第二種判別方式， 在某 些運行狀態存在對并聯補償電容頻繁誤投切現象。

　　3.2.4 電壓和無功綜合控制

　　利用電壓和無功構成綜合判據，按照電壓上、 下限和無功上、下限將運行區域劃分為九個區，形 成了目前應用最廣泛的“九區圖”控制理論。在變 電站實際運行中， 根據采集的電壓、 無功數據信息， 來判斷當前運行在哪個區域，然后分別按照九區圖 的每個區的控制調節策略，制定變壓器分接頭擋位 和補償電容器組的投切控制策略。在圖 A2 中，U 上限和 U 下限根據電壓合格范圍確定， 有時為了實 現電壓逆調整，需要根據各個負荷時段確定電壓的 上、 下限;Q 上限和 Q 下限是根據每組電容器容量、 電容偏差及無功基本平衡和保持投切基本穩定原 則確定。Q 下限表示無功過剩，Q 上限表示無功不 足。各個區的控制規則如下［7，8］：

　　0 區——電壓無功均合格，不調節，此區為穩 定工作區。

　　1 區——電壓越上限，降壓。

　　2 區——電壓越上限，無功越上限，先降壓， 如無功仍越上限，投電容。

　　3 區——電壓合格，無功越上限，投電容。 4 區——電壓越下限， 無功越上限， 先投電容， 若電壓仍越下限則升壓。

　　5 區——電壓越下限，升壓。

　　6 區——電壓越下限，無功越下限，先升壓， 如無功仍越下限，切電容。

　　7 區——電壓合格，無功越下限，切電容。

　　8 區——電壓越上限， 無功越下限， 先切電容， 如電壓仍越上限則降壓。

　　3.3 基于人工智能的電壓無功控制策略

　　3.3.1 基于模糊控制理論的電壓無功控制原理

　　模糊控制適用于不確定的、有不同量綱的、相 互沖突的多目標優化問題。通過模糊隸屬度函數， 把電壓和無功偏差量、分接頭檔位、可調電容器組 數等模糊化處理，轉化為模糊集論域的詞變量，作 為模糊控制器的輸入。控制器的輸出對應于控制規 則表內電壓和無功偏差的一種組合，最后把控制器 的輸出模糊化，得到作用于分接頭調節和電容器組 投切控制的精確值。

　　模糊算法所需信息量少、計算量小，且能很好 的反映電壓的變化情況，容易在線實現，在模糊控 制下，系統的電壓性能及穩定性均有令人滿意的控 制效果［9］。

　　3.3.2 基于人工神經網絡負荷預測的電壓無功控制

　　原理 人工神經網絡有集體運算和自適應學習的能 力，有預測性、指導性和靈活性的特點，將無功預 測與優化決策相結合，該控制策略首先將相關的歷 史數據輸入無功預測神經網絡訓練樣本集，再將負荷預測結果及電壓、無功、功率因數等系統實時數 據模糊化，輸入控制決策神經網絡，輸出控制信號 ［10］。

　　利用神經網絡技術，分析電壓發生變化的原因 和趨勢，確定綜合控制策略，能大大減少變壓器分 接頭調節次數。

　　3.3.3 基于專家系統的電壓無功控制原理

　　專家系統是在一個特定領域內用人類專家水 平去解決該領域中難以用精確數值模型表示的困 難問題的計算機程序。專家系統的基本思想是讓計 算機能夠存儲某一領域的專門知識，并能夠像專家 那樣有效地利用這些知識去解決該領域的復雜問 題。

　　專家系統具有啟發性、 透明性、 靈活性等特點。 在實際應用中，運行調試人員預先根據經驗和具體 要求，根據可能出現的各種情況制定一套基于規則 的專家系統。運行時，專家系統針對具體的變電站 配置情況、電壓等級、系統運行時段，模擬專家決 策的過程，根據規則綜合、智能地調節無功電壓， 從而達到預期的控制目標。目前許多學者利用專家 系統這些優點和特點研究開發變電站無功電壓專 家系統的控制策略。它的典型應用是將己有無功電 壓控制經驗或知識用規則表示出來，形成專家系統 的知識庫，進而根據上述的規則由無功電壓實時變 化值求取電壓的調節控制手段［11］。

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　　3.3.4 基于遺傳算法的電壓無功控制原理

　　遺傳算法（GA）是一種通過模仿生物遺傳和進化過程尋求復雜問題的全局最優解的搜索和優化方法。遺傳算法具有較高的魯棒性和廣泛的適應性， 對求解問題幾乎沒有什么限制，也不涉及常規優化問題求解的復雜數學過程，并能夠獲得全局的最優解集，因此在電力系統研究涉及優化問題的領域中得到了廣泛的應用。利用遺傳算法求解實際問題的過程是，首先將實際問題編碼成染色體，將實際問題的目標函數轉化為染色體的適應函數，然后在初 始種群的基礎上，按一定的適應值在種群中選擇個體，使之進行生殖，交叉，變異等遺傳操作，產生下一代種群，這樣逐代遺傳，直到滿足期望的終止 條件。

　　通過遺傳算法搜索變壓器分接頭的檔位和投切電容器組的組合，得出母線電壓，再根據電壓求 解線路和變壓器損耗，并統計投切電容器組數，計算出適應度函數，尋找適應函數最小的優化方案。 由于有歷史數據的指導以及遺傳算法強大的尋優能力，采用所提方法進行控制時，使電壓合格、裕度較大，從而系統的安全經濟性能更高［12］。

　　4 目前變電站電壓與無功綜合控制策略的問題及其改進

　　4.1 傳統控制策略存在的問題

　　目前工程實際中應用最廣泛的是傳統的“九區圖”理論，按照電壓上、下限和無功上、下限將運行區域劃分為九個區，各個區域對應不同的控制策略，根據實時電壓、無功所在的運行區域，采取相應的控制方法。

　　“九區圖”的無功調節判據是一個與電壓無關的平行于電壓坐標軸的固定邊界線，而實際運行中無功的調節對電壓是有影響的，但在“九區圖”中 無功的調節的邊界竟然與電壓狀態無關，因此產生一系列問題：

　　（1）控制策略是基于固定的電壓無功上下限而未考慮無功調節對電壓的影響及其相互協調關系， 造成控制振蕩、頻繁動作問題。

　　（2）用于運算分析的信息具有隨機性、分散 性的特點，造成了控制決策的盲目性和不確定性， 實際表現為裝置頻繁調節。

　　（3） “九區圖”的某些區對于兩類設備的控制 都起作用時，難于區分哪一類效果更好。

　　（4） “九區圖”中兩類設備動作的先后順序對 控制結果影響很大，如順序不當會產生頻繁動作、 投切振蕩等現象。

　　（5） “九區圖”對于控制設備的使用是無限次 的，而實際操作中分接頭調節和電容器組投切次數 是有嚴格限制的。

　　（6）由于“九區圖”中只要進入第 0 區就不 會再有調節，可能造成系統長時間運行在電壓、無 功或功率因數不合格狀態邊緣，而不能做到將系統 控制在額定最佳運行狀態。

　　4.2 九區圖的改進

　　電壓無功綜合控制策略應綜合考慮變壓器分 接頭和電容器組調節過程中，所引起的系統電壓無 功變化趨勢以及其它一些相關的變化。近年來，針 對以上的一系列問題進行了改進（如采用 17 區域圖 法、 模糊邊界法等）， 雖然在一定程度上改善了控制 效果，但實際運行效果仍不太理想。

　　4.2.111 區圖法

　　針對傳統九區圖法對于某些區控制結果產生 的振蕩現象以及裝置頻繁動作的缺陷，增加了 2-3 和 6-7 這兩個小區作為防震區，得到如圖 A3 所示 改進的“九區圖” 。當運行點位于 2-3（或 6-7 ）小區 內時，控制策略為下調分接頭降壓（或上調接頭升 壓）。

　　4.2.2 13 區域圖法

　　有人對九區圖進行更細致的劃分，提出了較圖 A3 更加完善的改進九區圖（實質為 13 區域圖法）， 如圖 A4 所示。

　　4.2.317 區圖法 更為改進的策略是在九區圖中再細分 8 個小區，采 用 17 區域圖法的控制策略。如圖 A5 所示。每個區 的控制方案可自動整定，也可手動整定，自動整定 可按五種方式進行：只考慮電壓， 只考慮無功，電壓 優先，無功優先，綜合考慮。

　　由上所述可以發現，以上控制策略的改進以動 作區間的進一步細化為特點，然而這些改進的控制 策略存在一個普遍問題是控制為單向控制，認為其 設定的限值為恒定值，即未考慮無功調節對電壓的 影響及其之間相互協調關系， VQC 一直使用這些定 值，這些定值與實際值的誤差往往會導致裝置的誤 動作或控制振蕩。

　　4.2.4 電壓無功模糊邊界調節

　　電壓調節邊界應該是相對固定的（各個負荷時 段可不同）， 無功調節邊界應該是一個受電壓狀態影 響且在一定范圍內服務于電壓調節的一個模糊邊 界。考慮到無功調節對電壓產生的影響，將電壓狀 態引入無功調節判據，把原來固定的無功上下限邊 界變為受電壓影響的模糊邊界，就形成了模糊邊界 的電壓無功控制策略，如圖 A6 所示。

　　5 結束語

　　我國目前各變電站的基礎自動話層次不一的 情況下，實現全系統的集中優化控制難度還比較大。 采用并聯分散控制雖然滿足系統安全、穩定、經濟運行的要求，但是采用專門的關聯分散控制裝置帶 來投資成本的增加。同時，分散控制仍然是我國變 電站的主要控制方式。因此，如何實現全系統的集 中優化控制是我國未來變電站自動化建設上所需 要解決的問題。

　　變電站電壓無功綜合控制是一個多目標、多約 束的復雜的非線性控制問題。它受到電壓、無功、 時間、負荷率、負荷電壓靜態特性、運行方式、有 載調壓變壓器分接頭檔位和電容器組狀態等多種 因素的影響，其控制規律難以用精確的數學模型表 達。同時，作為變電站電壓無功控制的兩個主要手 段：運用有載調壓變壓器進行有載調壓和運用并聯 電容器組進行無功調節，不是獨立的，他們之間存 在著一定的關聯性，在有載調壓的同時也會影響無 功，在無功調節的同時也會影響電壓。現在，各種 智能算法已經與傳統的“九區圖”法相結合，提出 了各種改進的控制策略。但是，如何完全解決九區 圖法的缺陷，還是需要進一步研究。