基于物联网的配电网无功补偿设备投切策略和分布协同控制技术研究

顾焱 王强 于琨琨 岳亮 王乾

摘要：现阶段无功电压调节设备多为局部或就地运行，缺少集中协同控制，同时存在控制器动作不合理的现象。物联网与无功电压控制技术相结合，使以上问题具备了解决的可行性。现提出基于物联网的配电网无功电压控制系统，对配电网和无功调节设备的运行数据进行全方位感知、分析和处理;同时研究了系统的控制策略，旨在实现集中协同控制，以达到降低网损、改善电能质量、延长设备使用寿命、提升配电网运行经济性的目的。

关键词：物联网;控制系统;控制策略

0    引言

随着电力需求的逐年增长，电力市场对电能质量提出了更高的要求。配电网作为电力系统的最终环节，其自动化程度相对较低，网损严重，已成为制约电网平衡发展的一个重要因素。配电网无功补偿装置和电压控制系统虽然能够一定程度改善电能质量，降低网损，但仍存在如下几个方面的局限性：

（1）无功电压调整多采用就地方式，只能达到局部平衡效果，当负荷出现剧烈波动时，对整体的平衡要求不能及時响应;

（2）对无功补偿和电压控制缺乏统一管理，同时补偿和控制策略存在不合理性，导致调节设备动作过于频繁，影响供电稳定性;

（3）配电网分布范围广，受数据传输的影响，调节装置实时通信性能差，普遍缺少通信接口和功能扩展模块，难以实现集中协调控制;

（4）供电线路长，电压质量不高，电能损耗问题突出，偏远地区低电压情况普遍，电力设备的利用率和使用寿命也深受影响。

然而泛在电力物联网的出现，弥补了传统配电网前端感知能力、中间传输交互能力和终端运算存储能力方面的劣势，建立一个互联互动、可感可控的智能配网成为可能，进而能够实现无功电压集中协同控制，以达到降低网损，提高设备运行经济性，改善电能质量的目的。

1    配电网无功电压控制系统组成

配电网无功电压控制系统（以下简称“系统”），由无功电压控制终端、无功电压智能控制器、无功电压智能控制物联云系统三部分组成，分别对应物联网数据感知层、处理层和分析层，如图1所示。

1.1    无功电压控制终端

无功电压控制终端对配电线路的电压、电流、无功功率和补偿设备状态等运行数据进行采集，配置数据转换模块，在通信正常情况下，将线路运行数据通过数据传输网络发送到上层的无功电压智能控制器，接收并执行由无功电压智能控制器制定的控制策略及无功补偿控制指令。同时无功电压控制终端具备数据处理能力，能够就地制定控制策略，当通信中断时，能够保证无功补偿正常运行，待通信恢复后上传线路运行数据及动作记录。

1.2    无功电压智能控制器

由于配电线路覆盖范围广，无功电压控制终端数量多，如果线路运行数据全部交由电压智能控制物联云系统分析处理，运算数据量巨大，系统负担过重，故将无功电压智能控制器作为系统的物联边缘计算节点，使其具备一定的数据处理能力，补充云端的计算能力。根据负荷数据、运行环境数据及无功相关因素，通过机器学习实现无功电压调节策略模型的生成，制定控制策略，并将策略远程下发到无功电压控制终端。

1.3    电压智能控制物联云系统

电压智能控制物联云系统对无功电压智能控制器制定的策略进行统一管理和分析，根据无功电压智能控制器上传的电网运行数据，对其整体策略制定的合理性进行校验和调整，然后下发到无功电压智能控制器，用于更新控制策略。

云系统同时是人机交互的展示界面，包括用户管理、通信管理、设备管理、策略管理、操作日志管理、无功监控等功能[1]。

用户管理：编辑用户信息，展示配电线路拓扑关系和补偿节点设置情况。

通信管理：用来显示无功电压控制终端和无功电压智能控制器的离线、在线状态。

设备管理：显示和设置补偿节点的电压及补偿电容器的投入容量和投切次数。

策略管理：设置控制方式，可根据需要选择功率因数控制、无功功率控制、电压控制或是分时段控制方式，输入和修改目标控制参数[2]。

操作日志管理：将系统操作内容保存到云系统中，同时对线路运行数据进行压缩处理并存储在云系统，为物联网的大数据分析提供支持。

无功监视：在配电拓扑图中显示各节点的运行数据，包括电压、电流、功率因数、有功功率和无功功率，根据算法计算补偿容量，编制控制指令，下发无功电压智能控制器执行。

2    配电网无功电压控制系统控制策略分析

配电网无功电压控制系统控制策略制定为两级控制：一级控制为分时段控制，二级控制为九域控制。

2.1    分时段控制

分时段控制作为一级控制，决定了电容器投切的整体趋势。控制策略的更新周期设置为一天，把可能投切无功补偿装置或者改变运行方式的时刻作为阶段划分的分界点。因此，在进行阶段划分时要与负荷曲线相互结合，只把对应负荷曲线峰或谷的时刻作为划分阶段的分界点。负荷由峰转谷，电容器只切不投;负荷由谷转峰，电容器只投不切，这样能够有效减少由于负荷波动引起的电容器投切震荡。

负荷预测是制定分时段控制调控方案的基础，利用物联网大数据形成无功负荷预测曲线。然后采用模糊聚类算法，得到配电网无功负荷预测曲线的多种动态分段方案。最后使用信息熵法计算出最优分段数，确定峰谷时段划分方案。

2.2    九域控制

二级控制是在一级控制的基础上执行配电网无功电压集中协调控制。首先确定电网无功电压集中协调控制的目标函数，本系统选择有功功率损耗最小、电压质量最优、三相不平衡率最低，可以表示为：

F=k1Ploss+k2+k3        （1）

ΔU=Ui-Uimax  （Ui>Uimax）

0            （Uimin≤Ui≤Uimax）

Uimin-Ui  （Ui

式中：Ploss为有功功率损耗;Uimax为电压上限;Uimin为电压下限;Ui为节点电压;Iimax为节点三相中的最大电流;Iimin为节点三相中的最小电流;k1，k2，k3为加权系数。

确定目标函数后，使用前推回代潮流计算方法进行网损计算，从而确定各节點的补偿容量和电压分布。具体方法为：前推过程是由末端负载节点向始端变压器节点推算线路中的有功功率损耗，忽略压降，求取始端节点的功率;回代过程是运用前推过程求取的始端变压器节点功率和测量电压，推算末端负载节点的压降，此过程忽略功率损耗[3]。将上述过程进行迭代运算，设置一个常数作为收敛值，当两次计算的末端负载电压差值小于收敛值时，计算结束。

潮流计算结果应满足如下约束：

节点无功补偿容量上下限控制变量约束：

Qcimin≤Qci≤Qcimax            （3）

节点电压上下限状态变量约束：

Uimin≤Ui≤Uimax                  （4）

确定各节点的补偿容量和电压分布后，便可以利用九域控制策略的基本思想，控制补偿电容器的投切动作。如图2所示，结合分时划分，在每个时段内，通过潮流计算可以得出电压幅值与无功功率的最优点[4]。

当某一划分时段产生负荷波动时，二级控制的潮流计算和九域控制可能会与一级控制策略产生冲突，此时系统执行一级控制策略。例如，某一时段，负荷由峰转谷，一级控制判断电容器只切不投，二级控制可能会因为这一时段内的负荷波动，发出投入电容器命令，此时应按照一级控制命令，只切除电容器，切除容量由二级控制计算并执行。

3    总结与展望

电力泛在物联网的应用与无功电压控制技术相结合，能够解决配电网无功电压集中协调控制的问题。两级控制策略在满足电网电压无功要求的前提下，减少补偿装置投切次数，以有功功率损耗最小、电压质量最优、三相不平衡率最低为目标进行集中协调控制，从而提高设备运行经济性，改善电能质量，提高配电网的自动化程度。

在后续的研究中仍有许多方面可以进行改进：

（1）数据传输能力。配电网由于分布范围广、线路长，偏远地区信号差，通过无功电压智能控制器与无功电压控制终端通信模块的优化，可以削弱因通信中断导致系统失控的影响。

（2）目标函数的选择。不同潮流计算和负荷预测的算法直接影响理论电压幅值与无功功率的最优运行点，如何建立适合配电网的计算体系，仍需深入研究。

（3）控制策略的优化。传统九域控制已难以适应电网精细化管理的要求，在此基础上拓展的模糊边界算法、加入时间维度的立体九域等方式，可以尝试应用到配电网无功电压控制系统中。

[参考文献]

[1] 曾春，王泽林.歌华有线高清交互前端系统日志审计平台设计与实现[J].广播与电视技术，2013，40（7）：86-90.

[2] 郅建杰.户外柱上高压无功动态补偿装置[J].电力设备，2006，7（9）：44-47.

[3] 刘乐.基于牛顿拉夫逊法的含分布式电源配电网潮流计算[D].石家庄：河北科技大学，2018.

[4] 窦雯.时间序列分析在电力系统无功优化中的应用[D].济南：济南大学，2013.

收稿日期：2020-07-24

作者简介：顾焱（1969—），男，上海人，工程师，从事电力设备运行方面的研究工作。