CN112838593A - 一种110kV变电站无功装置补偿优化计算方法 - Google Patents

一种110kV变电站无功装置补偿优化计算方法 Download PDF

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CN112838593A CN202110152739.4A CN202110152739A CN112838593A CN 112838593 A CN112838593 A CN 112838593A CN 202110152739 A CN202110152739 A CN 202110152739A CN 112838593 A CN112838593 A CN 112838593A
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Abstract

一种110kV变电站无功装置补偿优化计算方法，首先采集某时间区间的110kV变电站运行数据，计算功率因素并进行诊断，从而筛选出不合格的运行数据，然后建立容性无功补偿优化和感性无功补偿优化模型，分别对高峰负荷和低谷负荷时间段的不合格运行数据进行无功补偿装置优化。本发明可对一个区域内的所有110kV变电站进行功率因素诊断，并对功率因素不合格的变电站开展无功优化并提出无功补偿优化方案，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110kV变电站配置不合理的技术问题。

Description

一种110kV变电站无功装置补偿优化计算方法
技术领域
本发明涉及无功补偿装置领域，尤其涉及一种110kV变电站无功装置补偿优化计算方法。
背景技术
110kV变电站进行无功规划优化可以提高功率电压质量，有效降低系统的网络损耗，确定无功补偿设备类型、容量和组数是无功优化的重要研究内容。
现阶段国内相关规范提出了一种110kV变电站容性无功容量的配置范围：容性无功容量按主变容量的10％～30％的标准配置，按此进行无功装置优化过于粗放，往往造成容量配置无功补偿容量偏大，同时又缺乏感性无功配置，产生无功倒送的情况，增加系统运行损耗，并造成投资浪费。另外工程技术人员往往局限于传统的经验设计，当遇到变电站功率不合格时，采用试验—改进，再试验再改进的试错方式，效率较低，投资较大。
若能在110kV变电站无功设备改造前引入合适的计算模型，结合110kV变电站的长期运行数据快速而准确地对变电站的容性/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工程意义。然而，此类研究的相关成果在国内外均鲜见报道。
发明内容
本发明针对以上问题，提供了一种简单易用，计算速度快，精度高的110kV变电站无功补偿优化计算方法。
本发明的技术方案为:包括如下步骤：
S1、采集变电站数据，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和现有补偿装置配置；
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；筛除不合格的运行数据：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；
S2、功率因素诊断，对步骤S1的运行数据进行计算分析，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；
S3、无功优化计算，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/感性功率因素检验模型，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；
S4、优化结果处理，获取步骤S3中的容性/感性无功补偿优化值，取其最大值并结合用户指定的单组补偿装置容量，计算得到无功补偿配置；
S5、完成。
步骤S2中，
高峰负荷期间功率因数诊断模型为：
Figure BDA0002933025050000021
式中：
Figure BDA0002933025050000022
为高峰负荷期间功率因数；P为低压侧有功值；Q为低压侧无功值；Qc’为未投切容性无功设备容量；Ud％为变压器阻抗电压百分数；SN为变压器容量；I0％为空载电流百分数；
低谷负荷期间功率因数诊断模型为：
Figure BDA0002933025050000023
式中：
Figure BDA0002933025050000024
为低谷负荷期间功率因数；P为低压侧有功值；Q为低压侧无功值；QL’为未投切感性无功设备容量；Ud％为变压器阻抗电压百分数；SN为变压器容量；I0％为空载电流百分数；
筛查过程为：首先开展负荷类型识别，主变负载率高于50％时认为高峰负荷，主变负载率低于20％时认为为低谷负荷；
高峰负荷期间功率因数高于
Figure BDA0002933025050000025
判定为合格，小于
Figure BDA0002933025050000026
判定为不合格；
低谷负荷期间功率因数低于
Figure BDA0002933025050000027
为合格，高于
Figure BDA0002933025050000028
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；
如用户未指定
Figure BDA0002933025050000029
和
Figure BDA00029330250500000210
默认取值：
Figure BDA00029330250500000211
步骤S3中，
容性无功补偿优化模型为：
Figure BDA00029330250500000212
式中：Qc为容性无功优化计算值；P为低压侧有功值；Q为低压侧无功值；Qc’为未投切容性无功设备容量；Ud％为变压器阻抗电压百分数；SN为变压器容量；I0％为空载电流百分数；
Figure BDA0002933025050000031
为高峰负荷期间功率因数要求值；
感性无功补偿优化模型为：
Figure BDA0002933025050000032
Figure BDA0002933025050000033
式中：QL为感性无功优化计算值；P为低压侧有功值；Q为低压侧无功值；QL’为未投切感性无功设备容量；Ud％为变压器阻抗电压百分数；SN为变压器容量；I0％为空载电流百分数；
Figure BDA0002933025050000034
为低谷负荷期间功率因数的要求值；
容性功率因素检验模型为：
Figure BDA0002933025050000035
式中：
Figure BDA0002933025050000036
为高峰负荷时功率因素检验值；Qc为容性无功优化计算值；P为低压侧有功值；Q为低压侧无功值；Qc’为未投切容性无功设备容量；Ud％为变压器阻抗电压百分数；SN为变压器容量；I0％为空载电流百分数；
感性功率因素检验模型为：
Figure BDA0002933025050000037
式中：
Figure BDA0002933025050000038
为低谷负荷时功率因素检验值；QL为感性无功优化计算值；P为低压侧有功值；Q为低压侧无功值；QL’为未投切感性无功设备容量；Ud％为变压器阻抗电压百分数；SN为变压器容量；I0％为空载电流百分数。
本发明可对一个区域内的所有110kV变电站进行功率因素诊断，并对功率因素不合格的变电站开展无功优化并提出无功补偿优化方案，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110kV变电站配置不合理的技术问题。
附图说明
图1是本发明的流程图，
图2是步骤S2中功率因素诊断的流程图，
图3是步骤S3中无功优化计算的流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
本发明如图1-3所示，包括如下步骤：
S1、采集变电站数据，主要包括基本参数、运行数据和无功补偿情况。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和现有补偿装置配置；
运行数据包括某个历史时间区间的变电站的有功负荷和无功负荷，历史时间区间可由用户来进行设置；筛除不合格的运行数据：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。
S2、功率因素诊断，对步骤S1的运行数据进行计算分析，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。
S3、无功优化计算，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/感性功率因素检验模型，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。
S4、优化结果处理，获取步骤S3中的容性/感性无功补偿优化值，取其最大值并结合用户指定的单组补偿装置容量，计算得到无功补偿配置方案。
步骤S2中，首先开展负荷类型识别，主变负载率高于50％时认为高峰负荷，主变负载率低于20％时认为为低谷负荷。高峰负荷期间功率因数高于
Figure BDA0002933025050000041
判定为合格，小于
Figure BDA0002933025050000042
判定为不合格；低谷负荷期间功率因数低于
Figure BDA0002933025050000043
为合格，高于
Figure BDA0002933025050000044
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。如用户未指定
Figure BDA0002933025050000045
和
Figure BDA0002933025050000046
默认取值：
Figure BDA0002933025050000047
步骤S2中，高峰负荷期间功率因数诊断模型见公式(1)，该模型可根据变电站设备参数和运行数据，计算高峰负荷期间的功率因素，筛查出高峰负荷期间功率因素不合格的运行数据，作为无功优化计算的数据来源。该模型可以快速计算并判断变电站的无功设备配置是否满足高峰负荷期间的要求，具有计算速度快、效率高的优点。
Figure BDA0002933025050000048
式中：
Figure BDA0002933025050000049
为高峰负荷期间功率因数；P为低压侧有功值/MW；Q为低压侧无功值/Mvar；Qc’为未投切容性无功设备容量/Mvar；Ud％为变压器阻抗电压百分数；SN为变压器容量/MVA；I0％为空载电流百分数。
步骤S2中，低谷负荷期间功率因数诊断模型见公式(2)，该模型可根据变电站设备参数和运行数据，计算低谷负荷期间的功率因素，筛查出低谷负荷期间功率因素不合格的运行数据，作为无功优化计算的数据来源。该模型可以快速计算并判断变电站的无功设备配置是否满足低谷负荷期间的要求，具有计算速度快、效率高的优点。
Figure BDA0002933025050000051
式中：
Figure BDA0002933025050000052
为低谷负荷期间功率因数；P为低压侧有功值/MW；Q为低压侧无功值/Mvar；QL’为未投切感性无功设备容量/Mvar；Ud％为变压器阻抗电压百分数；SN为变压器容量/MVA；I0％为空载电流百分数。
步骤S3中，容性无功补偿优化模型见公式(3)，该模型可根据高峰负荷期间功率因素不合格的运行数据，计算出变电站还需配置的容性无功设备容量。该模型可方便准确计算出变电站感性无功优化值，提高容性无功的配置效率。
Figure BDA0002933025050000053
式中：Qc为容性无功优化计算值/Mvar；P为低压侧有功值/MW；Q为低压侧无功值/Mvar；Qc’为未投切容性无功设备容量/Mvar；Ud％为变压器阻抗电压百分数；SN为变压器容量/MVA；I0％为空载电流百分数；
Figure BDA0002933025050000057
为高峰负荷期间功率因数要求值。
感性无功补偿优化模型见公式(4)，该模型可根据低谷负荷期间功率因素不合格的运行数据，计算出变电站还需配置的感性无功设备容量。该模型可方便准确计算出变电站感性无功优化值，提高感性无功的配置效率。
Figure BDA0002933025050000054
式中：QL为感性无功优化计算值/Mvar；P为低压侧有功值/MW；Q为低压侧无功值/Mvar；QL’为未投切感性无功设备容量/Mvar；Ud％为变压器阻抗电压百分数；SN为变压器容量/MVA；I0％为空载电流百分数；
Figure BDA0002933025050000058
为低谷负荷期间功率因数的要求值。
容性功率因素检验模型见公式(5)，该模型可以对容性无功优化模型的计算值进行检验。
Figure BDA0002933025050000055
式中：
Figure BDA0002933025050000056
为高峰负荷时功率因素检验值；Qc为容性无功优化计算值/Mvar；P为低压侧有功值/MW；Q为低压侧无功值/Mvar；Qc’为未投切容性无功设备容量/Mvar；Ud％为变压器阻抗电压百分数；SN为变压器容量/MVA；I0％为空载电流百分数。
感性功率因素检验模型见公式(6)，该模型可以对感性无功优化模型的计算值进行检验。
Figure BDA0002933025050000061
式中：
Figure BDA0002933025050000062
为低谷负荷时功率因素检验值；QL为感性无功优化计算值/Mvar；P为低压侧有功值/MW；Q为低压侧无功值/Mvar；QL’为未投切感性无功设备容量/Mvar；Ud％为变压器阻抗电压百分数；SN为变压器容量/MVA；I0％为空载电流百分数。
步骤S3中，功率因素检验的依据与步骤S2相同，当容性/感性功率因素检验值合格，容性/感性无功值减少0.2Mvar，返回容性/感性功率因素检验计算，直至功率因素最接近功率因素合格值；当容性/感性功率因素检验值不合格，容性/感性无功值增加0.2Mvar，直至功率因素最接近功率因素合格值。通过容性/感性功率因素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。
以某110kV变电站为例，具体计算步骤如下：
a、采集变电站数据
1)采集的变电站基本参数为：变压器台数：1；变压器容量:50MVA；变电器阻抗电压百分数：Ud％＝16.5％；变压器空载电流百分数：I0＝0.2％；现配置电容器为2×4Mvar，配置电抗器为4Mvar。
2)采集的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。
本实施例以采集的10个数据为例进行说明，采集负荷和补偿装置投切数据如表1所示。
表1负荷和补偿投切装置数据
Figure BDA0002933025050000063
b、功率因素诊断
表1的运行数据进行计算分析，根据变压器的负荷率筛查出高峰和低谷负荷，并计算其功率因素。变压器负载率高于50％时认为高峰负荷，变压器负载率低于20％时认为为低谷负荷。高峰负荷期间功率因数高于0.95判定为合格，小于0.95判定为不合格；低谷负荷期间功率因数低于0.95为合格，高于0.95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。
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，见公式(6)和(7)，通过诊断计算，诊断结果如表2所示。
Figure BDA0002933025050000071
Figure BDA0002933025050000072
表2功率因素诊断结果
Figure BDA0002933025050000073
将功率因素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3所示。
表3不合格的数据
Figure BDA0002933025050000074
c、无功优化计算
1)计算第一个不合格点
(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：
Figure BDA0002933025050000081
(2)对容性无功值3.68Mvar进行检验，采用容性功率因素检验模型计算功率因素为：
Figure BDA0002933025050000082
该功率因素满足高峰负荷期间功率因数高于0.95的要求，功率因素检验值合格,返回重新计算，此时计算用新的容性无功值Qc＝3.68-0.2＝3.48Mvar。对容性无功值3.48Mvar进行检验，采用容性功率因素检验模型计算功率因素为：
Figure BDA0002933025050000083
该功率因素满足高峰负荷期间功率因数高于0.95的要求，功率因素检验值合格,返回重新计算，此时计算用新的容性无功值Qc＝3.48-0.2＝3.28Mvar。对容性无功值3.28Mvar进行检验，采用容性功率因素检验模型计算功率因素为：
Figure BDA0002933025050000084
该功率因素满足高峰负荷期间功率因数高于0.95的要求，功率因素检验值合格，返回重新计算，此时计算用新的容性无功值Qc＝3.28-0.2＝3.08Mvar。对容性无功值3.08Mvar进行检验，采用容性功率因素检验模型计算功率因素为：
Figure BDA0002933025050000091
该功率因素满足高峰负荷期间功率因数低于0.95的要求，功率因素检验值不合格，说明容性无功值Qc＝3.08Mvar不满足要求。容性无功值Qc＝3.28Mvar为最接近功率因素的合格值。
(7)第一个不合格点的容性无功补偿优化值为3.28Mvar。
2)计算第二个不合格点
(1)该负荷为低谷负荷，采用感性无功补偿优化模型计算的感性无功值为：
Figure BDA0002933025050000092
(2)对感性无功值3.61Mvar进行检验，采用感性功率因素检验模型计算功率因素为：
Figure BDA0002933025050000093
(3)该功率因素不满足低谷负荷期间功率因数低于0.95的要求，功率因素检验值不合格，返回重新计算，此时计算用新的感性无功值Qc＝3.61+0.2＝3.81Mvar。对感性无功值3.81Mvar进行检验，采用感性功率因素检验模型计算功率因素为：
Figure BDA0002933025050000094
该功率因素满足低谷负荷期间功率因数低于0.95的要求，QL＝3.81Mvar合理。
(4)第二个不合格点的感性无功补偿优化值为3.81Mvar。
③采用类似方法，容性/感性无功补偿优化值计算结果如表4所示。
表4容性/感性无功补偿优化值
Figure BDA0002933025050000101
d、优化结果处理，由表4可以看出，容性无功补偿优化最大值为3.28Mvar，感性无功补偿优化最大值为3.81Mvar，用户指定的单组补偿装置容量为4Mvar，可以得出无功优化补偿配置方案为该变电站需新增1×4Mvar电容器和1×4Mvar电抗器。

Claims (3)

1.一种110kV变电站无功装置补偿优化计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、采集变电站数据，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和现有补偿装置配置；
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；筛除不合格的运行数据：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；
S2、功率因素诊断，对步骤S1的运行数据进行计算分析，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；
S3、无功优化计算，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/感性功率因素检验模型，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；
S4、优化结果处理，获取步骤S3中的容性/感性无功补偿优化值，取其最大值并结合用户指定的单组补偿装置容量，计算得到无功补偿配置；
S5、完成。
2.根据权利要求1所述的一种110kV变电站无功装置补偿优化计算方法，其特征在于：步骤S2中，
高峰负荷期间功率因数诊断模型为：
Figure FDA0002933025040000011
式中：
Figure FDA0002933025040000013
为高峰负荷期间功率因数；P为低压侧有功值；Q为低压侧无功值；Qc’为未投切容性无功设备容量；Ud％为变压器阻抗电压百分数；SN为变压器容量；I0％为空载电流百分数；
低谷负荷期间功率因数诊断模型为：
Figure FDA0002933025040000012
式中：
Figure FDA0002933025040000021
为低谷负荷期间功率因数；P为低压侧有功值；Q为低压侧无功值；QL ’为未投切感性无功设备容量；Ud％为变压器阻抗电压百分数；SN为变压器容量；I0％为空载电流百分数；
筛查过程为：首先开展负荷类型识别，主变负载率高于50％时认为高峰负荷，主变负载率低于20％时认为为低谷负荷；
高峰负荷期间功率因数高于
Figure FDA0002933025040000022
判定为合格，小于
Figure FDA0002933025040000023
判定为不合格；
低谷负荷期间功率因数低于
Figure FDA0002933025040000024
为合格，高于
Figure FDA0002933025040000025
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；
如用户未指定
Figure FDA0002933025040000026
和
Figure FDA0002933025040000027
默认取值：
Figure FDA0002933025040000028
3.根据权利要求2所述的一种110kV变电站无功装置补偿优化计算方法，其特征在于：步骤S3中，
容性无功补偿优化模型为：
Figure FDA0002933025040000029
式中：Qc为容性无功优化计算值；P为低压侧有功值；Q为低压侧无功值；Qc ’为未投切容性无功设备容量；Ud％为变压器阻抗电压百分数；SN为变压器容量；I0％为空载电流百分数；
Figure FDA00029330250400000215
为高峰负荷期间功率因数要求值；
感性无功补偿优化模型为：
Figure FDA00029330250400000210
Figure FDA00029330250400000211
式中：QL为感性无功优化计算值；P为低压侧有功值；Q为低压侧无功值；QL ’为未投切感性无功设备容量；Ud％为变压器阻抗电压百分数；SN为变压器容量；I0％为空载电流百分数；
Figure FDA00029330250400000212
为低谷负荷期间功率因数的要求值；
容性功率因素检验模型为：
Figure FDA00029330250400000213
式中：
Figure FDA00029330250400000214
为高峰负荷时功率因素检验值；Qc为容性无功优化计算值；P为低压侧有功值；Q为低压侧无功值；Qc’为未投切容性无功设备容量；Ud％为变压器阻抗电压百分数；SN为变压器容量；I0％为空载电流百分数；
感性功率因素检验模型为：
Figure FDA0002933025040000031
式中：
Figure FDA0002933025040000032
为低谷负荷时功率因素检验值；QL为感性无功优化计算值；P为低压侧有功值；Q为低压侧无功值；QL’为未投切感性无功设备容量；Ud％为变压器阻抗电压百分数；SN为变压器容量；I0％为空载电流百分数。
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