0 引言
　　电力系统的电压是衡量电能质量的一项重要指标，电压波动过大，不仅会影响电气设备的效率和寿命，而且还会危及到系统的安全稳定运行，甚至会引起电压崩溃造成大面积停电的严重事故。因此保证电压质量合格，是电力系统安全优质供电的重要条件。同时无功是影响电压质量的一个重要因素，而实现无功的分层、分区就地平衡是降低网损的重要手段。因此各级变电站担当着电压和无功调节的重要任务。在变电站中利用有载调压变压器和并联补偿电容器进行局部的电压及无功补偿的自动调节，以保证负荷侧母线电压在规定范围内及进线功率因数尽可能接近1，称为变电站电压无功综合控制（VQC）[1]。传统的变电站电压无功控制依靠运行值班人员手动调节(就地/远方)，难以做到判断正确和操作及时，很难保证调节效果，并会增加调节操作次数，甚至有操作失误的危险，已不适应电力系统的发展。为保证电压质量、无功平衡和电网安全可靠经济运行，对变电站实行电压无功自动控制已成为一项重要的控制措施。VQC的基本原则要求是: 保证电压合格，无功基本平衡，尽量减少调节次数。由于过度频繁的调节有载调压变压器分接头和投切并联补偿电容器会引起变压器和开关设备故障，因此各变电站对其日调节次数均有严格的限制[2]。合理的电容器组投切方式是采用循环投切方式，使先投入运行的电容器组先退出，后投入的后切除，以减低电容器组的平均运行温度，减少投切开关的动作次数，延长其使用寿命[3]。
　　各科研和生产部门在变电站电压无功综合控制方面研究开展得较早，并提出了很多的控制策略。

1 传统九区图法
　　目前较多的VQC产品采用基于九区图的控制策略，控制装置根据电压、无功、时间、负荷率、开关信息、有载调压变压器分接头档位和电容器投切等多因素进行综合判断，根据实时数据判断当前的运行区域，再按照一定的控制方案，闭环地控制站内并联补偿电容器的投切及有载调压变压器分接头的调节，以最优的控制顺序和最少的动作次数使运行点进入到第9区（正常工作区）。
图1传统的九区图法示意

　　传统的九区图法控制策略是按照固定的电压和无功（或变电站进线端功率因数）上下限将电压—无功平面划分为9个区域。U是变压器低压侧母线电压，Q是变压器高压侧无功功率（见图1a图）。Q越下限（功率因数超前）表示变电站向电网倒送无功，Q越上限（功率因数滞后）表示电网无功不足，Q上下限之差应至少大于1组电容器容量。有载调压变压器和并联补偿电容器的基本调节规律为: 变压器分接头上调（或下调）后，U变大（或变小）， Q变大（或变小），进线功率因数cosφ变小（或变大），一般调节分接头对无功的影响不大; 投入（或切除）电容器后，Q变小（或变大），U变大（或变小），cosφ变大（或变小）。各区域的控制方案可参考文献[1-4]。
　　传统九区图法由于未考虑无功调节对电压的影响及电压调节对无功的影响，实际使用时会造成振荡、装置频繁动作的现象。例如图2中，如系统运行于A点（位于△Uq小区，△Uq为投入1组电容器所引起的电压变化量），电压接近上限而无功严重不足，根据3区的控制方案，将投入1组电容器进行无功补偿，引起电压升高，则投电容后运行点将可能进入2区而非9区（也可能进入1区）; 装置再根据2区的控制方案（下调分接头降压）使运行点可能又回到△Uq小区，如此反复，从而产生振荡动作。
　　又如图2中，如系统运行于B点（位于△Qu小区，△Qu为上调1档分接头所引起的无功变化量），电压越下限而无功接近上限，根据5区的控制方案，应先上调分接头升压，引起无功变大，则上调分接头后，运行点有可能进入3区; 而根据3区的控制方案: 先投电容，若无电容可投，则下调分接头。如果无足够的电容可投，则下调分接头，运行点就又可能回到△Qu小区，从而产生振荡。
　　九区图法还存在着其他缺陷，文献[5]指出如变电站一二次母线电压都高（低）时，应首选切除（投入）电容的措施，而不是如1、2区（5、6区）采用降压（升压）的控制方案，使二次电压变小（变大），从而使一次电压会变得更大（更小），可能会造成系统电压失稳。

2 改进的九区图法
　　针对传统九区图法对于某些区对控制的结果产生振荡现象以及装置频繁动作的缺陷，对传统的九区图进行了改进。图3增加了2-3和6-7两个小区作为防振区，△Uq为投切1组电容器所引起的电压变化最大量。当运行点位于2-3（或6-7）小区内时，控制方案为下调分接头降压（或上调分接头升压），南瑞继保RCS-9656型、VQC-II型电压无功综合调节装置即采用此控制策略。

　　图3 改进的九区图法（1） 　　　　　　　　图4 改进的九区图法（2）

　　有人提出了较图3更完善的改进的九区图（实质为13区域图法）。见图4所示，ΔU为投切1组电容器引起的电压最大变化量; ΔQ为调节1档分接头引起的无功最大变化量。如DWZK-II型电压无功自动控制装置即采用此控制策略，其各区的控制方案为:
　　9区: 不调节。
　　1区: 降压，如分接头调到底,强切电容。
　　2区: 如有电容可投，则先降压后再投电容,否则维持。
　　3区: 投电容，当可投电容全部投入时，则维持。
　　4区: 投电容，如可投电容全部投入后电压仍低于下限，强行升压。
　　5区:升压，如分接头调到顶，则强投电容。
　　6区: 如有电容可切，则先升压后再切电容,否则维持。
　　7区: 切电容，如无电容可切，则维持。
　　8区: 切电容，如电容全部切除后电压仍高于上限，强行降压。
　　更为改进的策略是在9区图中再细分8个小区，采用17区域图法的控制策略，见图5所示，Q+（Q-）表示无功越上限（下限），U+（U-）表示电压越上限（下限）。每个区的控制方案可自动整定，也可手动整定。自动整定时可按5种方式进行: 只考虑电压、只考虑无功、电压优先、无功优先、综合考虑。
　　然而这些改进的控制策略存在的一个普遍问题是控制为单向控制，认为ΔUu、ΔUq、ΔQu、ΔQq为恒定值， VQC将一直使用这些定值。而这些定值与实际值的误差往往会导致装置的误动作或振荡动作[6]。

图5 17区域图法

3 无功模糊边界的九区图法
　　变电站电压无功综合控制是一个多变量、强耦合、非线性、控制规律不能用一个统一的数学模型来描述的控制问题。而模糊控制能有效解决受多因素影响的复杂控制问题，因其优越性，因此有人提出了基于模糊控制理论的变电站电压无功控制方法。
　　考虑到无功调节对电压会产生影响，文献[7-8]提出将电压状态引入无功调节判据，把原先固定的无功上下限边界变为受电压影响的模糊边界。
　　根据文献[9]提出的电容器组的投切判据:

　　
　　 式中U0为标准电压，U为实时电压，Q0为1组电容器容量，Q为实时无功，α1、α2为权重系数（由无功调节的边界条件决定）。设U=U0，Q≥1.5Q0时，投入1组电容; 设U=1.05U0，Q≥2Q0时，投入1组电容，代入投电容判据，可得α1＝20/3，α2＝2/3。为防止电容过补偿，可增设电容投入辅助判据Q≥Q0。设U=U0，Q≤－0.5Q0时，切除1组电容; 设U=0.95U0，Q≤－Q0时，切除1组电容，代入切电容判据，可得α1＝20，α2＝－2。由此无功投切判据可得电压和无功调节的模糊边界，见图6所示。模糊控制器的设计采用一阶控制模型，以从变电站母线采集的电压和无功作为其输入，以作用于变压器分接头和电容器投切的控制量作为其输出，构成双输入双输出结构。模糊控制器按照以上的电压无功自动调节判据组织模糊控制规则，把电压和无功偏差量从基本论域转换到模糊集论域，定义模糊词集后，根据图6的电压和无功调节的模糊边界，建立基本的模糊控制规则[7]。

　图6 电压和无功模糊调节边界 　　　图7 引起动态控制性能不佳的区域示意图
　　电压和无功模糊边界调节方法考虑到了电压无功的动态平衡。如当运行点位于三角形abc区域内时（见图6），由原来的控制方案，需投入电容，从而使电压进一步升高，可能越过U上限。按照现在的模糊无功边界，投电容的边界值随电压的状态而改变，此时电压较高，无功不是太缺可以不投电容，这种判别方法符合人的判断推理规律，从而避免了因投电容引起的电压进一步升高和可能导致的不必要的分接头调节。同固定边界的无功调节方法相比，模糊边界的无功调节方法在稳定电压和减少有载调压变压器分接头的调节次数的同时，并没有增加无功的调节次数和降低无功的补偿效果。基于此原理的典型产品有MCVQ-1变电站电压无功微机综合控制装置。
　　文献[10]针对电压偏差很小，无功偏差很大时（见图7阴影区），文献[7]所提出的基本模糊控制器会出现动态控制性能不佳的情况，引入了可变规则处理功能，建立了可变规则的模糊控制器（仍是双输入双输出一阶结构模型），经数字防真取得了更为理想的控制效果。

4 结语
　　基于九区图法的VQC装置目前已有不少种类，并得到了一定范围的应用。但这种控制策略存在着投切振荡、装置频繁调节的缺陷，虽进行了改进（如采用17区域图法、模糊边界等），仍存在不少弊端。如该法中电压、无功的上下限值是给定的定值，如果上下限值给定的不合理，则不论控制策略多么完美，都不可能得到最佳的控制效果。文献[11]提出根据一天各负荷点的有功和无功负荷曲线及电网结构，按全网离散无功优化模型计算得出各变电站变压器高压侧无功和低压侧母线电压的最佳变化曲线，再根据所得曲线确定无功和电压的上下限值。鉴于人工智能技术的发展，越来越多的人提出了基于人工智能的电压无功控制方法，如基于神经网络的负荷预测的VQC[5，12-13]，基于专家系统的VQC[6，14]等，基于遗传算法的VQC[15]等等，可参考有关技术文献。⊙

参考文献
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