農區低壓配電網無功補償技術研究

摘 要：合理補償無功功率對提高電網的功率因數、降低損耗、提升電壓穩定性具有積極意義，但目前農區低壓配電網負載的分散性和波動性給無功補償帶來了很多挑戰。針對無功功率需求快速變化、現有無功補償技術難以適應動態需求等問題，本文提出了一種基于自適應濾波算法的無功補償技術，旨在實現對農區低壓配電網無功功率需求的動態補償。由試驗結果可知，與鵜鶘優化算法相比，本技術無功損耗更低，能夠有效跟蹤電網狀態的變化，實現了對無功功率需求的快速響應和精確補償，其應用可顯著提高電網的運行效率和可靠性。

關鍵詞：自適應濾波算法；無功補償；農區低壓配電網；動態控制

中圖分類號：TM 35 " 文獻標志碼：A

隨著電力需求不斷上升，電力系統的穩定性和效率問題日益凸顯。在影響電力系統性能的因素中，無功功率補償是一個關鍵環節。雖然無功功率不參與能量轉換，但其對維持電壓穩定和提高輸電效率具有積極性[1]。在農區低壓配電網中，由于負載的多樣性和不穩定性，無功功率的需求波動較大，傳統的無功補償技術往往難以適應動態變化，這些問題不僅影響用戶的用電體驗，還可能導致設備損壞和能源浪費。因此，開發一種能夠實時響應電網狀態變化的無功補償技術顯得尤為重要。現代無功補償技術通常采用模糊邏輯、神經網絡、自適應濾波等算法，以實現對電網狀態的實時監測和動態響應。這些算法能夠根據電網的實時數據，自動調整補償設備的運行狀態，以最優的方式滿足系統的無功需求。其中，自適應濾波算法通過動態調整濾波器的參數來適應輸入信號的變化，從而實現最優的信號處理效果[2]。將自適應濾波算法應用于農區低壓配電網的無功補償，可以有效地跟蹤電網狀態的變化，并實時調整補償策略，以滿足不同工況下的無功補償需求。

1 無功補償技術與農區低壓配電網

無功補償技術是電力系統中用于提高電網功率因數、降低能量損耗、改善電壓穩定性和提高輸電能力的重要手段。無功補償涉及無功功率的生成和吸收，這些無功功率不參與實際的功轉換，但對維持電網的正常運行至關重要。在交流系統中，由于電感和電容元件的存在，電流和電壓之間會產生相位差，無功功率正是這種相位差的直接體現[3]。無功補償技術通過提供或吸收無功功率，調整電網的功率因數，減少因相位差引起的能量損耗。無功補償的實現方式多種多樣，從傳統的電容器組和電抗器組到現代的SVC和STATCOM，每種方式都有其特定的應用場景和優勢[4]。在應用中，這些技術并非孤立存在，而是需要與電網的其他部分深度融合，包括與電網的監控系統、自動化控制系統以及需求響應機制等集成，形成一個協調的補償策略。

農區低壓配電網通常電壓等級較低，覆蓋面廣，用戶分散，這些特點使農區低壓配電網在無功補償方面面臨部分挑戰。1）負載多樣性。農區的用電負載類型多樣，包括家庭用電、農業機械、灌溉系統等，這些負載的功率需求各不相同，導致電網的無功功率需求波動較大。2）季節性波動。農業活動具有明顯的季節特征，例如灌溉季節和收獲季節的用電需求會顯著增加，這導致電網負載在不同季節呈現不同的波動模式。3）電壓穩定性。由于農區低壓配電網的線路較長，電阻損耗較大，且負載不均勻分布，容易出現電壓下降和波動問題。4）功率因數低下。農區用戶往往缺乏對電力系統效率的認識，導致用電設備未進行合理的無功補償，使整個電網的功率因數較低。5）技術普及低。與城市電網相比，農區低壓配電網的智能化水平較低，缺乏先進的監控手段，限制了無功補償技術的應用和優化。

針對這些問題，開發一種適應性強、成本效益高的無功補償技術對提升農區低壓配電網的供電質量和系統穩定性具有積極意義。基于自適應濾波算法的無功補償技術能夠動態響應電網狀態的變化，為解決這些問題提供了一種有效的技術途徑。

2 技術分析

自適應濾波算法通過檢測輸出與期望信號間的誤差，基于此誤差來調整濾波器系數。當輸入信號進入濾波器后，濾波器產生輸出，將輸出與期望信號進行比較，得出誤差信號。該誤差信號反映了當前濾波器的性能表現。利用調整規則，根據誤差信號特征對濾波器系數進行更新。該過程是持續且動態的，隨著輸入信號的變化，濾波器系數不斷調整，以逐漸達到最優的濾波狀態，使輸出盡可能接近期望信號。在本研究中，自適應濾波算法應用于農區低壓配電網的無功補償主要是為了動態調整無功補償的輸出，以響應電網狀態的變化。

2.1 建立模型

為準確描述農區低壓配電網的特性，需要建立包括負載、變壓器、輸電線路等在內的數學模型。考慮農區負荷的分散性和不確定性，可采用無功功率需求模型來表示電網結構，如公式（1）所示。

Q=V2?B （1）

式中：Q為無功功率；V為電壓；B為電網的無功功率需求系數。

實時測量電網的電壓和電流，計算當前的無功功率，如公式（2）所示。

Qmeas=Vmeas?Imeas?sin（θ） （2）

式中：Vmeas和Imeas分別為測量的電壓和電流；θ為電壓和電流之間的相位差。

2.2 自適應濾波器設計

自適應濾波器設計是為了動態調整無功補償量，以響應電網狀態的變化[5]。設計一個無限脈沖響應自適應濾波器，確定濾波器系數，其系數w[n]根據誤差信號e[n]動態調整，系數更新過程如公式（3）所示。

w[n+1]=w[n]+μ??[n]?e[n] （3）

式中：μ為步長參數；?[n]為輸入信號向量（如電壓和電流的瞬時值）；n為離散時間索引。

定義誤差信號e[n]為期望的無功功率Qdesired與測量到的無功功率Qmeas間的差值，設置濾波器系數初始值，根據誤差信號實時更新濾波器系數，以保證在滿足補償要求的前提下，盡量減少計算量和硬件成本。

2.3 無功補償控制

基于自適應濾波器輸出，設計無功補償控制策略，以動態調整補償設備的輸出。控制策略應考慮補償裝置的響應時間、電網的實時狀態以及無功補償的目標值。

例如，當無功功率缺額較大時，優先投入電容器組進行快速補償。利用更新后的濾波器系數w[n+1]來計算所需的無功補償量，并控制補償設備進行相應的調整，如公式（4）所示。

ΔQ=w[n+1]??[n] （4）

式中：ΔQ為補償設備需要提供的額外無功功率。

將計算的補償量轉換為對補償設備的控制信號，例如調整電容器組的投切或調整同步補償器的輸出。隨后，將調整后的無功功率反饋到電網中，并繼續監測電網狀態，形成閉環控制系統，系統根據新的電網狀態再次調整濾波器系數，以實現動態補償。

2.4 動態調整

假設電網在高峰時段電壓下降，應實時監測電壓下降和功率因數降低，根據負載特性進行分類（例如恒定負載、變動負載、可調度負載），以便更精確地估計無功功率需求。分析電網節點的電壓穩定性，識別不穩定區域，這些區域可能需要額外的無功支持，根據實時測量的功率因數，確定需要提高功率因數的區域，以減少無功功率損耗[6]；根據電網狀態和負載特性，動態設定補償目標，調整自適應濾波算法的步長參數，增加權重更新速度，快速響應電網變化，例如，當負載突變時增加步長，穩定后減小步長；根據計算的補償需求，動態調度無功補償，投入或切除電容器組、調整變壓器抽頭位置、控制STATCOM等，提供所需的無功支持；確保補償策略的調整在電網狀態變化后的預定時間內完成，以保證補償的及時性，根據電網響應和補償效果，自適應調整濾波器權重，優化補償策略；當調整補償策略時，應考慮多個目標，例如最小化電網損耗、提高電壓穩定性等。此外，關注用戶的需求響應，可允許用戶根據電網狀態調整個人負載，以減少無功功率需求。通過動態調整，能夠確保電網在不同運行條件下均能獲得適當的無功支持，從而提高電網的整體性能。

3 試驗研究

農區低壓配電網在灌溉季節負載增加，導致無功功率需求上升，電壓水平下降。通過自適應濾波算法，可實時監測變化，并自動調整無功補償，以維持電壓穩定和提高功率因數。本試驗針對自適應濾波算法的有效性進行分析，以某農區低壓配電網為例，獲取各項數據，使用自適應濾波算法進行深度驗證。

3.1 無功改進比較

為驗證算法優勢，取某農區變電站數據為原始數據，以實現固定補償，利用傳統無功補償技術（鵜鶘優化算法）與自適應濾波算法實現無功改進。首先，在使用鵜鶘優化算法的情況下，連續收集電網的無功功率數據，包括無功功率總量、各節點無功功率分布等，確保數據準確。記錄電網的負載變化、電壓波動等運行狀態，根據電網特性引入自適應濾波算法，設置算法初始參數，包括濾波器系數、步長參數、輸入信號向量等，并確保算法可實時響應電網狀態變化。其次，在電網控制系統中啟動自適應濾波算法，實時監測并調整無功補償裝置的運行，運行期間同步采集電網無功功率數據，確保數據的可比性，對收集的數據進行清洗和預處理，剔除異常值和噪聲。最后，對基線數據和算法運行數據進行方差分析，計算自適應濾波算法運行前、后無功功率的變化量，分析電網電壓的穩定性，評估算法對電壓無功改進結果。

由表1可知，在試驗過程中，自適應濾波算法與鵜鶘優化算法的計算速度基本一致，自適應濾波算法在無功改進后可得出更優結果，無功損耗比鵜鶘優化算法更低。使用2種算法進行動態補償，采用固定補償的當前電壓較低，改進無功后電壓幅值顯著提升。與鵜鶘優化算法相比，自適應濾波算法局部占優，利用該算法的無功改進可得到全局最優解，進而提高電壓幅值，電壓穩定性得到顯著改善，提高功率因數，減少能源損耗。

3.2 無功補償結果

無功補償結果試驗是一個全面評估自適應濾波算法效果的系統化步驟。收集線路阻抗、變壓器參數等數據，根據公式（2）、公式（4）構建模型，確保模型可自適應電網變化。設計試驗組（動態補償后）和對照組（已有數據）進行比較，動態補償是指改進后的數據，已有數據是指改進前的數據。在試驗組中部署自適應濾波算法，實時監控并調整無功補償設備，同步采集試驗組和對照組的電壓、電流、功率因數等運行數據，剔除無效數據后計算有功損耗，隨后對比2組數據，評估自適應濾波算法的無功補償效果。

圖1為某農區變電站低壓配電網使用自適應濾波算法無功改進后的有功損耗結果。由試驗可知，改進后的各節點電壓幅值相對較高，補償后的損耗顯著下降。自適應濾波算法能夠有效降低電網的無功功率需求，提高整體功率因數。

為進一步驗證無功補償結果，設置當時間為0.5h時引入自適應濾波算法，某農區變電站低壓配電網無功功率變化如圖2所示。在固定補償前，電網呈純容無功，導致電網末端電壓升高。當時間為2h時，自適應濾波算法投入使用后，在經數段工頻后無功功率穩定到0，表明自適應濾波算法將對無功功率完全補償，可顯著提高電網能效。

3.3 無功補償效益

表2為該農區變電站低壓配電網使用自適應濾波算法損耗改進前、后的結果比較。在試驗中初始化參數，采集電壓、電流數據并進行預處理，計算當前無功功率Qmeas。基于歷史數據和上述模型，設定目標無功功率，計算誤差信號并更新濾波器權重，根據權重計算補償控制信號，并執行補償動作（可投入額外電容器）。測量實際電壓Vmeas（220V）、實際電流Imeas（10A）、相位差θ（30°）、期望無功功率Qdesired（5000MVar），測量到的無功功率為1100MVar，隨后計算誤差信號，如公式（5）所示。

e[n]=5000-1100=3900 （5）

假設輸入信號向量?[n]包括電壓和電流的瞬時值，步長參數μ為0.01，更新濾波器系數，如公式（6）所示。

w[n+1]=w[n]+0.01??[n]?3900 （6）

根據更新后的系數計算改進后的損耗變化，該過程將在每個控制周期內重復進行，以確保電網的無功功率始終保持在期望水平。由試驗可知，損耗均值有所下降，通過自適應濾波算法可實現對農區低壓配電網無功補償的動態調整，提高電網的穩定性和供電質量，并能降低損耗，節約供電量，能夠為電網運營商帶來經濟效益。由于供電質量提高，設備維修成本也相應減少。此外，算法的自適應性也使其特別適合于應對農區電網負載的多變性。

4 結語

綜上所述，隨著農區電氣化水平提升，低壓配電網面臨日益復雜的無功功率管理挑戰，傳統無功補償技術已難以滿足現代電網對快速響應和精確控制的需求，而本文提出的基于自適應濾波算法的無功補償技術實現了對無功功率需求的實時跟蹤和動態補償。在研究中，首先分析了農區低壓配電網的運行特性和無功功率補償需求。其次，設計了一種自適應濾波算法用于動態調整無功補償設備的輸出。通過試驗發現，該算法能夠快速響應電網狀態變化，有效提高了電網功率因數，降低了損耗，經濟效益較高。雖然本文取得了積極成果，但仍存在部分改進空間。1）需要進一步優化算法性能，提高其在復雜電網環境中的適應性和穩定性。2）探索算法與其他智能電網技術的集成應用，例如需求響應、分布式發電等。本文為農區低壓配電網無功補償技術的發展提供了新的視角，隨著技術成熟和完善，基于自適應濾波算法的無功補償技術將為提高電網運行效率、保障電能質量、推動農區可持續發展做出更多貢獻。

參考文獻

[1]羅浩，劉守豹，汪鳳月，等.發電機組低負荷下的SVG無功補償技術應用分析[J].電工技術，2024（8）：106-109.

[2]王鶴霖，程啟明，李明，等.基于自適應濾波LMS算法的超高壓TCR動態無功補償調壓方案設計與仿真[J].電測與儀表，2016，53（4）：5-13.

[3]陳智勇，董新偉，李傳輝，等.基于相位與幅值補償的虛擬同步發電機低電壓穿越控制[J].電力工程技術，2024，43（3）：42-51.

[4]蔣忠春，謝飛，馮旭升.臺區低壓柔性互聯技術在新農村配電網的應用[J].現代工業經濟和信息化，2024，14（3）：242-244.

[5]朱濤，海迪，魏靖，等.基于改進蜂群算法的電網最優無功配置研究[J].制造業自動化，2024，46（5）：120-127.

[6]張鵬飛，劉朋熙，章愛武，等.基于粒子群算法的電網資源最優匹配方法[J].自動化技術與應用，2024，43（5）：27-31.