CN110601217A - 一种基于无功电度计量的分布式无功补偿方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于无功电度计量的分布式无功补偿方法及装置，所述方法包括：步骤1，采集主变电所上一计量周期的有功电度及无功电度；步骤2，根据所述有功电度及无功电度计算该主变电所的功率因素；步骤3，根据该主变电所功率因数目标值，判断功率因素是否达标；步骤4，如功率因素达标，则不进行补偿，如功率因素不达标，则计算需补偿的感性无功电度，通过对应主变电所的再生制动装置进行无功补偿。本发明针对目前现状，采用再生制动装置取代SVG，通过合理的算法，能对需要补偿方案进行自动化调整，防止出现无功过补或欠补，防止出现单机组过载。

Description

一种基于无功电度计量的分布式无功补偿方法及装置
技术领域
本发明涉及城市轨道交通供电系统，具体涉及一种基于无功电度计量的分布式无功补偿方法及装置。
背景技术
城市轨道交通供电系统中大量的电缆应用，容性无功电度较大，在首次送电至试运营前的阶段，由于有功负荷小，功率因数使得系统功率因数偏低。
为改善功率因数，目前行业内主要采用三种方式：
(1)在主主变电所内安装SVG(静态无功发生器)进行全天动态补偿。
(2)在沿线主变电所夜间开启400V开关柜APF(有缘滤波装置)的固定补偿功能。
(3)夜间采用RBD(中压逆变再生制动装置)进行固定补偿。
SVG、APF、RBD的主要工作原理相似，均是利用IGBT的不同导通角来实现无功补偿功能。
现状三种方式的主要缺点在于：
SVG装置属于集中补偿装置，单体容量大，发热量高，需要配套大功率风机进行散热，环境噪声大，故障率相对较高，工程投资较大；
APF设备单体容量小，数量最多。从滤波角度考虑，一般APF容量为变压器容量的10％较为经济，考虑小功率IGBT70％的利用率，每个车站的单母线APF可发无功功率约为100kVar，因此全线的总补偿功率较小，难以满足开通前的功率因数的要求，同时APF属于固定补偿，不能自动根据负载的变化进行及时调整，容易过补偿或欠补偿。
RBD设备单体容量较大，数量较多，但是在国内应用于补偿的案例极少，目前主要用于夜间固定补偿主主变电所110kV电缆无功，与APF一样属于固定补偿，不能自动根据负载的变化进行及时调整，容易过补偿或欠补偿。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于无功电度计量的分布式无功补偿方法及装置，具体方案如下：
作为本发明的第一方面，提供一种基于无功电度计量的分布式无功补偿方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1，采集主变电所上一计量周期的有功电度及无功电度；
步骤2，根据所述有功电度及无功电度计算该主变电所的功率因素；
步骤3，根据该主变电所功率因数目标值，判断功率因素是否达标；
步骤4，如功率因素达标，则不进行补偿，如功率因素不达标，则计算需补偿的感性无功电度，通过对应主变电所的再生制动装置进行无功补偿。
进一步地，步骤1中，通过测控装置采集主变电所的有功电度和无功电度数据。
进一步地，步骤2中，功率因数计算公式为：
式中cosψ为功率因数，WP为有功电度，WQ为的无功电度。
进一步地，步骤4中，计算需补偿的感性无功电度具体为：
当功率因数目标值0.95时，(cosψ)2＝0.9，WQ/WP＝1/3；
当功率因数目标值0.9时，(cosψ)2＝0.8，WQ/WP＝1/2；
式中WP为上一计量周期的有功电度，WQ为上一计量周期的无功电度；
根据实验验证，在不采取任何补偿措施的情况下，系统无功电度为容性；
因此，需要产生的感性无功电度与现状容性无功电度差的绝对值为有功电度绝对值的1/3(0.95)或1/2(0.9)，即可满足功率因数的目标，如下式：
或
式中：WQ-为系统中上一计量周期内产生的容性无功电度(包含各类负载及电缆的综合)，WQ+为再生制动装置发出作为补偿的的感性无功电度，通过该公式即可得出需要产生的作为补偿的的感性无功电度WQ+。
作为本发明的第二方面，提供一种基于无功电度计量的分布式无功补偿装置，其特征在于，所述装置包括测控装置、再生制动装置、OCC电力调度台和中心级后台；所述测控装置和再生制动装置均与OCC电力调度台电连接，所述OCC电力调度台与中心级后台电连接；
所述测控装置用于采集主变电所上一计量周期的有功电度及无功电度，并通过OCC电力调度台将有功电度及无功电度发送给中心级后台；
所述中心级后台用于根据所述有功电度及无功电度计算该主变电所的功率因素，根据该主变电所功率因数目标值，判断功率因素是否达标，如功率因素达标，则不进行补偿，如功率因素不达标，则计算需补偿的感性无功电度，下发相应的控制指令至OCC，并由OCC将控制指令下送至对应的再生制动装置执行；
所述再生制动装置执行用于根据所述控制指令对对应主变电所进行无功补偿。
进一步地，所述功率因数计算公式为：
式中cosψ为功率因数，WP为有功电度，WQ为的无功电度。
进一步地，计算需补偿的感性无功电度具体为：
当功率因数目标值0.95时，(cosψ)2＝0.9，WQ/WP＝1/3；
当功率因数目标值0.9时，(cosψ)2＝0.8，WQ/WP＝1/2；
式中WP为上一计量周期的有功电度，WQ为上一计量周期的无功电度；
根据实验验证，在不采取任何补偿措施的情况下，系统无功电度为容性；
因此，需要产生的感性无功电度与现状容性无功电度差的绝对值为有功电度绝对值的1/3(0.95)或1/2(0.9)，即可满足功率因数的目标，如下式：
或
式中：WQ-为系统中上一计量周期内产生的容性无功电度(包含各类负载及电缆的综合)，WQ+为再生制动装置发出作为补偿的的感性无功电度，通过该公式即可得出需要产生的作为补偿的的感性无功电度WQ+。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明针对目前现状，采用再生制动装置取代SVG，通过合理的算法，能对需要补偿方案进行自动化调整，防止出现无功过补或欠补，防止出现单机组过载，
2.分布式补偿，比SVG可靠性更高，可充分利用既有设备，取代SVG，降低施工难度、节约工程投资，降低有人值班变电所噪音(SVG散热风机造成)，优化工作环境。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于无功电度计量的分布式无功补偿方法流程图；
图2为本发明实施例提供的功率因数与功率的关系示意图，图中阴影部分为电度；
图3为本发明实施例提供的补偿策略1的示意图；
图4为本发明实施例提供的补偿策略2的示意图；
图5为本发明实施例提供的补偿策略3的示意图；
图6为本发明实施例提供的补偿策略4的示意图；
图7为本发明实施例提供的补偿策略5的示意图；
图8为本发明实施例提供的补偿策略6的示意图；
图9为本发明实施例提供的基于无功电度计量的分布式无功补偿装置结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，作为本发明的第一实施例，提供一种基于无功电度计量的分布式无功补偿方法，所述方法包括：
步骤1，采集主变电所上一计量周期的有功电度及无功电度；
步骤2，根据所述有功电度及无功电度计算该主变电所的功率因素；
步骤3，根据该主变电所功率因数目标值，判断功率因素是否达标；
步骤4，如功率因素达标，则不进行补偿，如功率因素不达标，则计算需补偿的感性无功电度，通过对应主变电所的再生制动装置进行无功补偿。
其中，通过测控装置采集主变电所的有功电度和无功电度数据。
其中，根据电力公司基于月电度考核的功率因数计算公式：
式中cosψ为功率因数，WP为有功电度，WQ为的无功电度。
如图2所示，由于其考核为月电度的累计值，因此无功功率不能对功率因数产生直接影响：
当功率因数目标值0.95时，(cosψ)2＝0.9，WQ/WP＝1/3；
当功率因数目标值0.9时，(cosψ)2＝0.8，WQ/WP＝1/2；
式中WP为上一计量周期的有功电度，WQ为上一计量周期的无功电度；
根据实验验证，在不采取任何补偿措施的情况下，系统无功电度为容性；
因此，需要产生的感性无功电度与现状容性无功电度差的绝对值为有功电度绝对值的1/3(0.95)或1/2(0.9)，即可满足功率因数的目标，如下式：
或
式中：WQ-为系统中上一计量周期内产生的容性无功电度(包含各类负载及电缆的综合)，WQ+为再生制动装置发出作为补偿的的感性无功电度，通过该公式即可得出需要产生的作为补偿的的感性无功电度WQ+。
在计算出需补偿的感性无功电度后，根据计算的需补偿的感性无功电度结合电网运行期间，可制定最优无功补偿策略，根据最优无功补偿策略执行无功补偿；
如图3-图8所示，共有6种可能的控制策略。
其中策略3没有实际意义和策略5没有实际意义。
因此，执行策略1、2、4、6，这四种策略对应于不同的工程建设时期。
策略1适用于进入试运行期间，变电所通风设施建设完成，少量车辆运行，负载的感性无功电度小于电缆容性无功电度，可以在列车停运时段将再生制动装置短时(6～8小时)大功率(再生制动装置功率仍小于电缆容性功率)运行，不影响车辆调试。
策略2适用于环网送电初期，该时期内无车辆运行或极少车辆运行，负载的感性无功远小于电缆容性无功，而变电所通风设施尚未建设完成或未调试完成，散热问题导致再生制动装置的能力无法有效发挥，处于限制功率输出的模式，可以将再生制动装置以小功率长时间(18～24小时)运行。
策略4适用于环网送电初期，以功率因数感性1.0为目标进行的大功率长时间运行(24小时)补偿方式，该方案需要综合考虑车站通风设备调试完成的情况，以及再生制动装置的数量和单位功率。
策略6适用于运营期，运营时段车辆对数多，负载的感性无功接近电缆容性无功，不需要进行补偿；停运时段可以最小功率短时运行。
上述策略1、2、6均存在向110kV电网返送无功，需要注意的是即便采用传统的SVG方案，由于补偿的滞后，每个瞬间也会有少量的无功返送，因此基于容性功率因数0.95的补偿，由于功率因数较高，对电网的影响不大；策略4可以做到没有返送无功，但是在建设期对再生制动装置的功率需求较高。
①若允许系统功率因数为容性，则WQ-≥WQ+；
或
可见感性电度的需求较少，特别适用于在送电初期车站通风设备未启用的建设时期。为进一步降低再生制动装置的功率，可以按照容性功率因数目标(0.9)去补偿；
②若系统功率因数为感性，则WQ+≥WQ-；
或
可见，在此种情况下，感性无功的功率需要持续大于电缆容性无功。
在送电初期，车站通风设备未启用情况下，为进一步降低再生制动装置的功率，可以按照感性功率因数目标0.9去补偿；在运营时期，由于车辆感性负载的作用，感性无功功率与电缆容性无功功率接近，但总体仍小于电缆无功功率，考虑到再生制动装置一般很少同时工作于补偿和制动状态，因此运营时段必然存在少量无功返送的情况。
基于上述分析，再生制动装置的无功补偿更适用于整个建设周期容性无功功率因数目标和建设初期的感性功率因数目标。
下述详细控制算法以容性功率因数目标为基准。
无功电度的采集及优化控制算法如下：
在110kVGIS开关柜内设置专用的计量CT线圈，与电压线圈的二次端子共同接入到功率因数控制装置。主要采集的电量有110kV的电流和电压，计算一个周期内(23:00～23:00)的有功电度和无功电度，本周期内采集的有功和无功电度，作为下个周期无功补偿策略的实施依据。
设上一计量周期内的有功电度为WP1,上一计量周期无功电度为WQ1-，上一周期内单台再生制动装置的发出的感性无功功率为Q1+，可执行补偿工作的再生制动装置的数量为N1，持续补偿的时间为h1，设下一计量周期内的有功电度为WP2，下一计量周期无功电度为WQ2-，下一周期内单台再生制动装置的发出的感性无功功率为Q2+，可执行补偿工作的再生制动装置的数量为N2，持续补偿的时间为h2。
若功率计算不达标(通过象限计量可以判断总无功电度的极性，通过功率因数计算可以判断功率因数的数值)，实验证明每24小时计量周期的有功与上一个24小时计量周期的有功电度一般比较接近(即使其中两日差别较大，对全月平均功率因数产生的影也可以忽略不计)，在进行计算时，设置WP2＝WP1：
以容性0.95为标准(适用于试运营前，车站通风设备调试完成前)，则：
第二周期内需要投入的再生制动装置的功率及时间为：
由此类推，进行迭代计算
如图9所示，作为本发明的另一方面，提供一种基于无功电度计量的分布式无功补偿装置，所述装置包括测控装置、再生制动装置、OCC电力调度台和中心级后台；所述测控装置和再生制动装置均与OCC电力调度台电连接，所述OCC电力调度台与中心级后台电连接；所述测控装置设置在主变电所内，主要部分为独立配置的通信接口的电能表，与关口计量屏品牌尽量一致，
所述测控装置用于采集主变电所上一计量周期的有功电度及无功电度，通过SCADA通道将采集数据传输给OCC电力调度台，并通过OCC电力调度台发送给中心级后台；
所述中心级后台用于根据所述有功电度及无功电度计算该主变电所的功率因素，根据该主变电所功率因数目标值，判断功率因素是否达标，如功率因素达标，则不进行补偿，如功率因素不达标，则计算需补偿的感性无功电度，下发相应的控制指令至OCC，并由OCC将控制指令下送至对应的再生制动装置执行；
所述再生制动装置执行用于根据所述控制指令对对应主变电所进行无功补偿。
其中，功率因数计算公式为：
式中cosψ为功率因数，WP为有功电度，WQ为的无功电度。
由于其考核为月电度的累计值，因此无功功率不能对功率因数产生直接影响：
当功率因数目标值0.95时，(cosψ)2＝0.9，WQ/WP＝1/3；
当功率因数目标值0.9时，(cosψ)2＝0.8，WQ/WP＝1/2；
式中WP为上一计量周期的有功电度，WQ为上一计量周期的无功电度；
根据实验验证，在不采取任何补偿措施的情况下，系统无功电度为容性；
因此，需要产生的感性无功电度与现状容性无功电度差的绝对值为有功电度绝对值的1/3(0.95)或1/2(0.9)，即可满足功率因数的目标，如下式：
或
式中：WQ-为系统中上一计量周期内产生的容性无功电度(包含各类负载及电缆的综合)，WQ+为再生制动装置发出作为补偿的的感性无功电度，通过该公式即可得出需要产生的作为补偿的的感性无功电度WQ+。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于无功电度计量的分布式无功补偿方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，采集主变电所上一计量周期的有功电度及无功电度；
步骤2，根据所述有功电度及无功电度计算该主变电所的功率因素；
步骤3，根据该主变电所功率因数目标值，判断功率因素是否达标；
步骤4，如功率因素达标，则不进行补偿，如功率因素不达标，则计算需补偿的感性无功电度，通过对应主变电所的再生制动装置进行无功补偿。
2.根据权利要求1所述的基于无功电度计量的分布式无功补偿方法，其特征在于，步骤1中，通过测控装置采集主变电所的有功电度和无功电度数据。
3.根据权利要求1所述的基于无功电度计量的分布式无功补偿方法，其特征在于，步骤2中，功率因数计算公式为：
式中cosψ为功率因数，WP为有功电度，WQ为的无功电度。
4.根据权利要求1所述的基于无功电度计量的分布式无功补偿方法，其特征在于，步骤4中，计算需补偿的感性无功电度具体为：
当功率因数目标值0.95时，(cosψ)2＝0.9，WQ/WP＝1/3；
当功率因数目标值0.9时，(cosψ)2＝0.8，WQ/WP＝1/2；
式中WP为上一计量周期的有功电度，WQ为上一计量周期的无功电度；
根据实验验证，在不采取任何补偿措施的情况下，系统无功电度为容性；
因此，需要产生的感性无功电度与现状容性无功电度差的绝对值为有功电度绝对值的1/3(0.95)或1/2(0.9)，即可满足功率因数的目标，如下式：
或
式中：WQ-为系统中上一计量周期内产生的容性无功电度(包含各类负载及电缆的综合)，WQ+为再生制动装置发出作为补偿的的感性无功电度，通过该公式即可得出需要产生的作为补偿的的感性无功电度WQ+。
5.一种基于无功电度计量的分布式无功补偿装置，其特征在于，所述装置包括测控装置、再生制动装置、OCC电力调度台和中心级后台；所述测控装置和再生制动装置均与OCC电力调度台电连接，所述OCC电力调度台与中心级后台电连接；
所述测控装置用于采集主变电所上一计量周期的有功电度及无功电度，并通过OCC电力调度台将有功电度及无功电度发送给中心级后台；
所述中心级后台用于根据所述有功电度及无功电度计算该主变电所的功率因素，根据该主变电所功率因数目标值，判断功率因素是否达标，如功率因素达标，则不进行补偿，如功率因素不达标，则计算需补偿的感性无功电度，下发相应的控制指令至OCC，并由OCC将控制指令下送至对应的再生制动装置执行；
所述再生制动装置执行用于根据所述控制指令对对应主变电所进行无功补偿。
6.根据权利要求5所述的基于无功电度计量的分布式无功补偿装置，其特征在于，所述功率因数计算公式为：
式中cosψ为功率因数，WP为有功电度，WQ为的无功电度。
7.根据权利要求5所述的基于无功电度计量的分布式无功补偿装置，其特征在于，计算需补偿的感性无功电度具体为：
当功率因数目标值0.95时，(cosψ)2＝0.9，WQ/WP＝1/3；
当功率因数目标值0.9时，(cosψ)2＝0.8，WQ/WP＝1/2；
式中WP为上一计量周期的有功电度，WQ为上一计量周期的无功电度；
根据实验验证，在不采取任何补偿措施的情况下，系统无功电度为容性；
因此，需要产生的感性无功电度与现状容性无功电度差的绝对值为有功电度绝对值的1/3(0.95)或1/2(0.9)，即可满足功率因数的目标，如下式：
或
式中：WQ-为系统中上一计量周期内产生的容性无功电度(包含各类负载及电缆的综合)，WQ+为再生制动装置发出作为补偿的的感性无功电度，通过该公式即可得出需要产生的作为补偿的的感性无功电度WQ+。
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