無功電壓技術(shù)支持下電力調(diào)度自動化系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

桑聯(lián)秀

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

傳統(tǒng)的電力調(diào)度系統(tǒng)通過傳感技術(shù)感知電力設(shè)備，集成采集到的電路數(shù)據(jù)信息，從而實現(xiàn)電力的集中調(diào)度[1]。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電力信息數(shù)據(jù)量也在不斷提高，傳統(tǒng)的電力調(diào)度系統(tǒng)的性能已經(jīng)無法支持大規(guī)模電力信息數(shù)據(jù)的高效處理。同時，電力企業(yè)對數(shù)據(jù)的安全性以及實時性要求也越來越高，對于電力調(diào)度系統(tǒng)也提出了新的要求。而基于數(shù)據(jù)挖掘的調(diào)度系統(tǒng)可以解決上述問題，通過電力數(shù)據(jù)的集成，提高數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)度，可以高效管理企業(yè)電力數(shù)據(jù)，同時在電力數(shù)據(jù)量激增的情況下也能夠具備較高的數(shù)據(jù)處理性能，為用戶提供較為高效的電力數(shù)據(jù)信息的訪問。但是，該系統(tǒng)某些方面存在一定的局限性。采用傳統(tǒng)的電力調(diào)度系統(tǒng)對電力進(jìn)行控制時，通常會出現(xiàn)電壓失衡的問題，導(dǎo)致理論上的電壓值與實際值會存在偏差，該偏差對調(diào)度效果會產(chǎn)生較大的影響，進(jìn)而降低調(diào)度效率。電力設(shè)備在不同時段所產(chǎn)生的電壓負(fù)荷也有所不同，因此需要分時段進(jìn)行電力調(diào)度。基于該背景，提出新型的電力調(diào)度自動化系統(tǒng)，旨在提高調(diào)度效率，同時對電壓失衡情況進(jìn)行處理。可采用無功電壓技術(shù)對局部最優(yōu)電壓進(jìn)行控制，提高電力資源的利用率，為電力設(shè)備運行提供有效保障[2]。

1 無功電壓技術(shù)支持下電力調(diào)度自動化系統(tǒng)硬件設(shè)計

電力調(diào)度自動化系統(tǒng)主要由展示層、應(yīng)用層、調(diào)度層以及平臺層組成[3]。展示層主要負(fù)責(zé)為電力系統(tǒng)運行中心提供直觀可調(diào)度的展示數(shù)據(jù)。應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)監(jiān)控電力系統(tǒng)的整體運行情況，例如對調(diào)度信號進(jìn)行管理并實時監(jiān)測電路的運行狀態(tài)。調(diào)度層主要負(fù)責(zé)對信號的接收與發(fā)送。平臺層主要負(fù)責(zé)對收集到的電路信息進(jìn)行處理與傳輸，具體包括電壓電流的計算，在超過電壓閾值時能夠?qū)崿F(xiàn)報警，為平臺的穩(wěn)定性提供數(shù)據(jù)支持。

調(diào)度層由調(diào)度信號發(fā)射與接收模塊、變頻器以及無功電壓調(diào)節(jié)器組成。其中，變頻器的功能為通過改變電力調(diào)度自動化系統(tǒng)的工作電源頻率對電路中流通的電力進(jìn)行控制[4]。為提高電流控制性能，采用ODL1500-0R7G-2GB 型號的變頻器作為主控制器，輸出電壓為單相220 ～240 V，額定輸出功率設(shè)置為0.75 kW，內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)制動單元，適配電機(jī)功率為1.5 kW。調(diào)度信號接收與發(fā)射模塊作為電力調(diào)度自動化系統(tǒng)的核心模塊，主要由信號發(fā)射與接收線圈組成，線圈之間通過磁吸方式實現(xiàn)對信號的接收與發(fā)送。調(diào)度信號接收線圈負(fù)責(zé)將接收的信號轉(zhuǎn)換為電能，通過等效電路轉(zhuǎn)換電壓，并控制電流的波動情況。采用三點式振蕩電路將穩(wěn)定的電流傳輸給負(fù)載線圈，從而實現(xiàn)調(diào)度信息的傳輸，減少諧波對電流傳輸?shù)母蓴_[5]。

2 無功電壓技術(shù)支持下電力調(diào)度自動化系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 基于無功電壓技術(shù)的最優(yōu)電壓控制

為對電力進(jìn)行自動化調(diào)度，除了在整體系統(tǒng)中實現(xiàn)電壓綜合控制以外，需要在局部電路中實現(xiàn)最優(yōu)控制。因此，可采用無功電壓技術(shù)，結(jié)合線性規(guī)劃方法實現(xiàn)對最優(yōu)電壓的控制，具體實現(xiàn)步驟如下。

首先，電力系統(tǒng)的無功功率與運行所需的額定電壓成正相關(guān)，并且變壓器母線上的電壓特性存在較大的差異，因此需要對變壓器連接的設(shè)備參量進(jìn)行辨識[6]。已知母線電壓靜態(tài)特性表達(dá)式為

式中：Q為母線的運行電壓值；V為運行電壓位，α和β分別為隨著電壓負(fù)荷與電路運行情況產(chǎn)生變化的參量。

其次，不同的采樣時刻下對同一條母線進(jìn)行監(jiān)測，所得到的參量也存在較大的差異，因此需要對參量進(jìn)行確定[7]。假設(shè)采樣次數(shù)為k時，母線的運行電壓以及對應(yīng)的運行電壓位分別為Qk和Vkα，則根據(jù)式（1）可以得到的表達(dá)式為

通過將式（2）中等號2 側(cè)的數(shù)值取對數(shù)，即可得到的表達(dá)式為

將式（3）轉(zhuǎn)化為線性方程，可得到的表達(dá)式為

式中：yk和xk為已知數(shù)，可以通過采樣值進(jìn)行計算得出。而測量時的誤差值無法被忽略，因此每次計算的數(shù)值會存在偏差，假設(shè)偏差值為mk，則公式為

再次，通過采用最小二乘法對參數(shù)進(jìn)行辨識，假設(shè)參量的取值分別為時α'和β'，此刻偏差值的平方和N為最小，則可得到的表達(dá)式為

最后，通過以電阻消耗的有功功率優(yōu)化為目標(biāo)，根據(jù)式（6）建立線性優(yōu)化模型，具體為

式中：minZ為電阻消耗有功功率的最小值；?u為網(wǎng)損最小時的電壓控制量；?umax和?umin分別為控制量的上限與下限。

通過以上步驟即可實現(xiàn)對母線設(shè)備參量的辨識，完成對最優(yōu)電壓的控制。

2.2 調(diào)度信號接收與發(fā)送

為實現(xiàn)對調(diào)度信號的接收與發(fā)送，在調(diào)度電路中，安裝滑動變阻與三極管構(gòu)成調(diào)節(jié)電路。為保證輸出電流的穩(wěn)定性，需要對電路輸出電壓的平均值進(jìn)行計算。假設(shè)U1為輸入電壓值，U2為輸入電壓有效值，δ為固有角頻率，則輸出電壓的平均值計算公式為

則可計算出輸出電流平均值，公式為

式中：RL為電阻值。采用電阻與三極管構(gòu)成波形調(diào)節(jié)電路，為實現(xiàn)對電流波形的靈活調(diào)整，選用滑動變阻作為主要電阻器，并計算出振蕩頻率，具體計算公式為

式中：c為振蕩系數(shù)。通過式（10）可以看出，振蕩系數(shù)為定值，則通過對滑阻RL進(jìn)行調(diào)整即可得到不同需求下的振蕩頻率大小，進(jìn)而控制調(diào)度信號的接收與發(fā)送。

通過以上步驟即可完成對調(diào)度信號的接收與發(fā)送，并與調(diào)度信號模塊設(shè)計以及最優(yōu)電壓控制進(jìn)行結(jié)合，從而完成無功電壓技術(shù)支持下的電力調(diào)度自動化系統(tǒng)設(shè)計。

3 實驗部分

為證明提出的功電壓技術(shù)支持下的電力調(diào)度自動化系統(tǒng)的調(diào)度效率優(yōu)于傳統(tǒng)的調(diào)度系統(tǒng)，在完成理論部分設(shè)計后，構(gòu)建實驗測試環(huán)節(jié)，對該系統(tǒng)的實際調(diào)度效果進(jìn)行檢驗。

3.1 實驗環(huán)境

本次實驗選取的實驗對象為某市電力調(diào)度的電壓波形，選取部分電壓失衡波形進(jìn)行測試，采用傳統(tǒng)的調(diào)度系統(tǒng)作為比較對象，分別為基于通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）的電力調(diào)度系統(tǒng)以及基于Web 的電力調(diào)度系統(tǒng)。

為比較3 種電力調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)度效率，采用MATLAB 軟件搭建實驗環(huán)境，硬件配置為Intel（R）celeron（R）CPU2.40 GHz。用到的軟件為MySQL5.0.17，負(fù)責(zé)對電力調(diào)度數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用與存儲。實驗通過改變調(diào)度距離，比較不同的電力調(diào)度系統(tǒng)在處理同一組數(shù)據(jù)時調(diào)度效率的變化，從而判斷電力調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)度性能。

3.2 實驗結(jié)果

本次實驗采取的試驗標(biāo)準(zhǔn)為系統(tǒng)的調(diào)度效率。該效率為衡量電力調(diào)度系統(tǒng)的常見指標(biāo)，其值越高代表系統(tǒng)的調(diào)度性能越高。調(diào)度效率的具體計算公式為

式中：t為耦合因子；D為系統(tǒng)在進(jìn)行調(diào)度中損耗能量的速度。通過式（11）即可求出調(diào)度效率，具體實驗比較結(jié)果如圖1 所示。

圖1 調(diào)度效率對比圖

根據(jù)圖1 實驗結(jié)果可以看出，智能調(diào)度系統(tǒng)在調(diào)度距離不同的情況下產(chǎn)生的調(diào)度效率也有所不同。調(diào)度距離為400 ～800 m 時為調(diào)度效率最高，超過一定距離后其效率會有不同程度的下降。通過數(shù)值上的比較可以明顯看出，提出的無功電壓技術(shù)支持下的電力調(diào)度自動化系統(tǒng)在調(diào)度效率上明顯高于2 種傳統(tǒng)的調(diào)度系統(tǒng)，最高效率可達(dá)50%以上，說明本文提出的調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)度性能較為優(yōu)秀，能夠有效緩解電壓失衡的情況。

4 結(jié) 論

文章提出的電力調(diào)度自動化系統(tǒng)與無功電壓技術(shù)，對局部最優(yōu)電壓進(jìn)行控制，保障了電流流通的穩(wěn)定性，能夠有效減少諧波的干擾，對電力進(jìn)行高效調(diào)度。在今后的研究工作中，還需對系統(tǒng)在長時間高負(fù)荷情況下運行的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，延長系統(tǒng)的工作壽命，為緩解失衡電壓提供有效幫助。