配電網調度中的電壓無功優化控制研究

【關鍵詞】配電網調度；電壓無功優化控制；優化算法；協同控制

引言

社會經濟飛速發展，電力需求持續增長，配電網規模越來越大，結構變得愈發繁雜。無功功率的合理分配對削減配電網的網損，改善供電效能有著十分重要的意義，在配電網調度過程中，電壓無功優化控制屬于十分關鍵的部分[1]。但當前配電網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。因此加強對配電網調度中電壓無功優化控制策略的研究，對改進配電網的運行品質和保證電力供應的可靠性有著重大的現實意義。

一、配電網調度中電壓無功控制存在的問題

（一）電壓波動問題突出

配電網在運行時，由于負荷的動態變化、分布式電源接入以及電網故障等因素造成電壓波動的現象比較普遍，負荷突然增加或減少會導致線路上電壓情況發生變化，進而使用戶端電壓出現波動。分布式電源如太陽能光伏板、風力發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，在光照強度發生改變時，分布式電源的發電功率也會隨之變動，導致接入點處的電壓產生波動現象。頻繁的電壓波動不僅會影響到用戶電器設備能否正常運轉，還會縮短使用壽命，并且有可能引發電壓越限等安全問題。

（二）無功功率分布不合理

配電網中無功功率的分布不合理亦是突出問題。一方面，部分地區無功補償不足，導致線上無功電流增大，線路損耗增加，供電效率降低。例如，偏遠地區或老舊配電網因為設備舊，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，部分地區可能存在無功補償過量的情況，導致無功功率在電網里倒送，加重了電網負擔同時造成了資源浪費。無功功率分布不合理還影響電壓質量，電壓調整難度高，難以維持在合理范圍內。

（三）控制手段相對落后

目前部分配電網在電壓無功控制手段上較為落后，傳統的控制辦法大多依靠人工操作與經驗判斷，缺少實時性與精確性。例如，調節變壓器分接頭或投切電容器時，一般按照現場人員的觀察和經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配電網的動態改變?，F存的自動化控制系統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測、分析以及優化控制，很難達到現代配電網對電壓質量與運行效率的要求。對于分布式電源接入造成的復雜工況，傳統方法應對能力欠缺，導致電壓無功控制的效果不佳，急需改良升級[2]。

二、配電網調度中電壓無功優化控制策略

（一）優化算法的應用

要提升電壓無功優化控制的精確度和效率，采用先進的優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原理而設計的優化算法，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，針對電壓無功優化控制而言，遺傳算法會把電壓偏差、網損這些關鍵指標當作優化目的，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，算法根據適應度函數評價個體，留下適應度高的個體，淘汰適應度低的個體，然后用交叉和變異操作產生新的個體，經過不斷地迭代，最后找到滿足各種約束條件的最優控制策略。這種算法能考慮到配電網的復雜性和非線性，避免陷入局部最優解，給電壓無功優化控制提供科學合理的決策依據[3]。

粒子群優化算法也是常見的優化算法之一，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，粒子在解空間內飛翔，按照自己和群體的最優位置持續調整飛翔的方向和速度。粒子群優化算法有收斂速度快，全局搜索能力強等優點，可以快速找出接近最優的解。在電壓無功優化控制方面，遇到復雜的非線性問題時，粒子群優化算法能高效地處理各種約束條件，及時調整控制參數，做到電壓和無功的優化調配，改善配電網的運行質量以及經濟水平。

（二）先進設備的運用

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

有載調壓變壓器在電壓調節上有著特別之處，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節。經過合理控制有載調壓變壓器的分接頭位置，可以依照負荷的變動和電網的運行狀況，把電壓穩定在比較合理的范圍內，從而提升電壓的穩定性。

（三）協同控制策略的實施

達成配電網中電壓無功的協同控制，是提升控制效果的關鍵所在。電壓控制和無功控制彼此相關、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。所以創建電壓無功協同控制模型，把電壓和無功當作統一的優化目標加以控制，是解決問題的一種有效辦法。

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

分布式電源接入到配電網時，需協調好分布式電源的無功輸出與配電網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調就會產生無功功率沖突及分配不合理情況的發生。協同控制策略實時對分布式電源無功輸出情況進行檢測，對配電網內其他無功補償裝置的動作實施相應調適措施，使無功功率分配合理，配電網總體性能得到提升。

（四）分布式電源接入的自適應控制策略

隨著分布式電源在配電網中大量接入，電壓無功優化控制要適應分布式電源的特點。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、風力發電等的輸出功率受氣象條件的影響較大，光照強度、風速等的變化都會引起分布式電源的輸出功率變化。

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

三、配電網調度中電壓無功優化控制的保障措施

（一）加強監測系統建設

完備的監測系統是達成電壓無功優化控制的前提和關鍵支撐，配電網的運行環境十分復雜、負荷變動頻繁及分布式電源接入等情況導致電壓和無功功率長期處于變動中。因此創建覆蓋配電網各個節點的監測網絡是必要措施，把高精度監測設備安裝到變壓器、線路、用戶端等關鍵地方，就能全方位、及時又準確地掌握配電網的運行情況。這些監測設備時刻察覺著電壓、電流、功率因數等關鍵參數的變動，為后續的分析和控制賦予原始數據。

除了需要得到數據，還要建立一個高效的傳輸和處理數據的平臺，這個平臺要具有強大的數據傳輸能力，使監測到的數據能夠及時、穩定地傳輸到調度中心。在調度中心，數據會被儲存、分析和處理，運用大數據分析技術，對大量的監測數據進行深入挖掘。通過對數據趨勢、規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險。例如，某個地方的電壓長時間處于波動狀態，大數據分析能找出造成電壓波動的原因，負荷變化太大、無功補償不夠或設備出了故障等，還能預估將來可能會出現的電壓無功問題，提前做好應對方案。這些分析出來的結果給制定改善控制策略給予了科學準確的參考，調度人員也能按照分析結果及時調整控制參數，做到電壓無功的優化控制，提升配電網的運行品質和可靠性。

（二）完善規章制度和標準

制定健全的規章制度和標準，是保證電壓無功優化控制工作順利推進的關鍵保障。電壓無功優化控制工作牽涉諸多環節和部門，必須有清楚的目標、指標以及考核方法才能約束調度人員的操作行為。如制定電壓合格率、功率因數等指標的考核標準，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任感。

要創建設備運作守護制度，無功補償設備、電壓調整設備等都是電壓無功改良控制的主要硬件。這些設備能否正常運作直接關系著電壓無功控制工作的成果，定時對這些設備執行檢修和守護，可以盡早察覺并解決設備存在的隱患和毛病，保證設備一直處在良好的運作狀態。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中，還要制定分布式電源接入配電網的技術標準及管理辦法，規范分布式電源接入配電網的工作流程和技術要求，并對分布式電源接入配電網后的運行做出要求，避免給配電網造成不好的影響，保障配電網安全穩定運行。

（三）提升人員素質

電壓無功優化控制工作需要具有專業知識和技能的人來進行，人員素質的高低也決定了工作的優劣，所以要加強對調度人員和技術人員的培訓，提升他們的業務能力和綜合素養。培訓的內容應包含優化算法、設備原理、控制策略等知識，優化算法是電壓無功優化控制的主要工具，調度人員和技術人員應當熟悉并掌握各種先進的優化算法。學習設備原理可以讓他們更加理解無功補償設備、電壓調整設備等的工作原理，進而更為準確地操作和維護這些設備。關于控制策略的培訓，可以讓他們清楚在不同的工況下應當采用怎樣的控制策略來完成電壓無功優化控制工作。

通過開展專題講座、技術交流、模擬演練等活動，為調度人員和技術人員提供了一個學習和交流的場合。在專題講座當中，專家能夠深入淺出地講述相關知識和技術；技術交流活動可以讓大家分享自己實際工作中的經驗以及碰到的問題，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環境里執行實際操作，提升應對突發狀況的能力。通過這些活動，讓調度人員和技術人員知曉電壓無功優化控制的原理和辦法，把握先進設備和軟件的操作技巧。要推動人員展開技術創新和研究工作，持續探尋契合配電網實際情況的電壓無功優化控制技術和辦法，給配電網的發展增添新活力。

（四）強化部門間協作

電壓無功優化控制牽涉及多個部門和環節，調度部門、運行維護部門、營銷部門等，這些部門間要加強協作，形成合力協同效應。調度部門是電壓無功優化控制的指揮中心，要同運行維護部門、營銷部門等緊密聯系起來；運行維護部門負責設備的日常運行和維護，他們最清楚設備的狀態。制定電壓無功控制策略時，調度部門要重視運行維護部門關于設備狀態的反饋信息，設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，防止損害設備。

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量的要求，調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量達到要求。如果用戶抱怨某個地區的電壓太低，調度部門可以按照運行維護部門給出的設備信息，改變變壓器分接頭的位置或投切電容器，從而提升該地區的電壓水平。

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

結語

配電網調度中的電壓無功優化控制屬于復雜又重要的工作，通過剖析當下配電網在電壓無功控制方面存在的問題，給出優化算法應用、先進設備應用、協同控制策略應用和分布式電源接入適應性控制等優化控制策略。從加強監測系統創建、完善規章制度和標準、改進人員素質及加強部門協作等方面給出了保障措施。執行這些策略和保證措施，有益于改進配電網的電壓品質和運行效率，削減網損，保證電力系統安全穩定運行。

參考文獻：

[1] 王東.電力系統智能配電網設計研究[J].光源與照明，2022（06）：187189.

[2] 魏靖，龔新勇，龍玉英，等.智能配電網無功電壓控制系統研究及應用[J].電子技術與軟件工程，2020（11）：234235.

[3] 郭丹.智能配電網技術在配電網規劃中的應用分析[J].中國高新科技，2021（19）：6061.

[4] 顧焱，王強，于琨琨，等.基于物聯網的配電網無功補償設備投切策略和分布協同控制技術研究[J].機電信息，2020（27）：45.

[5] 范曉帥.配電網無功電壓補償優化及智能控制設計分析[J].信息記錄材料，2019，20（09）：167168.