基于模糊目标函数的配电站电压实时监控技术

常洪亮， 乔子洹, 廖文锴， 国艳波

(中国南方电网深圳市供电局有限公司， 广东 深圳 518048)

0 引言

在配电站电压实时监控技术智能化的发展趋势下，使得配电站附件耗电量所占比例大大增加，因此，需要了解配电站电压使用情况，保证配电站实时供电，实现配电站的安全与稳定运行[1-3]。传统配电站电压实时监控技术功能单一，实用性较差，随着科学技术的不断进步，用户对配电站的需求也在不断提高，传统监控技术已经不能完全满足用户需求[4]，因此，相关研究人员对该问题进行了研究，并取得了一定的研究成果。

文献[5]提出一种含光伏电站和蓄电池储能系统的主动配电系统状态估计方法，构建光伏五参数模型，通过该模型推导光伏系统的量测函数，并对主动配电系统的状态进行估计，同时剔除不良数据。实验结果表明，该方法能够实现状态监控，但是监控用时较长，效率不高。文献[6]提出变电站指针式仪表检测与识别方法，通过构建卷积神经网络模型检测仪表目标，并检测仪表图像的畸变，采用霍夫变换检测仪表实现仪表读数的识别。分析实验结果可知，该方法虽然检测用时不长，但是该方法无法自动更新配电站电压数据，操作不方便，而且只能进行一次读数，不能连续记录配电站真实变化情况，稳定性不佳。

针对当前配电站电压监控需求和现有方法存在的问题，设计了基于模糊目标函数的配电站电压实时监控技术。该技术改变传统监控模式，在设备上显示数据，结合模糊目标函数动态跟踪配电站电压参考信号序列，在每个采样周期分辨相关参数，同时施加自适应控制，根据模糊控制理论实现了配电站电压的实时监控。

1 配电站系统

为了方便研究，建立配电站系统，如图1所示。

图1 配电站系统

图中包括1个单向电源和3个恒功率负载，恒功率负载会向配电站实时反馈能量。该系统除了包含上述组件外，还包括混合储能和能量耗散部分。配电站内汇流条额定电压为240 V，依据国际规定，240 V电流配电站稳态电压范围为220 V—250 V。

由图1可知，由于配电站中永磁电机能量传输是单向的，因此，当两个负载反馈功率大于第三个负载反馈功率时，反向装置会及时抑制功率传输，此时将功率存储到如图1所示的配电站系统电容之中，会导致直流汇流完全过压。为了改善这个问题，通过图1所示的储能耗散装置中的电阻吸收配电站中多余的能量，以此来确保配电站的配电安全。

2 模糊目标函数建立

2.1 建立模糊方程

以配电站系统为基础，构建模糊方程，降低控制目标的二次侧电压波动。调压变压器与电容器组的配电站等值电路图如图2所示。

图2 配电站等值电路

根据图2中设计的调压变压器与电容器组的配电站等值电路图，忽略配电站阻抗和电容器阻抗中的电阻，剔除未知变量，充分考虑负荷静态属性，建立模糊方程，如式(1)。

(1)

式中，x、y、z、r、s、t表示配电站各项参数，由统计得到。

2.2 目标函数建立

依据模糊方程构建模糊目标函数，并采用数值法求解模糊目标函数的最优解，得到配电站分接头和开关电容器的最优调压策略，为实现配电站电压的实时监控提供前提条件。

(1) 原始目标函数

在保证控制目标的二次侧电压波动足够小的前提下，才能提高功率因数，这就需要配电站接头和电容器组动作次数要少，这属于一个模糊性语言描述目标，考虑上述因素对原始目标函数进行模糊化处理[7]。设定约束条件，对电压、接头调整次数以及电容器投切次数约束为硬约束，而功率因数为软约束[8]。在任何形式下，都不能约束电压，但在允许功率范围内，设定满足配电站电压要求，通过隶属函数区别硬、软条件[9]。

(2) 各物理量隶属函数

1) 二次侧电压隶属函数的建立，目的是调节二次侧电压。

2) 功率隶属函数的建立是以投切电容器为主要指标，一旦改变投切容器功率因数，那么需保证其拥有较高的隶属度。因此，功率因数受到的限制越大，隶属函数值就越小，即在实际运行过程中，功率因数一旦偏大，那么其越限程度就会越小，电容器出现投切现象可能性就越小；反之，则越大。

(3) 模糊目标函数

选择调节方式调节参考历史数据，添加常量C，设fc和fd分别表示投、切电容隶属度；fe和fg分别表示升降配电站分接头隶属度，当历史记录为投电容器时，可表示为式(2)。

fc=C-fc-fg-fe

(2)

当历史记录为升电容器时，可表示为式(3)。

fc=C-fg-(fc-fe)

(3)

当历史记录为降分接头时，可表示为式(4)。

fg=C-(fe-fd)-fc

(4)

根据式(2)、式(3)和式(4)，充分考虑用电峰谷期配电站电压调节所受到的影响，增大投电容器隶属度，得到模糊目标函数为式(5)。

(5)

式中，λ表示增大常量；N1、N2分别表示配电站分接头隶属函数和并联电容器组隶属函数。

提出的基于模糊目标函数的配电站电压实时监控技术，根据负荷情况预测有载调压配电站分接头，通过加入有关模糊量，改进模糊目标函数，调节电压[10]。导出的目标函数表示一种线性规划问题，采用数值法求出最优解，以此得到配电站分接头和开关电容器最优调压策略。

3 配电站电压实时监控的实现

对于波动剧烈的配电站系统，无法有效抑制噪声，因此，采用模糊控制机制对配电站电压进行实时监控，模糊自适应控制过程如图3所示。

图3 模糊自适应控制过程

由图3可知，模糊控制集合包括G1、G2、G3三个模糊子集，由此确定子隶属函数形状，根据配电站运行机理，确定正态分布形，拟合隶属函数。根据最小方差目标要求和自适应控制误差消除原理，对三个模糊子集，设置误差信号和控制变量，经过模糊推理输出模糊量，并将推理结果去模糊化处理后输出到执行机构。运用模糊目标函数，通过闭环控制流程，实现对配电站电压的实时监控，具体控制流程如图4所示。

图4 具体控制流程

由图4可知，由配电站获取实时信息，确定配电站当前运行状态，并判断配电站电压是否越限，如果不越限，则实现对配电站电压的实时监控。否则，计算步骤1中所有可能出现的监控策略，确定相应各组电压值；将各组电压值代入模糊目标函数中，获取二次侧电压值；计算各个物理量隶属函数，经由模糊目标函数确定最优监控策略；依据模糊目标函数获取最优监控策略，并进行实际调控；保存调控前后配电站运行状态，作为电压监控历史参考信息；返回步骤(1)，不断重复上述步骤，实现配电站电压实时监控。

4 仿真实验

为验证基于模糊目标函数的配电站电压实时监控技术的稳定性与高效性，通过仿真实验进行验证分析。实验环境为MATLAB7.0，该技术选取的模糊因子为2，迭代最大误差为0.01，最大迭代次数为550次，并通过在线数据分析软件MOA进行数据分析。在上述条件下，对配电站存储电压和耗散电压进行分析，结果如图5所示。

图5 存储电压和耗散电压分析

由图5可知，在时间为0.162—0.172时，耗散电压最高为242.5 v；而存储电压随着时间增加，最高可达到244 V。在此基础下，为了验证所提技术的优势性，以文献[5]方法和文献[6]方法为对比方法，以监控效率和监控稳定性为对比指标，对比不同方法的应用效果。监控效率对比结果如表1所示。

表1 不同技术监控效率(%)

由表1可知，基于模糊目标函数技术对存储电压的监控效率最高为97%，对耗散电压的监控效率最高为98%；而文献[5]方法对存储电压的监控效率最高为53%，对耗散电压的监控效率最高为45%；文献[6]方法对存储电压的监控效率最高为68%，对耗散电压的监控效率最高为73%。由此可知，基于模糊目标函数的配电站电压实时监控技术监控效率较高，这是因为该技术通过构建模糊方程，来降低控制目标的二次侧电压波动，从而降低了监控干扰，进而提升了监控效率。

不同方法的监控稳定性对比结果，如图6所示。

图6 不同方法的监控稳定性对比

其中，控制稳定性用数值进行表示，具体为0—9，数值越高，稳定性越好。

分析图6可知，运用所提技术对配电站电压进行监控时，稳定系数明显高于文献[5]方法和文献[6]方法，说明该技术在进行监控时，不易受外在因素的干扰，抗干扰性更强。这是由于该技术在配电站分接头和开关电容器的最优调压策略下，根据最小方差自适应控制误差消除原理，能够抵抗外界噪声，从而提高了稳定性。

5 总结

提出的基于模糊目标函数的配电站电压实时监控技术计算量小，容易快速实现，能够满足人们对配电站安全、可靠的高要求。经过仿真实验可知，该技术比传统方法监控效果要好，减少了配电站工作人员劳动强度，提高配电站自动化程度，对于改善传统监控效果，提高配电站安全运行效率具有重要意义。