无功电压技术支持下电力调度自动化系统的设计与实现

桑联秀

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

传统的电力调度系统通过传感技术感知电力设备，集成采集到的电路数据信息，从而实现电力的集中调度[1]。随着电网规模的不断扩大，电力信息数据量也在不断提高，传统的电力调度系统的性能已经无法支持大规模电力信息数据的高效处理。同时，电力企业对数据的安全性以及实时性要求也越来越高，对于电力调度系统也提出了新的要求。而基于数据挖掘的调度系统可以解决上述问题，通过电力数据的集成，提高数据之间的关联度，可以高效管理企业电力数据，同时在电力数据量激增的情况下也能够具备较高的数据处理性能，为用户提供较为高效的电力数据信息的访问。但是，该系统某些方面存在一定的局限性。采用传统的电力调度系统对电力进行控制时，通常会出现电压失衡的问题，导致理论上的电压值与实际值会存在偏差，该偏差对调度效果会产生较大的影响，进而降低调度效率。电力设备在不同时段所产生的电压负荷也有所不同，因此需要分时段进行电力调度。基于该背景，提出新型的电力调度自动化系统，旨在提高调度效率，同时对电压失衡情况进行处理。可采用无功电压技术对局部最优电压进行控制，提高电力资源的利用率，为电力设备运行提供有效保障[2]。

1 无功电压技术支持下电力调度自动化系统硬件设计

电力调度自动化系统主要由展示层、应用层、调度层以及平台层组成[3]。展示层主要负责为电力系统运行中心提供直观可调度的展示数据。应用层主要负责监控电力系统的整体运行情况，例如对调度信号进行管理并实时监测电路的运行状态。调度层主要负责对信号的接收与发送。平台层主要负责对收集到的电路信息进行处理与传输，具体包括电压电流的计算，在超过电压阈值时能够实现报警，为平台的稳定性提供数据支持。

调度层由调度信号发射与接收模块、变频器以及无功电压调节器组成。其中，变频器的功能为通过改变电力调度自动化系统的工作电源频率对电路中流通的电力进行控制[4]。为提高电流控制性能，采用ODL1500-0R7G-2GB 型号的变频器作为主控制器，输出电压为单相220 ～240 V，额定输出功率设置为0.75 kW，内置标准制动单元，适配电机功率为1.5 kW。调度信号接收与发射模块作为电力调度自动化系统的核心模块，主要由信号发射与接收线圈组成，线圈之间通过磁吸方式实现对信号的接收与发送。调度信号接收线圈负责将接收的信号转换为电能，通过等效电路转换电压，并控制电流的波动情况。采用三点式振荡电路将稳定的电流传输给负载线圈，从而实现调度信息的传输，减少谐波对电流传输的干扰[5]。

2 无功电压技术支持下电力调度自动化系统软件设计

2.1 基于无功电压技术的最优电压控制

为对电力进行自动化调度，除了在整体系统中实现电压综合控制以外，需要在局部电路中实现最优控制。因此，可采用无功电压技术，结合线性规划方法实现对最优电压的控制，具体实现步骤如下。

首先，电力系统的无功功率与运行所需的额定电压成正相关，并且变压器母线上的电压特性存在较大的差异，因此需要对变压器连接的设备参量进行辨识[6]。已知母线电压静态特性表达式为

式中：Q为母线的运行电压值；V为运行电压位，α和β分别为随着电压负荷与电路运行情况产生变化的参量。

其次，不同的采样时刻下对同一条母线进行监测，所得到的参量也存在较大的差异，因此需要对参量进行确定[7]。假设采样次数为k时，母线的运行电压以及对应的运行电压位分别为Qk和Vkα，则根据式（1）可以得到的表达式为

通过将式（2）中等号2 侧的数值取对数，即可得到的表达式为

将式（3）转化为线性方程，可得到的表达式为

式中：yk和xk为已知数，可以通过采样值进行计算得出。而测量时的误差值无法被忽略，因此每次计算的数值会存在偏差，假设偏差值为mk，则公式为

再次，通过采用最小二乘法对参数进行辨识，假设参量的取值分别为时α'和β'，此刻偏差值的平方和N为最小，则可得到的表达式为

最后，通过以电阻消耗的有功功率优化为目标，根据式（6）建立线性优化模型，具体为

式中：minZ为电阻消耗有功功率的最小值；∆u为网损最小时的电压控制量；∆umax和∆umin分别为控制量的上限与下限。

通过以上步骤即可实现对母线设备参量的辨识，完成对最优电压的控制。

2.2 调度信号接收与发送

为实现对调度信号的接收与发送，在调度电路中，安装滑动变阻与三极管构成调节电路。为保证输出电流的稳定性，需要对电路输出电压的平均值进行计算。假设U1为输入电压值，U2为输入电压有效值，δ为固有角频率，则输出电压的平均值计算公式为

则可计算出输出电流平均值，公式为

式中：RL为电阻值。采用电阻与三极管构成波形调节电路，为实现对电流波形的灵活调整，选用滑动变阻作为主要电阻器，并计算出振荡频率，具体计算公式为

式中：c为振荡系数。通过式（10）可以看出，振荡系数为定值，则通过对滑阻RL进行调整即可得到不同需求下的振荡频率大小，进而控制调度信号的接收与发送。

通过以上步骤即可完成对调度信号的接收与发送，并与调度信号模块设计以及最优电压控制进行结合，从而完成无功电压技术支持下的电力调度自动化系统设计。

3 实验部分

为证明提出的功电压技术支持下的电力调度自动化系统的调度效率优于传统的调度系统，在完成理论部分设计后，构建实验测试环节，对该系统的实际调度效果进行检验。

3.1 实验环境

本次实验选取的实验对象为某市电力调度的电压波形，选取部分电压失衡波形进行测试，采用传统的调度系统作为比较对象，分别为基于通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）的电力调度系统以及基于Web 的电力调度系统。

为比较3 种电力调度系统的调度效率，采用MATLAB 软件搭建实验环境，硬件配置为Intel（R）celeron（R）CPU2.40 GHz。用到的软件为MySQL5.0.17，负责对电力调度数据进行调用与存储。实验通过改变调度距离，比较不同的电力调度系统在处理同一组数据时调度效率的变化，从而判断电力调度系统的调度性能。

3.2 实验结果

本次实验采取的试验标准为系统的调度效率。该效率为衡量电力调度系统的常见指标，其值越高代表系统的调度性能越高。调度效率的具体计算公式为

式中：t为耦合因子；D为系统在进行调度中损耗能量的速度。通过式（11）即可求出调度效率，具体实验比较结果如图1 所示。

图1 调度效率对比图

根据图1 实验结果可以看出，智能调度系统在调度距离不同的情况下产生的调度效率也有所不同。调度距离为400 ～800 m 时为调度效率最高，超过一定距离后其效率会有不同程度的下降。通过数值上的比较可以明显看出，提出的无功电压技术支持下的电力调度自动化系统在调度效率上明显高于2 种传统的调度系统，最高效率可达50%以上，说明本文提出的调度系统的调度性能较为优秀，能够有效缓解电压失衡的情况。

4 结 论

文章提出的电力调度自动化系统与无功电压技术，对局部最优电压进行控制，保障了电流流通的稳定性，能够有效减少谐波的干扰，对电力进行高效调度。在今后的研究工作中，还需对系统在长时间高负荷情况下运行的稳定性进行研究，延长系统的工作寿命，为缓解失衡电压提供有效帮助。