基于DSP 控制的电网无功电压分区动态检测方法研究

陈经纬

（无锡交通高等职业技术学校，无锡 214000）

电压质量是电力系统的主要指标之一，对电网运行的安全性和可靠性具有重要影响。在电压质量可能出现的问题中，电压偏移会对电力系统造成严重危害，直接影响电气设备的性能，严重时还会因电压崩溃造成大面积停电。电网架构不合理会造成无用功过剩或兼容性无功补偿不足，从而导致电压偏高超过范围上限，使电网运行存在安全隐患，因此需要动态监测电网无功电压分区，以保证电网安全稳定运行。DSP 能够处理数字信号并提取相应的信息，提高控制和补偿的实时性，在工业控制和电机控制中广泛应用。DSP 控制可以处理和控制电路信号，有助于对电压实现无功补偿。因此，本文基于DSP 控制研究电网无功电压分区动态检测方法，进一步优化电压分区控制方法，以实现电网电压稳定和无功优化协调。

1 基于DSP 的电网无功电压补偿控制

1.1 建立无功电压补偿模型

电力系统中存在大量感性负荷，会产生大量无用功率消耗。如果这些消耗没有得到补偿，就会通过电路进行无功功率交换，产生无功电压造成用电电路的损耗。因此，需要建立无功电压补偿模型，计算对无功功率消耗的补偿，使电压在允许的范围内偏移，保证电压质量[1]。无功补偿机制的原理是吸收无功功率，达到平衡的目的，防止电压升高。无功电压补偿具体可以分为低压无功补偿和高压无功补偿两种。低压无功补偿更靠近负荷，有利于节能和电压稳定。高压无功补偿主要应用于超高压变电站开关，提高稳定性和输送能力。通过调节电路输出侧电压的大小，同时改变电流大小，可满足电网所需的无功，达到动态补偿无功功率的目的，表示为：

式中，US为输出侧电压；UΔ为补偿电压；α 为输出侧电压和补偿电压的相位差；β 为电路的阻抗角。电力系统稳定时，从电网吸收的无功功率Q 可以表示为：

式中，R 表示电力电阻。根据电压电流特性，改变输出电压相位和幅值进行调节，可达到控制和补偿无功电压的目的。

1.2 DSP 电压信号采样设计

在对电网无功电压进行补偿和控制的基础上，采用DSP 作为控制中心，可实现无功电压的数字化控制。DSP具有高速运算的处理能力，但只能处理弱电信号，因此需要转换处理电路的无功电压信号，使信号满足DSP 模块的电压范围[2]。采用电流互感器采集输出信号，额定值限定为10A，输出值设定为20mA，适用于输出电流检测。经过采样线路的电流线号通过电阻转化为电压信号。为消除信号的噪声干扰，还需对电路进行滤波处理。经过转换后的输出电压不超过3V，满足DSP 的电压输入范围，从而实现电网电压信号的实时采集。

2 电网无功电压分区动态检测

2.1 设定无功电压控制分区

电网无功电压控制分区是一个组合最优化问题，其设定应满足以下条件。首先，区域内部保持连通，呈现弱耦合度，区域外则保持强耦合度，对区域内控制不会造成区域外的大规模电压波动。其次，控制区域的数量和容量保持适中，以保证每个电压控制区域都有充足的无功电源储备。最后，主导节点对电压的变化具有灵敏反应，使其他节点的电压也能恢复到合格水平。本文采用遗传算法设定电压分区，通过搜索各分区的初始节点并将其作为中心依次向上分级合并，将最小电气距离的直接相连节点合并到初始节点。不断重复上述过程直至所有节点被分配，以此形成电网无功电压分区[3]。其中，主导节点是控制电压水平的关键负荷点，一般为分区内与其他节点电气距离最小的节点，具体表示为：

式中，o 表示主导节点；i 表示任意节点，区域节点集合为{1,2,…,n}；d 表示节点的电气耦合程度。二次电压控制是对主导节点的电压偏差进行反馈输入，通过分级合并运算后产生新分区，从而实现电压最优分区控制。

2.2 动态检测无功电压分区调压效果

电力系统调压的根本目的是保持各节点电压在规定范围内稳定。由于区域内节点众多，对所有节点进行检测比较难以实现，因此本文选择对关键中枢节点进行动态检测，确定其在合理范围内运行，同时其他节点的运行水平也能够满足应用要求[4]。无功电压分区调压遵循就地平衡的原则，避免长距离传输无功导致的低电压向高电压等级的倒送。结合电气负荷的变化趋势，确定无功电压的补偿容量，通过动态检测进行调节来满足电气负荷的无功需求，达到改善电网电压的目的。

3 实验结果与分析

3.1 分区结果检测

本文基于DSP 控制提出了电网无功电压分区动态检测方法。为检验无功电压控制和动态检测的有效性，以某一实际电厂集群为例进行实验验证。本文将区域节点的距离之和最小设定为分区目标进行动态检测，随分区个数的增加，适应度逐渐减少。为保证无功电压分区的电气耦合最紧密，本文最终确定划分为6 个区域，具体检测结果如表1 所示。

由表1 的检测结果可知，无功负荷扰动增加时，各分区内的电压控制具有相对独立性，控制区域外的无功功率相对较少。区域内节点的无功需求主要由本区域的无功电源满足，此外对某个区域的控制动作不会引起其他区域的节点电压大幅度波动，因此验证了本文分区动态检测方法的有效性。

表1 电网无功电压分区动态检测结果

3.2 对比测试

为验证本文方法的应用效果，将本文方法设为实验组，将传统检测方法作为对照组进行对比测试，实施效果的对比结果如表2 所示。

表2 对比测试结果

由表2 的对比结果可知，使用本文的动态检测方法能够有效提高电压水平的稳定性，加强了电网无功功率的平衡性，提高了设备的平均使用寿命，具有一定的经济效益。

4 结语

本文基于DSP 控制研究电网无功电压分区动态检测方法，经过电网无功电压补偿控制和分区动态检测，实现了电网电路的安全稳定运行。补偿和分区后的无功电压能够合理调节电网中的运行方式和无功功率，保证变电设备的电压在合理范围内运行。由于电网无功电压分区具有一定的复杂性，本文的研究还存在不足之处，需要进行完善。未来可按照智能配电原则对电压控制的物流结构进行划分，使分区方式更加灵活。此外，由于电网母线众多，负荷的变化趋势和范围不一致，因此可对其进行聚类分析，进一步提高分区检测的准确性。