农村有源配电网电压无功优化控制

2020-01-05胡晨龙韩宇航

中国新技术新产品 2020年1期

胡晨龙韩宇航

（河北农业大学机电工程学院，河北保定 071000）

近年来，随着电力需求的增加，我国面临的能源形势相当严峻，尤其是农村地区原有的能源结构无法满足电力增长的需求，为了有效地解决此类问题，在有些农村的有源配电网中逐步接入了分布式电源，这种分布式电源的出力具有间歇性、随机性与波动性的特征，增加了配电网电压无功控制的难度，如果对其控制处理不到位，容易出现配电网电压质量低、损耗高的现象。因此，需要对农村有源配电网电压无功优化的控制方法加以研究，实现分布式电源的无功调节，实现分布式电源与无功补偿的统一。

1 农村有源配电网电压现状

近年来，虽然我国加强完善农村配电网，满足农村地区日益增长的电力需求，但是，农村有源配电网依然存在着诸多的运行问题，例如，低电压现象在很多配电网中普遍存在，为了解决此类问题，有些农村配电网进行了电网的升级与改造，如果有些农村的有源配电网无法新增布点，解决此问题的方法是挖掘已有电网调压与无功补偿设备的运行调节潜力，这种方法可以实现农村配电网电压的协调控制。

从当前已经安装使用的电压无功调控设备的调节与控制来看，很多安装的测量值具有独立控制的特征，在这种情况下，配电网各级调压、补偿设备的电压协调控制无法实现，导致上级电网电压处于合格的区间范围内，而下级电网调节手段无法实现良好的调节效果，因此，在未来农村配电网的发展中，必须充分挖掘电网的调节与控制能力，实现配电网运行中上级电网与下级电网的协调与控制，使配电网能够达到稳定、安全的运行状态。

2 有源配电网多目标电压无功优化模型

在有源配电网电压无功优化控制中，充分考虑网损、无功设备操作费用、电压偏移等因素，将配电网未来T 时间内的运行状态的最优化作为该模型最终的优化目标，进而构建多目标电压无功优化模型，求出最优解。

2.1 目标函数

综合目标函数为

在该式中，flost表示线损函数；fcost表示无功设备操作费用函数；fwaste表示分布式电源浪费函数；fvd表示电压偏差指标函数。

根据其综合目标函数，分别构建线损函数、无功设备操作费用函数、分布式电源浪费函数与电压偏差指标函数。

2.2 约束条件

潮流平衡约束为：

式中，Pi、Qi分别表示节点i注入的有功与无功功率，而Bij表示节点i、j的互电纳。

控制变量分别包括分布式电源的有功与无功处理、变压器分接头的具体位置、电容器的补偿容量等，因此，其存在以下的约束条件。

状态变量约束Uimin≦Ui≦Uimax，其中的Uimin与Uimax分别表示的是在节点i的电压幅值的上限与下限。

在该模型中，为获得最优解，往往通过CPSO 算法的多目标求解来实现。由于该文中的算法模型是混合非线性约束多目标的优化求解问题，在具体的求解过程中，必须优化多个目标，且优化过程是同时发生的。这种优化处理的难度较高，需要充分应用智能优化算法来实现，在智能优化算法的应用中，通过目标函数本身的特点，建立寻优方向，在此过程中不需要进行有关的数学运算等，这种求解与优化方式可以在过程中直接导入各种约束条件，在多目标、非线性优化问题的处理上具有良好的应用效果，以粒子群算法为例，此算法是智能优化算法中应用最为普遍的技术，在优化求解问题的处理上具有收敛速度快的特点，CPSO 算法以粒子群算法为基础，实现了协同结构，其优化效果更好，得出来的最优解更为可靠。

3 农村有源配电网电压无功优化控制策略

3.1 以电压调整为主，降损为辅

在农村配电网电压无功优化控制过程中，需要遵循以电压调整为主、降损为辅的原则。在传统的配电网无功优化中，很多电力人员将重点放在网损的减少等方面，但是，降损必须在配电网安全与稳定运行的基础上进行，必须在满足用户基本用电需求的基础上进行，否则解决降损问题没有现实意义。对于电力用户来说，其最为关心的是配电网是否满足其用电需求，其电能与电压质量等是否与其实际需求相一致，网损的大小不是用户关注的重点问题。在配电网电压无功优化的过程中，要保证电压合格，必须调整控制命令，例如，可以使控制命令在1 个周期内同时完成分接头与补偿动作的调整。而如果配电网中的分接头与补偿装置同时属于1 个设备，可以先进行分接头的调整，随后再进行动作补偿的调整。

3.2 电压自下而上判断，自上而下调整

在配电网电压无功优化控制中，由于配电网低压用户端往往只包括了有关的计量装置与电压检测仪，在配电网系统的运行中，这些计量装置、电压检测仪等无法实现对本地电压的有效控制，往往只能实现向区域级的调压。当前，从我国配电网的配置来看，虽然很多地区的配电网中含有大量的电压检测仪，但是配电网中包括的有载调压配变与线路调压器的数量有限，这就使得在配电网的运行中，调压动作往往只能依靠主变分接头与无功补偿装置来实现，在具体的调压过程中，调压只能通过逐级申请来实现。

因此，在配电网的运行中，电压是否需要调整往往通过自下而上的逐级判断来决定。为了保持配电网的稳定与可靠运行，在配电网运行中，应尽量减少变压器的调档次数，否则，一旦在配电网运行中频繁使用变压器来进行调节，极易引发变压器有载分接头的开关故障，最终造成变压器无法正常使用。在对配电网变压器故障进行判断时，可以通过短期负荷预测的方式来实现，通过合理分配开关在各个时间段内的动作次数来达到判断的目的。

3.3 无功自上而下判断，自下而上调整

在配电网电压无功优化控制的过程中，要遵循自上而下判断、自下而上调整的原则，在配电网的运行中，为了实现运行的稳定性与安全性，一般要避免无功功率的远距离输送，在无功功率的分配过程中，必须遵循就地平衡、分散补偿的原则，减少从上级电网所吸收而来的无功功率，避免无功在配电网有关电力线路中的任意流动。但是，配电网运行中也要尽量避免将过多的无功功率倒送至上级电网中，因此，无功判断要遵循自上而下的原则。

如果在配电网运行中上级电网存在无功补偿需求，可以通过向下级电网申请补偿的方式来实现，当下级电网满足了其申请补偿的要求以后，方可形成本地补偿控制命令，因此，控制命令的执行过程中要遵循自下而上的原则。在配电网电压无功优化控制中，这种无功判断与调整的方式有效降低了网损，维持了配电网的稳定运行。

4 农村有源配电网无功优化控制的效益分析

农村有源配电网电压无功优化控制方式与传统的控制方式相比，具有更大的控制优势，通过无功优化控制，提升了农村配电网运行的稳定性与安全性，其效果主要体现在以下方面：实现了对配电网无功设备的实时监控，使得有关的人员可以实时掌握无功设备的运行情况，为控制提供了重要的参考；无功优化控制方式还使得配电网各个节点的电压合格率与功率因数大大提升，保证了正常的供配电服务；通过对无功设备的有效利用，降低了配电网运行中的电力损耗，具有明显的节能效益；无功优化控制在农村配电网中的应用实现了农村配电网的“优化协调、分层控制”，与传统的控制方式相比，该控制方式实现了农村配电网最大的经济社会效益，使得农村的配电网覆盖与服务区域更广；无功优化控制方式使得在农村配电网中使用了大量的配变压无功补偿装置等设备，这些设备的应用在配电网运行中起到了良好的协调控制作用，发挥了设备最大的价值，为农村配电网创造了更大的效益，保证了电压合格率，满足了农村基本的生产生活用电需求；无功优化控制方式的应用在一定程度上推动了农村配电网的自动化、现代化发展，使得当前电力行业创新发展的重要表现，推动了电力行业的发展与进步，为农村经济社会的发展提供了基础条件。