高比例电缆进线110 k V变电站无功优化计算研究

徐志伟

(扬州浩辰电力设计有限公司,江苏 扬州 225000)

0 引言

110 k V变电站无功优化可以提高供电电压质量,有效降低系统的网络损耗,准确确定无功补偿设备类型、容量和组数[14]。近年来,随着110 k V电缆的大量使用,一些智能启发式方法和改进的传统算法被用于电网无功补偿计算。文献[5]采用多维度变参数方式研究不同情况下的110 k V变电站无功配置方案。文献[6]建立了基于变压器损耗的配电网无功优化模型,通过差分进化算法对系统进行计算,提出了无功补偿和变压器有载调压的优化方案。文献[7-8]提出了含有新能源发电的配电网无功优化方法。文献[9]提出了含电缆线路的110 k V变电站无功补偿方法,建立了含电缆的110 k V电网模型,计算得到变电站的无功补偿比率。文献[10-11]提出了110 k V变电站容性无功配置推荐比例,按此方法进行无功配置过于粗略,易增加系统运行损耗,并造成投资浪费。文献[12-14]利用改进智能算法计算无功补偿容量,提出变电站无功优化方案。

目前,很多城市变电站运行时的功率因数难以满足规范要求[1112],现有资料鲜有基于功率因数作为约束研究变电站中容性/感性无功设备配置的优化方法。若能在110 k V变电站无功设备改造前引入合适的计算模型,结合110 k V变电站的长期运行数据快速而准确地对变电站容性/感性无功补偿容量的合理性进行判断并及时调整和优化设计,对于保证变电站的运行可靠性及降低无功设备投资等方面具有十分重要的意义,然而,此类研究的相关成果在国内外均鲜见报道,鉴于此,本文对110 k V变电站进行功率因数诊断,然后对功率因数不合格的变电站开展无功优化并提出无功补偿优化方案,有效解决现有110 k V变电站配置不合理的技术问题。

1 数据处理及判定

1.1 变电站数据处理

变电站数据包括基本参数、运行数据和无功补偿情况。其中,基本参数包括变压器台数、变压器容量、变电器阻抗电压百分数、变压器空载电流百分数、现有补偿装置配置;运行数据包括某个历史时间区间的变电站有功负荷和无功负荷,历史时间区间可由用户来进行设置,剔除低谷负荷期间投切电容器的运行数据,剔除高峰负荷期间投切电抗器的运行数据;无功补偿情况包括高峰负荷时未投入运行的容性补偿装置总容量,低谷负荷时未投入运行的感性补偿装置总容量。

1.2 功率因数合格/不合格判定

根据变压器的负荷率筛查出高峰和低谷负荷,并计算其功率因数。变压器负载率高于50%时为高峰负荷,变压器负载率低于20%时为低谷负荷。高峰负荷期间功率因数高于cosφm判定为合格,小于cosφm判定为不合格;低谷负荷期间功率因数低于cosφn为合格,高于cosφn判定为不合格。高峰和低谷负荷期间,如无功负荷与未投切电抗器容量之和为负值均判定为不合格。高峰和低谷负荷期间,如低压侧无功值与未投切电抗器容量之和为负值均判定为不合格。

2 无功优化方法

2.1 功率因数诊断

对变电站运行数据计算分析,根据高峰/低谷负荷期间功率因数诊断模型,筛查出高峰/低谷负荷期间不合格的运行数据。高峰负荷期间功率因数诊断模型推导为

式中:cosφ'c为高峰负荷期间功率因数;Pm为高压侧有功值;Qm为高压侧无功值。

主变压器的无功损耗包括励磁损耗和绕组漏抗损耗[13-15]

式中:QCB,m为变压器的无功损耗;Q0为漏抗的无功损耗;QTm为励磁损耗。

式中:I0%为空载电流百分数;SN为变压器额定容量。

式中:Ud%为变压器阻抗电压百分数;P为低压侧有功值;Q为低压侧无功值;Q'c为未投切容性无功设备容量。

高压侧的无功功率和有功功率计算如下

综合以上公式,可以得出高峰负荷期间功率因数诊断模型为

式中:cosφ'c为高峰负荷期间功率因数。

同理可以推导出低谷负荷期间功率因数诊断模型为

式中:cosφ'L为低谷负荷期间功率因数;Q'L为未投切感性无功设备容量,Mvar。

2.2 无功优化计算

无功优化流程如图1所示,首先构建容性/感性无功补偿优化模型,根据不合格运行数据计算容性/感性无功容量值,建立容性/感性功率因数检验模型,对容性/感性无功容量值进行检验,得到检验合格后的容性/感性无功容量值,如变电站有补偿装置未投入使用,检验后的容性/感性无功容量值需扣除未投入的补偿装置容量,得到容性/感性无功补偿优化值。重复上述计算,直至所有不合格运行数据全部优化计算结束。

图1 无功优化流程

以功率因数达标和无功补偿投资最低为优化目标,建立无功优化模型。该模型可根据高峰/低谷负荷期间功率因数不合格的运行数据,计算出变电站容性/感性无功优化值,提高容性/感性无功的配置效率。

按功率因数达标所需补偿的最低无功量为原则[16],计算容性无功优化优化值

式中:Qc为容性无功优化计算值;φ1为补偿前的功率因数角;φ2为补偿后的功率因数角。

式中:Q'n为高压侧无功值。

高压侧的无功值计算如下

其中:

补偿后的功率因数角等于高峰负荷期间功率因数角要求值,故φ2=tan(arccosφm)。综合以上公式,可计算出感性无功优化模型为

采用类似的方法可以计算出感性无功优化模型为

式中:QL为感性无功优化计算值,Mvar;cosφn为低谷负荷期间功率因数的要求值。

2.3 功率因数检验

对容性/感性无功优化值计算结果进行合理性检验,通过建立的容性/感性功率因数检验模型判定优化后的无功配置是否满足要求。当容性/感性功率因数检验值合格,容性/感性无功值减少0.2 Mvar,返回容性/感性功率因数检验计算,直至功率因数最接近功率因数合格值;当容性/感性功率因数检验值不合格,容性/感性无功值增加0.2 Mvar,直至功率因数最接近功率因数合格值。通过容性/感性功率因数检验计算的不断循环,最终得到较为精确和比较经济的无功配置容量值。

功率因数检验模型需在高峰/低谷负荷期间功率因数诊断模型基础上考虑容性/感性无功优化计算值对功率因数的影响,将容性/感性无功优化计算值计入高低压无功值及主变压器漏抗损耗中。从而,计算出容性功率因数检验模型为

式中:cosφc为高峰负荷时功率因数检验值。

感性功率因数检验模型为

式中:cosφL为低谷负荷时功率因数检验值。

2.4 输出无功优化配置方案

根据上述步骤对采集的变电站数据逐个开展容性/感性无功优化值计算,分别取容性/感性无功优化值的最大值作为无功配置方案的基准值;然后,结合无功补偿装置的型式、尺寸和价格,变电站场地条件确定无功装置的单组容量;最后,以经济技术最优为原则,计算得出容性/感性无功配置方案。

3 实例计算

某110 k V变电站基本参数为:变压器1台,其容量为50 MVA、阻抗电压百分数Ud%=16.5%、空载电流百分数I0%=0.2%。现配置2台4 Mvar电容器,1台4 Mvar电抗器。采集数据的时间区间和间隔时间由用户自行设定,时间区间越长,间隔时间越小,数据量就越大,优化结果的精度越为精确。实际工程中由于数据较多,采用Matlab 2020软件进行计算。本文以采集的10个数据为例进行说明,母线负荷和补偿装置投切数据如表1所示。

表1 母线负荷和补偿装置投切数据

3.1 功率因数诊断

根据低谷负荷期间功率因数诊断模型和高峰负荷期间功率因数诊断模型对表1数据进行诊断计算,同时将功率因数合格的运行数据剔除,剩余的不合格的数据用于无功优化计算使用,如表2所示。

表2 不合格的数据和无功优化计算结果

3.2 无功优化计算及检验

计算表2中负荷编号为2的不合格点。

(1)该负荷为高峰负荷,采用容性无功补偿优化模型计算的容性无功值为Qc=3.68 Mvar;

(2)3.68 Mvar进行检验,采用容性功率因数检验模型计算功率因数为cosφc=0.954 4;

(3)功率因数0.954 4满足高峰负荷期间功率因数高于0.95的要求,功率因数检验值合格,返回重新计算,此时计算用新的容性无功值Qc=3.68-0.2=3.48 Mvar。对容性无功值3.48 Mvar进行检验,采用容性功率因数检验模型计算功率因数cosφc=0.952 7;

(4)功率因数0.952 7满足高峰负荷期间功率因数高于0.95的要求,功率因数检验值合格,返回重新计算,此时计算用新的容性无功值Qc=3.48-0.2=3.28 Mvar。对容性无功值3.28 Mvar进行检验,采用容性功率因数检验模型计算功率因数cosφc=0.950 9;

(5)功率因数0.950 9满足高峰负荷期间功率因数高于0.95的要求,功率因数检验值合格,返回重新计算,此时计算用新的容性无功值Qc=3.28-0.2=3.08 Mvar。对容性无功值3.08 Mvar进行检验,采用容性功率因数检验模型计算功率因数cosφc=0.949 1;

(6)功率因数0.949 1不满足高峰负荷期间功率因数高于0.95的要求,功率因数检验值不合格,说明容性无功值Qc=3.08 Mvar不满足要求。容性无功值Qc=3.28 Mvar为最接近功率因数的合格值;

(7)负荷编号为2的不合格点的容性无功补偿优化值为3.28 Mvar。

计算表2中负荷编号为3的不合格点。

(1)该负荷为低峰负荷,采用感性无功补偿优化模型计算的感性无功值为QL=3.61 Mvar;

(2)对容性无功值3.61 Mvar进行检验,采用感性功率因数检验模型计算功率因数为cosφL=0.950 4;

(3)功率因数0.950 4不满足低谷负荷期间功率因数低于0.95的要求,功率因数检验值不合格,返回重新计算,此时计算用新的感性无功值Qc=3.81 Mvar。对感性无功值3.81 Mvar进行检验,采用感性功率因数检验模型计算功率因数为cosφL=0.939 1;

(4)功率因数0.939 1满足低谷负荷期间功率因数低于0.95的要求,负荷编号为3的不合格点的感性无功补偿优化值为3.81 Mvar。

采用上述方法对表2的不合格数据进行计算,可得出每个不合格点的容性/感性无功优化值。由表2计算结果可以看出,容性无功补偿优化最大值为3.28 Mvar,感性无功补偿优化最大值为3.81 Mvar,用户指定的单组补偿装置容量为4 Mvar,可以得出无功优化补偿配置方案为该变电站需新增1台4 Mvar的电容器和1台4 Mvar的电抗器。

4 结束语

本文提出的110 k V变电站无功补偿优化计算方法,可对110 k V变电站运行数据进行分析,通过功率因数诊断模型计算并筛选出不合格的运行数据,开展无功优化并提出无功配置方案,具有计算速度快,计算精度高,简单易用、降低无功设备投资的优点,有效解决现有110 k V变电站无功配置不合理的技术问题。本文所提110 k V变电站无功补偿优化计算方法是基于提高功率因数合格率的,在适用范围上有所限制。因此对该策略进行优化,同时考虑提高电压合格率是下一步研究的重点。