（系统工程专业论文）模糊控制与神经网络在电压稳定性问题中的应用研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 电力系统本质上是一个动态的非线性系统，其稳定性一直是研究的重要课 题，其中电压稳定性是一个重要的研究方向。电压质量是衡量电能质量的主要指 标之一，为确保电力系统电压稳定及整个系统的经济运行、减少电网损耗，电力 部门在大多数变电站配置了有载调压变压器和并联补偿电容器，运行时适当调节 变压器分接头的位置和投切并联补偿电容器，可以在一定范围内保证供电质量同 时达到电网经济运行的目的。 本文首先分析了电力系统中影响电压稳定性的三个主要因素，即无功补偿对 电力系统电压稳定性影响、有载调压变压器调整对电压稳定性的影响以及负荷固 有的非线性特性对电压稳定性的影响。在此基础上本文将模糊控制方法用于并联 补偿电容器组和有载调压变压器的综合控制中，利用模糊决策原理将系统电压以 及无功水平控制在允许的范围内。该系统将电压偏差和功率因数偏差作为模糊输 入变量进行模糊化，经过模糊推理，并通过解模糊化运算给出控制信号作用于有 载调压变压器和电容器组，结合实际电站系统参数对其进行仿真试验，仿真结果 表明该控制系统稳定可靠，具有较好的控制效果。 通过对影响电压稳定性因素的分析，有载调压变压器的负调压效应和负荷特 性是造成电压失稳的重要原因。本文应用人工神经网络工具，分别设计了有载调 压变压器负调压效应预测系统及典型静态负荷临界电压和最大负荷功率预测系 统。在神经网络的设计中通过试验选择合适的隐层节点数以及学习率和动量因子 来构建神经网络，选择测试误差较小的一组神经网络作为实际预测系统。通过分 析试验数据以及对神经网络的设计以及训练，神经网络可以很好的完成电压稳定 临界值的预测工作，提高了系统运行的可靠性。 最后，总结了本文所做的主要工作，同时指出研究中存在的问题以及今后研 究工作的重点。 关键词：电力系统；有载调压；负荷；无功电压控制；电压稳定性；模糊控制 人工神经网络； 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep o w e rs y s t e mi sa l le s s e n t i a l l yn o n l i n e a rd y n a m i cs y s t e m ；i t ss t a b i l i t yh a s b e e nam a j o rr e s e a r c ht o p i c v o l t a g es t a b i l i t yi sa ni m p o r t a n tr e s e a r c ha s p e c ti nt h e s t a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e m v o l t a g eq u a l i t yi so n eo ft h ek e yi n d i c a t o r st om e a s u r e p o w e rq u a l i t y t oe n s u r et h es y s t e m se c o n o m ya n dr e d u c et h el o s so ft h ep o w e r s y s t e m ，m o s to ft h ep o w e rc o m p a n i e si n s t a l lt h eo nl o a dt a pc h a n g e r ( o l t c ) t r a n s f o r m e ra n dp a r a l l e lc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o rb a n k si nt h es u b s t a t i o n b ya d j n s t i n g t r a n s f o r m e rt a pr u n n i n gp o s i t i o na n dp a r a l l e lc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o rs w i t c h i n g ，i tc a l l e n s u r et h es y s t e m sv o l t a g es t a b i l i t ya n de c o n o m i co p e r a t i o na tt h es a m et i m e i nt h ep o w e rs y s t e mt h e r e a r et h r e ep r i m a r yf a c t o r sa f f e c t e dt h ev o l t a g e s s t a b i l i t yt h a ti st h ep a r a l l e lc a p a c i t o r sc o m p e n s a t i o n , o l t ca n dt h el o a di n h e r e n t n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c sr e s p e c t i v e l y t h i st h e s i sp r e s e n t e daf u z z yc o n t r o lm e t h o d b a s e do nt h ec o m b i n a t i o nc o n t r o lo ft h ec o m p e n s a t o rc a p a c i t o rb a n k sa n dt h eo l t c m a i nt r a n s f o r m e rf u r n i s h e di n l a r g e s c a l e e l e c t r i cs u b s t a t i o n b ye s t a b l i s h i n gt h e m o d e lw i t hr e a c t i v ep o w e ra n dv o l t a g ep a r a m e t e r sb a s e do nt h ec o m b i n a t i o nc o n t r o l o ft h ec o m p e n s a t o rc a p a c i t o rb a n k sa n dt h eo l t cm a i nt r a n s f o r m e rf u r n i s h e di n l a r g e s c a l ee l e c t r i cs u b s t a t i o nt e s t e dt h ef u z z yc o n t r o ls y s t e m ，i nt h ec o n t r o ls y s t e m ， t h ec h a n g eo fv o l t a g ea n dp o w e r - f a c t o rw e r ef u z z i f i e da st h ei n p u tv a r i a b l ea n dt h e o l t ca n dt h ec a p a c i t o rb a n k sw e r ec o n t r o l l e db yt h eo u t p u ts i g n a lw h i c hw a s c a l c u l a t e da f t e rf u z z yi n f e r e n c ea n dd e f u z z i l y i n g t h er e s u l tp r o v e si t ss t a b i l i t ya n d v a l i d i t yb ys i m u l a t i o nw h i c hc o m b i n e dw i t ht h er e a l i z e ds u b s t a t i o np a r a m e t e r s b ya n a l y s i sa l lf a c t o r st h a ti m p a c tv o l t a g es t a b i l i t yt h eo l t cn e g a t i v ee f f e c t s a n dt h el o a dc h a r a c t e r i s t i c sa r et w om a j o rr e a s o n s t h i sp a p e rd e s i g n st h eo l t c n e g a t i v ee f f e c t se a r l yw a r n i n gs y s t e ma n dt h el o a dc h a r a c t e r i s t i c s e a r l yw a r n i n g s y s t e mu s i n ga r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kt o o ls e p a r a t e l y i nt h ed e s i g no ft h ea r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k ，b yc h o o s i n gas u i t a b l ei n t e r m e d i a t el a y e r sa n dl e a r n i n gr a t ea n d m o m e n t u m , t h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kr e d u c e sp r o d u c t i o ne r r o r sa n di m p r o v et h e a c c u r a c y b yt h ed e s i g na n dt r a i n i n go fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，t h et w oe a r l y t i 江苏大学硕士学位论文 w a r n i n gs y s t e m sc a nm a k eag o o dp r e d i c t i o ni nt h ev o l t a g es t a b i l i t y , a n di m p r o v et h e s y s t e m 。ss t a b i l i t y i nt h ee n d ，t h ep a p e rs u m m a r i z e st h em a i nw o r k st h a th a v eb e e nd o n e ，a tt h e s a m et i m ep o i n t so u tt h ee x i s t i n gp r o b l e m sa n dt h ef o c u so ff u t u r er e s e a r c h k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，o l t c ，l o a d ，r e a c t i v ep o w e ra n dv o l t a g ec o n t r o l ， v o l t a g es t a b i l i t y , f u z z yc o n t r o l ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 1 1 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密瓯 学位论文作者签名：襄1 i 司 2 矿p 6 年l 月c 牛日 指剥雠：尹 聊g 年jz ，月l 伊 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：关目 日期：z 矿p 6 年 乙月i 牛日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的提出及研究的目的和意义 电力工业对国民经济的发展具有重要的推动作用，电力行业属于先行行业， 它既为工、农等各个行业提供必不可少的动力，又和人们的日常生活有着密切 的联系。电力系统必须在最大程度满足用电需求的同时保证供电的稳定性、可 靠性，提高运行的经济性。电压质量是衡量电能质量的主要指标之一，它对各 类用电设备的安全经济运行有着直接的影响。电压波动过大不仅影响用户的正 常用电，而且会危及电力设备的性能及可靠运行，严重时甚至会使电网崩溃， 造成大面积停电的严重事故，给国民经济带来巨大损失【1 】 2 】【3 】【5 1 。 一般而言：电力系统往往是逐渐发展起来的，初期电网结构薄弱，输电网 络相对分散，大部分受端系统处于形成过程中，因此此时电网安全性的突出问 题主要是同步运动稳定性。一些按规划发展的电网，无论在电源接入系统、受 端系统建设以及运行系统的安全自动监控方面，均着重考虑系统同步稳定性问 题并由此制订相应的措施。然而随着电力系统的不断发展，受端系统逐渐扩大， 负荷容量不断集中，远方电源供电比重逐渐增加，变电单元容量不断增大，同 时由于一些新的科学技术的介入，例如微电子技术、电力电子技术、现代控制 和现代通信技术的出现而引发的新老技术的衔接问题，这些现状及发展趋势一 方面可以为人类带来巨大的经济效益和社会效益，另一方面也给电力系统发生 电压稳定性事故提供了客观条件1 4 】。 以往人们在很长一个时期里对于发达电网中潜伏的电压稳定性问题的威胁 认识不足，以致近年来国际上一些大电网多次发生了以电压崩溃为特征的重大 电压稳定性事故。比较典型的有1 9 8 3 年1 2 月2 7 日瑞典电网发生的电压稳定性 事故，1 9 8 7 年1 月1 2 日法国西部电力系统电网崩溃性事故，1 9 8 7 年7 月2 3 日 日本东京电网停电事故以及1 9 9 6 年8 月1 0 日美国西部电力系统大停电事故【“。 这些以电压崩溃为特征的电网瓦解性事故每次均带来巨大的经济损失，同时也 引起了社会的极大紊乱。除了电压崩溃恶性事故外，还出现过多次电压持续偏 低或异常事件，这引起国际电工学界很大震动。我国张家口、徐州等电网也曾 江苏大学硕士学位论文 发生过程度不同的电压稳定性事故。 现代电网的发展趋势对电压稳定性问题提出新的要求。为了更合理地利用 能源，打破地域限制，保护生态环境，提高经济效益，满足不断增长的用电需 求，建立大规模联合电力系统是世界各国电力工业发展的必然趋势。如日本有 九家电力公司己互联成联合系统；美国原各相对独立的电力系统在发展中也互 相联网，目前已形成三大联合系统，并由九个区域性电力可靠性协调委员会和 北美电力可靠性协调委员会协调各系统间的规划、运行和调度：在欧洲电网的 跨国互联非常普遍：前苏联等国家电网互联处在一个重新定位和谋求更紧密合 作的新阶段，目前已形成五个多国互联系统，并逐步向统一的欧洲电网过渡； 在中东和沿地中海各国计划分五个区域逐步建立联合电力系统；另外，南非发 展共同体各国和扎伊尔、拉丁美洲各国电力系统，以及北美各国电力系统也在 分别研究和考虑它们各自国内系统间加强互联的问题及跨国互联的问题。我国 六大跨省电网已经建成，随着长江三峡电站的建设，全国统一联合电力系统将 会实现。国内外电力系统日益向大机组、大电网、超高压和远距离输电方向发 展，这在提高经济效益、保护环境的同时，很大程度上增加了维持系统电压稳 定性的难度 7 加】。 目前我国电力系统已步入超高压，大机组、远距离输电时代。由于投资条 件和建设速度的限制，我国各电网常常会因某种原因在接近极限输送能力的状 态下运行，这就难免产生电力系统电压稳定性问题，如以贵州、广西、广东、 香港电网形成的南方互联网络1 9 9 4 年5 月2 5 日因大亚湾核电站l 号机带满负 荷时突然跳闸，造成持续4 0 s 的严重系统振荡，引起天广联络线解列，事故记 录表明虽未形成系统电压崩溃性事故，但多处电压支撑薄弱，电压水平低及联 络线超功率，已初步具有电压失稳雏形【”1 。大量资料和运行经验表明，在现代 电力系统中，电压稳定性事故与同步运行稳定性、频率稳定性事故相比，更具 有“隐蔽性”和“突发性”，且易于发展为严重的大面积停电事故川【l i 】【1 2 1 。因此， 如何提高电力系统电压稳定性问题已成为电力系统发展中不可忽视的重大问 题。 要维护电力系统的电压运行水平，首先必须做好电网无功电源的优化，增 加电网电压无功的调控能力，实现无功功率的就地平衡f 4 】。在电力系统中，电 江苏大学硕士学位论文 压质量和无功功率分布有着密不可分的关系，电力系统运行电压取决于无功功 率的平衡。如果系统内无功功率不足，将使电压降低，在系统有突然扰动的情 况下，可能使电压低于临界电压值，产生电压崩溃，从而导致系统因失去同步 而瓦解的重大事故。事故经验表明，高峰负荷时无功功率不足是造成电压崩溃 的主要原因【4 】【1 3 】。 在电压稳定性问题的研究中有载调压变压器的“负调压效应”以及负荷特 性在事故发生中占据着重要的地位【6 】。目前人们已经认识到，当系统处于重载 状态，有载调压变压器的分接头的调整可以带来“负调压效应”甚至引起电压 失稳；另外，在电压变化时，负荷固有的非线性动态特性常常会不利于系统电 压稳定。因此加强电力系统电压稳定性预测工作，为运行人员及调度人员提供 可靠的参考依据，安排好系统的运动方式无疑是防止电压稳定性事故的最切实 有效的手段。 电力部门在设计变电站时，为确保电力系统运行的经济性、可靠性并减少 电网损耗、补偿系统内无功功率不足，通常配置有载调压变压器和并联补偿电 容器，运行时适当调节变压器分接头的位置和投切并联补偿电容器可以在一定 范围内保证供电质量和电网的经济运行。目前多数变电站对有载调压变压器分 接头的调整和并联电容器的投切还主要是人工进行，这一方面加大了运行人员 的工作量，另一方面也存在误操作的可能性。基于这一背景，本论文首先设计 一个模糊控制器对有载调压变压器的分接头和无功补偿电容器进行综合控制。 模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 是结合传统的基于规则的专家系统、模糊集和控制理 论的成果而诞生的【1 8 1 。在模糊控制中，通过获取专业知识、经验建立控制规则 进行宏观控制而不需要对被控过程进行定量的数学建模。因此将模糊控制应用 到有载调压变压器的变比和电容器的综合控制中可以充分利用专家经验，自动 高效的将二次电压控制在一定的范围内，可以减少人为操作带来的负面影响， 稳定系统电压，同时提高供电质量。 由于有载调压变压器的负调压效应和负荷特性是造成电压失稳的重要原 因，因此对负调压特性和负荷特性的监控预测就显得十分重要。目前随着变电 单元容量的不断扩大，由调度命令切除集中负荷的频度会越来越低，但是在一 些紧急状态下，有时又是必要的。例如，日本东京电力系统1 9 8 7 年发生电压稳 江苏大学硕士学位论文 定性事故后采取的对策中，有一条就是与用户签订紧急状态时切负荷的合同【耐。 本文结合神经网络分别设计了有载调压负调压特性预测系统及负荷特性预测系 统。神经网络具有学习能力和泛化能力，通过对神经网络的设计与训练，可以 完成电压稳定临界点的预测工作，在实际应用中为调度人员及运行人员操作提 供依据，保证通过及时的投切备用电容器或其它处理方法提高系统运行的经济 性和可靠性。 综上分析，本论文将模糊控制和神经网络系统应用到电力系统电压稳定性 问题的研究中。使用模糊控制技术对有载调压变压器和无功补偿电容器进行综 合控制，可以保证系统电压在允许的范围内运行；通过训练神经网络来预测有 载调压变压器负调压效应以及负荷特性对电压稳定性可能产生的不利影响，期 望可以在保证电力系统电压的稳定控制的同时实现电压稳定临界点的监督预测 工作，保证电力系统的可靠、稳定的运行。 1 2 本课题的研究概况 早在四十年代，苏联学者马尔可维奇等就已提出了第一个电压稳定判据1 ， 但是直到七十年代中期，电压稳定问题都未得到充分的认识及足够的重视。近 三十年来，随着科学技术的发展和电能需求量的日益增加，电力系统的规模越 来越庞大，远距离传输的超高压直流线路、大容量的发电机组和新型的控制装 置等得到了普遍的应用，这对于合理利用能源、充分挖掘现有电网的输电能力 和保护环境都有重要的意义，但是同时也给电力系统的安全运行带来了不少问 题，其中之一便是电压不稳定或电压崩溃引起的电力系统局部丢失负荷甚至是 大面积停电。我国电网在七、八十年代也发生过类似的事故，例如1 9 7 2 年7 月 2 7 日湖北电网，1 9 7 3 年7 月大连电网和1 9 8 7 年6 月张家口电网等电压崩溃事 故【6 】。严酷的事实促使各国电力界开始关注和研究电压稳定问题。 目前为止，人们对电压失稳或崩溃的机理尚不完全清楚，也没有建立比较 完整的大系统电压稳定性分析和控制的理论体系。美国e p r i 输电小组在1 9 8 2 年规划电力系统运行方面的研究方向时把电压崩溃和不正常电压问题的研究列 为重要的课题；1 e e e 和c i g r e 也成立专门的工作小组来研究电压稳定问题， 他们分别发表了有关电压稳定性的研究报告；法国、意大利和日本等国的电力 江苏大学硕士学位论文 公司则分别提出了电压崩溃事故应急措施的初步方案【2 - 6 1 。 电压稳定性问题已引起国际电工学界的重视，但对电压稳定性问题仍侧重 在模型、机理及分析方法等方面的研究，对于如何提高电力系统电压稳定性措 施的研究工作正在逐步展开。由于对电压稳定性问题的机理认识不尽相同，因 此一些国家所采取的措施也不完全一样 7 , 1 3 - 16 】。日本注重无功源的协调控制，提 出了一套提高电压稳定性的自动控制方案。法国从改进一次调压和调频技术出 发提出电压和调速控制器从设计到实验一体化方法。在改进二次调压技术方面， 斯洛文尼亚研究了完全分散型的二次调压方案，并通过模糊决策过程或人工神 经网络来克服分散控制间的通信问题。目前世界上只有少数几个电力公司实现 了二次电压控制的实时运动。另外，法国和意大利对改进二次电压控制和引入 三次电压控制极为重视，法国已经开发了一个有协调级的二次电压控制系统， 美国目前也致力于研制智能型切负荷保护装置以防止电压崩溃现象的发生。 就目前情况看，对电压稳定性问题的研究虽已取得了很大进展，但与其他 稳定性问题相比，系统的理论体系尚未建立，而且对电压崩溃机理的认识也不 统一，安全指标计算尤其是系统的研究方法仍有待更深入的研究 1 7 - 1 9 】。当前对 电压稳定性的研究主要从电压的静态、动态、暂态稳定性以及电压崩溃等方面 进行，具体包括系统建模、电压失稳及崩溃机理的探讨、电压稳定安全指标计 算等。 对静态对象的电压稳定性研究主要基于潮流方程，如最大功率法、灵敏度 法、潮流多解法、潮流雅可比矩阵奇异法【4 】。安全指标计算实质上是求取电力 网输送功率的极限运行状态。通过上述研究人们认识到引起电压失稳的主要原 因是：传输功率过高；电源点远离负荷中心；无功补偿不充分；电源电压偏低。 由于多次事故都与系统元件的固有动态特性有关，如1 9 8 7 年日本东京电网 电压崩溃性事故与大量温控负荷的动态特性有关，法国电网的电压崩溃性事故 与有载调压变压器和发电机励磁特性有关【4 】，所以各国学者普遍加强了对电压 动态和暂态稳定性的一研究。考虑到系统元件的动态特性，更多地采用微分代 数方程组描述系统模型，研究方法主要是小扰动法和数值仿真法。 在电压稳定性问题的研究中，描述系统性态的模型是各项研究工作的基础。 采用不同的系统模型和分析方法，最终得到的研究结果必然存在差异。目前人 江苏大学硕士学位论文 们普遍认为电压稳定性问题的理论体系不成熟，甚至对电压稳定性的基本概念 和失稳机理都缺乏统一的认识。实际工作中研究者往往根据问题的需要而选用 不同的系统模型。 当前电压调节采用的主要方法有：通过改变发电机的端电压进行调压，这 是一种较经济的调压方式，不需要另外增加设备，但该方式只是对孤立运行的 小容量电厂或供电范围不大时才能有效地发挥作用，对于多个发电厂的电力系 统或具有多级电压的大型电网，由于各节点上的无功功率平衡情况不同，因此， 该方式不能完全满足要求；通过改变变压器的分接头改变变比达到改变二次电 压的目的，目前变电站的变压器一般都装设有载调压分接开关，可以通过调节 调压线圈的抽头改变变比将二次电压控制在一定范围内，但这种方式必须在电 力系统的无功电源充足的条件下才是行之有效的：通过改变电网无功功率的分 布保证电压水平，由于电网结构日趋复杂，电压等级不断提高，各种用电设备 接入电网消耗大量无功，必须加装无功补偿设备，才能保证电压水平，一般情 况下，为避免无功在电网上的远距离传输，无功补偿采取就近补偿原则。 在现代电网中，无功补偿装置和有载调压变压器广泛应用。随着电网规模 的不断扩大和电压等级的逐步升高，为了满足现代电网无功功率分层分区就地 平衡、维持运行电压水平的要求，达到系统稳定、经济运行的目的，各种形式 的并联补偿电容器，电抗器以及串联补偿电容器得到了愈来愈广泛的应用【6 】。 它们的应用无疑为控制负荷功率因数，防止工频过电压和操作过电压，降低传 输功率时功率损耗起到了积极作用。尤其是近年来出现的静止补偿器( s v c ) ， 由于具有调节速度快，调节平滑，切换损耗低等优点，已逐渐成为现代电力系 统提供事故后无功功率，维持系统稳定的主要应急用设备。 但是无功补偿装置的安装地点、补偿类型、投切的时机都是系统在规划和 运行中需要注意的问题，否则将不能达到预期的效果，甚至会给系统带来一些 负面的影响。而有载调压变压器也并不是在任何情况下都能实现所期望的负荷 电压调节，有效地调节电压必须是以系统具有充足的无功功率为前提的。另外 多次事故经验表明，有载调压变压器重载时的“负调压效应”会给系统电压稳 定性带来不利影响，这也是一个值得关注的问题。 随着电力电子技术的发展，各行业除了负荷水平增长很快外，负荷的类型 江苏大学硕士学位论文 也在不断增加，如空调负荷、冶炼设备、传动装置等类型的负荷。这些负荷的 出现使得负荷节点处综合负荷的动态特性和非线性特征更为突出，负荷的数学 模拟也更为困难。实际上负荷的难以确定性已成为维持现代电力系统电压稳定 性的一个主要障碍。 电力系统本质上是一个动态的非线性系统，电压稳定性态的改变，实质上 是一种从稳态走向分叉的过程，所有分叉点的集合即形成分叉超曲面。实践证 明，分叉理论是对非线性动态系统进行结构稳定性机理分析的有力工具【2 4 2 6 1 。 应用分叉理论加强对电压稳定性的研究工作，尽早提出一种适应于当前电力系 统电压稳定性分析的理论模式，指导电力系统规划和安全生产，防患于未然， 无疑具有极其重大的理论意义和实际意义。 1 9 6 1 年，a n d r o n o v 和n e i m a r k 应用分叉理论，研究三机系统保测守恒问题， 引起电工学界的重视【2 7 】。1 9 8 1 年a r o p o s t h a t i c s 应用分叉理论分析潮流方程，研 究了静分叉与潮流方程无解的关系问题 2 8 1 。在文献【2 9 1 中k w a n t n y 和p a s r i j a 等人 应用分叉理论研究了电力系统微分代数模型下的多平衡点稳定性问题。彭志 炜、胡国根等人( 6 l 应用分叉理论研究了电压稳定性问题中两个重要问题即如何 实现大范围追踪平衡解流形以及如何搜索、判别电压失稳分叉点及分叉点处的 新分支方向问题。 电力系统电压失稳可以看成是一个含参数系统，对于小扰动稳定的系统由 于某些控制参数的不断变化，也会使系统丧失稳定性。为了能采取积极主动的 措施，防患于未然，人们开始注重从现行运行状态搜索系统临界状态的研究， 因此应用分叉理论研究系统的临界状态以便了解现行运行状态的安全稳定裕度 是当前的研究热点。 另外当前普遍对电力系统电压安全分析与监视方面较为重视【”。美国西部电 力系统在1 9 9 6 年8 月1 0 日发生由电压失稳引起的大停电事故后，为防止再次 出现类似事故，采取的措施中有一条是要求对太平洋交流联络线的稳定极限进 行重新研究和校核。由于电压稳定性事故所具有的隐蔽性和突发性的特点，对 于超前电压安全监视系统的研究已显得十分重要，它可以为调度及运行人员提 供可靠的影响电压稳定的信息。日本和法国在这方面进行了尝试性的工作1 1 】。 最近2 0 年来，电力系统电压稳定性研究取得了令人瞩目的成果。电压稳定 江苏大学硕士学位论文 的离线分析方法日趋成熟，文献 3 0 提出了离线电压稳定分析的一般框架。但 电压稳定的离线和在线分析存在着一些不同点：离线分析时系统操作不确定性 较大，需考虑全部预定故障，计及系统设各情况，以及设备检修与故障的复合， 同时随季节和时间的不同，系统的操作条件有很大的不同：与此相比，在线分 析时，系统的拓扑状态等运行条件都已知，不但降低了系统的不确定性，同时 也使得系统电压稳定裕度可相应降低。因此电力工程师们将电压稳定性研究成 果应用于电压稳定的实时监控中。早期的文献 3 1 提出通过一系列潮流计算求 取功率裕度的方法。文献c 3 2 利用数对潮流高低电压解拟合出p u 蓝线。文献 3 3 利用q 角度描述系统接近电压稳定极限的程度。文献 3 4 提出以d 向量监 视电压稳定性，并提出相应的电压稳定预防控制策略。一般说来，大部分用电 压稳定指标表征电压稳定性的方法，都具有一定的电压稳定实时监控能力，有 些还可以辨识电压稳定薄弱环节。以上这些方法大多基于系统扩展潮流方程的 雅可比矩阵在电压稳定极限处奇异这一特点，本质上是静态分析方法。文献 3 5 提出以中长期仿真方法为核心的在线电压监视系统。文献 3 6 提出以预测状态 估计为基础的在线电压稳定监视技术，将系统分析和系统状态估计结合在一起。 根据上述国内外研究现状，提高电力系统电压稳定性应主要从以下方面着 手，并且有些已处于实用阶段： ( 1 ) 快速投入并联电容器组 正常情况下，并联电容器组为了控制稳定，自动投切时必须带有一个时滞 环节。但在紧急状态下，这个时滞环节不利于电压稳定。因此，当系统在接近 极限状态下运行时，可考虑采用自动加速投入并联电容器组方案。 ( 2 ) 合理投入静止无功补偿器( s v c ) 与静止无功发生器( s v g ) 。 s v c 与s v g 是近年来新发展的无功功率补偿和电压调节设备。它们的主要 特点是调节迅速，运行维护量小，可靠性较高，切换工作方式时有功损耗较小， 这些都是造价与其相当的同步调相机所不及的。为了突出它们调节快速的优点， 正常情况下应使其运行在接近零功率的水平，用以提高异常或事故后的无功紧 急备用能力。因此为了节约投资并能充分发挥它们的作用，s v c 与s v g 的调 节容量和安装地点是一个值得研究的问题。为了更合理有效的控制电压，目前 日本采用微处理机电压无功控制( v q c ) 与s v c 结合，取得了较好的控制效果。 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 正确控制有载调压变压器( o l t c ) 分接头调整。 正常情况下对于由系统直接向负荷供电的有载调压变压器，当系统无功充 足时改变o l t c 分接头是调节负荷电压的一种有力手段。然而，多次电压稳定 性事故表明，o l t c 调整并不总是有利于电力系统电压稳定性，尤其是重载时 o l t c 调整常常会带来“负调压效应”，导致系统电压崩溃产生。因此正确控制 有载调压变压器分接头调整，对实现电力系统稳定性的良性控制有直接影响。 重载时o l t c 调整也并不是总会带来“负调压效应”，一般而言，o l t c 调整效 果与当时受端系统的无功平衡状况负荷类型及特性、o l t c 动态特性及容量、 调压档距、输电距离等因素有关。因而，重载时是否闭锁o l t c 分接头的调整 应根据具体情况综合考虑。 ( 4 ) 应用能量管理系统e m s e m s 分为三级：数据收集与监视级；能量管理级；网络分析级。其中网络 分析软件是利用电力系统全面信息进行分析与决策，主要目标是提高系统运行 的安全性和经济性。耳前人们正致力于开发在线电压安全稳定监视软件的工作， 并将成果不断补充到e m s 的网络部分分析级中。如1 9 9 0 年日本东京电力公司 研制出电压安全监视及电压安全估计系统，实时运行时能每分钟显示一次p u 曲线、系统的无功储备并提供相应的控制策略。法国和英国也推出了相似的软 件系统。比利时国家调度中心研制的软件系统显示q u 曲线，应用无功裕度反 映电压安全性。e m s 正是由于具有信息完整、高效率、正确掌握系统状态、加 快决策、缩短故障反应时间、预防性分析避免系统故障、适应系统变化等优点， 逐渐成为现代电力系统调度决策不可缺少的有力工具【4 】。 电力系统电压稳定性综合调控方面，为了协调电网中各种无功功率调节和 电压控制手段，从运行安全性与经济性考虑，应实现分层和分区控制，一般分 为三个控制层： ( 1 ) 一次电压控制 电压的快速无规则变化主要由发电机励磁调节进行补偿，其次由变压器分 接头自动调整进行校正。这种一次电压控制过程要求快速。 ( 2 ) 二次电压控制 自动管理在一地区内可以利用的动态无功功率，从而控制电压的长期变化 江苏大学硕士学位论文 过程。 ( 3 ) 三次电压控制 三次电压控制为手动，目的是要取得全系统各点电压的全面协调。 目前一些发达国家已开始重视电力系统电压稳定性的综合调控研究，为了 改进一次调压调频技术，法国在一大型发电机上装设特殊设计的自动电压调节 器( a v r ) 以提高稳定极限和输电容量。目前法国还提出了电压和调速控制器 从设计到实时试验一体化方法。在改进二次调压技术方面，最好的方案是以开 环或闭环方式集中使用最优潮流软件，实现全局准优化控制。斯洛文尼亚研究 了完全分散型二次调压方案，并通过模糊决策过程或人工神经元网络来克服分 散控制间的通信问题。法国、意大利等国家对改进二次电压控制和引入三次电 压控制的协调性问题也十分重视。 变电站电压无功控制是一个多输入多输出的闭环自动控制系统。模糊理论 适合处理由不确定性、不精确性带来的问题，其对被控对象参数变化不敏感， 利用模糊理论求解变电站电压无功优化问题是较有效的方法。当前很多学者将 模糊控制应用到电力系统电压稳定的研究中【4 】，分别按功率因数大小、母线电 压以及二者之间进行综合控制。模糊控制方法与人工神经网络预测方法在电压 稳定问题中目前只是处于理论研究阶段，尚未进入应用，合理的使用这些智能 控制方法必然会提高系统运行的稳定性及可靠性。 1 3 本论文的主要研究内容及安排 本论文的主要研究分成两个部分，第一部分在分析电压稳定性影响因素的 基础上，结合实际变电站系统参数研究应用模糊控制系统综合调节变压器变比 和电容器投切，以达到调节系统电压的同时提高系统功率因数的目的；第二部 在基于分析影响电压稳定性因素的临界状态的基础上，应用神经网络分别设计 有载调压负调压效应预测系统和典型静态负荷特性电压临界点预测系统。 论文的安排如下： 第一章绪论 阐述了电压稳定性问题国内外研究现状，简要介绍了本论文研究的主要内 容以及论文的安排。 江苏大学硕士学位论文 第二章理论基础部分 简要介绍了模糊控制、神经网络理论的基本原理和系统构成，另外，简略 介绍了电压稳定性分析的一些相关概念。 第三章影响电力系统电压稳定性主要因素的分析 在分析电压稳定性问题的基础上，简述三个主要影响系统电压稳定性的因 素，分别为补偿电容器、有载调压变压器及系统负荷特性对电压稳定性的影响。 第四章模糊控制在变电站无功电压综合调节中的应用研究 推导出大型变电站的模型，并研究了对补偿电容器组和有载调压的主变压 器进行模糊控制方法应用模糊控制理论对系统无功电压进行综合调节，达到 稳定系统电压和保证电力系统经济运行目的。 第五章神经网络在电力系统电压稳定问题中的应用 设计了两个神经网络系统，分别对有载调压变压器负调压效应和典型静态 负荷特性电压失稳临界点进行预测。通过试验选择合适的隐层节点数及学习率 和动量因子，选用测试误差较小的网络作为预测系统。 第六章结束语 归纳了本论文的主要研究工作，并指出了有待解决的问题。 江苏大学硕士学位论文 第二章基本理论与基本概念 智能控制是控制理论发展的高级阶段，它主要用来解决用传统方法难以解 决的复杂系统的控制问题。智能控制对模型不确定系统以及高度非线性系统具 有较好的控制作用，在没有人工参与的情况下能够完成自动处理功能。 本章简要介绍智能控制理论中的模糊控制理论和神经网络理论，另外简单 介绍电力系统稳定性的一些基本概念。 2 1 模糊控制理论 模糊控制是一类智能控制的表现形式，现代计算机虽然具有极高的计算速 度和极大的存储能力，但却不能完成一些人看起来十分简单的任务。一个很重 要的原因是人具有模糊决策和推理能力，模糊控制正是试图模仿人的这种能力。 模糊控制理论是以模糊数学为基础建立起来【2 1 】。 模糊数学诞生于1 9 6 5 年，其创始人是美国的自动控制专家l a z a d e h 教授， 他首先提出用隶属函数( m e m b e r s h i pf u n c t i o n ) 来描述模糊概念，创立了模糊集 合论，为模糊数学奠定了基础【翻。 模糊数学一开始并不为大多数人所接受，但从2 0 世纪7 0 年代后期，模糊 数学得到较快的发展，并取得了一系列显著的成绩。1 9 7 4 年，英国学者 e h m a m d a n i 首先将模糊控制理论应用于锅炉和蒸汽机的控制，验证了模糊理 论的有效性。8 0 年代后期以来，日本首次将模糊技术运用于家电产品、地铁、 过程控制、故障诊断、交通管理、图像处理、机器人技术等各个领域，掀起了 一股模糊热【2 m 。 近年来，随着信息科学技术飞速发展，为模糊理论的发展和应用提供了广 阔的前景，模糊理论在学术界也得到普遍的认同和重视。当前，模糊理论和应 用正向深度和广度迸一步发展，已成为世界各国高科技竞争的领域之一。 2 1 1 模糊逻辑控制系统的基本结构 模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 是结合传统的基于规则的专家系统、模糊数学和 控制理论的成果而诞生的，它与基于被控过程数学模型的传统控制理论有很大 的区别。在模糊控制中，并不是像传统控制那样需要对被控过程进行定量的数 江苏大学硕士学位论文 学建模，而是试图通过从领域专家那里获取知识，即是一种基于专家经验的宏 观控制方法，其核心是用语言描述的控制规则。 模糊控制规则通常用“如果，则( i f - t h e n ) ”的方式来表达在实际控制 中的专家知识和经验。模糊控制的最大特征是将专家的控制经验、知识表示成 语言控制规则，然后用这些规则控制系统，对模型未知的、复杂的非线性系统 进行控制。 图2 1 模糊控制系统的组成 模糊系统由模糊控制器和控制对象组成如图2 1 所示，模糊控制器是根据 误差信号产生合适的控制作用，输出给控制对象。它主要包括以下四个部分： 模糊化；知识库；模糊推理；清晰化。 模糊化的作用是将输入的精确量转换成模糊化量。其输入量包括外界的参 考输入、系统的输出或状态等。模糊化的具体过程如下： ( 1 ) 首先对输入量进行处理，变成模糊控制器要求的输入量。 ( 2 ) 将上述已经处理过的输入量进行尺度变换，使其变换到各自的论域范 围； ( 3 ) 模糊化过程即将已经变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原来 精确的输入量变成模糊量，并用相应的模糊集合表示。 一个非模糊值的模糊化就是根据输入语言变量的定义确定相应于每个语言 值的隶属度。对它们分别定义若干个模糊集合，如“负大”( n l ) 、“负中”( n m ) 、 “负小”( n s ) 、“零”( z ) 、“正小”( p s ) 、“正中”( p m ) 、“正大”( p l ) ，并 在其内部论域上规定各个模糊集合的隶属函数，将普通变量的值转变成了模糊 变量( 即语言变量) 的值，完成了模糊化工作，此时输入量的取值变为模糊量。 江苏大学硕士学位论文 知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标。它通常由数据 库和模糊控制规则库两部分组成。 ( 1 ) 数据库主要包括各语言变量的隶属函数，尺度变换因子及模糊空间的 分级数等。 1 2 ) 规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则。它们反映了控 制专家的经验和知识。 模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。 该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。进行模糊推理 时，首先计算控制规则中每条规则条件的满足程度，然后依据条件的满足程度 推断按单一规则输出的大小，最后将所有规则的输出累加，得到总的模糊输出。 清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量( 模糊量) 变换为实际用于控制 的清晰量j 它包含以下两部分内容：将模糊的控制量经清晰化变换，变成表示 在论域范围的清晰量：将表示在论域范围的清晰量经尺度变换变为实际的控制 量。 模糊控制是模仿人的一种控制方法。在模糊控制中，通过用一组语言描述 的规则来表示专家的知识，专家知识通常具有如下的形式： i f ( 满足一组条件) t h e n ( 可以推出一组结论) 在i f t h e n 规则中的前提和结论均是模糊的概念。 2 1 2 模糊化运算 模糊化运算是将输入空间的观测量映射为输入论域上的模糊集合。模糊化 在处理不确定信息方面具有重要的作用。在模糊控制中，观测到的数据常常是 清晰量。主要采用以下两种模糊化方法： 1 单点模糊集合 如果输入量是准确的，通常将其化为单点模糊集合。这种方法只是形式上 将清晰量转变成模糊量，而实际上它表示的仍是准确量。 2 三角形模糊集合 如输入量数据存在随机测量噪声，这时模糊化运算相当于将随机量变换为 模糊量。对这种情况，可以取模糊量的隶属度函数为等腰三角形，常用的方法 是取为铃形函数。 江苏大学硕士学位论文 2 1 3