配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償協(xié)同優(yōu)化混合算法設(shè)計(jì)和應(yīng)用

韓國(guó)華

(國(guó)網(wǎng)吳忠供電公司，寧夏 吳忠 751100)

早期的配電供電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在較低的電壓等級(jí)(6 kV/3 kV)，變壓器容量較低，因線損影響，在電阻性負(fù)載用電過(guò)程中用電末端壓降明顯。隨著電網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)工作的逐漸推進(jìn)，10 kV配電供電網(wǎng)絡(luò)已基本普及，變壓器容量完全可以滿足需要，但抗性負(fù)荷在用電終端的占比逐年增加，導(dǎo)致無(wú)功功率在居民用電環(huán)境中造成升壓效應(yīng)及相位偏移效應(yīng)，成為困擾當(dāng)前用電網(wǎng)絡(luò)的核心問(wèn)題，因此需在用電網(wǎng)絡(luò)末端構(gòu)建無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，基于自動(dòng)投切的配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)也大量部署，但面臨的更嚴(yán)峻的問(wèn)題是在相互影響的電網(wǎng)10 kV母線上，多個(gè)自動(dòng)投切系統(tǒng)可能同時(shí)進(jìn)行自動(dòng)投切，導(dǎo)致電網(wǎng)過(guò)調(diào)，使無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)給電網(wǎng)帶來(lái)不可忽視的諧波干擾。

胡習(xí)部[1]發(fā)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償裝置是10 kV電網(wǎng)節(jié)能技術(shù)的核心表達(dá)模式，只有在10 kV網(wǎng)絡(luò)中部署有效的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)施，才能確保實(shí)現(xiàn)本質(zhì)化節(jié)能；李智等[2]研究了一種自適應(yīng)虛擬阻抗模式下的垂控策略，可以讓10 kV配網(wǎng)的無(wú)功管理技術(shù)得到提升。趙冬梅等[3]研究了一種梯度策略，對(duì)同網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償器的聯(lián)動(dòng)控制進(jìn)行技術(shù)革新；賴紀(jì)東等[4]研究了一種粒子群優(yōu)化算法，對(duì)提升10 kV微網(wǎng)的孤島無(wú)功補(bǔ)償器進(jìn)行去中心化自協(xié)同管理。在現(xiàn)有配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償研究中，算法優(yōu)化的研究尚未成熟，無(wú)法有效解決無(wú)功功率在居民用電環(huán)境中造成的升壓效應(yīng)及相位偏移效應(yīng)，成為困擾當(dāng)前用電網(wǎng)絡(luò)的核心問(wèn)題[5]。為此，本文選擇一種無(wú)功補(bǔ)償協(xié)同優(yōu)化混合算法，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償器投切算法進(jìn)一步優(yōu)化，以減少同網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償器的過(guò)調(diào)，增加電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

1 自動(dòng)投切無(wú)功補(bǔ)償器的實(shí)現(xiàn)模式

1.1 傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償器構(gòu)成

傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償器包含多組由電容器補(bǔ)償同步調(diào)相機(jī)(SC)、無(wú)功補(bǔ)償控制器(FU)、晶閘管投切電容(TSC)、保險(xiǎn)座(FV)、電容器開(kāi)關(guān)(TV)、并聯(lián)電容器(C)、電抗器(L)構(gòu)成的投切式無(wú)功補(bǔ)償器模塊和一組由固定電容器(OC)、固定電抗器(OL)組成的固定式無(wú)功補(bǔ)償器模塊，該系統(tǒng)早期由人工進(jìn)行投切，后期通過(guò)自動(dòng)投切裝置和自主調(diào)節(jié)投切式無(wú)功補(bǔ)償器模塊進(jìn)行控制。傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償器構(gòu)成如圖1所示，其完整回路如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償器構(gòu)成示意圖

圖2 無(wú)功補(bǔ)償器完整回路

傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)有以下特征：1)單相操作，即該無(wú)功補(bǔ)償模塊的作用范圍為配網(wǎng)中的一相而非三相，投切過(guò)程中可能使某一相的無(wú)功狀態(tài)改變而造成中性點(diǎn)位移；2)同步響應(yīng)，即在自動(dòng)投切模式下，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某一相無(wú)功增加時(shí)，電網(wǎng)內(nèi)的多個(gè)無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)投切裝置可能均作出相同策略，但同步操作可能造成電網(wǎng)過(guò)調(diào)[6-7]。

對(duì)單臺(tái)無(wú)功補(bǔ)償器來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)回路中電流互感器和電壓互感器信息的控制，以此判斷無(wú)功功率變化，如果是在模糊控制矩陣控制下，可通過(guò)控制投切式無(wú)功補(bǔ)償模塊實(shí)現(xiàn)回路中無(wú)功功率的補(bǔ)償操作[8]。該控制矩陣將在下文中分析。

1.2 本文研究的個(gè)案

本文以某城市某拉手回路的分布式無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)為例，該線路總?cè)萘繛?2 kVA，有10 kV用電接入點(diǎn)69個(gè)，用電容量超過(guò)2 kVA的網(wǎng)點(diǎn)4個(gè)，其余用電網(wǎng)點(diǎn)容量在0.3～1.2 kVA，在4個(gè)超過(guò)2 kVA容量的10 kV用電母線上布置自動(dòng)投切無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，如圖3所示，用于平衡該10 kV拉手回路中的無(wú)功功率。

圖3 分布式無(wú)功補(bǔ)償示意圖

該回路實(shí)際容量為12 kVA(120 kW)，根據(jù)日常運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，其理論無(wú)功功率最高為20 kW，4個(gè)分布式無(wú)功補(bǔ)償裝置的最大無(wú)功補(bǔ)償功率為8 kW(0.8 kVA)，由40個(gè)投切式無(wú)功補(bǔ)償模塊實(shí)現(xiàn)，每個(gè)投切式無(wú)功補(bǔ)償模塊的無(wú)功補(bǔ)償能力均為0.2 kW(0.02 kVA)，即在理論值下，4個(gè)分布式無(wú)功補(bǔ)償裝置的160個(gè)投切式無(wú)功補(bǔ)償模塊只需投入100個(gè)，亦即平均每個(gè)無(wú)功補(bǔ)償裝置投入其40個(gè)投切式無(wú)功補(bǔ)償模塊中的25個(gè)即可滿足該拉手回路的無(wú)功補(bǔ)償需求。

1.3 無(wú)功補(bǔ)償控制器的實(shí)現(xiàn)

無(wú)功補(bǔ)償控制器包括一個(gè)智能電能表模塊和一個(gè)自動(dòng)投切策略模塊，其中智能電能表模塊根據(jù)電流互感器后置的電流比較器獲得的電流數(shù)據(jù)繪制電流波形圖，根據(jù)電壓互感器后置的電壓比較器獲得的電壓數(shù)據(jù)繪制電壓波形圖，波形圖繪制模塊采用的是ARM嵌入系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的計(jì)算能力[9]。該嵌入系統(tǒng)獲得波形圖后，與標(biāo)準(zhǔn)波形進(jìn)行比較，獲得其相位角位移量，并將該位移量和總實(shí)時(shí)功率輸出到自動(dòng)投切策略模塊中，由自動(dòng)投切策略模塊決定投切式無(wú)功補(bǔ)償模塊的投切策略。其硬件構(gòu)成如圖4所示。

圖4 無(wú)功補(bǔ)償控制器示意圖

圖4中，波形繪制模塊、相位角判斷模塊、功率判斷模塊的設(shè)計(jì)通過(guò)ARM嵌入系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)投切策略模塊設(shè)計(jì)，同時(shí)由無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)內(nèi)部PLC實(shí)現(xiàn)投切執(zhí)行PLC。最后由太網(wǎng)橋的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)總線整合。

2 自動(dòng)投切裝置的算法升級(jí)研究

2.1 傳統(tǒng)算法的模糊控制矩陣

傳統(tǒng)算法中，在投切策略PLC中使用3個(gè)模糊控制矩陣對(duì)最終投切策略進(jìn)行模糊控制，對(duì)功率判斷使用模糊矩陣A，對(duì)相位判斷使用模糊矩陣B，對(duì)上述兩個(gè)模糊矩陣的輸出值使用模糊矩陣C判斷最終操作方案。

模糊矩陣A的模糊策略詳見(jiàn)表1。表中A～G分別表示狀態(tài)A～狀態(tài)G。

表1 模糊矩陣A模糊策略表

模糊矩陣B的模糊策略詳見(jiàn)表2。

表2 模糊矩陣B模糊策略表

模糊矩陣C的模糊策略詳見(jiàn)表3。

表3 模糊矩陣C模糊策略表

對(duì)于模糊矩陣C的輸出值，依照表4對(duì)其解釋。

當(dāng)投切執(zhí)行PLC得到投切策略PLC發(fā)出的投切策略后，會(huì)自動(dòng)比較當(dāng)前投切式無(wú)功補(bǔ)償模塊的投切狀態(tài)，選擇未投入的投切式無(wú)功補(bǔ)償模塊投入或切除已投入的投切式無(wú)功補(bǔ)償模塊。當(dāng)其收到投切式無(wú)功補(bǔ)償模塊投入請(qǐng)求但剩余未投入投切式無(wú)功補(bǔ)償模塊資源不足時(shí)，會(huì)將所有的投切式無(wú)功補(bǔ)償模塊全部投入[10]。反之，當(dāng)其收到投切式無(wú)功補(bǔ)償模塊切除請(qǐng)求但已投入投切式無(wú)功補(bǔ)償模塊數(shù)量不足請(qǐng)求量時(shí)，會(huì)將所有投切式無(wú)功補(bǔ)償模塊切除。

表4 模糊矩陣C輸出值的解釋結(jié)果表

2.2 傳統(tǒng)算法模糊控制矩陣的不足

當(dāng)系統(tǒng)中存在多組自動(dòng)投切無(wú)功補(bǔ)償裝置且系統(tǒng)中出現(xiàn)較大的無(wú)功功率擾動(dòng)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)多組自動(dòng)投切控制器發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的模糊矩陣A和模糊矩陣B同時(shí)報(bào)出A狀態(tài)或者B狀態(tài)，此時(shí)模糊矩陣C會(huì)發(fā)出A狀態(tài)或者B狀態(tài)的調(diào)控策略，具體策略見(jiàn)表3。以本文個(gè)案為例，系統(tǒng)內(nèi)部署了4套獨(dú)立的自動(dòng)投切無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，此時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能會(huì)被放大4倍。當(dāng)4套自動(dòng)投切無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行A狀態(tài)調(diào)控策略或者B狀態(tài)調(diào)控策略時(shí)，可能導(dǎo)致4套自動(dòng)投切無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備同時(shí)在模糊矩陣A和模糊矩陣B中同時(shí)報(bào)出A狀態(tài)或者B狀態(tài)，這時(shí)4套自動(dòng)投切無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的模糊矩陣C再次做出A狀態(tài)或者B狀態(tài)的調(diào)控策略。4套自動(dòng)投切設(shè)備會(huì)同時(shí)出現(xiàn)系統(tǒng)過(guò)調(diào)問(wèn)題，系統(tǒng)反復(fù)在A狀態(tài)、B狀態(tài)之間快速投切、轉(zhuǎn)換。這種過(guò)調(diào)故障的出現(xiàn)在同一配網(wǎng)中部署多套自動(dòng)投切設(shè)備時(shí)更加顯著。

因此，傳統(tǒng)模式下通過(guò)增加系統(tǒng)容忍度、加大投切延遲、錯(cuò)峰調(diào)控等方式實(shí)施控制，即在孤島式多機(jī)聯(lián)動(dòng)的自動(dòng)投切無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備應(yīng)用下，采用粒子群算法或者蟻群算法實(shí)施控制。但這種模式會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)投切響應(yīng)周期增加，或?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)的無(wú)功功率的容忍度增大，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)無(wú)功功率的補(bǔ)償效率降低[11]。

2.3 分布式自動(dòng)投切無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的并網(wǎng)方案

結(jié)合圖3與圖4，本文個(gè)案中的4套分布式自動(dòng)投切無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)使用相對(duì)獨(dú)立的PLC系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)投切策略計(jì)算，如使用MPLC-16系統(tǒng)，其輸入和輸出均占用8個(gè)針腳，所以其輸入輸出均存在系統(tǒng)冗余，利用該冗余在系統(tǒng)外可采用一個(gè)控制器并網(wǎng)策略，如圖5所示。

圖5 控制器并網(wǎng)策略示意圖

以上控制器并網(wǎng)策略存在FDDI總線，容易導(dǎo)致系統(tǒng)延遲15～25 ms，按照最大25 ms計(jì)算，所有投切策略PLC操作延遲應(yīng)不低于25 ms。此系統(tǒng)延遲約為1.25個(gè)工頻50 Hz波形周期。在該操作延遲基礎(chǔ)上，當(dāng)任何一個(gè)PLC率先發(fā)現(xiàn)動(dòng)作時(shí)機(jī)時(shí)，先向控制網(wǎng)發(fā)出一個(gè)動(dòng)作抑制廣播，25 ms后如未收到其他3個(gè)自動(dòng)投切無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)發(fā)出的動(dòng)作抑制廣播，即開(kāi)始并網(wǎng)動(dòng)作。若收到動(dòng)作抑制廣播，則再次回到策略生成環(huán)節(jié)。該操作抑制算法如圖6所示。

圖6 操作抑制算法示意圖

該算法的策略生成環(huán)節(jié)即為上文提到的表1～表4執(zhí)行策略，其主要優(yōu)化是在投切策略生成后至投切策略PLC向投切執(zhí)行PLC發(fā)出指令前通過(guò)延遲進(jìn)一步實(shí)施策略判斷。此舉可以最高效率增加分布式無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的響應(yīng)效率，且可以避免多機(jī)同步動(dòng)作造成的系統(tǒng)無(wú)功功率過(guò)調(diào)[12-13]。經(jīng)過(guò)測(cè)算，常規(guī)控制器的調(diào)控延遲在10～15 ms，如果增加這一操作延遲，可能造成其中一套無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備投切式無(wú)功補(bǔ)償模塊資源出現(xiàn)大量消耗，與此同時(shí)低響應(yīng)級(jí)別無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的投切式無(wú)功補(bǔ)償模塊也會(huì)存在資源空置情況。而就算是對(duì)其采用動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)策略，仍然需要實(shí)現(xiàn)多臺(tái)自動(dòng)投切無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的并網(wǎng)操作[14-15]。經(jīng)過(guò)本次升級(jí)處理后，即將控制器的調(diào)控延遲增加到35～40 ms，系統(tǒng)投切效率和人工投切效率相比依舊具備顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也有助于減少資源消耗。

3 執(zhí)行本文算法優(yōu)化后的系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)傳統(tǒng)模式下4機(jī)聯(lián)動(dòng)的自動(dòng)投切無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)和本文算法優(yōu)化后的4機(jī)聯(lián)動(dòng)自動(dòng)投切無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖7所示，由圖可以發(fā)現(xiàn)，算法優(yōu)化前微網(wǎng)內(nèi)的無(wú)功功率出現(xiàn)擾動(dòng)后，系統(tǒng)在20 ms內(nèi)便開(kāi)始并網(wǎng)，系統(tǒng)運(yùn)行效率遠(yuǎn)高于算法優(yōu)化后，但因?yàn)闇y(cè)試過(guò)程中所采用的無(wú)功功率擾動(dòng)幅度和升壓效應(yīng)20 V的大幅度擾動(dòng)較為接近，所以算法優(yōu)化前系統(tǒng)出現(xiàn)了過(guò)調(diào)，其實(shí)際無(wú)功補(bǔ)償在70 ms內(nèi)進(jìn)行了5次，最終將無(wú)功升壓效應(yīng)控制在-3 V。算法優(yōu)化后，系統(tǒng)在發(fā)生無(wú)功功率擾動(dòng)后約42 ms開(kāi)始進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，一次補(bǔ)償后，系統(tǒng)無(wú)功功率擾動(dòng)的電壓即從+20 V調(diào)整到了約+1 V。

圖7 兩種算法仿真結(jié)果圖

可見(jiàn)，算法優(yōu)化前無(wú)功補(bǔ)償?shù)牟⒕W(wǎng)動(dòng)作效率較高，可以在20 ms內(nèi)完成第一次補(bǔ)償動(dòng)作，但一旦發(fā)生過(guò)調(diào)，系統(tǒng)自恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，可能超過(guò)70 ms。算法優(yōu)化后，雖然系統(tǒng)的第一次無(wú)功補(bǔ)償較算法優(yōu)化前延遲，在42 ms后才進(jìn)行第一次無(wú)功補(bǔ)償，但在較大無(wú)功功率擾動(dòng)的情況下，可以避免系統(tǒng)過(guò)調(diào)，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的快速補(bǔ)償。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文個(gè)案微網(wǎng)中4套自動(dòng)投切無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備采用投切策略PLC并網(wǎng)方式，通過(guò)控制效率分析發(fā)現(xiàn)，這一方法可以通過(guò)動(dòng)作抑制信號(hào)收發(fā)控制實(shí)施互鎖操作，從而避免傳統(tǒng)算法下的無(wú)功補(bǔ)償過(guò)調(diào)。仿真中，分布式自動(dòng)投切無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)可以在+20 V無(wú)功升壓效應(yīng)下，讓系統(tǒng)的自恢復(fù)時(shí)間大幅度縮短。更重要的是，該系統(tǒng)可以減少多臺(tái)自動(dòng)投切無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的系統(tǒng)過(guò)調(diào)，最大程度提高電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性，避免因系統(tǒng)不收斂出現(xiàn)過(guò)調(diào)帶來(lái)的系統(tǒng)崩潰和跳閘現(xiàn)象。