农区低压配电网无功补偿技术研究

摘 要：合理补偿无功功率对提高电网的功率因数、降低损耗、提升电压稳定性具有积极意义，但目前农区低压配电网负载的分散性和波动性给无功补偿带来了很多挑战。针对无功功率需求快速变化、现有无功补偿技术难以适应动态需求等问题，本文提出了一种基于自适应滤波算法的无功补偿技术，旨在实现对农区低压配电网无功功率需求的动态补偿。由试验结果可知，与鹈鹕优化算法相比，本技术无功损耗更低，能够有效跟踪电网状态的变化，实现了对无功功率需求的快速响应和精确补偿，其应用可显著提高电网的运行效率和可靠性。

关键词：自适应滤波算法；无功补偿；农区低压配电网；动态控制

中图分类号：TM 35 " 文献标志码：A

随着电力需求不断上升，电力系统的稳定性和效率问题日益凸显。在影响电力系统性能的因素中，无功功率补偿是一个关键环节。虽然无功功率不参与能量转换，但其对维持电压稳定和提高输电效率具有积极性[1]。在农区低压配电网中，由于负载的多样性和不稳定性，无功功率的需求波动较大，传统的无功补偿技术往往难以适应动态变化，这些问题不仅影响用户的用电体验，还可能导致设备损坏和能源浪费。因此，开发一种能够实时响应电网状态变化的无功补偿技术显得尤为重要。现代无功补偿技术通常采用模糊逻辑、神经网络、自适应滤波等算法，以实现对电网状态的实时监测和动态响应。这些算法能够根据电网的实时数据，自动调整补偿设备的运行状态，以最优的方式满足系统的无功需求。其中，自适应滤波算法通过动态调整滤波器的参数来适应输入信号的变化，从而实现最优的信号处理效果[2]。将自适应滤波算法应用于农区低压配电网的无功补偿，可以有效地跟踪电网状态的变化，并实时调整补偿策略，以满足不同工况下的无功补偿需求。

1 无功补偿技术与农区低压配电网

无功补偿技术是电力系统中用于提高电网功率因数、降低能量损耗、改善电压稳定性和提高输电能力的重要手段。无功补偿涉及无功功率的生成和吸收，这些无功功率不参与实际的功转换，但对维持电网的正常运行至关重要。在交流系统中，由于电感和电容元件的存在，电流和电压之间会产生相位差，无功功率正是这种相位差的直接体现[3]。无功补偿技术通过提供或吸收无功功率，调整电网的功率因数，减少因相位差引起的能量损耗。无功补偿的实现方式多种多样，从传统的电容器组和电抗器组到现代的SVC和STATCOM，每种方式都有其特定的应用场景和优势[4]。在应用中，这些技术并非孤立存在，而是需要与电网的其他部分深度融合，包括与电网的监控系统、自动化控制系统以及需求响应机制等集成，形成一个协调的补偿策略。

农区低压配电网通常电压等级较低，覆盖面广，用户分散，这些特点使农区低压配电网在无功补偿方面面临部分挑战。1）负载多样性。农区的用电负载类型多样，包括家庭用电、农业机械、灌溉系统等，这些负载的功率需求各不相同，导致电网的无功功率需求波动较大。2）季节性波动。农业活动具有明显的季节特征，例如灌溉季节和收获季节的用电需求会显著增加，这导致电网负载在不同季节呈现不同的波动模式。3）电压稳定性。由于农区低压配电网的线路较长，电阻损耗较大，且负载不均匀分布，容易出现电压下降和波动问题。4）功率因数低下。农区用户往往缺乏对电力系统效率的认识，导致用电设备未进行合理的无功补偿，使整个电网的功率因数较低。5）技术普及低。与城市电网相比，农区低压配电网的智能化水平较低，缺乏先进的监控手段，限制了无功补偿技术的应用和优化。

针对这些问题，开发一种适应性强、成本效益高的无功补偿技术对提升农区低压配电网的供电质量和系统稳定性具有积极意义。基于自适应滤波算法的无功补偿技术能够动态响应电网状态的变化，为解决这些问题提供了一种有效的技术途径。

2 技术分析

自适应滤波算法通过检测输出与期望信号间的误差，基于此误差来调整滤波器系数。当输入信号进入滤波器后，滤波器产生输出，将输出与期望信号进行比较，得出误差信号。该误差信号反映了当前滤波器的性能表现。利用调整规则，根据误差信号特征对滤波器系数进行更新。该过程是持续且动态的，随着输入信号的变化，滤波器系数不断调整，以逐渐达到最优的滤波状态，使输出尽可能接近期望信号。在本研究中，自适应滤波算法应用于农区低压配电网的无功补偿主要是为了动态调整无功补偿的输出，以响应电网状态的变化。

2.1 建立模型

为准确描述农区低压配电网的特性，需要建立包括负载、变压器、输电线路等在内的数学模型。考虑农区负荷的分散性和不确定性，可采用无功功率需求模型来表示电网结构，如公式（1）所示。

Q=V2∙B （1）

式中：Q为无功功率；V为电压；B为电网的无功功率需求系数。

实时测量电网的电压和电流，计算当前的无功功率，如公式（2）所示。

Qmeas=Vmeas∙Imeas∙sin（θ） （2）

式中：Vmeas和Imeas分别为测量的电压和电流；θ为电压和电流之间的相位差。

2.2 自适应滤波器设计

自适应滤波器设计是为了动态调整无功补偿量，以响应电网状态的变化[5]。设计一个无限脉冲响应自适应滤波器，确定滤波器系数，其系数w[n]根据误差信号e[n]动态调整，系数更新过程如公式（3）所示。

w[n+1]=w[n]+μ∙ϕ[n]∙e[n] （3）

式中：μ为步长参数；ϕ[n]为输入信号向量（如电压和电流的瞬时值）；n为离散时间索引。

定义误差信号e[n]为期望的无功功率Qdesired与测量到的无功功率Qmeas间的差值，设置滤波器系数初始值，根据误差信号实时更新滤波器系数，以保证在满足补偿要求的前提下，尽量减少计算量和硬件成本。

2.3 无功补偿控制

基于自适应滤波器输出，设计无功补偿控制策略，以动态调整补偿设备的输出。控制策略应考虑补偿装置的响应时间、电网的实时状态以及无功补偿的目标值。

例如，当无功功率缺额较大时，优先投入电容器组进行快速补偿。利用更新后的滤波器系数w[n+1]来计算所需的无功补偿量，并控制补偿设备进行相应的调整，如公式（4）所示。

ΔQ=w[n+1]∙ϕ[n] （4）

式中：ΔQ为补偿设备需要提供的额外无功功率。

将计算的补偿量转换为对补偿设备的控制信号，例如调整电容器组的投切或调整同步补偿器的输出。随后，将调整后的无功功率反馈到电网中，并继续监测电网状态，形成闭环控制系统，系统根据新的电网状态再次调整滤波器系数，以实现动态补偿。

2.4 动态调整

假设电网在高峰时段电压下降，应实时监测电压下降和功率因数降低，根据负载特性进行分类（例如恒定负载、变动负载、可调度负载），以便更精确地估计无功功率需求。分析电网节点的电压稳定性，识别不稳定区域，这些区域可能需要额外的无功支持，根据实时测量的功率因数，确定需要提高功率因数的区域，以减少无功功率损耗[6]；根据电网状态和负载特性，动态设定补偿目标，调整自适应滤波算法的步长参数，增加权重更新速度，快速响应电网变化，例如，当负载突变时增加步长，稳定后减小步长；根据计算的补偿需求，动态调度无功补偿，投入或切除电容器组、调整变压器抽头位置、控制STATCOM等，提供所需的无功支持；确保补偿策略的调整在电网状态变化后的预定时间内完成，以保证补偿的及时性，根据电网响应和补偿效果，自适应调整滤波器权重，优化补偿策略；当调整补偿策略时，应考虑多个目标，例如最小化电网损耗、提高电压稳定性等。此外，关注用户的需求响应，可允许用户根据电网状态调整个人负载，以减少无功功率需求。通过动态调整，能够确保电网在不同运行条件下均能获得适当的无功支持，从而提高电网的整体性能。

3 试验研究

农区低压配电网在灌溉季节负载增加，导致无功功率需求上升，电压水平下降。通过自适应滤波算法，可实时监测变化，并自动调整无功补偿，以维持电压稳定和提高功率因数。本试验针对自适应滤波算法的有效性进行分析，以某农区低压配电网为例，获取各项数据，使用自适应滤波算法进行深度验证。

3.1 无功改进比较

为验证算法优势，取某农区变电站数据为原始数据，以实现固定补偿，利用传统无功补偿技术（鹈鹕优化算法）与自适应滤波算法实现无功改进。首先，在使用鹈鹕优化算法的情况下，连续收集电网的无功功率数据，包括无功功率总量、各节点无功功率分布等，确保数据准确。记录电网的负载变化、电压波动等运行状态，根据电网特性引入自适应滤波算法，设置算法初始参数，包括滤波器系数、步长参数、输入信号向量等，并确保算法可实时响应电网状态变化。其次，在电网控制系统中启动自适应滤波算法，实时监测并调整无功补偿装置的运行，运行期间同步采集电网无功功率数据，确保数据的可比性，对收集的数据进行清洗和预处理，剔除异常值和噪声。最后，对基线数据和算法运行数据进行方差分析，计算自适应滤波算法运行前、后无功功率的变化量，分析电网电压的稳定性，评估算法对电压无功改进结果。

由表1可知，在试验过程中，自适应滤波算法与鹈鹕优化算法的计算速度基本一致，自适应滤波算法在无功改进后可得出更优结果，无功损耗比鹈鹕优化算法更低。使用2种算法进行动态补偿，采用固定补偿的当前电压较低，改进无功后电压幅值显著提升。与鹈鹕优化算法相比，自适应滤波算法局部占优，利用该算法的无功改进可得到全局最优解，进而提高电压幅值，电压稳定性得到显著改善，提高功率因数，减少能源损耗。

3.2 无功补偿结果

无功补偿结果试验是一个全面评估自适应滤波算法效果的系统化步骤。收集线路阻抗、变压器参数等数据，根据公式（2）、公式（4）构建模型，确保模型可自适应电网变化。设计试验组（动态补偿后）和对照组（已有数据）进行比较，动态补偿是指改进后的数据，已有数据是指改进前的数据。在试验组中部署自适应滤波算法，实时监控并调整无功补偿设备，同步采集试验组和对照组的电压、电流、功率因数等运行数据，剔除无效数据后计算有功损耗，随后对比2组数据，评估自适应滤波算法的无功补偿效果。

图1为某农区变电站低压配电网使用自适应滤波算法无功改进后的有功损耗结果。由试验可知，改进后的各节点电压幅值相对较高，补偿后的损耗显著下降。自适应滤波算法能够有效降低电网的无功功率需求，提高整体功率因数。

为进一步验证无功补偿结果，设置当时间为0.5h时引入自适应滤波算法，某农区变电站低压配电网无功功率变化如图2所示。在固定补偿前，电网呈纯容无功，导致电网末端电压升高。当时间为2h时，自适应滤波算法投入使用后，在经数段工频后无功功率稳定到0，表明自适应滤波算法将对无功功率完全补偿，可显著提高电网能效。

3.3 无功补偿效益

表2为该农区变电站低压配电网使用自适应滤波算法损耗改进前、后的结果比较。在试验中初始化参数，采集电压、电流数据并进行预处理，计算当前无功功率Qmeas。基于历史数据和上述模型，设定目标无功功率，计算误差信号并更新滤波器权重，根据权重计算补偿控制信号，并执行补偿动作（可投入额外电容器）。测量实际电压Vmeas（220V）、实际电流Imeas（10A）、相位差θ（30°）、期望无功功率Qdesired（5000MVar），测量到的无功功率为1100MVar，随后计算误差信号，如公式（5）所示。

e[n]=5000-1100=3900 （5）

假设输入信号向量ϕ[n]包括电压和电流的瞬时值，步长参数μ为0.01，更新滤波器系数，如公式（6）所示。

w[n+1]=w[n]+0.01∙ϕ[n]∙3900 （6）

根据更新后的系数计算改进后的损耗变化，该过程将在每个控制周期内重复进行，以确保电网的无功功率始终保持在期望水平。由试验可知，损耗均值有所下降，通过自适应滤波算法可实现对农区低压配电网无功补偿的动态调整，提高电网的稳定性和供电质量，并能降低损耗，节约供电量，能够为电网运营商带来经济效益。由于供电质量提高，设备维修成本也相应减少。此外，算法的自适应性也使其特别适合于应对农区电网负载的多变性。

4 结语

综上所述，随着农区电气化水平提升，低压配电网面临日益复杂的无功功率管理挑战，传统无功补偿技术已难以满足现代电网对快速响应和精确控制的需求，而本文提出的基于自适应滤波算法的无功补偿技术实现了对无功功率需求的实时跟踪和动态补偿。在研究中，首先分析了农区低压配电网的运行特性和无功功率补偿需求。其次，设计了一种自适应滤波算法用于动态调整无功补偿设备的输出。通过试验发现，该算法能够快速响应电网状态变化，有效提高了电网功率因数，降低了损耗，经济效益较高。虽然本文取得了积极成果，但仍存在部分改进空间。1）需要进一步优化算法性能，提高其在复杂电网环境中的适应性和稳定性。2）探索算法与其他智能电网技术的集成应用，例如需求响应、分布式发电等。本文为农区低压配电网无功补偿技术的发展提供了新的视角，随着技术成熟和完善，基于自适应滤波算法的无功补偿技术将为提高电网运行效率、保障电能质量、推动农区可持续发展做出更多贡献。

参考文献

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