利用Simulink对变电站电压无功综合模糊控制的仿真

模糊控制的仿真＊

孟

伟，包

蕊，朴在林

（沈阳农业大学信息与电气工程学院，沈阳１１０１６１）

摘要：本文利用ＭＡＴＬＡＢ的模糊逻辑工具箱对实例变电站的电压无功综合控制设计模糊控制系统。利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中的电力系统模块（ＳｉｍＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ）对实例变电站进行搭建，并将设计好的模糊控制系统与构建的变电站模型连接，完成对变电站电压无功的模糊控制，并对此运行模型得出仿真结果。分析仿真结果，满足预先的设计思想及理论要求。关键词：变电站；电压无功；模糊控制；仿真中图分类号：ＴＭ９３３；ＴＭ７４３

文献标识码：Ｂ

文章编号：１００１－１３９０（２００７）１１－００１７－０４

Ｔｈｅｅｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｖｏｌｔａｇｅｒｅａｃｔｉｖｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ

ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｕｔｉｌｉｚｉｎｇｓｉｍｕｌｉｎｋ

ＭＥＮＧＷｅｉ，ＢＡＯＲｕｉ，ＰＩＡＯＺａｉ－ｌｉｎ

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｅｎＹａｎｇＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１０１６１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｕｓｅｓＭＡＴＬＡＢｔｈｅｆｕｚｚｙｌｏｇｉｃｔｏｏｌｂｏｘｄｅｓｉｇｎｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｅｘａｍｐｌｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｖｏｌｔａｇｅｒｅａｃｔｉｖｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌ．Ｂｕｉｌｄｔｈｅｅｘａｍｐｌｅｓｕｂｓｔａ－ｔｉｏｎｍｏｄｅｌｍａｋｉｎｇｕｓｅｏｆＳｉｍＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓｏｆＳｉｍｕｌｉｎｋ，ｃｏｎｊｕｎｃｔｉｎｇｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗｈｉｃｈｈａｓｂｅｅｎｂｕｉｌｔ，ｃｏｍｐｌｅｔｉｎｇｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｔｏｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｖｏｌｔａｇｅｒｅａｃ－ｔｉｖｅ，ｒｕｎｎｉｎｇｔｈｉｓｍｏｄｅｌａｎｄｅｄｕｃｉｎｇｅｍｕｌａｔｉｏｎａｌｒｅｓｕｌｔ．Ａｎａｌｙｓｉｓｉｔ’ｓｓｉｍｕｌｉｎｋｒｅｓｕｌｔ，ｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｄｅｓｉｇｎｔｈｏｕｇｈｔａｎｄｔｈｅｏｒｙｒｅｑｕｅｓｔｉｎａｄｖａｎｃｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ；ｖｏｌｔａｇｅ／ｒｅａｃｔｉｖｅ；ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌ；Ｓｉｍｕｌｉｎｋ

０

引

言

１．１．１模糊控制系统概述

凡采用模糊控制器的系统称为模糊控制系统［５］。模糊控制器不同于常规的控制器那样，采用微分方程，传递函数或状态方程等精确的数学描述，而是通过定义模糊变量、模糊集合及相应的隶属度函数，采用一组模糊条件句来描述输入与输出之间的映射关系。

本文采用模糊控制方法对变电站电压无功进行综合控制［６］，并利用ＭＡＴＬＡＢ模糊逻辑工具箱设计相应的控制系统。在选择模糊控制器各输入输出变量的模糊词集与隶属度函数时充分考虑了变电站电压无功对象的特点。

ＭＡＴＬＡＢ［１］提供的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具箱是一个用来对

动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它为用户提供方框图进行建模的模型接口，该模型接口直观、操作方便、灵活。其中电力系统模块［２］（ＳｉｍＰｏｗｅｒＳｙｓ－电力ｔｅｍｓ）在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下使用，可以对电路系统、电子系统、电机系统、电力传输过程等进行仿真。

ＭＡＴＬＡＢ模糊逻辑工具箱［３－４］可以利用它所提供的工具在ＭＡＴＬＡＢ框架下设计、建立以及测试模糊推理系统。结合Ｓｉｍｕｌｉｎｋ，还可以对模糊系统进行模拟仿真，

以测试模糊系统的功能和效果。

１１．１

基于ＭＡＴＬＡＢ模糊逻辑工具箱的变电站电压无模糊控制系统的设计［３］

功综合控制系统的设计

＊国家科技支撑计划资助项目（２００６ＢＡＪ０４Ｂ０６）

１．１．２输入与输出变量模糊集的确定

选择电压偏差（ｅｖ）的模糊子集为｛ＮＢ，ＮＳ，ＮＺ，ＰＺ，ＰＳ，ＰＢ｝能较为实际地反映变电站电压无功联调的目

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总第４４卷第５０３期电测与仪表Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．５０３Ｎｏｖ．２００７２００７年第１１期ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ标；选择分接头控制量（ｎＴ）的模糊子集为｛ＤＯＷＮ，ＵＣ，ＵＰ｝能较为确切地反映变压器分接头的控制特性，其中ＤＯＷＮ为下调分接头，ＵＣ为不变，ＵＰ为上调；选择无功偏差（ｅｑ）和电容器投切的控制量（Ｑｃ０）的模糊词

集为｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，Ｚ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝。

对于电容器的投切，其中正表示投电容，负表示切电容；ＮＢ为负大，ＮＭ为

负中，ＮＳ为负小，Ｚ为零，ＰＳ为正小，ＰＭ为正中，ＰＢ为正大。

１．１．３输入与输出变量论域的选择

考虑模糊子集对论域有较好的覆盖程度，按论域

中元素总数为模糊子集总数２－３倍的规律，定义模糊输入变量ｅｖ（电压偏差）、ｅｑ（无功偏差）和输出变量

Ｑｃ０（电容器组投切控制量）的模糊集论域为［－６，＋６］，而输出变量ｎＴ（分接头控制量）的模糊集论域为［－４，＋４］。

１．１．４控制规则的确定

控制规则的确定见表１。

表１

控制规则表

利用ＭＡＴＬＡＢ模糊逻辑工具箱对输入与输出变量论域和模糊集的确定，隶属度函数的选择，控制规则的确定等设计出电压无功模糊控制系统ｒｕｉ．ｆｉｓ。

１．２模糊逻辑工具箱与Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的接口

在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的模糊逻辑库中最常用的模块是

ＦｕｚｚｙＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ［３］，将该方块图拷贝到建立的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模块中，并使模糊逻辑控制器方块图的模糊推理矩阵名称与在ＭＡＴＬＡＢ工作空间（Ｗｏｒｋｓｐａｃｅ）建立的模糊推理系统名称相同，即可完成将模糊推理系统与Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的连接。例如本文所建立的模糊推理系统，在ＭＡＴＬＡＢ窗口输入：

ｂｒ＝ｒｅａｄｆｉｓ（＇ｒｕｉ．ｆｉｓ＇）；

然后在ＦｕｚｚｙＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ模块的参数输入对话框中输入模糊推理系统变量名ｂｒ，如图１所示。这样就

－１８－

使得上文所建立的模糊控制系统ｒｕｉ．ｆｉｓ通过模块

ＦｕｚｚｙＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ的调用连接到Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型中，从而完成将模糊推理系统与Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的连接。

图１参数输入

２利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对实例变电站进行电压无功综合模糊控制的仿真

２．１

建立电路模型

根据实例变电站的简化电路结构（如图２）进行仿

真分析［７］。

图２实例变电站电路结构模型

２．２建立仿真模型

如图３所示，此仿真模型是根据图２所示电路结

构设计的［８－１０］，针对Ｍｏｄｅｌ１和Ｍｏｄｅｌ２分别进行的两个独立模型。其中Ｍｏｄｅｌ１是没有通过模糊控制对变压器分接头进行调节，并且没有无功补偿装置的；而

Ｍｏｄｅｌ２通过引入模糊控制系统分别对变压器分接头

和无功补偿装置进行调节。

系统输出即变压器一次侧电压为６６ｋＶ，频率为

５０Ｈｚ，系统的视在功率为５０ＭＶＡ，变压器二次侧电压为１０ｋＶ。有载调压变压器分接头的初始档位为０。线

路、分支负荷及分散补偿的参数已在仿真模型中标出。

２．３电压无功模糊控制的具体实现２．３．１有载调压变压器模块

双击ＦｕｚｚｙＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＢｌｏｃｋ模糊控制模块（如图３所示）得到如图４所示的模糊控制子系统，其输入端为电压偏差ｅｖ和无功偏差ｅｑ，其ｇｏｔｏ模块ｎＴ即是模

糊控制器ＦｕｚｚｙＬｏｇｉｃＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ的一个输出端，用

ｆｒｏｍ模块ｎＴ与ｇｏｔｏ模块ｎＴ相匹配，将ｆｒｏｍ模块ｎＴ与比较模块连接，进而与有载调压变压器的ｕｐ和

总第４４卷第５０３期电测与仪表Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．５０３Ｎｏｖ．２００７２００７年第１１期ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎｄｏｗｎ端口连接即可达到变压器分接头采用模糊控制的设计思想（如图５所示）。

图３变电站电压无功综合模糊控制的仿真模型

图４模糊控制子系统

图５

采用模糊控制调节变压器分接头

２．３．２无功补偿控制模块

无功补偿控制的设计思想是采用模糊控制器的输出来控制电容器组的投切。在设计时将ｓｅｌｅｃｔ子系统（如图６所示）连接在ＳＴＡＴＣＯＭ静止无功补偿器的

Ｔｒｉｐ端。在ｓｅｌｅｃｔ１子系统中，设计了Ｆｒｏｍ模块Ｓ１，相应在ｓｅｌｅｃｔ２子系统中有Ｆｒｏｍ模块Ｍ２，在ｓｅｌｅｃｔ３子系统中有Ｆｒｏｍ模块Ｂ３。这３个Ｆｒｏｍ模块对应的Ｇｏｔｏ模块在Ｑｃ０无功控制模块（如图３所示）中，双击此模块得到如图７所示的无功控制子系统。在图７中可以看到Ｆｒｏｍ模块Ｑｃ０，这个模块与图４中的Ｇｏｔｏ

模块Ｑｃ０相匹配，以实现采用模糊控制器的输出来控制电容器组投切的目的。在图７中可以看到Ｊｕｄｇｅ模块，双击此模块得其子系统，此子系统的功能是对模糊控制器的输出Ｑｃ０进行判断，判断任意时刻的无功偏差值处在哪一范围内，进而选择投切电容器组数以满足实际要求来达到无功补偿的目的。

图６无功补偿控制

图７

无功控制子系统

２．４

分析仿真结果

通过观察显示模块Ｓｃｏｐｅ，对比Ｍｏｄｅｌ１和Ｍｏｄｅｌ２

仿真结果，如图８所示，其中蓝色线为Ｍｏｄｅｌ１的仿真

结果，绿色线为Ｍｏｄｅｌ２的仿真结果，分析如下：

（１）Ｔａｐ１，Ｔａｐ２（变压器分接头档位）：由于Ｍｏｄｅｌ２模型中采用模糊控制对变压器分接头进行调节，从仿真结果中可以明显看出其分接头调节次数比没有采用模糊控制的Ｍｏｄｅｌ１模型的调节次数减少了很多，使变压器的使用寿命以及整个系统的电压稳定，从仿真结果看出本设计满足设计要求。

（２）ＶＢ２ＶＢ４（ｐｕ）：ＶＢ２为Ｍｏｄｅｌ１中变压器二次侧电压（标么值），ＶＢ４为Ｍｏｄｅｌ２中变压器二次侧电压（标么值）。可以看出通过模糊控制系统其仿真输出（绿色线）与没有通过控制的仿真输出的（蓝色线）相比，绿色线比蓝色线波动小且围绕着１上下波动，波动次数也明显少了很多，说明通过模糊控制使得系统变压器二次侧输出电压稳定，波动较小，满足设计要求。

（３）ＰＢ１ＰＢ３（ＭＷ）：ＰＢ１为Ｍｏｄｅｌ１中变压器一次侧有功功率，ＰＢ３为Ｍｏｄｅｌ２中变压器一次侧有功功

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总第４４卷第５０３期电测与仪表Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．５０３Ｎｏｖ．２００７２００７年第１１期ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ率。从仿真结果数值上看两个模型变压器一次侧的有功功率基本一致，由于两个模型在设计时所带的负载是相同的，消耗相同的有功功率，因此理论上两个模型变压器一次侧的有功功率应该是相同的，可见理论分析与实际仿真结果一致。绿色线比蓝色线波动次数少，说明系统变压器一次侧有功功率输入稳定。

（４）ＱＢ１ＱＢ３（ＭＶａｒ）：ＱＢ１为Ｍｏｄｅｌ１中变压器一次侧无功功率，ＱＢ３为Ｍｏｄｅｌ２中变压器一次侧无功功率。从仿真结果数值上看Ｍｏｄｅｌ１的变压器一次侧输入的无功功率比Ｍｏｄｅｌ２变压器一次侧输入的无功功率要多。由于设计时Ｍｏｄｅｌ２在变压器二次侧进行无功补偿，因此一次侧输入到系统中的无功应该减少，故理论分析与实际仿真结果一致。系统中传输的无功过多会造成系统电压下降、网损增加，通过无功补偿可使无功就地平衡，减少系统中传输的无功或避免系统无功不足，达到电压、系统的稳定。可以看出绿色线照蓝色线波动次数少，说明通过控制的系统变压器一次侧无功功率输入稳定。

３结论

（１）

本课题采用模糊控制的方法对变电站电压

无功综合控制进行研究。

（２）总结得出的控制规则。

（３）利用ＭＡＴＬＡＢ的模糊逻辑工具箱对实例变电站的电压无功的综合控制设计模糊控制系统。

（４）利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中的电力系统模块（ＳｉｍＰｏｗｅｒ－

Ｓｙｓｔｅｍｓ）对实例变电站进行搭建，并将设计好的模糊

控制系统与构建的变电站仿真模型连接，完成对变电站电压无功的模糊控制，运行此模型得出仿真结果。

（５）仿真分析结果，满足预先的设计思想且与理论分析相符。

４展望

本文目前虽然取得了阶段性的成果，但在功能和实用性上还需进一步的完善和提高，今后要开展的工作主要包括：

变电站电压无功综合控制是一个多限值、多目标的最优控制问题，其控制策略应根据实际要求需不断完善。本文提出的控制策略虽然弥补了当前一些控制策略的不足，例如传统九区图法［１１］、１３区域图法、１７区域图法以及与电压关联的无功边界的电压无功调节［１２－１４］等方法，很大程度上避免了变压器分接头的频繁动作和电容器组投切震荡等现象；但本策略［１５］没有充分考虑不同负荷时段对无功功率的需求和负荷突变情况下的控制要求以及无功负荷的变化趋势对电压的影响等，因此加入负荷预测环节，结合负荷的变

－２０－

图８

示波器Ｓｃｏｐｅ仿真结果化趋势对电压和无功进行联调是进一步研究的方向。

参

考

文

献

［１］尹泽明，丁春利．精通ＭＡＴＬＡＢ６［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００２．［２］黄永安．ＭＡＴＬＡＢ７．０／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ６．０建模仿真开发与高级工程应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５．

［３］吴晓莉，林哲辉．ＭＡＴＬＡＢ辅助模糊系统设计［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，２００２．

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五区图”电压无功综合控制原理的再讨论［Ｊ］．电力系统自动化，２００５，２９（２３）：６９－７５．作者简介：

孟伟（１９６５－），女，汉族，教授，主要研究方向为电力系统及其自动化。

Ｅｍａｉｌ：ｇｏｌｄｅｎｆｌｙｉｎｇ１２３＠１６３．ｃｏｍ

朴在林（１９５５－），男，汉族，教授、博士生导师，主要研究方向为电力网络规划及其自动化、电网节能控制研究等。

收稿日期：２００７－０５－１２

（王龙编发）