基于自适应滤波的电力系统无功补偿自动控制

摘 要：为控制电力系统无功功率输出，提高其运行稳定性，本文引进自适应滤波技术，以某电力系统为例，研究无功功率自动控制方法；根据视在功率和有功功率，计算电力系统无功功率；使用适应滤波器，迭代更新其参数逼近期望的输出信号，实现基于自适应滤波的系统无功补偿；安装在电网各节点的传感器和监测设备能够实时采集电网的电压、电流和无功功率等关键参数，并设置分接头调整量，进行TCK电压自动控制。对比试验结果证明，本文设计的控制方法应用效果良好，能够对电力系统无功功率输出进行补偿与自动控制，保证电力系统运行的稳定性与可靠性。

关键词：自适应滤波；TCK电压；自动化；无功补偿；电力系统

中图分类号：TM 351 " " " 文献标志码：A

无功补偿技术能够对电网无功电流进行调节和控制，改进电网电压质量。大量的无功功率会导致电网中的功率因数下降，影响电能的传输效率和电网的节能运行。因此，无功补偿技术的应用对提高电网质量具有重要意义。

杨鑫[1]通过改进瞬时对称分量法，将系统参数分解为正序、负序和零序网络，从而实时获取正序、负序和零序分量。根据控制策略，该方法会优先补偿负序和零序电流，以缓解三相负载不对称问题，当补偿容量不足时尽可能补偿无功电流。该方法虽然改进了瞬时对称分量法，但是当高次谐波干扰或系统波动较大时，可能会影响分解结果的准确性。同时，当STATCOM的补偿容量接近极限时，优先补偿负序和零序电流可能会影响无功电流补偿效果和系统的整体性能。肖佩等[2]在调相机控制系统中引入电压和无功功率的双闭环控制策略，以精确控制交流母线电压和无功功率。当系统电压超出预设范围时，电压闭环起主要作用，以保证电压稳定。双闭环控制策略虽然提高了控制的精确性，但是也增加了系统的复杂性，对控制参数的调整和优化提出了更高要求。

为解决现有方法的不足，本文将引进自适应滤波技术，以某电力系统为例，进行无功功率自动控制方法研究，旨在推动电网智能化的发展，满足电网运行和管理需求。

1 电力系统无功功率计算

为满足电力系统无功补偿自动控制需求，设计方法前，应计算系统运行过程中无功功率输出值[3]。当系统产生无功功率时，说明在交流电路中，电压与电流间的相位差产生的功率并没有直接转化为机械能、热能或光能，而是主要在电感和电容元件间进行交换。

无功功率是无功交换的速率，可以利用视在功率S和有功功率S'对其进行计算。当大量无功功率Δs在电网中流动时，会导致电压V波动、线路损耗增加以及设备过热等问题[4]。其中视在功率S和有功功率S'的计算过程如公式（1）所示。

（1）

式中：S表示视在功率；V表示电压；I表示电流；S'表示有功功率；c表示功率因数；α表示相位差。

得到视在功率和有功功率的具体数值后，利用公式（2）计算电力系统的无功功率Δs。

（2）

式中：Δs表示无功功率；ΔQ表示系统短路容量。

按照上述方式，完成电力系统无功功率的计算。

2 基于自适应滤波的系统无功补偿

当电力系统中出现无功功率不足或过剩现象时，可能会导致电压波动、线路损耗增加和设备效率降低等问题。为了优化电力系统，可以采用基于自适应滤波技术的系统无功补偿方法[5]。自适应滤波技术是一种能够根据输入信号和期望输出信号的变化自动调整滤波器参数的方法。在电力系统无功补偿中，自适应滤波技术可用于实时监测系统的无功功率变化，并根据这些变化自动调整无功补偿设备的输出，以精确控制系统无功功率。最小均方算法可用于调整滤波器的系数，以使误差信号的均方值最小化。更新权重的计算过程如公式（3）所示。

w（n+1）=w（n）+2μe（n）x（n） （3）

式中：w（n）表示第n次迭代的滤波器权重向量；μ表示学习率（步长）；e（n）表示第n次迭代的误差信号（即期望信号与滤波器输出之差）；x（n）表示第n次迭代的输入信号向量。

在此基础上，使用电力监测设备（例如功率分析仪、电压电流测量仪等）实时监测电力系统中各节点的电压V、电流I和无功功率Δs等参数[6]。将监测到的电压V、电流信号I输入自适应滤波器。自适应滤波器根据预先设定的算法和期望的输出信号（即期望的无功功率值）自动调整滤波器参数，以产生相应的无功补偿信号。无功补偿信号量χ如公式（4）所示。

（4）

式中：χ表示无功补偿信号量；k表示更新次数；T表示节点收敛时间。

根据得到的无功补偿值，控制无功补偿设备（例如电容器组、电抗器等）的投入或切除，以精确控制系统无功功率。

3 TCK电压自动控制

为了使无功补偿可以在应用中发挥预期效果，需要在上述内容的基础上进行TCK电压的自动控制。该环节是电力系统自动化控制的重要组成部分，能够利用先进的通信、传感、计算和控制技术，实时监控并自动调整电网电压水平[7]。还能基于预设的电压控制策略，进行精确计算和决策，自动调整电网中可控无功电源的出力、无功补偿设备的投切以及变压器分接头的位置，从而精确控制电网电压[8]。

在该过程中，安装在电网各节点的传感器和监测设备能够实时采集电网的电压、电流和无功功率等关键参数，这些数据由通信网络传输到中央控制单元[9]。根据预设的电压控制策略，对采集的电网数据进行处理和分析。TCK电压自动控制系统能够控制指令，并自动调整电网中可控无功电源的出力、无功补偿设备的投切以及变压器分接头的位置，进行TCK电压自动控制。

4 对比试验

上文完成了基于自适应滤波的电力系统无功补偿自动控制方法设计，为检验该方法的实际应用效果，本文选择某地区大型电力服务中心作为研究试点，分析其电力系统运营现状，相关内容见表1。

该电力服务中心负责向周边地区稳定、可靠地进行电力供应，拥有复杂的电网结构和多样化的用电负荷。然而，根据该电力服务中心的监测数据显示，目前无功功率的波动幅度逐渐增加。特别是在高峰时段，无功功率的波动范围更大，导致电网不稳定。尽管该电力服务中心已经安装了多套无功补偿设备，但是设备的补偿效率并不理想。部分设备老化、损坏或设计不合理，造成补偿效果不佳，甚至产生额外的无功损耗。现有的无功功率补偿控制缺乏智能化和自适应能力，导致在电网结构变化、用电负荷波动等情况下，控制系统无法及时进行调整。

为解决上述问题，在综合商议后，决定应用本文设计的方法进行无功补偿自动控制。在该过程中，本文搭建了测试平台，设计了系统在运行中的相关技术参数，见表2。

在该基础上设计电力系统中输电线路元件及其参数，相关内容见表3。

完成试验准备工作后，利用公式（1）计算该电力系统的视在功率S和有功功率S'，利用公式（2）计算该电力系统的无功功率Δs，并分析该电力系统的无功功率输出现状，如图1所示。

由图1可以看出，当无干预措施时，电力系统的无功功率Δs为负数，表明在交流电路中，电路具有容性特性，并且正在输出无功功率，而不是从系统吸收无功功率，会对电网的稳定性和电压质量产生影响。

本文引入文献[1]、文献[2]的方法对该电力系统进行无功补偿自动控制，并与本文方法的控制结果进行比较，统计不同方法在0.25s时刻对系统进行无功功率补偿的效果，如图2～图4所示。

由图2可以看出，本文方法从0.25s开始补偿，其后系统输出的无功功率发生了变化，并在0.45s将无功功率输出控制为0。由此可以证明，本文方法的应用效果良好。

由图3可以看出，应用文献[1]方法后，系统输出的无功功率在0.45s后稳定在一个具体数值，但是未能将无功功率输出值控制为0，说明该方法的控制效果相对较差。

由图4可以看出，应用文献[2]方法后，系统输出的无功功率发生了变化，但是在试验结束后，输出值未能稳定在一个具体数值，说明该方法的控制效果也较差。

综合上述试验结果可知，本文设计的基于自适应滤波的控制方法应用效果良好，该方法可以对电力系统无功功率输出进行补偿与自动控制，保证电力系统运行的稳定性与可靠性。

5 结语

无功功率的产生与电力系统的非线性负荷、感应电动机等相关，从而影响电力系统的功率因数和能源利用效率。自适应滤波技术可以根据电路中的噪声和信号特性自适应地选择滤波器的参数和结构，从而提高滤波器的滤波效果和信号质量。在电力系统中，在电源、电感和电阻的阻抗等因素的影响下，滤波效果较差。因此，自适应滤波技术的应用对提高电力系统中的滤波效果具有重要意义。为落实该项工作，本文以某电力系统为例，通过电力系统无功功率计算、系统无功补偿和TCK电压自动控制，进行无功补偿自动控制方法的研究。旨在保障电力系统安全并使其稳定运行，以进行无功功率的补偿，减少电网电压波动和不稳定，并降低电网故障风险。

参考文献

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