無功電壓技術支持下電力調度自動化系統的設計與實現

桑聯秀

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

傳統的電力調度系統通過傳感技術感知電力設備，集成采集到的電路數據信息，從而實現電力的集中調度[1]。隨著電網規模的不斷擴大，電力信息數據量也在不斷提高，傳統的電力調度系統的性能已經無法支持大規模電力信息數據的高效處理。同時，電力企業對數據的安全性以及實時性要求也越來越高，對于電力調度系統也提出了新的要求。而基于數據挖掘的調度系統可以解決上述問題，通過電力數據的集成，提高數據之間的關聯度，可以高效管理企業電力數據，同時在電力數據量激增的情況下也能夠具備較高的數據處理性能，為用戶提供較為高效的電力數據信息的訪問。但是，該系統某些方面存在一定的局限性。采用傳統的電力調度系統對電力進行控制時，通常會出現電壓失衡的問題，導致理論上的電壓值與實際值會存在偏差，該偏差對調度效果會產生較大的影響，進而降低調度效率。電力設備在不同時段所產生的電壓負荷也有所不同，因此需要分時段進行電力調度?；谠摫尘埃岢鲂滦偷碾娏φ{度自動化系統，旨在提高調度效率，同時對電壓失衡情況進行處理?？刹捎脽o功電壓技術對局部最優電壓進行控制，提高電力資源的利用率，為電力設備運行提供有效保障[2]。

1 無功電壓技術支持下電力調度自動化系統硬件設計

電力調度自動化系統主要由展示層、應用層、調度層以及平臺層組成[3]。展示層主要負責為電力系統運行中心提供直觀可調度的展示數據。應用層主要負責監控電力系統的整體運行情況，例如對調度信號進行管理并實時監測電路的運行狀態。調度層主要負責對信號的接收與發送。平臺層主要負責對收集到的電路信息進行處理與傳輸，具體包括電壓電流的計算，在超過電壓閾值時能夠實現報警，為平臺的穩定性提供數據支持。

調度層由調度信號發射與接收模塊、變頻器以及無功電壓調節器組成。其中，變頻器的功能為通過改變電力調度自動化系統的工作電源頻率對電路中流通的電力進行控制[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，額定輸出功率設置為0.75 kW，內置標準制動單元，適配電機功率為1.5 kW。調度信號接收與發射模塊作為電力調度自動化系統的核心模塊，主要由信號發射與接收線圈組成，線圈之間通過磁吸方式實現對信號的接收與發送。調度信號接收線圈負責將接收的信號轉換為電能，通過等效電路轉換電壓，并控制電流的波動情況。采用三點式振蕩電路將穩定的電流傳輸給負載線圈，從而實現調度信息的傳輸，減少諧波對電流傳輸的干擾[5]。

2 無功電壓技術支持下電力調度自動化系統軟件設計

2.1 基于無功電壓技術的最優電壓控制

為對電力進行自動化調度，除了在整體系統中實現電壓綜合控制以外，需要在局部電路中實現最優控制。因此，可采用無功電壓技術，結合線性規劃方法實現對最優電壓的控制，具體實現步驟如下。

首先，電力系統的無功功率與運行所需的額定電壓成正相關，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備參量進行辨識[6]。已知母線電壓靜態特性表達式為

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

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

通過將式（2）中等號2 側的數值取對數，即可得到的表達式為

將式（3）轉化為線性方程，可得到的表達式為

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

再次，通過采用最小二乘法對參數進行辨識，假設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，則可得到的表達式為

最后，通過以電阻消耗的有功功率優化為目標，根據式（6）建立線性優化模型，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對母線設備參量的辨識，完成對最優電壓的控制。

2.2 調度信號接收與發送

為實現對調度信號的接收與發送，在調度電路中，安裝滑動變阻與三極管構成調節電路。為保證輸出電流的穩定性，需要對電路輸出電壓的平均值進行計算。假設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成波形調節電路，為實現對電流波形的靈活調整，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。通過式（10）可以看出，振蕩系數為定值，則通過對滑阻RL進行調整即可得到不同需求下的振蕩頻率大小，進而控制調度信號的接收與發送。

通過以上步驟即可完成對調度信號的接收與發送，并與調度信號模塊設計以及最優電壓控制進行結合，從而完成無功電壓技術支持下的電力調度自動化系統設計。

3 實驗部分

為證明提出的功電壓技術支持下的電力調度自動化系統的調度效率優于傳統的調度系統，在完成理論部分設計后，構建實驗測試環節，對該系統的實際調度效果進行檢驗。

3.1 實驗環境

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

為比較3 種電力調度系統的調度效率，采用MATLAB 軟件搭建實驗環境，硬件配置為Intel（R）celeron（R）CPU2.40 GHz。用到的軟件為MySQL5.0.17，負責對電力調度數據進行調用與存儲。實驗通過改變調度距離，比較不同的電力調度系統在處理同一組數據時調度效率的變化，從而判斷電力調度系統的調度性能。

3.2 實驗結果

本次實驗采取的試驗標準為系統的調度效率。該效率為衡量電力調度系統的常見指標，其值越高代表系統的調度性能越高。調度效率的具體計算公式為

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

圖1 調度效率對比圖

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

4 結 論

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