配電網(wǎng)調(diào)度中的電壓無功優(yōu)化控制研究

【關(guān)鍵詞】配電網(wǎng)調(diào)度；電壓無功優(yōu)化控制；優(yōu)化算法；協(xié)同控制

引言

社會經(jīng)濟飛速發(fā)展，電力需求持續(xù)增長，配電網(wǎng)規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)變得愈發(fā)繁雜。無功功率的合理分配對削減配電網(wǎng)的網(wǎng)損，改善供電效能有著十分重要的意義，在配電網(wǎng)調(diào)度過程中，電壓無功優(yōu)化控制屬于十分關(guān)鍵的部分[1]。但當前配電網(wǎng)在電壓無功控制方面還存在不少問題，如電壓波動頻繁、無功補償不夠或過量等。因此加強對配電網(wǎng)調(diào)度中電壓無功優(yōu)化控制策略的研究，對改進配電網(wǎng)的運行品質(zhì)和保證電力供應(yīng)的可靠性有著重大的現(xiàn)實意義。

一、配電網(wǎng)調(diào)度中電壓無功控制存在的問題

（一）電壓波動問題突出

配電網(wǎng)在運行時，由于負荷的動態(tài)變化、分布式電源接入以及電網(wǎng)故障等因素造成電壓波動的現(xiàn)象比較普遍，負荷突然增加或減少會導(dǎo)致線路上電壓情況發(fā)生變化，進而使用戶端電壓出現(xiàn)波動。分布式電源如太陽能光伏板、風(fēng)力發(fā)電機等的輸出功率存在間歇性與隨機性的特點。在接入配電網(wǎng)后會對局部電壓造成較大影響，以太陽能光伏為例，在光照強度發(fā)生改變時，分布式電源的發(fā)電功率也會隨之變動，導(dǎo)致接入點處的電壓產(chǎn)生波動現(xiàn)象。頻繁的電壓波動不僅會影響到用戶電器設(shè)備能否正常運轉(zhuǎn)，還會縮短使用壽命，并且有可能引發(fā)電壓越限等安全問題。

（二）無功功率分布不合理

配電網(wǎng)中無功功率的分布不合理亦是突出問題。一方面，部分地區(qū)無功補償不足，導(dǎo)致線上無功電流增大，線路損耗增加，供電效率降低。例如，偏遠地區(qū)或老舊配電網(wǎng)因為設(shè)備舊，投資少，無功補償裝置不全，無法滿足實際無功需求。另一方面，部分地區(qū)可能存在無功補償過量的情況，導(dǎo)致無功功率在電網(wǎng)里倒送，加重了電網(wǎng)負擔(dān)同時造成了資源浪費。無功功率分布不合理還影響電壓質(zhì)量，電壓調(diào)整難度高，難以維持在合理范圍內(nèi)。

（三）控制手段相對落后

目前部分配電網(wǎng)在電壓無功控制手段上較為落后，傳統(tǒng)的控制辦法大多依靠人工操作與經(jīng)驗判斷，缺少實時性與精確性。例如，調(diào)節(jié)變壓器分接頭或投切電容器時，一般按照現(xiàn)場人員的觀察和經(jīng)驗來決定操作的時機和力度，這樣既費時又費力，而且不能很好地適應(yīng)配電網(wǎng)的動態(tài)改變。現(xiàn)存的自動化控制系統(tǒng)在功能上也存在一定的限制，無法對電壓無功實施及時的監(jiān)測、分析以及優(yōu)化控制，很難達到現(xiàn)代配電網(wǎng)對電壓質(zhì)量與運行效率的要求。對于分布式電源接入造成的復(fù)雜工況，傳統(tǒng)方法應(yīng)對能力欠缺，導(dǎo)致電壓無功控制的效果不佳，急需改良升級[2]。

二、配電網(wǎng)調(diào)度中電壓無功優(yōu)化控制策略

（一）優(yōu)化算法的應(yīng)用

要提升電壓無功優(yōu)化控制的精確度和效率，采用先進的優(yōu)化算法成為必然趨勢。遺傳算法屬于一種按照自然選擇及遺傳學(xué)原理而設(shè)計的優(yōu)化算法，有較強的全局搜索能力，它能模仿生物進化過程中選擇、交叉、變異等操作。在龐大的解空間中逐漸搜索到最佳解，針對電壓無功優(yōu)化控制而言，遺傳算法會把電壓偏差、網(wǎng)損這些關(guān)鍵指標當作優(yōu)化目的，把變壓器分接頭位置，電容器投切容量這些作為決策變量。每一次迭代計算中，算法根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)評價個體，留下適應(yīng)度高的個體，淘汰適應(yīng)度低的個體，然后用交叉和變異操作產(chǎn)生新的個體，經(jīng)過不斷地迭代，最后找到滿足各種約束條件的最優(yōu)控制策略。這種算法能考慮到配電網(wǎng)的復(fù)雜性和非線性，避免陷入局部最優(yōu)解，給電壓無功優(yōu)化控制提供科學(xué)合理的決策依據(jù)[3]。

粒子群優(yōu)化算法也是常見的優(yōu)化算法之一，它模仿鳥群或者魚群的群體行為，依靠個體之間分享信息并合作來找到最優(yōu)解。這種算法當中，每個粒子代表一種可能的解，粒子在解空間內(nèi)飛翔，按照自己和群體的最優(yōu)位置持續(xù)調(diào)整飛翔的方向和速度。粒子群優(yōu)化算法有收斂速度快，全局搜索能力強等優(yōu)點，可以快速找出接近最優(yōu)的解。在電壓無功優(yōu)化控制方面，遇到復(fù)雜的非線性問題時，粒子群優(yōu)化算法能高效地處理各種約束條件，及時調(diào)整控制參數(shù)，做到電壓和無功的優(yōu)化調(diào)配，改善配電網(wǎng)的運行質(zhì)量以及經(jīng)濟水平。

（二）先進設(shè)備的運用

采用先進的無功補償設(shè)備及電壓調(diào)整設(shè)備也是進行電壓無功控制的重要措施之一。靜止無功發(fā)生器是現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的一種新型無功補償設(shè)備，在改善配電網(wǎng)的電壓水平、減小網(wǎng)損上起著重要作用，它可以快速、連續(xù)地調(diào)節(jié)無功功率輸出，響應(yīng)時間可以達到毫秒級，可以迅速的適應(yīng)配電網(wǎng)中無功功率的快速變化。當配電網(wǎng)中負荷突然增大或減少時，靜止無功發(fā)生器可以根據(jù)當時的情況，快速調(diào)節(jié)無功的輸出，從而迅速穩(wěn)定電網(wǎng)的電壓，防止電壓劇烈波動。靜止無功發(fā)生器的調(diào)節(jié)范圍很大，能夠滿足各種情況下不同的無功補償要求，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低輸電網(wǎng)絡(luò)的電能損失，提高供電效率。

有載調(diào)壓變壓器在電壓調(diào)節(jié)上有著特別之處，它通過在帶負荷的時候改變分接頭的位置，來改變變壓器的變比，進而對電壓實施精確調(diào)節(jié)。經(jīng)過合理控制有載調(diào)壓變壓器的分接頭位置，可以依照負荷的變動和電網(wǎng)的運行狀況，把電壓穩(wěn)定在比較合理的范圍內(nèi)，從而提升電壓的穩(wěn)定性。

（三）協(xié)同控制策略的實施

達成配電網(wǎng)中電壓無功的協(xié)同控制，是提升控制效果的關(guān)鍵所在。電壓控制和無功控制彼此相關(guān)、彼此影響，單獨的電壓控制或無功控制往往難以取得最好的效果。所以創(chuàng)建電壓無功協(xié)同控制模型，把電壓和無功當作統(tǒng)一的優(yōu)化目標加以控制，是解決問題的一種有效辦法。

協(xié)同控制過程中，需考慮到配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)、負荷特征及分布式電源接入狀況等要素，配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)決定著電壓與無功功率的分布情況。不同拓撲結(jié)構(gòu)對應(yīng)著不同的協(xié)同控制策略，負荷特征同樣會對電壓和無功的控制效果產(chǎn)生影響，工業(yè)負荷和居民負荷在用電時間及用電量上存在差異，應(yīng)依照負荷特征來制訂相應(yīng)的控制方案[4]。

分布式電源接入到配電網(wǎng)時，需協(xié)調(diào)好分布式電源的無功輸出與配電網(wǎng)其他無功補償裝置的動作。分布式電源的無功輸出具有一定隨機性、不確定性，如果不與其他無功補償裝置有效協(xié)調(diào)就會產(chǎn)生無功功率沖突及分配不合理情況的發(fā)生。協(xié)同控制策略實時對分布式電源無功輸出情況進行檢測，對配電網(wǎng)內(nèi)其他無功補償裝置的動作實施相應(yīng)調(diào)適措施，使無功功率分配合理，配電網(wǎng)總體性能得到提升。

（四）分布式電源接入的自適應(yīng)控制策略

隨著分布式電源在配電網(wǎng)中大量接入，電壓無功優(yōu)化控制要適應(yīng)分布式電源的特點。分布式電源的輸出功率的不確定性，給電壓無功控制帶來了新的問題。分布式電源如太陽能光伏、風(fēng)力發(fā)電等的輸出功率受氣象條件的影響較大，光照強度、風(fēng)速等的變化都會引起分布式電源的輸出功率變化。

要應(yīng)對這一難題，可使用預(yù)測控制技術(shù)，針對分布式電源的輸出功率執(zhí)行預(yù)測，創(chuàng)建分布式電源輸出功率的預(yù)測模型，預(yù)測結(jié)果可作為電壓無功控制策略調(diào)整的依據(jù)。依照預(yù)測結(jié)果，提前調(diào)整變壓器分接頭位置，投切電容器的涌流等控制參數(shù)，讓電壓和無功功率在分布式電源輸出功率發(fā)生改變的時候依然維持在合理范圍內(nèi)[5]。

三、配電網(wǎng)調(diào)度中電壓無功優(yōu)化控制的保障措施

（一）加強監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

完備的監(jiān)測系統(tǒng)是達成電壓無功優(yōu)化控制的前提和關(guān)鍵支撐，配電網(wǎng)的運行環(huán)境十分復(fù)雜、負荷變動頻繁及分布式電源接入等情況導(dǎo)致電壓和無功功率長期處于變動中。因此創(chuàng)建覆蓋配電網(wǎng)各個節(jié)點的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)是必要措施，把高精度監(jiān)測設(shè)備安裝到變壓器、線路、用戶端等關(guān)鍵地方，就能全方位、及時又準確地掌握配電網(wǎng)的運行情況。這些監(jiān)測設(shè)備時刻察覺著電壓、電流、功率因數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)的變動，為后續(xù)的分析和控制賦予原始數(shù)據(jù)。

除了需要得到數(shù)據(jù)，還要建立一個高效的傳輸和處理數(shù)據(jù)的平臺，這個平臺要具有強大的數(shù)據(jù)傳輸能力，使監(jiān)測到的數(shù)據(jù)能夠及時、穩(wěn)定地傳輸?shù)秸{(diào)度中心。在調(diào)度中心，數(shù)據(jù)會被儲存、分析和處理，運用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行深入挖掘。通過對數(shù)據(jù)趨勢、規(guī)律和異常波動的分析，能找出電壓無功控制存在的問題和風(fēng)險。例如，某個地方的電壓長時間處于波動狀態(tài)，大數(shù)據(jù)分析能找出造成電壓波動的原因，負荷變化太大、無功補償不夠或設(shè)備出了故障等，還能預(yù)估將來可能會出現(xiàn)的電壓無功問題，提前做好應(yīng)對方案。這些分析出來的結(jié)果給制定改善控制策略給予了科學(xué)準確的參考，調(diào)度人員也能按照分析結(jié)果及時調(diào)整控制參數(shù)，做到電壓無功的優(yōu)化控制，提升配電網(wǎng)的運行品質(zhì)和可靠性。

（二）完善規(guī)章制度和標準

制定健全的規(guī)章制度和標準，是保證電壓無功優(yōu)化控制工作順利推進的關(guān)鍵保障。電壓無功優(yōu)化控制工作牽涉諸多環(huán)節(jié)和部門，必須有清楚的目標、指標以及考核方法才能約束調(diào)度人員的操作行為。如制定電壓合格率、功率因數(shù)等指標的考核標準，丈量著電壓無功控制工作的成果。針對不符合要求的單位和個人給予相應(yīng)的懲罰，這樣做能促使他們更加重視電壓無功控制工作，從而提升工作的積極性和責(zé)任感。

要創(chuàng)建設(shè)備運作守護制度，無功補償設(shè)備、電壓調(diào)整設(shè)備等都是電壓無功改良控制的主要硬件。這些設(shè)備能否正常運作直接關(guān)系著電壓無功控制工作的成果，定時對這些設(shè)備執(zhí)行檢修和守護，可以盡早察覺并解決設(shè)備存在的隱患和毛病，保證設(shè)備一直處在良好的運作狀態(tài)。如對于電容器，定時開展檢查，觀察其有無漏油、鼓包等的情況。還有定時給變壓器做絕緣檢測，保證它的絕緣性能達標。

由于大量的分布式電源接入配電網(wǎng)中，還要制定分布式電源接入配電網(wǎng)的技術(shù)標準及管理辦法，規(guī)范分布式電源接入配電網(wǎng)的工作流程和技術(shù)要求，并對分布式電源接入配電網(wǎng)后的運行做出要求，避免給配電網(wǎng)造成不好的影響，保障配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

（三）提升人員素質(zhì)

電壓無功優(yōu)化控制工作需要具有專業(yè)知識和技能的人來進行，人員素質(zhì)的高低也決定了工作的優(yōu)劣，所以要加強對調(diào)度人員和技術(shù)人員的培訓(xùn)，提升他們的業(yè)務(wù)能力和綜合素養(yǎng)。培訓(xùn)的內(nèi)容應(yīng)包含優(yōu)化算法、設(shè)備原理、控制策略等知識，優(yōu)化算法是電壓無功優(yōu)化控制的主要工具，調(diào)度人員和技術(shù)人員應(yīng)當熟悉并掌握各種先進的優(yōu)化算法。學(xué)習(xí)設(shè)備原理可以讓他們更加理解無功補償設(shè)備、電壓調(diào)整設(shè)備等的工作原理，進而更為準確地操作和維護這些設(shè)備。關(guān)于控制策略的培訓(xùn)，可以讓他們清楚在不同的工況下應(yīng)當采用怎樣的控制策略來完成電壓無功優(yōu)化控制工作。

通過開展專題講座、技術(shù)交流、模擬演練等活動，為調(diào)度人員和技術(shù)人員提供了一個學(xué)習(xí)和交流的場合。在專題講座當中，專家能夠深入淺出地講述相關(guān)知識和技術(shù)；技術(shù)交流活動可以讓大家分享自己實際工作中的經(jīng)驗以及碰到的問題，一同探討解決辦法；模擬演練則可以讓他們在模仿的配電網(wǎng)環(huán)境里執(zhí)行實際操作，提升應(yīng)對突發(fā)狀況的能力。通過這些活動，讓調(diào)度人員和技術(shù)人員知曉電壓無功優(yōu)化控制的原理和辦法，把握先進設(shè)備和軟件的操作技巧。要推動人員展開技術(shù)創(chuàng)新和研究工作，持續(xù)探尋契合配電網(wǎng)實際情況的電壓無功優(yōu)化控制技術(shù)和辦法，給配電網(wǎng)的發(fā)展增添新活力。

（四）強化部門間協(xié)作

電壓無功優(yōu)化控制牽涉及多個部門和環(huán)節(jié)，調(diào)度部門、運行維護部門、營銷部門等，這些部門間要加強協(xié)作，形成合力協(xié)同效應(yīng)。調(diào)度部門是電壓無功優(yōu)化控制的指揮中心，要同運行維護部門、營銷部門等緊密聯(lián)系起來；運行維護部門負責(zé)設(shè)備的日常運行和維護，他們最清楚設(shè)備的狀態(tài)。制定電壓無功控制策略時，調(diào)度部門要重視運行維護部門關(guān)于設(shè)備狀態(tài)的反饋信息，設(shè)備是否處在檢修期間，有無故障隱患等，這樣才能合理安排控制參數(shù)，防止損害設(shè)備。

營銷部門直接與用戶打交道，知道用戶的用電需求以及對電壓質(zhì)量的要求，調(diào)度部門制定控制策略時，要把營銷部門反饋的用戶需求放在心上，保證用戶端的電壓質(zhì)量達到要求。如果用戶抱怨某個地區(qū)的電壓太低，調(diào)度部門可以按照運行維護部門給出的設(shè)備信息，改變變壓器分接頭的位置或投切電容器，從而提升該地區(qū)的電壓水平。

同時，各部門間要形成信息共享機制，做到數(shù)據(jù)的即時傳遞與共享，通過信息共享平臺，各部分可及時得到配電網(wǎng)的運作數(shù)據(jù)，裝置狀況信息，用戶需求等，防止出現(xiàn)信息孤島。當遇到繁雜的電壓無功問題時，各個部門能立即展開合作，一同制訂應(yīng)對方案，推動電壓無功改良控制工作有序前行，提升配電網(wǎng)整體運作效能及服務(wù)水平。

結(jié)語

配電網(wǎng)調(diào)度中的電壓無功優(yōu)化控制屬于復(fù)雜又重要的工作，通過剖析當下配電網(wǎng)在電壓無功控制方面存在的問題，給出優(yōu)化算法應(yīng)用、先進設(shè)備應(yīng)用、協(xié)同控制策略應(yīng)用和分布式電源接入適應(yīng)性控制等優(yōu)化控制策略。從加強監(jiān)測系統(tǒng)創(chuàng)建、完善規(guī)章制度和標準、改進人員素質(zhì)及加強部門協(xié)作等方面給出了保障措施。執(zhí)行這些策略和保證措施，有益于改進配電網(wǎng)的電壓品質(zhì)和運行效率，削減網(wǎng)損，保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

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