CN105406482A - 基于无功补偿装置的电压无功控制方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于无功补偿装置的电压无功控制方法及其系统，包括：确定配电网支路中安装无功补偿装置的安装位置，记为所述配电网支路的补偿点；将所述配电网支路的首端、末端作为监测点，监测各监测点、各补偿点的电压/电流；根据监测到的电压/电流调节各补偿点处无功补偿装置的容量，以实现对整条配电网支路的电压无功调节。本发明通过监测配电网支路各监测点和各补偿点的电压/电流，根据监测结果调节各补偿点处无功补偿装置的容量，以实现对配电网支路多处的电压无功补偿，从而满足电力系统的复杂性需求。

Description

基于无功补偿装置的电压无功控制方法及其系统

技术领域

本发明涉及电力系统领域，特别是一种基于无功补偿装置的电压无功控制方法及其系统。

背景技术

电压质量是衡量电能质量的重要指标，与人们生产和生活息息相关，稳定高质的电能质量一直是人们所追求的目标。现代科技进步和自动化程度的提高，对电力系统供电质量的要求也越来越高。电能质量不稳定将会给客户带来极大的不便；确保电能质量合格，也是用户安全生产和电气设备正常工作的前提。系统如果长期越上限运行，会使电气设备寿命缩减、使用效率降低；长期越下限运行，则无法保证设备正常工作，导致生产过程中出现次品，造成大面积停电等；长期的不正常运行还会造成无功分配不合理，从而使电力系统崩溃，危及人身安全和电力系统的正常供电。因此，需要时时刻刻保证电压质量合格，才能保证电力系统的安全优质供电，使客户能够用上可靠合格的电能。

造成电压质量不合格的原因有很多种，对于10KV以下的配电网而言，其中最主要的原因是由于输电距离较长，负荷季节性变化较为明显，导致供电容量不足，网架结构单一，输配电可靠性差，从而使得电能质量不合格。而电压的调节与无功功率的调节具有紧密的联系，电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡，无功不足会引起电压偏低，反之会使得电压偏高，因此有效的电压控制和合理的无功补偿，不仅能保证电压质量，还能提高电力系统运行的稳定性和安全性，获得较好的经济效益。

传统的配电网电压无功控制通常采用的控制方法有：九区图(或者五区图)控制策略、电压/功率因素控制和逆调压控制等，其中最基本的方式是电压/功率因数控制。在配电网的控制中，电压/无功的控制比频率/有功的控制要更受到重视，对电压/无功进行调控的基本目标是确保整个配电网的电压都在一定的幅度内进行波动，这主要是通过对变压器的分接头和所并联的补偿电容器来实现的。但是，当线路过长或者负荷波动较大时，仅依靠改变变压器分接头或者并联电容，对电压/无功的调控并不能满足电能质量的要求。

对于当前配电网常用的固定电容器而言，在进行电压无功控制时，只能成组地投入或者切除，其对电压无功的调节能力有限。而应用比较多的TCR(晶闸管控制型电抗器)型SVC(静止无功补偿器)大多仅以功率因数或是某个等级的电压或功率因数作为目标，控制目标相对单一，未能充分考虑系统的复杂性，难以实现较好的多目标优化控制。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于无功补偿装置的电压无功控制方法及其系统，以实现对配电网支路多处的电压无功补偿，从而满足电力系统的复杂性需求。

本发明一方面提供一种基于无功补偿装置的电压无功控制方法，所述方法包括：

确定配电网支路中安装无功补偿装置的安装位置，记为所述配电网支路的补偿点；

将所述配电网支路的首端、末端作为监测点，监测各监测点、各补偿点的电压/电流；

根据监测到的电压/电流调节各补偿点处无功补偿装置的容量，以实现对整条配电网支路的电压无功调节。

本发明另一方面还提供一种基于无功补偿装置的电压无功控制系统，包括：

确定模块，用于确定配电网支路中安装无功补偿装置的安装位置，记为所述配电网支路的补偿点；

监测模块，用于将所述配电网支路的首端、末端作为监测点，监测各监测点、各补偿点的电压/电流；

调节模块，用于根据监测到的电压/电流调节各补偿点处无功补偿装置的容量，以实现对整条配电网支路的电压无功调节。

上述基于无功补偿装置的电压无功控制方法及其系统，通过监测配电网支路各监测点和各补偿点的电压/电流，根据监测结果调节各补偿点处无功补偿装置的容量，以实现对配电网支路多处的电压无功补偿，从而满足电力系统的复杂性需求。

附图说明

图1为一个实施例的基于无功补偿装置的电压无功控制方法的流程示意图；

图2为一个实施例的确定配电网支路中安装无功补偿装置的安装位置步骤的流程示意图；

图3为一个较佳实施方式的基于无功补偿装置的电压无功控制方法流程示意图；

图4为一个实施例的无功补偿装置的结构示意图；

图5为一个实施例的基于无功补偿装置的电压无功控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

请参阅附图1，为一个实施例的基于无功补偿装置的电压无功控制方法的流程示意图，主要包括步骤S101至步骤S103，详细说明如下：

S101，确定配电网支路中安装无功补偿装置的安装位置，记为所述配电网支路的补偿点。

在本发明实施例中，无功补偿装置可以是无源电力滤波器、有源电力滤波器、静止无功补偿装置等用于无功补偿的装置，本发明对具体的无功补偿装置可不做限制，只需要具有无功补偿功能即可。无功补偿装置安装的位置可以是配电网支路中的各个位置，尤其是当支路上的负荷波动较大时电压无功不能满足需求的位置。

作为本发明一个实施例，所述无功补偿装置是基于磁控电抗器和固定电容器构成的静止无功补偿器，通过调节所述磁控电抗器的电抗值改变该无功补偿装置的容量。

静止无功补偿器将磁控电抗器和固定电容器(固定或分组投切)并联使用，固定电容器可发出无功功率(容性的)，磁控电抗器可吸收无功功率(感性的)，通过对磁控电抗器进行调节，可以使无功补偿装置平滑地从发出无功功率改变到吸收无功功率(或反向进行)，并且响应快速。

S102，将所述配电网支路的首端、末端作为监测点，监测各监测点、各补偿点的电压/电流。

通过监测配电网支路的首端、末端以及各补偿点的电压/电流，可以采集配电网支路中多个目标位置的电压/电流，在后续计算多处位置的无功补偿容量时，提供精确的电压/电流监测数据，从而提高电压无功补偿的质量。

S103，根据监测到的电压/电流调节各补偿点处无功补偿装置的容量，以实现对整条配电网支路的电压无功调节。

根据监测到的电压/电流，若各监测点、各补偿点的电压/电流越限，及时调节各补偿点处无功补偿装置的容量，以实现对整条配电网支路的电压无功调节。

进一步地，步骤S101中的确定配电网支路中安装无功补偿装置的安装位置的具体实现方式可如下，请参阅附图2，包括步骤：

S201，根据所述配电网支路中各节点的电压、预设的电压越限惩罚模型构建损耗目标函数。

该损耗目标函数的优化目标是在配电网支路中各节点电压不越限的条件下，配电网的总网损最小，根据配电网支路中各节点的电压、预设的电压越限惩罚模型进行构建，所述损耗目标函数为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{minF}}_1=P_{Loss}+{\mathrm{\&lambda;}}_V\&Sigma;{\left(\frac{V_i-V_{il}}{V_{i\max }-V_{i\min }}\right)}^2\\ V_{il}=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{i\max },& V_i>V_{i\max }\\ V_i,& V_{i\min }\&le;V_i\&le;V_i\&le;V_{i\max }\\ V_{i\min },& V_i<V_{i\min }\end{array}\right.\end{array}\right.$

其中，minF₁为损耗目标函数，P_loss为配电网的总网损，λ_V为预设的惩罚系数，V_il为越限时节点i处的电压，V_i为i节点的实际电压，V_imax为i节点的电压上限，V_imin为i节点的电压上下限。

S202，根据所述配电网支路中进行无功补偿的节点数量、预设的无功补偿装置的成本模型构建成本目标函数。

该成本目标函数的优化目标是无功补偿装置的投资成本最小，其中所述投资成本包括设备综合成本和安装成本，所述成本目标函数为：

${\mathrm{minF}}_2=\min \&lsqb;\underset{i=1}{\overset{M}{\&Sigma;}}{X}_i(c_{i1}+c_{i2})Q_i\&rsqb;$

其中，minF₂为成本目标函数，M为配电网中可以安装无功补偿装置的节点数量，X_i取值为0或1，X_i＝0为第i个节点对应位置不安装无功补偿装置，X_i＝1为第i个节点对应位置安装无功补偿装置，Q_i为安装在第i个节点的无功补偿装置的额定容量，c_i1为第i个节点的无功补偿装置的单位容量设备综合成本，c_i2为第i个节点的无功补偿装置的单位容量安装成本。

S203，根据所述损耗目标函数、成本目标函数构建模糊隶属度函数，通过该模糊隶属度函数确定配电网支路中安装无功补偿装置的安装位置，以及确定各安装位置处无功补偿装置的容量。

所述模糊隶属度函数由所述损耗目标函数、成本目标函数构建，将多目标问题转换为单目标问题，从而准确地确定配电网支路中安装无功补偿装置的安装位置，以及确定各安装位置处无功补偿装置的容量。

具体地，所述模糊隶属度函数为：

${\mathrm{\&lambda;}}_p=\left\{\begin{array}{cc}0& f_p\&GreaterEqual;f_{pmax}\\ \frac{f_{pmax}-f_p}{f_{p\max }-f_{pbest}}& f_{pbest}<f_p<f_{pmax}\\ 1& f_p<f_{pbest}\end{array}\right.$

其中，p取值为1或2，p＝1时，λ_p为损耗目标函数的模糊隶属度，f_pmax为损耗目标函数值的上限值，f_p为损耗目标函数的函数值、f_pbest为损耗目标函数单独优化得到的最佳目标值；p＝2时，λ_p为成本目标函数的模糊隶属度，f_pmax为成本目标函数值的上限值，f_p为成本目标函数的函数值、f_pbest为成本目标函数单独优化得到的最佳目标值。

通过将多目标转化为单目标函数：maxχ＝min{λ₁,λ₂}，得到最大总体满意程度，其中χ为多目标函数的总体满意程度，从而准确地确定配电网支路中安装无功补偿装置的安装位置。

进一步地，步骤S103中的根据监测到的电压/电流调节各补偿点处无功补偿装置的容量，以实现对整条配电网支路的电压无功调节的具体实现方式可如下，包括：

判断各监测点、各补偿点的电压是否均在预设电压范围内；

若否，调节无功补偿装置的容量，以将对应的监测点或补偿点的电压调整到预设电压范围内；

若是，监测各补偿点的电流，得出补偿点的功率因数，以及在补偿点的功率因数越限时调节无功补偿装置的容量，以对补偿点的功率因数进行控制。

具体地，根据监测到的电压数据，判断各监测点、各补偿点的电压是否越限，若是，及时调节支路上的无功补偿装置，改变无功补偿容量，进而对越限的各监测点、各补偿点的电压进行调整，从而确保支路的电压在预设电压范围内；若否，则监测各补偿点的电流，根据监测的电流数据得到各补偿点的功率因数，并判断所述功率因数是否越限，若功率因数越限，则调节无功补偿装置的容量，对各补偿点进行无功补偿，使得各补偿点的功率因数保持在预设范围内，从而实现对支路中多个目标位置的电压无功调节。

其中，上述的调节无功补偿装置的容量，以将对应的监测点或补偿点的电压调整到预设电压范围内的具体实施方式可如下：

判断所述配电网支路的首端的电压是否在预设电压范围内，若否，调节无功补偿装置的容量，以将首端的电压调整到预设电压范围内；

若是，判断各补偿点的电压是否在预设电压范围内，若否，调节无功补偿装置的容量，以将各补偿点的电压调整到预设电压范围内；

若是，判断所述配电网支路的末端的电压是否在预设电压范围内，若否，调节无功补偿装置的容量，以将末端的电压调整到预设电压范围内；

若是，监测各补偿点的电流，得出补偿点的功率因数，以及在补偿点的功率因数越限时调节无功补偿装置的容量，以对补偿点的功率因数进行控制。

通过优先级顺序由高到低为首端、各补偿点、末端进行调节无功补偿装置的容量，将对应的监测点或补偿点的电压调整到预设电压范围内，从而有效确保整条支路的电压在预设范围以内，进一步提高电压补偿的质量。

进一步地，所述调节无功补偿装置的容量，以将对应的监测点或补偿点的电压调整到预设电压范围内，包括：

由公式计算出将对应的监测点或补偿点的电压调整到预设电压范围内所需的无功补偿容量，其中，ΔQ为配电网支路无功投入容量，ΔU为ΔQ引起的监测点与补偿点间的电压变化量，k为配电网支路的第k段线路，n为配电网支路的总段数，U表示线路的额定电压，P_k表示通过第k段线路的有功功率，R_k为第k段线路的电阻，以及X_k为第k段线路电抗。

本发明提供一个基于无功补偿装置的电压无功控制方法的较佳实施方式，请参阅图3，主要包括步骤S301至步骤S314，详细说明如下：

S301，根据损耗目标函数、成本目标函数构建模糊隶属度函数，通过该模糊隶属度函数确定配电网支路中安装MSVC(静态无功补偿装置)的安装位置，并在所述安装位置接入MSVC，进入步骤S302。

S302，监测支路首端电压，进入步骤S303。

S303，判断首端电压是否在波动范围(即预设电压范围)以内，若是，则进入步骤S305，否则，进入步骤S304。

S304，调节接入配电网支路中安装的MSVC的无功补偿容量，使首端电压在波动范围以内，进入下一步。

S305，监测支路补偿点的电压，进入步骤S306。

S306，判断支路补偿点的电压是否在波动范围以内，若是，则进入步骤S308，否则，进入步骤S307。

S307，调节接入配电网支路中安装的MSVC的无功补偿容量，使补偿点电压在波动范围以内，进入下一步。

S308，监测支路末端的电压，进入步骤S309。

S309，判断末端电压是否在波动范围以内，若是，则进入步骤S311，否则，进入步骤S310。

S310，调节接入配电网支路中安装的MSVC的无功补偿容量，使支路末端电压在波动范围以内，进入下一步。

S311，监测支路补偿点的电流，得出补偿点的功率因数，进入步骤S312。

S312，判断补偿点的功率因数是否在波动范围以内，若是，则进入步骤S314，否则，进入步骤S313。

S313，调节接入配电网支路中安装的MSVC的无功补偿容量，使补偿点的功率因数在波动范围以内，进入下一步。

S314，结束。

该实施例通过依次对配电网支路的首端、补偿点和末端的电压进行监测，并通过调节MSVC，输出无功补偿容量，使得首端、补偿点和末端的电压在波动范围以内，从而有效确保整条支路的电压在预设范围以内，进一步提高电压补偿的质量；在配电网支路的首端、补偿点和末端的电压均符合要求的基础上，通过对补偿点的电流监测，得到补偿点的功率因素，通过调节MSVC，输出无功补偿容量，使得补偿点的功率因素在波动范围以内，从而实现支路中补偿点的电压无功调节。

从上述本发明实施例可知，通过监测配电网支路各监测点和各补偿点的电压/电流，根据监测结果调节各补偿点处无功补偿装置的容量，实现对配电网支路多处的电压无功补偿，因此，本发明提供的方法充分考虑了电力系统的复杂性，能够满足电力系统的复杂性需求。

在其中一个实施例中，如图4所示，所述无功补偿装置包括采集单元400、可编程逻辑控制单元401、脉冲处理单元402以及包括有磁控电抗器的触发单元403，所述采集单元400通过可编程逻辑控制单元401、脉冲处理单元402与触发单元403连接；

所述采集单元400采集配电网支路中各监测点、各补偿点的电压/电流，所述可编程逻辑控制单元401根据用户指令以及所述各监测点、各补偿点的电压/电流得到对应的无功补偿容量，所述脉冲处理单元402根据所述无功补偿容量发出相应的控制脉冲信号，所述触发单元403根据控制脉冲信号改变磁控电抗器的电抗值改变该无功补偿装置的容量。

进一步地，所述无功补偿装置还包括与可编程逻辑控制单元401连接的显示输入单元404，用于显示所述各监测点、各补偿点的电压/电流以及无功补偿容量，以及接收用户指令，将所述用户指令传输至所述可编程逻辑控制单元404。

具体地，通过安装在电力系统中的CT、PT设备，测量配电网线路上各监测点的电压/电流，通过PLC及其扩展模块计算可以得到各监测点所需补偿的无功容量，测量值和计算值一方面通过触摸屏输出显示，同时人为操作的指令也可通过触摸屏输至PLC，得知需要补偿的容量即可发出相应的控制脉冲，控制脉冲通过脉冲隔离和驱动装置即可对磁控电抗器进行驱动，改变可控硅的导通角大小来改变磁控电抗器的容量，从而改变该无功补偿装置的容量，进而满足整条线路上所需的无功需求。

该实施例的无功补偿装置能够准确地得到配电网支路多处的无功补偿容量，通过改变磁控电抗器的电抗值改变该无功补偿装置的容量，即可实现对配电网支路多处的电压无功补偿，操作简单。

本发明还提供一种基于无功补偿装置的电压无功控制系统，如图5所示，包括：

确定模块500，用于确定配电网支路中安装无功补偿装置的安装位置，记为所述配电网支路的补偿点；

监测模块501，用于将所述配电网支路的首端、末端作为监测点，监测各监测点、各补偿点的电压/电流；

调节模块502，用于根据监测到的电压/电流调节各补偿点处无功补偿装置的容量，以实现对整条配电网支路的电压无功调节。

在其中一个实施例中，所述调节模块502包括：

判断模块，用于判断各监测点、各补偿点的电压是否均在预设电压范围内；

电压调整模块，用于当所述判断模块的判断结果为否时，调节无功补偿装置的容量，以将对应的监测点或补偿点的电压调整到预设电压范围内；

无功调整模块，用于当所述判断模块的判断结果为是时，监测各补偿点的电流，得出补偿点的功率因数，以及在补偿点的功率因数越限时调节无功补偿装置的容量，以对补偿点的功率因数进行控制。

上述基于无功补偿装置的电压无功控制系统的实施例，通过监测配电网支路各监测点和各补偿点的电压/电流，根据监测结果调节各补偿点无功补偿装置的容量，实现对配电网支路多处的电压无功补偿，因此，充分考虑了电力系统的复杂性，能够满足电力系统的复杂性需求。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.基于无功补偿装置的电压无功控制方法，其特征在于，包括：

确定配电网支路中安装无功补偿装置的安装位置，记为所述配电网支路的补偿点；

将所述配电网支路的首端、末端作为监测点，监测各监测点、各补偿点的电压/电流；

根据监测到的电压/电流调节各补偿点处无功补偿装置的容量，以实现对整条配电网支路的电压无功调节。

2.根据权利要求1所述的基于无功补偿装置的电压无功控制方法，其特征在于，所述确定配电网支路中安装无功补偿装置的安装位置，包括：

根据所述配电网支路中各节点的电压、预设的电压越限惩罚模型构建损耗目标函数；

根据所述配电网支路中进行无功补偿的节点数量、预设的无功补偿装置的成本模型构建成本目标函数；

根据所述损耗目标函数、成本目标函数构建模糊隶属度函数，通过该模糊隶属度函数确定配电网支路中安装无功补偿装置的安装位置，以及确定各安装位置处无功补偿装置的容量。

3.根据权利要求1所述的基于无功补偿装置的电压无功控制方法，其特征在于，所述根据监测到的电压/电流调节各补偿点处无功补偿装置的容量，以实现对整条配电网支路的电压无功调节，包括：

判断各监测点、各补偿点的电压是否均在预设电压范围内；

若否，调节无功补偿装置的容量，以将对应的监测点或补偿点的电压调整到预设电压范围内；

若是，监测各补偿点的电流，得出补偿点的功率因数，以及在补偿点的功率因数越限时调节无功补偿装置的容量，以对补偿点的功率因数进行控制。

4.根据权利要求3所述的基于无功补偿装置的电压无功控制方法，其特征在于，所述根据监测到的电压/电流调节各补偿点处无功补偿装置的容量，以实现对整条配电网支路的电压无功调节，包括：

判断所述配电网支路的首端的电压是否在预设电压范围内，若否，调节无功补偿装置的容量，以将首端的电压调整到预设电压范围内；

若是，判断各补偿点的电压是否在预设电压范围内，若否，调节无功补偿装置的容量，以将各补偿点的电压调整到预设电压范围内；

若是，判断所述配电网支路的末端的电压是否在预设电压范围内，若否，调节无功补偿装置的容量，以将末端的电压调整到预设电压范围内；

若是，监测各补偿点的电流，得出补偿点的功率因数，以及在补偿点的功率因数越限时调节无功补偿装置的容量，以对补偿点的功率因数进行控制。

5.根据权利要求3所述的基于无功补偿装置的电压无功控制方法，其特征在于，所述调节无功补偿装置的容量，以将对应的监测点或补偿点的电压调整到预设电压范围内，包括：

由公式计算出将对应的监测点或补偿点的电压调整到预设电压范围内所需的无功补偿容量，其中，ΔQ为配电网支路无功投入容量，ΔU为ΔQ引起的监测点与补偿点间的电压变化量，k为配电网支路的第k段线路，n为配电网支路的总段数，U表示线路的额定电压，P_k表示通过第k段线路的有功功率，R_k为第k段线路的电阻，以及X_k为第k段线路电抗。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的基于无功补偿装置的电压无功控制方法，其特征在于，所述无功补偿装置是基于磁控电抗器和固定电容器构成的静止无功补偿器，通过调节所述磁控电抗器的电抗值改变该无功补偿装置的容量。

7.根据权利要求1所述的基于无功补偿装置的电压无功控制方法，其特征在于，所述无功补偿装置包括采集单元、可编程逻辑控制单元、脉冲处理单元以及包括有磁控电抗器的触发单元，所述采集单元通过可编程逻辑控制单元、脉冲处理单元与触发单元连接；

所述采集单元采集配电网支路中各监测点、各补偿点的电压/电流，所述可编程逻辑控制单元根据用户指令以及所述各监测点、各补偿点的电压/电流得到对应的无功补偿容量，所述脉冲处理单元根据所述无功补偿容量发出相应的控制脉冲信号，所述触发单元根据控制脉冲信号改变磁控电抗器的电抗值改变该无功补偿装置的容量。

8.根据权利要求7所述的基于无功补偿装置的电压无功控制方法，其特征在于，所述无功补偿装置还包括与可编程逻辑控制单元连接的显示输入单元，用于显示所述各监测点、各补偿点的电压/电流以及无功补偿容量，以及接收用户指令，将所述用户指令传输至所述可编程逻辑控制单元。

9.基于无功补偿装置的电压无功控制系统，其特征在于，包括：

确定模块，用于确定配电网支路中安装无功补偿装置的安装位置，记为所述配电网支路的补偿点；

监测模块，用于将所述配电网支路的首端、末端作为监测点，监测各监测点、各补偿点的电压/电流；

调节模块，用于根据监测到的电压/电流调节各补偿点处无功补偿装置的容量，以实现对整条配电网支路的电压无功调节。

10.根据权利要求9所述的基于无功补偿装置的电压无功控制系统，其特征在于，所述调节模块包括：

判断模块，用于判断各监测点、各补偿点的电压是否均在预设电压范围内；

电压调整模块，用于当所述判断模块的判断结果为否时，调节无功补偿装置的容量，以将对应的监测点或补偿点的电压调整到预设电压范围内；

无功调整模块，用于当所述判断模块的判断结果为是时，监测各补偿点的电流，得出补偿点的功率因数，以及在补偿点的功率因数越限时调节无功补偿装置的容量，以对补偿点的功率因数进行控制。