基于DSP 控制的電網無功電壓分區動態檢測方法研究

陳經緯

（無錫交通高等職業技術學校，無錫 214000）

電壓質量是電力系統的主要指標之一，對電網運行的安全性和可靠性具有重要影響。在電壓質量可能出現的問題中，電壓偏移會對電力系統造成嚴重危害，直接影響電氣設備的性能，嚴重時還會因電壓崩潰造成大面積停電。電網架構不合理會造成無用功過剩或兼容性無功補償不足，從而導致電壓偏高超過范圍上限，使電網運行存在安全隱患，因此需要動態監測電網無功電壓分區，以保證電網安全穩定運行。DSP 能夠處理數字信號并提取相應的信息，提高控制和補償的實時性，在工業控制和電機控制中廣泛應用。DSP 控制可以處理和控制電路信號，有助于對電壓實現無功補償。因此，本文基于DSP 控制研究電網無功電壓分區動態檢測方法，進一步優化電壓分區控制方法，以實現電網電壓穩定和無功優化協調。

1 基于DSP 的電網無功電壓補償控制

1.1 建立無功電壓補償模型

電力系統中存在大量感性負荷，會產生大量無用功率消耗。如果這些消耗沒有得到補償，就會通過電路進行無功功率交換，產生無功電壓造成用電電路的損耗。因此，需要建立無功電壓補償模型，計算對無功功率消耗的補償，使電壓在允許的范圍內偏移，保證電壓質量[1]。無功補償機制的原理是吸收無功功率，達到平衡的目的，防止電壓升高。無功電壓補償具體可以分為低壓無功補償和高壓無功補償兩種。低壓無功補償更靠近負荷，有利于節能和電壓穩定。高壓無功補償主要應用于超高壓變電站開關，提高穩定性和輸送能力。通過調節電路輸出側電壓的大小，同時改變電流大小，可滿足電網所需的無功，達到動態補償無功功率的目的，表示為：

式中，US為輸出側電壓；UΔ為補償電壓；α 為輸出側電壓和補償電壓的相位差；β 為電路的阻抗角。電力系統穩定時，從電網吸收的無功功率Q 可以表示為：

式中，R 表示電力電阻。根據電壓電流特性，改變輸出電壓相位和幅值進行調節，可達到控制和補償無功電壓的目的。

1.2 DSP 電壓信號采樣設計

在對電網無功電壓進行補償和控制的基礎上，采用DSP 作為控制中心，可實現無功電壓的數字化控制。DSP具有高速運算的處理能力，但只能處理弱電信號，因此需要轉換處理電路的無功電壓信號，使信號滿足DSP 模塊的電壓范圍[2]。采用電流互感器采集輸出信號，額定值限定為10A，輸出值設定為20mA，適用于輸出電流檢測。經過采樣線路的電流線號通過電阻轉化為電壓信號。為消除信號的噪聲干擾，還需對電路進行濾波處理。經過轉換后的輸出電壓不超過3V，滿足DSP 的電壓輸入范圍，從而實現電網電壓信號的實時采集。

2 電網無功電壓分區動態檢測

2.1 設定無功電壓控制分區

電網無功電壓控制分區是一個組合最優化問題，其設定應滿足以下條件。首先，區域內部保持連通，呈現弱耦合度，區域外則保持強耦合度，對區域內控制不會造成區域外的大規模電壓波動。其次，控制區域的數量和容量保持適中，以保證每個電壓控制區域都有充足的無功電源儲備。最后，主導節點對電壓的變化具有靈敏反應，使其他節點的電壓也能恢復到合格水平。本文采用遺傳算法設定電壓分區，通過搜索各分區的初始節點并將其作為中心依次向上分級合并，將最小電氣距離的直接相連節點合并到初始節點。不斷重復上述過程直至所有節點被分配，以此形成電網無功電壓分區[3]。其中，主導節點是控制電壓水平的關鍵負荷點，一般為分區內與其他節點電氣距離最小的節點，具體表示為：

式中，o 表示主導節點；i 表示任意節點，區域節點集合為{1,2,…,n}；d 表示節點的電氣耦合程度。二次電壓控制是對主導節點的電壓偏差進行反饋輸入，通過分級合并運算后產生新分區，從而實現電壓最優分區控制。

2.2 動態檢測無功電壓分區調壓效果

電力系統調壓的根本目的是保持各節點電壓在規定范圍內穩定。由于區域內節點眾多，對所有節點進行檢測比較難以實現，因此本文選擇對關鍵中樞節點進行動態檢測，確定其在合理范圍內運行，同時其他節點的運行水平也能夠滿足應用要求[4]。無功電壓分區調壓遵循就地平衡的原則，避免長距離傳輸無功導致的低電壓向高電壓等級的倒送。結合電氣負荷的變化趨勢，確定無功電壓的補償容量，通過動態檢測進行調節來滿足電氣負荷的無功需求，達到改善電網電壓的目的。

3 實驗結果與分析

3.1 分區結果檢測

本文基于DSP 控制提出了電網無功電壓分區動態檢測方法。為檢驗無功電壓控制和動態檢測的有效性，以某一實際電廠集群為例進行實驗驗證。本文將區域節點的距離之和最小設定為分區目標進行動態檢測，隨分區個數的增加，適應度逐漸減少。為保證無功電壓分區的電氣耦合最緊密，本文最終確定劃分為6 個區域，具體檢測結果如表1 所示。

由表1 的檢測結果可知，無功負荷擾動增加時，各分區內的電壓控制具有相對獨立性，控制區域外的無功功率相對較少。區域內節點的無功需求主要由本區域的無功電源滿足，此外對某個區域的控制動作不會引起其他區域的節點電壓大幅度波動，因此驗證了本文分區動態檢測方法的有效性。

表1 電網無功電壓分區動態檢測結果

3.2 對比測試

為驗證本文方法的應用效果，將本文方法設為實驗組，將傳統檢測方法作為對照組進行對比測試，實施效果的對比結果如表2 所示。

表2 對比測試結果

由表2 的對比結果可知，使用本文的動態檢測方法能夠有效提高電壓水平的穩定性，加強了電網無功功率的平衡性，提高了設備的平均使用壽命，具有一定的經濟效益。

4 結語

本文基于DSP 控制研究電網無功電壓分區動態檢測方法，經過電網無功電壓補償控制和分區動態檢測，實現了電網電路的安全穩定運行。補償和分區后的無功電壓能夠合理調節電網中的運行方式和無功功率，保證變電設備的電壓在合理范圍內運行。由于電網無功電壓分區具有一定的復雜性，本文的研究還存在不足之處，需要進行完善。未來可按照智能配電原則對電壓控制的物流結構進行劃分，使分區方式更加靈活。此外，由于電網母線眾多，負荷的變化趨勢和范圍不一致，因此可對其進行聚類分析，進一步提高分區檢測的準確性。