基于物聯(lián)網(wǎng)的配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備投切策略和分布協(xié)同控制技術(shù)研究

顧焱 王強(qiáng) 于琨琨 岳亮 王乾

摘要：現(xiàn)階段無(wú)功電壓調(diào)節(jié)設(shè)備多為局部或就地運(yùn)行，缺少集中協(xié)同控制，同時(shí)存在控制器動(dòng)作不合理的現(xiàn)象。物聯(lián)網(wǎng)與無(wú)功電壓控制技術(shù)相結(jié)合，使以上問(wèn)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(wú)功電壓控制系統(tǒng)，對(duì)配電網(wǎng)和無(wú)功調(diào)節(jié)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位感知、分析和處理;同時(shí)研究了系統(tǒng)的控制策略，旨在實(shí)現(xiàn)集中協(xié)同控制，以達(dá)到降低網(wǎng)損、改善電能質(zhì)量、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命、提升配電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)，電力市場(chǎng)對(duì)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(dòng)化程度相對(duì)較低，網(wǎng)損嚴(yán)重，已成為制約電網(wǎng)平衡發(fā)展的一個(gè)重要因素。配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)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(gè)方面的局限性：

（1）無(wú)功電壓調(diào)整多采用就地方式，只能達(dá)到局部平衡效果，當(dāng)負(fù)荷出現(xiàn)劇烈波動(dòng)時(shí)，對(duì)整體的平衡要求不能及時(shí)響應(yīng);

（2）對(duì)無(wú)功補(bǔ)償和電壓控制缺乏統(tǒng)一管理，同時(shí)補(bǔ)償和控制策略存在不合理性，導(dǎo)致調(diào)節(jié)設(shè)備動(dòng)作過(guò)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(shí)時(shí)通信性能差，普遍缺少通信接口和功能擴(kuò)展模塊，難以實(shí)現(xiàn)集中協(xié)調(diào)控制;

（4）供電線路長(zhǎng)，電壓質(zhì)量不高，電能損耗問(wèn)題突出，偏遠(yuǎn)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(bǔ)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(yùn)算存儲(chǔ)能力方面的劣勢(shì)，建立一個(gè)互聯(lián)互動(dòng)、可感可控的智能配網(wǎng)成為可能，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)功電壓集中協(xié)同控制，以達(dá)到降低網(wǎng)損，提高設(shè)備運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，改善電能質(zhì)量的目的。

1 ? ?配電網(wǎng)無(wú)功電壓控制系統(tǒng)組成

配電網(wǎng)無(wú)功電壓控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“系統(tǒng)”），由無(wú)功電壓控制終端、無(wú)功電壓智能控制器、無(wú)功電壓智能控制物聯(lián)云系統(tǒng)三部分組成，分別對(duì)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(wú)功電壓控制終端

無(wú)功電壓控制終端對(duì)配電線路的電壓、電流、無(wú)功功率和補(bǔ)償設(shè)備狀態(tài)等運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)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(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到上層的無(wú)功電壓智能控制器，接收并執(zhí)行由無(wú)功電壓智能控制器制定的控制策略及無(wú)功補(bǔ)償控制指令。同時(shí)無(wú)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(dāng)通信中斷時(shí)，能夠保證無(wú)功補(bǔ)償正常運(yùn)行，待通信恢復(fù)后上傳線路運(yùn)行數(shù)據(jù)及動(dòng)作記錄。

1.2 ? ?無(wú)功電壓智能控制器

由于配電線路覆蓋范圍廣，無(wú)功電壓控制終端數(shù)量多，如果線路運(yùn)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(yùn)算數(shù)據(jù)量巨大，系統(tǒng)負(fù)擔(dān)過(guò)重，故將無(wú)功電壓智能控制器作為系統(tǒng)的物聯(lián)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，使其具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，補(bǔ)充云端的計(jì)算能力。根據(jù)負(fù)荷數(shù)據(jù)、運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)及無(wú)功相關(guān)因素，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)無(wú)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(yuǎn)程下發(fā)到無(wú)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(duì)無(wú)功電壓智能控制器制定的策略進(jìn)行統(tǒng)一管理和分析，根據(jù)無(wú)功電壓智能控制器上傳的電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)其整體策略制定的合理性進(jìn)行校驗(yàn)和調(diào)整，然后下發(fā)到無(wú)功電壓智能控制器，用于更新控制策略。

云系統(tǒng)同時(shí)是人機(jī)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(wú)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?fù)潢P(guān)系和補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)設(shè)置情況。

通信管理：用來(lái)顯示無(wú)功電壓控制終端和無(wú)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(bǔ)償節(jié)點(diǎn)的電壓及補(bǔ)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(wú)功功率控制、電壓控制或是分時(shí)段控制方式，輸入和修改目標(biāo)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(shí)對(duì)線路運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理并存儲(chǔ)在云系統(tǒng)，為物聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)分析提供支持。

無(wú)功監(jiān)視：在配電拓?fù)鋱D中顯示各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率和無(wú)功功率，根據(jù)算法計(jì)算補(bǔ)償容量，編制控制指令，下發(fā)無(wú)功電壓智能控制器執(zhí)行。

2 ? ?配電網(wǎng)無(wú)功電壓控制系統(tǒng)控制策略分析

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

2.1 ? ?分時(shí)段控制

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

負(fù)荷預(yù)測(cè)是制定分時(shí)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(wú)功負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線。然后采用模糊聚類算法，得到配電網(wǎng)無(wú)功負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線的多種動(dòng)態(tài)分段方案。最后使用信息熵法計(jì)算出最優(yōu)分段數(shù)，確定峰谷時(shí)段劃分方案。

2.2 ? ?九域控制

二級(jí)控制是在一級(jí)控制的基礎(chǔ)上執(zhí)行配電網(wǎng)無(wú)功電壓集中協(xié)調(diào)控制。首先確定電網(wǎng)無(wú)功電壓集中協(xié)調(diào)控制的目標(biāo)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(diǎn)電壓;Iimax為節(jié)點(diǎn)三相中的最大電流;Iimin為節(jié)點(diǎn)三相中的最小電流;k1，k2，k3為加權(quán)系數(shù)。

確定目標(biāo)函數(shù)后，使用前推回代潮流計(jì)算方法進(jìn)行網(wǎng)損計(jì)算，從而確定各節(jié)點(diǎn)的補(bǔ)償容量和電壓分布。具體方法為：前推過(guò)程是由末端負(fù)載節(jié)點(diǎn)向始端變壓器節(jié)點(diǎn)推算線路中的有功功率損耗，忽略壓降，求取始端節(jié)點(diǎn)的功率;回代過(guò)程是運(yùn)用前推過(guò)程求取的始端變壓器節(jié)點(diǎn)功率和測(cè)量電壓，推算末端負(fù)載節(jié)點(diǎn)的壓降，此過(guò)程忽略功率損耗[3]。將上述過(guò)程進(jìn)行迭代運(yùn)算，設(shè)置一個(gè)常數(shù)作為收斂值，當(dāng)兩次計(jì)算的末端負(fù)載電壓差值小于收斂值時(shí)，計(jì)算結(jié)束。

潮流計(jì)算結(jié)果應(yīng)滿足如下約束：

節(jié)點(diǎn)無(wú)功補(bǔ)償容量上下限控制變量約束：

Qcimin≤Qci≤Qcimax ? ? ? ? ? ?（3）

節(jié)點(diǎn)電壓上下限狀態(tài)變量約束：

Uimin≤Ui≤Uimax ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

確定各節(jié)點(diǎn)的補(bǔ)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(bǔ)償電容器的投切動(dòng)作。如圖2所示，結(jié)合分時(shí)劃分，在每個(gè)時(shí)段內(nèi)，通過(guò)潮流計(jì)算可以得出電壓幅值與無(wú)功功率的最優(yōu)點(diǎn)[4]。

當(dāng)某一劃分時(shí)段產(chǎn)生負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，二級(jí)控制的潮流計(jì)算和九域控制可能會(huì)與一級(jí)控制策略產(chǎn)生沖突，此時(shí)系統(tǒng)執(zhí)行一級(jí)控制策略。例如，某一時(shí)段，負(fù)荷由峰轉(zhuǎn)谷，一級(jí)控制判斷電容器只切不投，二級(jí)控制可能會(huì)因?yàn)檫@一時(shí)段內(nèi)的負(fù)荷波動(dòng)，發(fā)出投入電容器命令，此時(shí)應(yīng)按照一級(jí)控制命令，只切除電容器，切除容量由二級(jí)控制計(jì)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(wú)功電壓控制技術(shù)相結(jié)合，能夠解決配電網(wǎng)無(wú)功電壓集中協(xié)調(diào)控制的問(wèn)題。兩級(jí)控制策略在滿足電網(wǎng)電壓無(wú)功要求的前提下，減少補(bǔ)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(biāo)進(jìn)行集中協(xié)調(diào)控制，從而提高設(shè)備運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，改善電能質(zhì)量，提高配電網(wǎng)的自動(dòng)化程度。

在后續(xù)的研究中仍有許多方面可以進(jìn)行改進(jìn)：

（1）數(shù)據(jù)傳輸能力。配電網(wǎng)由于分布范圍廣、線路長(zhǎng)，偏遠(yuǎn)地區(qū)信號(hào)差，通過(guò)無(wú)功電壓智能控制器與無(wú)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(biāo)函數(shù)的選擇。不同潮流計(jì)算和負(fù)荷預(yù)測(cè)的算法直接影響理論電壓幅值與無(wú)功功率的最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)，如何建立適合配電網(wǎng)的計(jì)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(xì)化管理的要求，在此基礎(chǔ)上拓展的模糊邊界算法、加入時(shí)間維度的立體九域等方式，可以嘗試應(yīng)用到配電網(wǎng)無(wú)功電壓控制系統(tǒng)中。

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收稿日期：2020-07-24

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