電壓無(wú)功優(yōu)化控制應(yīng)用平臺(tái)設(shè)計(jì)

張曉斌

摘要：隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，用電需求不斷增加，電力系統(tǒng)負(fù)荷不斷增加，無(wú)功需求也不斷增加。當(dāng)無(wú)功功率不平衡時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電能質(zhì)量、電壓、功率因數(shù)和線(xiàn)損等問(wèn)題。因此，實(shí)現(xiàn)合理的無(wú)功補(bǔ)償是保證配電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的首要條件，關(guān)系到用戶(hù)能否獲得優(yōu)質(zhì)安全的電力。目前，我國(guó)大部分電網(wǎng)存在無(wú)功容量不足的問(wèn)題，不僅會(huì)造成巨大的損耗，還會(huì)威脅系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，分析無(wú)功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化配置原則，對(duì)提高配電網(wǎng)的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

關(guān)鍵詞：電壓無(wú)功優(yōu)化;控制應(yīng)用;平臺(tái)設(shè)計(jì)

1電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)膬?nèi)容和原則

1.1內(nèi)容

通過(guò)對(duì)無(wú)功功率的優(yōu)化補(bǔ)償，可以保證整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全。另外，保證無(wú)功功率的合理補(bǔ)償是提高無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹匾緩?。合理選擇無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力系統(tǒng)的合理配置，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，合理選擇無(wú)功補(bǔ)償和電力系統(tǒng)的連續(xù)優(yōu)化，以防止無(wú)功的遠(yuǎn)距離傳輸，可以有效地控制有功和無(wú)功的損耗，為電力系統(tǒng)安全有效運(yùn)行提供有利條件，提高經(jīng)濟(jì)效益。

無(wú)功規(guī)劃的具體情況大致可分為以下兩點(diǎn)：（1）無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)的確定;（2）無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)補(bǔ)償容量的確定。應(yīng)特別注意無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)的合理選擇將直接影響電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性和穩(wěn)定性。

1.2無(wú)功補(bǔ)償原則

為了能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化的最大化，必須要合理確定補(bǔ)償點(diǎn)。通常確定無(wú)功補(bǔ)償?shù)目梢苑譃橄旅鎺讉€(gè)原則：

（1）結(jié)合電網(wǎng)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，有效總結(jié)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)合理確定中心點(diǎn)，以便實(shí)現(xiàn)有效控制其他的節(jié)點(diǎn)，保證整個(gè)電網(wǎng)全電壓都處在安全范圍之內(nèi)。

（2） 在選擇無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)的過(guò)程中，必須遵循就地平衡原則，以負(fù)荷過(guò)大的節(jié)點(diǎn)作為無(wú)功補(bǔ)償點(diǎn)。當(dāng)線(xiàn)路電壓等級(jí)不同時(shí)，也可采用分層平衡法，避免不同電壓等級(jí)下無(wú)功功率相互流動(dòng)的現(xiàn)象，從而在很大程度上降低無(wú)功損耗，顯著提高電網(wǎng)運(yùn)行的合理性和經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)際上，無(wú)功補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)始終高于0.7。

2電力系統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化

2.1無(wú)功優(yōu)化現(xiàn)狀

隨著我國(guó)電力工業(yè)和電力系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)電壓水平有了很大的提高，但仍有許多問(wèn)題需要解決。一些電網(wǎng)在輕載運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)高壓。部分用電量大的地區(qū)電壓整定超過(guò)有關(guān)部門(mén)規(guī)定，給電網(wǎng)安全運(yùn)行造成巨大隱患。大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)電壓偏低，影響了大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)和居民的正常用電。另外，電力系統(tǒng)無(wú)功潮流不合理，不僅會(huì)增加配電線(xiàn)路的損耗，還會(huì)降低電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

2.2無(wú)功優(yōu)化存在的問(wèn)題

當(dāng)前我國(guó)配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化存在以下幾項(xiàng)問(wèn)題有待解決：

（1）電力系統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化屬于一種非線(xiàn)性問(wèn)題，非線(xiàn)性問(wèn)題的規(guī)劃一般在進(jìn)行局部收斂時(shí)可獲得最佳解決方案與效果，但是如何能夠跳脫出局部限制進(jìn)行全局最優(yōu)化有待研究;

（2）配電網(wǎng)線(xiàn)損是無(wú)功優(yōu)化的最低目標(biāo)函數(shù)，這可能導(dǎo)致最終母線(xiàn)電壓優(yōu)化解的值更接近電網(wǎng)電壓設(shè)定的上限，但相關(guān)部門(mén)不希望這種情況在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)。但是，如果降低電網(wǎng)電壓的約束范圍，則會(huì)增加收斂不良或不收斂或重復(fù)校正的風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何將電壓質(zhì)量與最佳經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)一起來(lái)是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題;

（3）隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和自動(dòng)化水平的提高，對(duì)無(wú)功優(yōu)化的實(shí)時(shí)性提出了更為嚴(yán)格的要求。如何在不受約束的情況下，在最短的時(shí)間內(nèi)找到最優(yōu)值，是相關(guān)部門(mén)迫切需要解決的問(wèn)題之一。

2.3無(wú)功優(yōu)化措施

在靜態(tài)無(wú)功優(yōu)化過(guò)程中，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法是利用過(guò)去某一時(shí)刻產(chǎn)生的最優(yōu)優(yōu)化結(jié)果對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行下一步的優(yōu)化指導(dǎo)，這顯然是不合理和不科學(xué)的。動(dòng)態(tài)無(wú)功優(yōu)化可以最大限度地避免靜態(tài)無(wú)功優(yōu)化的缺點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)無(wú)功優(yōu)化包括無(wú)功補(bǔ)償裝置優(yōu)化和電壓無(wú)功優(yōu)化控制兩部分。

2.3.1無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備優(yōu)化

無(wú)功功率的產(chǎn)生與配電變壓器、電動(dòng)機(jī)、加熱器等電力設(shè)備的運(yùn)行有關(guān)，因此合理選擇補(bǔ)償裝置可以有效地降低電網(wǎng)線(xiàn)路的損耗，進(jìn)而提高配電質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō)，電容器可以用來(lái)補(bǔ)償負(fù)載引起的無(wú)功電流，于是就出現(xiàn)了無(wú)功補(bǔ)償。簡(jiǎn)化的描述是，電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有功和無(wú)功功率，過(guò)大的無(wú)功功率會(huì)增加電網(wǎng)線(xiàn)路的損耗，但電氣設(shè)備產(chǎn)生的負(fù)荷屬于感性負(fù)荷，需要消耗無(wú)功功率才能保證運(yùn)行，需要電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償才能保證感性負(fù)載水平。

2.3.2電網(wǎng)電壓無(wú)功優(yōu)化控制

首先利用調(diào)度自動(dòng)化設(shè)備和系統(tǒng)采集各節(jié)點(diǎn)的遙測(cè)數(shù)據(jù)和電壓合格數(shù)據(jù)，并將其作為最優(yōu)控制的約束條件。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電壓無(wú)功優(yōu)化方案的分析和控制措施的設(shè)定，進(jìn)行主變分接開(kāi)關(guān)最小次數(shù)的調(diào)整，對(duì)電容器進(jìn)行最合理的投切控制，達(dá)到最高電壓合格率和最小網(wǎng)損率的優(yōu)化目標(biāo)，然后根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)形成指令，由自動(dòng)控制系統(tǒng)執(zhí)行。

2.4平臺(tái)的系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)的調(diào)試主要包括模塊調(diào)試和聯(lián)合優(yōu)化調(diào)試兩部分，以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)性能的優(yōu)化。其中，模塊調(diào)試主要是指系統(tǒng)軟硬件調(diào)試、負(fù)載變化下的控制功能測(cè)試和異常故障下的阻塞復(fù)位調(diào)試;聯(lián)合優(yōu)化調(diào)試主要是指整個(gè)應(yīng)用平臺(tái)在各模塊連接狀態(tài)下的性能優(yōu)化測(cè)試。

2.5整體設(shè)計(jì)思路

建立主站系統(tǒng)。根據(jù)各母線(xiàn)次日有功、無(wú)功功率曲線(xiàn)及開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息（通過(guò)短期負(fù)荷預(yù)測(cè)得到），在整個(gè)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓允許范圍內(nèi)，以最小有功損耗為控制目標(biāo)，計(jì)算出各VQC的控制范圍（極限值）。在技術(shù)層面上，借助相對(duì)成熟的VQC裝置，研究開(kāi)發(fā)適合于全網(wǎng)優(yōu)化控制和就地控制方式的VQC控制方案，即建立變電站VQC，負(fù)責(zé)變壓器和電容器的狀態(tài)，收集電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，以及根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)和主站系統(tǒng)提供或定義的電壓、無(wú)功功率限制，控制電壓、無(wú)功功率。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)優(yōu)化狀態(tài)和局部狀態(tài)下電壓無(wú)功控制模式的切換。

2.6模塊調(diào)試

根據(jù)工程應(yīng)用系統(tǒng)的硬件配置和設(shè)計(jì)要求，調(diào)試的模塊主要包括：硬件模塊方面，微機(jī)線(xiàn)路保護(hù)裝置的運(yùn)行和參數(shù)整定，主要測(cè)試變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置和變壓器后備保護(hù)裝置，為系統(tǒng)故障閉鎖和復(fù)位操作提供基本的裝置條件;從裝置的擴(kuò)展性、靈活性、實(shí)時(shí)性和高精度測(cè)量要求出發(fā)，采樣模塊化的設(shè)計(jì)思想實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)采集處理模塊、開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊、人機(jī)接口模塊和通信模塊。在系統(tǒng)軟件測(cè)試部分，主要從系統(tǒng)維護(hù)和交互需求的角度，進(jìn)行系統(tǒng)電壓無(wú)功自動(dòng)控制軟件的設(shè)計(jì)，充分利用和發(fā)揮硬件資源的作用，測(cè)試模塊功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換，控制策略實(shí)現(xiàn)、人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)顯示和故障自鎖保護(hù)等功能模塊相互獨(dú)立，便于今后軟件的擴(kuò)展和維護(hù)。其中，故障和負(fù)荷變化下的調(diào)壓模塊試驗(yàn)主要集中在關(guān)鍵點(diǎn)電壓水平上，分析變壓器的有載調(diào)壓方式和無(wú)功補(bǔ)償方式對(duì)調(diào)壓試驗(yàn)的影響，優(yōu)化控制策略的邊界判斷條件，精確得出電容器投切和分接調(diào)整的最佳配合動(dòng)作。

2.7性能優(yōu)化調(diào)試

在傳統(tǒng)的九區(qū)圖調(diào)整方法中，由于有載調(diào)壓變壓器分接開(kāi)關(guān)和并聯(lián)補(bǔ)償電容器調(diào)整過(guò)于頻繁，變壓器和開(kāi)關(guān)設(shè)備發(fā)生故障的概率很大。因此，每個(gè)變電站對(duì)分接開(kāi)關(guān)的數(shù)量和電容器的調(diào)整都有嚴(yán)格的限制。因此，針對(duì)傳統(tǒng)的9區(qū)圖法在某些區(qū)域會(huì)使控制結(jié)果振蕩的現(xiàn)象，以及相應(yīng)裝置頻繁動(dòng)作的缺陷，對(duì)改進(jìn)后的17區(qū)圖控制策略進(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)分接頭調(diào)節(jié)條件和無(wú)功補(bǔ)償容量進(jìn)行了精細(xì)的定量建模開(kāi)展?？紤]到合理的電容器組采用循環(huán)切換方式，投入運(yùn)行的電容器組先退出，然后為了降低電容器組的平均運(yùn)行溫度，減少開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)，延長(zhǎng)其使用壽命，可以達(dá)到最佳的系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果。

結(jié)束語(yǔ)

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的今天，供電系統(tǒng)的發(fā)展在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中顯得越來(lái)越重要。電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償和優(yōu)化可以顯著提高系統(tǒng)的電壓質(zhì)量和電網(wǎng)的功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的平衡，不僅提高電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益，而且降低電網(wǎng)的損耗。要根據(jù)實(shí)際情況選擇補(bǔ)償裝置和方法，達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償優(yōu)化的效果。

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