基于DSP 控制的電網(wǎng)無(wú)功電壓分區(qū)動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法研究

陳經(jīng)緯

（無(wú)錫交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，無(wú)錫 214000）

電壓質(zhì)量是電力系統(tǒng)的主要指標(biāo)之一，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性具有重要影響。在電壓質(zhì)量可能出現(xiàn)的問題中，電壓偏移會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害，直接影響電氣設(shè)備的性能，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)因電壓崩潰造成大面積停電。電網(wǎng)架構(gòu)不合理會(huì)造成無(wú)用功過剩或兼容性無(wú)功補(bǔ)償不足，從而導(dǎo)致電壓偏高超過范圍上限，使電網(wǎng)運(yùn)行存在安全隱患，因此需要?jiǎng)討B(tài)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)無(wú)功電壓分區(qū)，以保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。DSP 能夠處理數(shù)字信號(hào)并提取相應(yīng)的信息，提高控制和補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性，在工業(yè)控制和電機(jī)控制中廣泛應(yīng)用。DSP 控制可以處理和控制電路信號(hào)，有助于對(duì)電壓實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償。因此，本文基于DSP 控制研究電網(wǎng)無(wú)功電壓分區(qū)動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，進(jìn)一步優(yōu)化電壓分區(qū)控制方法，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定和無(wú)功優(yōu)化協(xié)調(diào)。

1 基于DSP 的電網(wǎng)無(wú)功電壓補(bǔ)償控制

1.1 建立無(wú)功電壓補(bǔ)償模型

電力系統(tǒng)中存在大量感性負(fù)荷，會(huì)產(chǎn)生大量無(wú)用功率消耗。如果這些消耗沒有得到補(bǔ)償，就會(huì)通過電路進(jìn)行無(wú)功功率交換，產(chǎn)生無(wú)功電壓造成用電電路的損耗。因此，需要建立無(wú)功電壓補(bǔ)償模型，計(jì)算對(duì)無(wú)功功率消耗的補(bǔ)償，使電壓在允許的范圍內(nèi)偏移，保證電壓質(zhì)量[1]。無(wú)功補(bǔ)償機(jī)制的原理是吸收無(wú)功功率，達(dá)到平衡的目的，防止電壓升高。無(wú)功電壓補(bǔ)償具體可以分為低壓無(wú)功補(bǔ)償和高壓無(wú)功補(bǔ)償兩種。低壓無(wú)功補(bǔ)償更靠近負(fù)荷，有利于節(jié)能和電壓穩(wěn)定。高壓無(wú)功補(bǔ)償主要應(yīng)用于超高壓變電站開關(guān)，提高穩(wěn)定性和輸送能力。通過調(diào)節(jié)電路輸出側(cè)電壓的大小，同時(shí)改變電流大小，可滿足電網(wǎng)所需的無(wú)功，達(dá)到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)功功率的目的，表示為：

式中，US為輸出側(cè)電壓；UΔ為補(bǔ)償電壓；α 為輸出側(cè)電壓和補(bǔ)償電壓的相位差；β 為電路的阻抗角。電力系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率Q 可以表示為：

式中，R 表示電力電阻。根據(jù)電壓電流特性，改變輸出電壓相位和幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，可達(dá)到控制和補(bǔ)償無(wú)功電壓的目的。

1.2 DSP 電壓信號(hào)采樣設(shè)計(jì)

在對(duì)電網(wǎng)無(wú)功電壓進(jìn)行補(bǔ)償和控制的基礎(chǔ)上，采用DSP 作為控制中心，可實(shí)現(xiàn)無(wú)功電壓的數(shù)字化控制。DSP具有高速運(yùn)算的處理能力，但只能處理弱電信號(hào)，因此需要轉(zhuǎn)換處理電路的無(wú)功電壓信號(hào)，使信號(hào)滿足DSP 模塊的電壓范圍[2]。采用電流互感器采集輸出信號(hào)，額定值限定為10A，輸出值設(shè)定為20mA，適用于輸出電流檢測(cè)。經(jīng)過采樣線路的電流線號(hào)通過電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。為消除信號(hào)的噪聲干擾，還需對(duì)電路進(jìn)行濾波處理。經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的輸出電壓不超過3V，滿足DSP 的電壓輸入范圍，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。

2 電網(wǎng)無(wú)功電壓分區(qū)動(dòng)態(tài)檢測(cè)

2.1 設(shè)定無(wú)功電壓控制分區(qū)

電網(wǎng)無(wú)功電壓控制分區(qū)是一個(gè)組合最優(yōu)化問題，其設(shè)定應(yīng)滿足以下條件。首先，區(qū)域內(nèi)部保持連通，呈現(xiàn)弱耦合度，區(qū)域外則保持強(qiáng)耦合度，對(duì)區(qū)域內(nèi)控制不會(huì)造成區(qū)域外的大規(guī)模電壓波動(dòng)。其次，控制區(qū)域的數(shù)量和容量保持適中，以保證每個(gè)電壓控制區(qū)域都有充足的無(wú)功電源儲(chǔ)備。最后，主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)對(duì)電壓的變化具有靈敏反應(yīng)，使其他節(jié)點(diǎn)的電壓也能恢復(fù)到合格水平。本文采用遺傳算法設(shè)定電壓分區(qū)，通過搜索各分區(qū)的初始節(jié)點(diǎn)并將其作為中心依次向上分級(jí)合并，將最小電氣距離的直接相連節(jié)點(diǎn)合并到初始節(jié)點(diǎn)。不斷重復(fù)上述過程直至所有節(jié)點(diǎn)被分配，以此形成電網(wǎng)無(wú)功電壓分區(qū)[3]。其中，主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)是控制電壓水平的關(guān)鍵負(fù)荷點(diǎn)，一般為分區(qū)內(nèi)與其他節(jié)點(diǎn)電氣距離最小的節(jié)點(diǎn)，具體表示為：

式中，o 表示主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)；i 表示任意節(jié)點(diǎn)，區(qū)域節(jié)點(diǎn)集合為{1,2,…,n}；d 表示節(jié)點(diǎn)的電氣耦合程度。二次電壓控制是對(duì)主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的電壓偏差進(jìn)行反饋輸入，通過分級(jí)合并運(yùn)算后產(chǎn)生新分區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)電壓最優(yōu)分區(qū)控制。

2.2 動(dòng)態(tài)檢測(cè)無(wú)功電壓分區(qū)調(diào)壓效果

電力系統(tǒng)調(diào)壓的根本目的是保持各節(jié)點(diǎn)電壓在規(guī)定范圍內(nèi)穩(wěn)定。由于區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)眾多，對(duì)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)比較難以實(shí)現(xiàn)，因此本文選擇對(duì)關(guān)鍵中樞節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，確定其在合理范圍內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)其他節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行水平也能夠滿足應(yīng)用要求[4]。無(wú)功電壓分區(qū)調(diào)壓遵循就地平衡的原則，避免長(zhǎng)距離傳輸無(wú)功導(dǎo)致的低電壓向高電壓等級(jí)的倒送。結(jié)合電氣負(fù)荷的變化趨勢(shì)，確定無(wú)功電壓的補(bǔ)償容量，通過動(dòng)態(tài)檢測(cè)進(jìn)行調(diào)節(jié)來滿足電氣負(fù)荷的無(wú)功需求，達(dá)到改善電網(wǎng)電壓的目的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 分區(qū)結(jié)果檢測(cè)

本文基于DSP 控制提出了電網(wǎng)無(wú)功電壓分區(qū)動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法。為檢驗(yàn)無(wú)功電壓控制和動(dòng)態(tài)檢測(cè)的有效性，以某一實(shí)際電廠集群為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文將區(qū)域節(jié)點(diǎn)的距離之和最小設(shè)定為分區(qū)目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，隨分區(qū)個(gè)數(shù)的增加，適應(yīng)度逐漸減少。為保證無(wú)功電壓分區(qū)的電氣耦合最緊密，本文最終確定劃分為6 個(gè)區(qū)域，具體檢測(cè)結(jié)果如表1 所示。

由表1 的檢測(cè)結(jié)果可知，無(wú)功負(fù)荷擾動(dòng)增加時(shí)，各分區(qū)內(nèi)的電壓控制具有相對(duì)獨(dú)立性，控制區(qū)域外的無(wú)功功率相對(duì)較少。區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的無(wú)功需求主要由本區(qū)域的無(wú)功電源滿足，此外對(duì)某個(gè)區(qū)域的控制動(dòng)作不會(huì)引起其他區(qū)域的節(jié)點(diǎn)電壓大幅度波動(dòng)，因此驗(yàn)證了本文分區(qū)動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法的有效性。

表1 電網(wǎng)無(wú)功電壓分區(qū)動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)果

3.2 對(duì)比測(cè)試

為驗(yàn)證本文方法的應(yīng)用效果，將本文方法設(shè)為實(shí)驗(yàn)組，將傳統(tǒng)檢測(cè)方法作為對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，實(shí)施效果的對(duì)比結(jié)果如表2 所示。

表2 對(duì)比測(cè)試結(jié)果

由表2 的對(duì)比結(jié)果可知，使用本文的動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法能夠有效提高電壓水平的穩(wěn)定性，加強(qiáng)了電網(wǎng)無(wú)功功率的平衡性，提高了設(shè)備的平均使用壽命，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于DSP 控制研究電網(wǎng)無(wú)功電壓分區(qū)動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，經(jīng)過電網(wǎng)無(wú)功電壓補(bǔ)償控制和分區(qū)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)電路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。補(bǔ)償和分區(qū)后的無(wú)功電壓能夠合理調(diào)節(jié)電網(wǎng)中的運(yùn)行方式和無(wú)功功率，保證變電設(shè)備的電壓在合理范圍內(nèi)運(yùn)行。由于電網(wǎng)無(wú)功電壓分區(qū)具有一定的復(fù)雜性，本文的研究還存在不足之處，需要進(jìn)行完善。未來可按照智能配電原則對(duì)電壓控制的物流結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，使分區(qū)方式更加靈活。此外，由于電網(wǎng)母線眾多，負(fù)荷的變化趨勢(shì)和范圍不一致，因此可對(duì)其進(jìn)行聚類分析，進(jìn)一步提高分區(qū)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。