顧焱 王強 于琨琨 岳亮 王乾

摘要：現(xiàn)階段無功電壓調(diào)節(jié)設(shè)備多為局部或就地運行，缺少集中協(xié)同控制，同時存在控制器動作不合理的現(xiàn)象。物聯(lián)網(wǎng)與無功電壓控制技術(shù)相結(jié)合，使以上問題具備了解決的可行性?，F(xiàn)提出基于物聯(lián)網(wǎng)的配電網(wǎng)無功電壓控制系統(tǒng)，對配電網(wǎng)和無功調(diào)節(jié)設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進行全方位感知、分析和處理;同時研究了系統(tǒng)的控制策略，旨在實現(xiàn)集中協(xié)同控制，以達到降低網(wǎng)損、改善電能質(zhì)量、延長設(shè)備使用壽命、提升配電網(wǎng)運行經(jīng)濟性的目的。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);控制系統(tǒng);控制策略

0 ? ?引言

隨著電力需求的逐年增長，電力市場對電能質(zhì)量提出了更高的要求。配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的最終環(huán)節(jié)，其自動化程度相對較低，網(wǎng)損嚴重，已成為制約電網(wǎng)平衡發(fā)展的一個重要因素。配電網(wǎng)無功補償裝置和電壓控制系統(tǒng)雖然能夠一定程度改善電能質(zhì)量，降低網(wǎng)損，但仍存在如下幾個方面的局限性：

（1）無功電壓調(diào)整多采用就地方式，只能達到局部平衡效果，當負荷出現(xiàn)劇烈波動時，對整體的平衡要求不能及時響應(yīng);

（2）對無功補償和電壓控制缺乏統(tǒng)一管理，同時補償和控制策略存在不合理性，導(dǎo)致調(diào)節(jié)設(shè)備動作過于頻繁，影響供電穩(wěn)定性;

（3）配電網(wǎng)分布范圍廣，受數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，調(diào)節(jié)裝置實時通信性能差，普遍缺少通信接口和功能擴展模塊，難以實現(xiàn)集中協(xié)調(diào)控制;

（4）供電線路長，電壓質(zhì)量不高，電能損耗問題突出，偏遠地區(qū)低電壓情況普遍，電力設(shè)備的利用率和使用壽命也深受影響。

然而泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，彌補了傳統(tǒng)配電網(wǎng)前端感知能力、中間傳輸交互能力和終端運算存儲能力方面的劣勢，建立一個互聯(lián)互動、可感可控的智能配網(wǎng)成為可能，進而能夠?qū)崿F(xiàn)無功電壓集中協(xié)同控制，以達到降低網(wǎng)損，提高設(shè)備運行經(jīng)濟性，改善電能質(zhì)量的目的。

1 ? ?配電網(wǎng)無功電壓控制系統(tǒng)組成

配電網(wǎng)無功電壓控制系統(tǒng)（以下簡稱“系統(tǒng)”），由無功電壓控制終端、無功電壓智能控制器、無功電壓智能控制物聯(lián)云系統(tǒng)三部分組成，分別對應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)感知層、處理層和分析層，如圖1所示。

1.1 ? ?無功電壓控制終端

無功電壓控制終端對配電線路的電壓、電流、無功功率和補償設(shè)備狀態(tài)等運行數(shù)據(jù)進行采集，配置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，在通信正常情況下，將線路運行數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到上層的無功電壓智能控制器，接收并執(zhí)行由無功電壓智能控制器制定的控制策略及無功補償控制指令。同時無功電壓控制終端具備數(shù)據(jù)處理能力，能夠就地制定控制策略，當通信中斷時，能夠保證無功補償正常運行，待通信恢復(fù)后上傳線路運行數(shù)據(jù)及動作記錄。

1.2 ? ?無功電壓智能控制器

由于配電線路覆蓋范圍廣，無功電壓控制終端數(shù)量多，如果線路運行數(shù)據(jù)全部交由電壓智能控制物聯(lián)云系統(tǒng)分析處理，運算數(shù)據(jù)量巨大，系統(tǒng)負擔(dān)過重，故將無功電壓智能控制器作為系統(tǒng)的物聯(lián)邊緣計算節(jié)點，使其具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，補充云端的計算能力。根據(jù)負荷數(shù)據(jù)、運行環(huán)境數(shù)據(jù)及無功相關(guān)因素，通過機器學(xué)習(xí)實現(xiàn)無功電壓調(diào)節(jié)策略模型的生成，制定控制策略，并將策略遠程下發(fā)到無功電壓控制終端。

1.3 ? ?電壓智能控制物聯(lián)云系統(tǒng)

電壓智能控制物聯(lián)云系統(tǒng)對無功電壓智能控制器制定的策略進行統(tǒng)一管理和分析，根據(jù)無功電壓智能控制器上傳的電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，對其整體策略制定的合理性進行校驗和調(diào)整，然后下發(fā)到無功電壓智能控制器，用于更新控制策略。

云系統(tǒng)同時是人機交互的展示界面，包括用戶管理、通信管理、設(shè)備管理、策略管理、操作日志管理、無功監(jiān)控等功能[1]。

用戶管理：編輯用戶信息，展示配電線路拓撲關(guān)系和補償節(jié)點設(shè)置情況。

通信管理：用來顯示無功電壓控制終端和無功電壓智能控制器的離線、在線狀態(tài)。

設(shè)備管理：顯示和設(shè)置補償節(jié)點的電壓及補償電容器的投入容量和投切次數(shù)。

策略管理：設(shè)置控制方式，可根據(jù)需要選擇功率因數(shù)控制、無功功率控制、電壓控制或是分時段控制方式，輸入和修改目標控制參數(shù)[2]。

操作日志管理：將系統(tǒng)操作內(nèi)容保存到云系統(tǒng)中，同時對線路運行數(shù)據(jù)進行壓縮處理并存儲在云系統(tǒng)，為物聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)分析提供支持。

無功監(jiān)視：在配電拓撲圖中顯示各節(jié)點的運行數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率和無功功率，根據(jù)算法計算補償容量，編制控制指令，下發(fā)無功電壓智能控制器執(zhí)行。

2 ? ?配電網(wǎng)無功電壓控制系統(tǒng)控制策略分析

配電網(wǎng)無功電壓控制系統(tǒng)控制策略制定為兩級控制：一級控制為分時段控制，二級控制為九域控制。

2.1 ? ?分時段控制

分時段控制作為一級控制，決定了電容器投切的整體趨勢?？刂撇呗缘母轮芷谠O(shè)置為一天，把可能投切無功補償裝置或者改變運行方式的時刻作為階段劃分的分界點。因此，在進行階段劃分時要與負荷曲線相互結(jié)合，只把對應(yīng)負荷曲線峰或谷的時刻作為劃分階段的分界點。負荷由峰轉(zhuǎn)谷，電容器只切不投;負荷由谷轉(zhuǎn)峰，電容器只投不切，這樣能夠有效減少由于負荷波動引起的電容器投切震蕩。

負荷預(yù)測是制定分時段控制調(diào)控方案的基礎(chǔ)，利用物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)形成無功負荷預(yù)測曲線。然后采用模糊聚類算法，得到配電網(wǎng)無功負荷預(yù)測曲線的多種動態(tài)分段方案。最后使用信息熵法計算出最優(yōu)分段數(shù)，確定峰谷時段劃分方案。

2.2 ? ?九域控制

二級控制是在一級控制的基礎(chǔ)上執(zhí)行配電網(wǎng)無功電壓集中協(xié)調(diào)控制。首先確定電網(wǎng)無功電壓集中協(xié)調(diào)控制的目標函數(shù)，本系統(tǒng)選擇有功功率損耗最小、電壓質(zhì)量最優(yōu)、三相不平衡率最低，可以表示為：

F=k1Ploss+k2+k3 ? ? ? ?（1）

ΔU=Ui-Uimax ?（Ui>Uimax）

0 ? ? ? ? ? ?（Uimin≤Ui≤Uimax）

Uimin-Ui ?（Ui

式中：Ploss為有功功率損耗;Uimax為電壓上限;Uimin為電壓下限;Ui為節(jié)點電壓;Iimax為節(jié)點三相中的最大電流;Iimin為節(jié)點三相中的最小電流;k1，k2，k3為加權(quán)系數(shù)。

確定目標函數(shù)后，使用前推回代潮流計算方法進行網(wǎng)損計算，從而確定各節(jié)點的補償容量和電壓分布。具體方法為：前推過程是由末端負載節(jié)點向始端變壓器節(jié)點推算線路中的有功功率損耗，忽略壓降，求取始端節(jié)點的功率;回代過程是運用前推過程求取的始端變壓器節(jié)點功率和測量電壓，推算末端負載節(jié)點的壓降，此過程忽略功率損耗[3]。將上述過程進行迭代運算，設(shè)置一個常數(shù)作為收斂值，當兩次計算的末端負載電壓差值小于收斂值時，計算結(jié)束。

潮流計算結(jié)果應(yīng)滿足如下約束：

節(jié)點無功補償容量上下限控制變量約束：

Qcimin≤Qci≤Qcimax ? ? ? ? ? ?（3）

節(jié)點電壓上下限狀態(tài)變量約束：

Uimin≤Ui≤Uimax ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

確定各節(jié)點的補償容量和電壓分布后，便可以利用九域控制策略的基本思想，控制補償電容器的投切動作。如圖2所示，結(jié)合分時劃分，在每個時段內(nèi)，通過潮流計算可以得出電壓幅值與無功功率的最優(yōu)點[4]。

當某一劃分時段產(chǎn)生負荷波動時，二級控制的潮流計算和九域控制可能會與一級控制策略產(chǎn)生沖突，此時系統(tǒng)執(zhí)行一級控制策略。例如，某一時段，負荷由峰轉(zhuǎn)谷，一級控制判斷電容器只切不投，二級控制可能會因為這一時段內(nèi)的負荷波動，發(fā)出投入電容器命令，此時應(yīng)按照一級控制命令，只切除電容器，切除容量由二級控制計算并執(zhí)行。

3 ? ?總結(jié)與展望

電力泛在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與無功電壓控制技術(shù)相結(jié)合，能夠解決配電網(wǎng)無功電壓集中協(xié)調(diào)控制的問題。兩級控制策略在滿足電網(wǎng)電壓無功要求的前提下，減少補償裝置投切次數(shù)，以有功功率損耗最小、電壓質(zhì)量最優(yōu)、三相不平衡率最低為目標進行集中協(xié)調(diào)控制，從而提高設(shè)備運行經(jīng)濟性，改善電能質(zhì)量，提高配電網(wǎng)的自動化程度。

在后續(xù)的研究中仍有許多方面可以進行改進：

（1）數(shù)據(jù)傳輸能力。配電網(wǎng)由于分布范圍廣、線路長，偏遠地區(qū)信號差，通過無功電壓智能控制器與無功電壓控制終端通信模塊的優(yōu)化，可以削弱因通信中斷導(dǎo)致系統(tǒng)失控的影響。

（2）目標函數(shù)的選擇。不同潮流計算和負荷預(yù)測的算法直接影響理論電壓幅值與無功功率的最優(yōu)運行點，如何建立適合配電網(wǎng)的計算體系，仍需深入研究。

（3）控制策略的優(yōu)化。傳統(tǒng)九域控制已難以適應(yīng)電網(wǎng)精細化管理的要求，在此基礎(chǔ)上拓展的模糊邊界算法、加入時間維度的立體九域等方式，可以嘗試應(yīng)用到配電網(wǎng)無功電壓控制系統(tǒng)中。

[參考文獻]

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[3] 劉樂.基于牛頓拉夫遜法的含分布式電源配電網(wǎng)潮流計算[D].石家莊：河北科技大學(xué)，2018.

[4] 竇雯.時間序列分析在電力系統(tǒng)無功優(yōu)化中的應(yīng)用[D].濟南：濟南大學(xué)，2013.

收稿日期：2020-07-24

作者簡介：顧焱（1969—），男，上海人，工程師，從事電力設(shè)備運行方面的研究工作。