基于物聯網的配電網無功補償設備投切策略和分布協同控制技術研究

顧焱 王強 于琨琨 岳亮 王乾

摘要：現階段無功電壓調節設備多為局部或就地運行，缺少集中協同控制，同時存在控制器動作不合理的現象。物聯網與無功電壓控制技術相結合，使以上問題具備了解決的可行性。現提出基于物聯網的配電網無功電壓控制系統，對配電網和無功調節設備的運行數據進行全方位感知、分析和處理;同時研究了系統的控制策略，旨在實現集中協同控制，以達到降低網損、改善電能質量、延長設備使用壽命、提升配電網運行經濟性的目的。

關鍵詞：物聯網;控制系統;控制策略

0 ? ?引言

隨著電力需求的逐年增長，電力市場對電能質量提出了更高的要求。配電網作為電力系統的最終環節，其自動化程度相對較低，網損嚴重，已成為制約電網平衡發展的一個重要因素。配電網無功補償裝置和電壓控制系統雖然能夠一定程度改善電能質量，降低網損，但仍存在如下幾個方面的局限性：

（1）無功電壓調整多采用就地方式，只能達到局部平衡效果，當負荷出現劇烈波動時，對整體的平衡要求不能及時響應;

（2）對無功補償和電壓控制缺乏統一管理，同時補償和控制策略存在不合理性，導致調節設備動作過于頻繁，影響供電穩定性;

（3）配電網分布范圍廣，受數據傳輸的影響，調節裝置實時通信性能差，普遍缺少通信接口和功能擴展模塊，難以實現集中協調控制;

（4）供電線路長，電壓質量不高，電能損耗問題突出，偏遠地區低電壓情況普遍，電力設備的利用率和使用壽命也深受影響。

然而泛在電力物聯網的出現，彌補了傳統配電網前端感知能力、中間傳輸交互能力和終端運算存儲能力方面的劣勢，建立一個互聯互動、可感可控的智能配網成為可能，進而能夠實現無功電壓集中協同控制，以達到降低網損，提高設備運行經濟性，改善電能質量的目的。

1 ? ?配電網無功電壓控制系統組成

配電網無功電壓控制系統（以下簡稱“系統”），由無功電壓控制終端、無功電壓智能控制器、無功電壓智能控制物聯云系統三部分組成，分別對應物聯網數據感知層、處理層和分析層，如圖1所示。

1.1 ? ?無功電壓控制終端

無功電壓控制終端對配電線路的電壓、電流、無功功率和補償設備狀態等運行數據進行采集，配置數據轉換模塊，在通信正常情況下，將線路運行數據通過數據傳輸網絡發送到上層的無功電壓智能控制器，接收并執行由無功電壓智能控制器制定的控制策略及無功補償控制指令。同時無功電壓控制終端具備數據處理能力，能夠就地制定控制策略，當通信中斷時，能夠保證無功補償正常運行，待通信恢復后上傳線路運行數據及動作記錄。

1.2 ? ?無功電壓智能控制器

由于配電線路覆蓋范圍廣，無功電壓控制終端數量多，如果線路運行數據全部交由電壓智能控制物聯云系統分析處理，運算數據量巨大，系統負擔過重，故將無功電壓智能控制器作為系統的物聯邊緣計算節點，使其具備一定的數據處理能力，補充云端的計算能力。根據負荷數據、運行環境數據及無功相關因素，通過機器學習實現無功電壓調節策略模型的生成，制定控制策略，并將策略遠程下發到無功電壓控制終端。

1.3 ? ?電壓智能控制物聯云系統

電壓智能控制物聯云系統對無功電壓智能控制器制定的策略進行統一管理和分析，根據無功電壓智能控制器上傳的電網運行數據，對其整體策略制定的合理性進行校驗和調整，然后下發到無功電壓智能控制器，用于更新控制策略。

云系統同時是人機交互的展示界面，包括用戶管理、通信管理、設備管理、策略管理、操作日志管理、無功監控等功能[1]。

用戶管理：編輯用戶信息，展示配電線路拓撲關系和補償節點設置情況。

通信管理：用來顯示無功電壓控制終端和無功電壓智能控制器的離線、在線狀態。

設備管理：顯示和設置補償節點的電壓及補償電容器的投入容量和投切次數。

策略管理：設置控制方式，可根據需要選擇功率因數控制、無功功率控制、電壓控制或是分時段控制方式，輸入和修改目標控制參數[2]。

操作日志管理：將系統操作內容保存到云系統中，同時對線路運行數據進行壓縮處理并存儲在云系統，為物聯網的大數據分析提供支持。

無功監視：在配電拓撲圖中顯示各節點的運行數據，包括電壓、電流、功率因數、有功功率和無功功率，根據算法計算補償容量，編制控制指令，下發無功電壓智能控制器執行。

2 ? ?配電網無功電壓控制系統控制策略分析

配電網無功電壓控制系統控制策略制定為兩級控制：一級控制為分時段控制，二級控制為九域控制。

2.1 ? ?分時段控制

分時段控制作為一級控制，決定了電容器投切的整體趨勢。控制策略的更新周期設置為一天，把可能投切無功補償裝置或者改變運行方式的時刻作為階段劃分的分界點。因此，在進行階段劃分時要與負荷曲線相互結合，只把對應負荷曲線峰或谷的時刻作為劃分階段的分界點。負荷由峰轉谷，電容器只切不投;負荷由谷轉峰，電容器只投不切，這樣能夠有效減少由于負荷波動引起的電容器投切震蕩。

負荷預測是制定分時段控制調控方案的基礎，利用物聯網大數據形成無功負荷預測曲線。然后采用模糊聚類算法，得到配電網無功負荷預測曲線的多種動態分段方案。最后使用信息熵法計算出最優分段數，確定峰谷時段劃分方案。

2.2 ? ?九域控制

二級控制是在一級控制的基礎上執行配電網無功電壓集中協調控制。首先確定電網無功電壓集中協調控制的目標函數，本系統選擇有功功率損耗最小、電壓質量最優、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為節點電壓;Iimax為節點三相中的最大電流;Iimin為節點三相中的最小電流;k1，k2，k3為加權系數。

確定目標函數后，使用前推回代潮流計算方法進行網損計算，從而確定各節點的補償容量和電壓分布。具體方法為：前推過程是由末端負載節點向始端變壓器節點推算線路中的有功功率損耗，忽略壓降，求取始端節點的功率;回代過程是運用前推過程求取的始端變壓器節點功率和測量電壓，推算末端負載節點的壓降，此過程忽略功率損耗[3]。將上述過程進行迭代運算，設置一個常數作為收斂值，當兩次計算的末端負載電壓差值小于收斂值時，計算結束。

潮流計算結果應滿足如下約束：

節點無功補償容量上下限控制變量約束：

Qcimin≤Qci≤Qcimax ? ? ? ? ? ?（3）

節點電壓上下限狀態變量約束：

Uimin≤Ui≤Uimax ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

確定各節點的補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，控制補償電容器的投切動作。如圖2所示，結合分時劃分，在每個時段內，通過潮流計算可以得出電壓幅值與無功功率的最優點[4]。

當某一劃分時段產生負荷波動時，二級控制的潮流計算和九域控制可能會與一級控制策略產生沖突，此時系統執行一級控制策略。例如，某一時段，負荷由峰轉谷，一級控制判斷電容器只切不投，二級控制可能會因為這一時段內的負荷波動，發出投入電容器命令，此時應按照一級控制命令，只切除電容器，切除容量由二級控制計算并執行。

3 ? ?總結與展望

電力泛在物聯網的應用與無功電壓控制技術相結合，能夠解決配電網無功電壓集中協調控制的問題。兩級控制策略在滿足電網電壓無功要求的前提下，減少補償裝置投切次數，以有功功率損耗最小、電壓質量最優、三相不平衡率最低為目標進行集中協調控制，從而提高設備運行經濟性，改善電能質量，提高配電網的自動化程度。

在后續的研究中仍有許多方面可以進行改進：

（1）數據傳輸能力。配電網由于分布范圍廣、線路長，偏遠地區信號差，通過無功電壓智能控制器與無功電壓控制終端通信模塊的優化，可以削弱因通信中斷導致系統失控的影響。

（2）目標函數的選擇。不同潮流計算和負荷預測的算法直接影響理論電壓幅值與無功功率的最優運行點，如何建立適合配電網的計算體系，仍需深入研究。

（3）控制策略的優化。傳統九域控制已難以適應電網精細化管理的要求，在此基礎上拓展的模糊邊界算法、加入時間維度的立體九域等方式，可以嘗試應用到配電網無功電壓控制系統中。

[參考文獻]

[1] 曾春，王澤林.歌華有線高清交互前端系統日志審計平臺設計與實現[J].廣播與電視技術，2013，40（7）：86-90.

[2] 郅建杰.戶外柱上高壓無功動態補償裝置[J].電力設備，2006，7（9）：44-47.

[3] 劉樂.基于牛頓拉夫遜法的含分布式電源配電網潮流計算[D].石家莊：河北科技大學，2018.

[4] 竇雯.時間序列分析在電力系統無功優化中的應用[D].濟南：濟南大學，2013.

收稿日期：2020-07-24

作者簡介：顧焱（1969—），男，上海人，工程師，從事電力設備運行方面的研究工作。