摘 要：合理補償無功功率對提高電網(wǎng)的功率因數(shù)、降低損耗、提升電壓穩(wěn)定性具有積極意義，但目前農(nóng)區(qū)低壓配電網(wǎng)負載的分散性和波動性給無功補償帶來了很多挑戰(zhàn)。針對無功功率需求快速變化、現(xiàn)有無功補償技術(shù)難以適應(yīng)動態(tài)需求等問題，本文提出了一種基于自適應(yīng)濾波算法的無功補償技術(shù)，旨在實現(xiàn)對農(nóng)區(qū)低壓配電網(wǎng)無功功率需求的動態(tài)補償。由試驗結(jié)果可知，與鵜鶘優(yōu)化算法相比，本技術(shù)無功損耗更低，能夠有效跟蹤電網(wǎng)狀態(tài)的變化，實現(xiàn)了對無功功率需求的快速響應(yīng)和精確補償，其應(yīng)用可顯著提高電網(wǎng)的運行效率和可靠性。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)濾波算法；無功補償；農(nóng)區(qū)低壓配電網(wǎng)；動態(tài)控制

中圖分類號：TM 35 " 文獻標(biāo)志碼：A

隨著電力需求不斷上升，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率問題日益凸顯。在影響電力系統(tǒng)性能的因素中，無功功率補償是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。雖然無功功率不參與能量轉(zhuǎn)換，但其對維持電壓穩(wěn)定和提高輸電效率具有積極性[1]。在農(nóng)區(qū)低壓配電網(wǎng)中，由于負載的多樣性和不穩(wěn)定性，無功功率的需求波動較大，傳統(tǒng)的無功補償技術(shù)往往難以適應(yīng)動態(tài)變化，這些問題不僅影響用戶的用電體驗，還可能導(dǎo)致設(shè)備損壞和能源浪費。因此，開發(fā)一種能夠?qū)崟r響應(yīng)電網(wǎng)狀態(tài)變化的無功補償技術(shù)顯得尤為重要?，F(xiàn)代無功補償技術(shù)通常采用模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)濾波等算法，以實現(xiàn)對電網(wǎng)狀態(tài)的實時監(jiān)測和動態(tài)響應(yīng)。這些算法能夠根據(jù)電網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)，自動調(diào)整補償設(shè)備的運行狀態(tài)，以最優(yōu)的方式滿足系統(tǒng)的無功需求。其中，自適應(yīng)濾波算法通過動態(tài)調(diào)整濾波器的參數(shù)來適應(yīng)輸入信號的變化，從而實現(xiàn)最優(yōu)的信號處理效果[2]。將自適應(yīng)濾波算法應(yīng)用于農(nóng)區(qū)低壓配電網(wǎng)的無功補償，可以有效地跟蹤電網(wǎng)狀態(tài)的變化，并實時調(diào)整補償策略，以滿足不同工況下的無功補償需求。

1 無功補償技術(shù)與農(nóng)區(qū)低壓配電網(wǎng)

無功補償技術(shù)是電力系統(tǒng)中用于提高電網(wǎng)功率因數(shù)、降低能量損耗、改善電壓穩(wěn)定性和提高輸電能力的重要手段。無功補償涉及無功功率的生成和吸收，這些無功功率不參與實際的功轉(zhuǎn)換，但對維持電網(wǎng)的正常運行至關(guān)重要。在交流系統(tǒng)中，由于電感和電容元件的存在，電流和電壓之間會產(chǎn)生相位差，無功功率正是這種相位差的直接體現(xiàn)[3]。無功補償技術(shù)通過提供或吸收無功功率，調(diào)整電網(wǎng)的功率因數(shù)，減少因相位差引起的能量損耗。無功補償?shù)膶崿F(xiàn)方式多種多樣，從傳統(tǒng)的電容器組和電抗器組到現(xiàn)代的SVC和STATCOM，每種方式都有其特定的應(yīng)用場景和優(yōu)勢[4]。在應(yīng)用中，這些技術(shù)并非孤立存在，而是需要與電網(wǎng)的其他部分深度融合，包括與電網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)以及需求響應(yīng)機制等集成，形成一個協(xié)調(diào)的補償策略。

農(nóng)區(qū)低壓配電網(wǎng)通常電壓等級較低，覆蓋面廣，用戶分散，這些特點使農(nóng)區(qū)低壓配電網(wǎng)在無功補償方面面臨部分挑戰(zhàn)。1）負載多樣性。農(nóng)區(qū)的用電負載類型多樣，包括家庭用電、農(nóng)業(yè)機械、灌溉系統(tǒng)等，這些負載的功率需求各不相同，導(dǎo)致電網(wǎng)的無功功率需求波動較大。2）季節(jié)性波動。農(nóng)業(yè)活動具有明顯的季節(jié)特征，例如灌溉季節(jié)和收獲季節(jié)的用電需求會顯著增加，這導(dǎo)致電網(wǎng)負載在不同季節(jié)呈現(xiàn)不同的波動模式。3）電壓穩(wěn)定性。由于農(nóng)區(qū)低壓配電網(wǎng)的線路較長，電阻損耗較大，且負載不均勻分布，容易出現(xiàn)電壓下降和波動問題。4）功率因數(shù)低下。農(nóng)區(qū)用戶往往缺乏對電力系統(tǒng)效率的認識，導(dǎo)致用電設(shè)備未進行合理的無功補償，使整個電網(wǎng)的功率因數(shù)較低。5）技術(shù)普及低。與城市電網(wǎng)相比，農(nóng)區(qū)低壓配電網(wǎng)的智能化水平較低，缺乏先進的監(jiān)控手段，限制了無功補償技術(shù)的應(yīng)用和優(yōu)化。

針對這些問題，開發(fā)一種適應(yīng)性強、成本效益高的無功補償技術(shù)對提升農(nóng)區(qū)低壓配電網(wǎng)的供電質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性具有積極意義?；谧赃m應(yīng)濾波算法的無功補償技術(shù)能夠動態(tài)響應(yīng)電網(wǎng)狀態(tài)的變化，為解決這些問題提供了一種有效的技術(shù)途徑。

2 技術(shù)分析

自適應(yīng)濾波算法通過檢測輸出與期望信號間的誤差，基于此誤差來調(diào)整濾波器系數(shù)。當(dāng)輸入信號進入濾波器后，濾波器產(chǎn)生輸出，將輸出與期望信號進行比較，得出誤差信號。該誤差信號反映了當(dāng)前濾波器的性能表現(xiàn)。利用調(diào)整規(guī)則，根據(jù)誤差信號特征對濾波器系數(shù)進行更新。該過程是持續(xù)且動態(tài)的，隨著輸入信號的變化，濾波器系數(shù)不斷調(diào)整，以逐漸達到最優(yōu)的濾波狀態(tài)，使輸出盡可能接近期望信號。在本研究中，自適應(yīng)濾波算法應(yīng)用于農(nóng)區(qū)低壓配電網(wǎng)的無功補償主要是為了動態(tài)調(diào)整無功補償?shù)妮敵?，以響?yīng)電網(wǎng)狀態(tài)的變化。

2.1 建立模型

為準確描述農(nóng)區(qū)低壓配電網(wǎng)的特性，需要建立包括負載、變壓器、輸電線路等在內(nèi)的數(shù)學(xué)模型?？紤]農(nóng)區(qū)負荷的分散性和不確定性，可采用無功功率需求模型來表示電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如公式（1）所示。

Q=V2?B （1）

式中：Q為無功功率；V為電壓；B為電網(wǎng)的無功功率需求系數(shù)。

實時測量電網(wǎng)的電壓和電流，計算當(dāng)前的無功功率，如公式（2）所示。

Qmeas=Vmeas?Imeas?sin（θ） （2）

式中：Vmeas和Imeas分別為測量的電壓和電流；θ為電壓和電流之間的相位差。

2.2 自適應(yīng)濾波器設(shè)計

自適應(yīng)濾波器設(shè)計是為了動態(tài)調(diào)整無功補償量，以響應(yīng)電網(wǎng)狀態(tài)的變化[5]。設(shè)計一個無限脈沖響應(yīng)自適應(yīng)濾波器，確定濾波器系數(shù)，其系數(shù)w[n]根據(jù)誤差信號e[n]動態(tài)調(diào)整，系數(shù)更新過程如公式（3）所示。

w[n+1]=w[n]+μ??[n]?e[n] （3）

式中：μ為步長參數(shù)；?[n]為輸入信號向量（如電壓和電流的瞬時值）；n為離散時間索引。

定義誤差信號e[n]為期望的無功功率Qdesired與測量到的無功功率Qmeas間的差值，設(shè)置濾波器系數(shù)初始值，根據(jù)誤差信號實時更新濾波器系數(shù)，以保證在滿足補償要求的前提下，盡量減少計算量和硬件成本。

2.3 無功補償控制

基于自適應(yīng)濾波器輸出，設(shè)計無功補償控制策略，以動態(tài)調(diào)整補償設(shè)備的輸出。控制策略應(yīng)考慮補償裝置的響應(yīng)時間、電網(wǎng)的實時狀態(tài)以及無功補償?shù)哪繕?biāo)值。

例如，當(dāng)無功功率缺額較大時，優(yōu)先投入電容器組進行快速補償。利用更新后的濾波器系數(shù)w[n+1]來計算所需的無功補償量，并控制補償設(shè)備進行相應(yīng)的調(diào)整，如公式（4）所示。

ΔQ=w[n+1]??[n] （4）

式中：ΔQ為補償設(shè)備需要提供的額外無功功率。

將計算的補償量轉(zhuǎn)換為對補償設(shè)備的控制信號，例如調(diào)整電容器組的投切或調(diào)整同步補償器的輸出。隨后，將調(diào)整后的無功功率反饋到電網(wǎng)中，并繼續(xù)監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)新的電網(wǎng)狀態(tài)再次調(diào)整濾波器系數(shù)，以實現(xiàn)動態(tài)補償。

2.4 動態(tài)調(diào)整

假設(shè)電網(wǎng)在高峰時段電壓下降，應(yīng)實時監(jiān)測電壓下降和功率因數(shù)降低，根據(jù)負載特性進行分類（例如恒定負載、變動負載、可調(diào)度負載），以便更精確地估計無功功率需求。分析電網(wǎng)節(jié)點的電壓穩(wěn)定性，識別不穩(wěn)定區(qū)域，這些區(qū)域可能需要額外的無功支持，根據(jù)實時測量的功率因數(shù)，確定需要提高功率因數(shù)的區(qū)域，以減少無功功率損耗[6]；根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)和負載特性，動態(tài)設(shè)定補償目標(biāo)，調(diào)整自適應(yīng)濾波算法的步長參數(shù)，增加權(quán)重更新速度，快速響應(yīng)電網(wǎng)變化，例如，當(dāng)負載突變時增加步長，穩(wěn)定后減小步長；根據(jù)計算的補償需求，動態(tài)調(diào)度無功補償，投入或切除電容器組、調(diào)整變壓器抽頭位置、控制STATCOM等，提供所需的無功支持；確保補償策略的調(diào)整在電網(wǎng)狀態(tài)變化后的預(yù)定時間內(nèi)完成，以保證補償?shù)募皶r性，根據(jù)電網(wǎng)響應(yīng)和補償效果，自適應(yīng)調(diào)整濾波器權(quán)重，優(yōu)化補償策略；當(dāng)調(diào)整補償策略時，應(yīng)考慮多個目標(biāo)，例如最小化電網(wǎng)損耗、提高電壓穩(wěn)定性等。此外，關(guān)注用戶的需求響應(yīng)，可允許用戶根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)調(diào)整個人負載，以減少無功功率需求。通過動態(tài)調(diào)整，能夠確保電網(wǎng)在不同運行條件下均能獲得適當(dāng)?shù)臒o功支持，從而提高電網(wǎng)的整體性能。

3 試驗研究

農(nóng)區(qū)低壓配電網(wǎng)在灌溉季節(jié)負載增加，導(dǎo)致無功功率需求上升，電壓水平下降。通過自適應(yīng)濾波算法，可實時監(jiān)測變化，并自動調(diào)整無功補償，以維持電壓穩(wěn)定和提高功率因數(shù)。本試驗針對自適應(yīng)濾波算法的有效性進行分析，以某農(nóng)區(qū)低壓配電網(wǎng)為例，獲取各項數(shù)據(jù)，使用自適應(yīng)濾波算法進行深度驗證。

3.1 無功改進比較

為驗證算法優(yōu)勢，取某農(nóng)區(qū)變電站數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)固定補償，利用傳統(tǒng)無功補償技術(shù)（鵜鶘優(yōu)化算法）與自適應(yīng)濾波算法實現(xiàn)無功改進。首先，在使用鵜鶘優(yōu)化算法的情況下，連續(xù)收集電網(wǎng)的無功功率數(shù)據(jù)，包括無功功率總量、各節(jié)點無功功率分布等，確保數(shù)據(jù)準確。記錄電網(wǎng)的負載變化、電壓波動等運行狀態(tài)，根據(jù)電網(wǎng)特性引入自適應(yīng)濾波算法，設(shè)置算法初始參數(shù)，包括濾波器系數(shù)、步長參數(shù)、輸入信號向量等，并確保算法可實時響應(yīng)電網(wǎng)狀態(tài)變化。其次，在電網(wǎng)控制系統(tǒng)中啟動自適應(yīng)濾波算法，實時監(jiān)測并調(diào)整無功補償裝置的運行，運行期間同步采集電網(wǎng)無功功率數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的可比性，對收集的數(shù)據(jù)進行清洗和預(yù)處理，剔除異常值和噪聲。最后，對基線數(shù)據(jù)和算法運行數(shù)據(jù)進行方差分析，計算自適應(yīng)濾波算法運行前、后無功功率的變化量，分析電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，評估算法對電壓無功改進結(jié)果。

由表1可知，在試驗過程中，自適應(yīng)濾波算法與鵜鶘優(yōu)化算法的計算速度基本一致，自適應(yīng)濾波算法在無功改進后可得出更優(yōu)結(jié)果，無功損耗比鵜鶘優(yōu)化算法更低。使用2種算法進行動態(tài)補償，采用固定補償?shù)漠?dāng)前電壓較低，改進無功后電壓幅值顯著提升。與鵜鶘優(yōu)化算法相比，自適應(yīng)濾波算法局部占優(yōu)，利用該算法的無功改進可得到全局最優(yōu)解，進而提高電壓幅值，電壓穩(wěn)定性得到顯著改善，提高功率因數(shù)，減少能源損耗。

3.2 無功補償結(jié)果

無功補償結(jié)果試驗是一個全面評估自適應(yīng)濾波算法效果的系統(tǒng)化步驟。收集線路阻抗、變壓器參數(shù)等數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（2）、公式（4）構(gòu)建模型，確保模型可自適應(yīng)電網(wǎng)變化。設(shè)計試驗組（動態(tài)補償后）和對照組（已有數(shù)據(jù)）進行比較，動態(tài)補償是指改進后的數(shù)據(jù)，已有數(shù)據(jù)是指改進前的數(shù)據(jù)。在試驗組中部署自適應(yīng)濾波算法，實時監(jiān)控并調(diào)整無功補償設(shè)備，同步采集試驗組和對照組的電壓、電流、功率因數(shù)等運行數(shù)據(jù)，剔除無效數(shù)據(jù)后計算有功損耗，隨后對比2組數(shù)據(jù)，評估自適應(yīng)濾波算法的無功補償效果。

圖1為某農(nóng)區(qū)變電站低壓配電網(wǎng)使用自適應(yīng)濾波算法無功改進后的有功損耗結(jié)果。由試驗可知，改進后的各節(jié)點電壓幅值相對較高，補償后的損耗顯著下降。自適應(yīng)濾波算法能夠有效降低電網(wǎng)的無功功率需求，提高整體功率因數(shù)。

為進一步驗證無功補償結(jié)果，設(shè)置當(dāng)時間為0.5h時引入自適應(yīng)濾波算法，某農(nóng)區(qū)變電站低壓配電網(wǎng)無功功率變化如圖2所示。在固定補償前，電網(wǎng)呈純?nèi)轃o功，導(dǎo)致電網(wǎng)末端電壓升高。當(dāng)時間為2h時，自適應(yīng)濾波算法投入使用后，在經(jīng)數(shù)段工頻后無功功率穩(wěn)定到0，表明自適應(yīng)濾波算法將對無功功率完全補償，可顯著提高電網(wǎng)能效。

3.3 無功補償效益

表2為該農(nóng)區(qū)變電站低壓配電網(wǎng)使用自適應(yīng)濾波算法損耗改進前、后的結(jié)果比較。在試驗中初始化參數(shù)，采集電壓、電流數(shù)據(jù)并進行預(yù)處理，計算當(dāng)前無功功率Qmeas。基于歷史數(shù)據(jù)和上述模型，設(shè)定目標(biāo)無功功率，計算誤差信號并更新濾波器權(quán)重，根據(jù)權(quán)重計算補償控制信號，并執(zhí)行補償動作（可投入額外電容器）。測量實際電壓Vmeas（220V）、實際電流Imeas（10A）、相位差θ（30°）、期望無功功率Qdesired（5000MVar），測量到的無功功率為1100MVar，隨后計算誤差信號，如公式（5）所示。

e[n]=5000-1100=3900 （5）

假設(shè)輸入信號向量?[n]包括電壓和電流的瞬時值，步長參數(shù)μ為0.01，更新濾波器系數(shù)，如公式（6）所示。

w[n+1]=w[n]+0.01??[n]?3900 （6）

根據(jù)更新后的系數(shù)計算改進后的損耗變化，該過程將在每個控制周期內(nèi)重復(fù)進行，以確保電網(wǎng)的無功功率始終保持在期望水平。由試驗可知，損耗均值有所下降，通過自適應(yīng)濾波算法可實現(xiàn)對農(nóng)區(qū)低壓配電網(wǎng)無功補償?shù)膭討B(tài)調(diào)整，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量，并能降低損耗，節(jié)約供電量，能夠為電網(wǎng)運營商帶來經(jīng)濟效益。由于供電質(zhì)量提高，設(shè)備維修成本也相應(yīng)減少。此外，算法的自適應(yīng)性也使其特別適合于應(yīng)對農(nóng)區(qū)電網(wǎng)負載的多變性。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著農(nóng)區(qū)電氣化水平提升，低壓配電網(wǎng)面臨日益復(fù)雜的無功功率管理挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)無功補償技術(shù)已難以滿足現(xiàn)代電網(wǎng)對快速響應(yīng)和精確控制的需求，而本文提出的基于自適應(yīng)濾波算法的無功補償技術(shù)實現(xiàn)了對無功功率需求的實時跟蹤和動態(tài)補償。在研究中，首先分析了農(nóng)區(qū)低壓配電網(wǎng)的運行特性和無功功率補償需求。其次，設(shè)計了一種自適應(yīng)濾波算法用于動態(tài)調(diào)整無功補償設(shè)備的輸出。通過試驗發(fā)現(xiàn)，該算法能夠快速響應(yīng)電網(wǎng)狀態(tài)變化，有效提高了電網(wǎng)功率因數(shù)，降低了損耗，經(jīng)濟效益較高。雖然本文取得了積極成果，但仍存在部分改進空間。1）需要進一步優(yōu)化算法性能，提高其在復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境中的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。2）探索算法與其他智能電網(wǎng)技術(shù)的集成應(yīng)用，例如需求響應(yīng)、分布式發(fā)電等。本文為農(nóng)區(qū)低壓配電網(wǎng)無功補償技術(shù)的發(fā)展提供了新的視角，隨著技術(shù)成熟和完善，基于自適應(yīng)濾波算法的無功補償技術(shù)將為提高電網(wǎng)運行效率、保障電能質(zhì)量、推動農(nóng)區(qū)可持續(xù)發(fā)展做出更多貢獻。

參考文獻

[1]羅浩，劉守豹，汪鳳月，等.發(fā)電機組低負荷下的SVG無功補償技術(shù)應(yīng)用分析[J].電工技術(shù)，2024（8）：106-109.

[2]王鶴霖，程啟明，李明，等.基于自適應(yīng)濾波LMS算法的超高壓TCR動態(tài)無功補償調(diào)壓方案設(shè)計與仿真[J].電測與儀表，2016，53（4）：5-13.

[3]陳智勇，董新偉，李傳輝，等.基于相位與幅值補償?shù)奶摂M同步發(fā)電機低電壓穿越控制[J].電力工程技術(shù)，2024，43（3）：42-51.

[4]蔣忠春，謝飛，馮旭升.臺區(qū)低壓柔性互聯(lián)技術(shù)在新農(nóng)村配電網(wǎng)的應(yīng)用[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2024，14（3）：242-244.

[5]朱濤，海迪，魏靖，等.基于改進蜂群算法的電網(wǎng)最優(yōu)無功配置研究[J].制造業(yè)自動化，2024，46（5）：120-127.

[6]張鵬飛，劉朋熙，章愛武，等.基于粒子群算法的電網(wǎng)資源最優(yōu)匹配方法[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2024，43（5）：27-31.