農(nóng)村有源配電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制

胡晨龍 韓宇航

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000）

近年來，隨著電力需求的增加，我國面臨的能源形勢(shì)相當(dāng)嚴(yán)峻，尤其是農(nóng)村地區(qū)原有的能源結(jié)構(gòu)無法滿足電力增長的需求，為了有效地解決此類問題，在有些農(nóng)村的有源配電網(wǎng)中逐步接入了分布式電源，這種分布式電源的出力具有間歇性、隨機(jī)性與波動(dòng)性的特征，增加了配電網(wǎng)電壓無功控制的難度，如果對(duì)其控制處理不到位，容易出現(xiàn)配電網(wǎng)電壓質(zhì)量低、損耗高的現(xiàn)象。因此，需要對(duì)農(nóng)村有源配電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化的控制方法加以研究，實(shí)現(xiàn)分布式電源的無功調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)分布式電源與無功補(bǔ)償?shù)慕y(tǒng)一。

1 農(nóng)村有源配電網(wǎng)電壓現(xiàn)狀

近年來，雖然我國加強(qiáng)完善農(nóng)村配電網(wǎng)，滿足農(nóng)村地區(qū)日益增長的電力需求，但是，農(nóng)村有源配電網(wǎng)依然存在著諸多的運(yùn)行問題，例如，低電壓現(xiàn)象在很多配電網(wǎng)中普遍存在，為了解決此類問題，有些農(nóng)村配電網(wǎng)進(jìn)行了電網(wǎng)的升級(jí)與改造，如果有些農(nóng)村的有源配電網(wǎng)無法新增布點(diǎn)，解決此問題的方法是挖掘已有電網(wǎng)調(diào)壓與無功補(bǔ)償設(shè)備的運(yùn)行調(diào)節(jié)潛力，這種方法可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)村配電網(wǎng)電壓的協(xié)調(diào)控制。

從當(dāng)前已經(jīng)安裝使用的電壓無功調(diào)控設(shè)備的調(diào)節(jié)與控制來看，很多安裝的測量值具有獨(dú)立控制的特征，在這種情況下，配電網(wǎng)各級(jí)調(diào)壓、補(bǔ)償設(shè)備的電壓協(xié)調(diào)控制無法實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致上級(jí)電網(wǎng)電壓處于合格的區(qū)間范圍內(nèi)，而下級(jí)電網(wǎng)調(diào)節(jié)手段無法實(shí)現(xiàn)良好的調(diào)節(jié)效果，因此，在未來農(nóng)村配電網(wǎng)的發(fā)展中，必須充分挖掘電網(wǎng)的調(diào)節(jié)與控制能力，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行中上級(jí)電網(wǎng)與下級(jí)電網(wǎng)的協(xié)調(diào)與控制，使配電網(wǎng)能夠達(dá)到穩(wěn)定、安全的運(yùn)行狀態(tài)。

2 有源配電網(wǎng)多目標(biāo)電壓無功優(yōu)化模型

在有源配電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制中，充分考慮網(wǎng)損、無功設(shè)備操作費(fèi)用、電壓偏移等因素，將配電網(wǎng)未來T 時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)的最優(yōu)化作為該模型最終的優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)而構(gòu)建多目標(biāo)電壓無功優(yōu)化模型，求出最優(yōu)解。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

綜合目標(biāo)函數(shù)為

在該式中，flost表示線損函數(shù)；fcost表示無功設(shè)備操作費(fèi)用函數(shù)；fwaste表示分布式電源浪費(fèi)函數(shù)；fvd表示電壓偏差指標(biāo)函數(shù)。

根據(jù)其綜合目標(biāo)函數(shù)，分別構(gòu)建線損函數(shù)、無功設(shè)備操作費(fèi)用函數(shù)、分布式電源浪費(fèi)函數(shù)與電壓偏差指標(biāo)函數(shù)。

2.2 約束條件

潮流平衡約束為：

式中，Pi、Qi分別表示節(jié)點(diǎn)i注入的有功與無功功率，而Bij表示節(jié)點(diǎn)i、j的互電納。

控制變量分別包括分布式電源的有功與無功處理、變壓器分接頭的具體位置、電容器的補(bǔ)償容量等，因此，其存在以下的約束條件。

狀態(tài)變量約束Uimin≦Ui≦Uimax，其中的Uimin與Uimax分別表示的是在節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值的上限與下限。

在該模型中，為獲得最優(yōu)解，往往通過CPSO 算法的多目標(biāo)求解來實(shí)現(xiàn)。由于該文中的算法模型是混合非線性約束多目標(biāo)的優(yōu)化求解問題，在具體的求解過程中，必須優(yōu)化多個(gè)目標(biāo)，且優(yōu)化過程是同時(shí)發(fā)生的。這種優(yōu)化處理的難度較高，需要充分應(yīng)用智能優(yōu)化算法來實(shí)現(xiàn)，在智能優(yōu)化算法的應(yīng)用中，通過目標(biāo)函數(shù)本身的特點(diǎn)，建立尋優(yōu)方向，在此過程中不需要進(jìn)行有關(guān)的數(shù)學(xué)運(yùn)算等，這種求解與優(yōu)化方式可以在過程中直接導(dǎo)入各種約束條件，在多目標(biāo)、非線性優(yōu)化問題的處理上具有良好的應(yīng)用效果，以粒子群算法為例，此算法是智能優(yōu)化算法中應(yīng)用最為普遍的技術(shù)，在優(yōu)化求解問題的處理上具有收斂速度快的特點(diǎn)，CPSO 算法以粒子群算法為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同結(jié)構(gòu)，其優(yōu)化效果更好，得出來的最優(yōu)解更為可靠。

3 農(nóng)村有源配電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制策略

3.1 以電壓調(diào)整為主，降損為輔

在農(nóng)村配電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制過程中，需要遵循以電壓調(diào)整為主、降損為輔的原則。在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)無功優(yōu)化中，很多電力人員將重點(diǎn)放在網(wǎng)損的減少等方面，但是，降損必須在配電網(wǎng)安全與穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上進(jìn)行，必須在滿足用戶基本用電需求的基礎(chǔ)上進(jìn)行，否則解決降損問題沒有現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)于電力用戶來說，其最為關(guān)心的是配電網(wǎng)是否滿足其用電需求，其電能與電壓質(zhì)量等是否與其實(shí)際需求相一致，網(wǎng)損的大小不是用戶關(guān)注的重點(diǎn)問題。在配電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化的過程中，要保證電壓合格，必須調(diào)整控制命令，例如，可以使控制命令在1 個(gè)周期內(nèi)同時(shí)完成分接頭與補(bǔ)償動(dòng)作的調(diào)整。而如果配電網(wǎng)中的分接頭與補(bǔ)償裝置同時(shí)屬于1 個(gè)設(shè)備，可以先進(jìn)行分接頭的調(diào)整，隨后再進(jìn)行動(dòng)作補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整。

3.2 電壓自下而上判斷，自上而下調(diào)整

在配電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制中，由于配電網(wǎng)低壓用戶端往往只包括了有關(guān)的計(jì)量裝置與電壓檢測儀，在配電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行中，這些計(jì)量裝置、電壓檢測儀等無法實(shí)現(xiàn)對(duì)本地電壓的有效控制，往往只能實(shí)現(xiàn)向區(qū)域級(jí)的調(diào)壓。當(dāng)前，從我國配電網(wǎng)的配置來看，雖然很多地區(qū)的配電網(wǎng)中含有大量的電壓檢測儀，但是配電網(wǎng)中包括的有載調(diào)壓配變與線路調(diào)壓器的數(shù)量有限，這就使得在配電網(wǎng)的運(yùn)行中，調(diào)壓動(dòng)作往往只能依靠主變分接頭與無功補(bǔ)償裝置來實(shí)現(xiàn)，在具體的調(diào)壓過程中，調(diào)壓只能通過逐級(jí)申請(qǐng)來實(shí)現(xiàn)。

因此，在配電網(wǎng)的運(yùn)行中，電壓是否需要調(diào)整往往通過自下而上的逐級(jí)判斷來決定。為了保持配電網(wǎng)的穩(wěn)定與可靠運(yùn)行，在配電網(wǎng)運(yùn)行中，應(yīng)盡量減少變壓器的調(diào)檔次數(shù)，否則，一旦在配電網(wǎng)運(yùn)行中頻繁使用變壓器來進(jìn)行調(diào)節(jié)，極易引發(fā)變壓器有載分接頭的開關(guān)故障，最終造成變壓器無法正常使用。在對(duì)配電網(wǎng)變壓器故障進(jìn)行判斷時(shí)，可以通過短期負(fù)荷預(yù)測的方式來實(shí)現(xiàn)，通過合理分配開關(guān)在各個(gè)時(shí)間段內(nèi)的動(dòng)作次數(shù)來達(dá)到判斷的目的。

3.3 無功自上而下判斷，自下而上調(diào)整

在配電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制的過程中，要遵循自上而下判斷、自下而上調(diào)整的原則，在配電網(wǎng)的運(yùn)行中，為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，一般要避免無功功率的遠(yuǎn)距離輸送，在無功功率的分配過程中，必須遵循就地平衡、分散補(bǔ)償?shù)脑瓌t，減少從上級(jí)電網(wǎng)所吸收而來的無功功率，避免無功在配電網(wǎng)有關(guān)電力線路中的任意流動(dòng)。但是，配電網(wǎng)運(yùn)行中也要盡量避免將過多的無功功率倒送至上級(jí)電網(wǎng)中，因此，無功判斷要遵循自上而下的原則。

如果在配電網(wǎng)運(yùn)行中上級(jí)電網(wǎng)存在無功補(bǔ)償需求，可以通過向下級(jí)電網(wǎng)申請(qǐng)補(bǔ)償?shù)姆绞絹韺?shí)現(xiàn)，當(dāng)下級(jí)電網(wǎng)滿足了其申請(qǐng)補(bǔ)償?shù)囊笠院螅娇尚纬杀镜匮a(bǔ)償控制命令，因此，控制命令的執(zhí)行過程中要遵循自下而上的原則。在配電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制中，這種無功判斷與調(diào)整的方式有效降低了網(wǎng)損，維持了配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 農(nóng)村有源配電網(wǎng)無功優(yōu)化控制的效益分析

農(nóng)村有源配電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制方式與傳統(tǒng)的控制方式相比，具有更大的控制優(yōu)勢(shì)，通過無功優(yōu)化控制，提升了農(nóng)村配電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，其效果主要體現(xiàn)在以下方面：實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電網(wǎng)無功設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，使得有關(guān)的人員可以實(shí)時(shí)掌握無功設(shè)備的運(yùn)行情況，為控制提供了重要的參考；無功優(yōu)化控制方式還使得配電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓合格率與功率因數(shù)大大提升，保證了正常的供配電服務(wù)；通過對(duì)無功設(shè)備的有效利用，降低了配電網(wǎng)運(yùn)行中的電力損耗，具有明顯的節(jié)能效益；無功優(yōu)化控制在農(nóng)村配電網(wǎng)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了農(nóng)村配電網(wǎng)的“優(yōu)化協(xié)調(diào)、分層控制”，與傳統(tǒng)的控制方式相比，該控制方式實(shí)現(xiàn)了農(nóng)村配電網(wǎng)最大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，使得農(nóng)村的配電網(wǎng)覆蓋與服務(wù)區(qū)域更廣；無功優(yōu)化控制方式使得在農(nóng)村配電網(wǎng)中使用了大量的配變壓無功補(bǔ)償裝置等設(shè)備，這些設(shè)備的應(yīng)用在配電網(wǎng)運(yùn)行中起到了良好的協(xié)調(diào)控制作用，發(fā)揮了設(shè)備最大的價(jià)值，為農(nóng)村配電網(wǎng)創(chuàng)造了更大的效益，保證了電壓合格率，滿足了農(nóng)村基本的生產(chǎn)生活用電需求；無功優(yōu)化控制方式的應(yīng)用在一定程度上推動(dòng)了農(nóng)村配電網(wǎng)的自動(dòng)化、現(xiàn)代化發(fā)展，使得當(dāng)前電力行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的重要表現(xiàn)，推動(dòng)了電力行業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步，為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)條件。

5 結(jié)語

農(nóng)村有源配電網(wǎng)運(yùn)行存在著諸多的問題，因此，各個(gè)配電網(wǎng)系統(tǒng)要在滿足農(nóng)村供配電需求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)電壓無功優(yōu)化控制，完善配電網(wǎng)的調(diào)整與優(yōu)化功能，使得配電網(wǎng)可以始終保持穩(wěn)定、安全的運(yùn)行狀態(tài)，為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展創(chuàng)造基礎(chǔ)條件。