基于地鐵綜合監(jiān)控的動(dòng)態(tài)無功平衡控制研究

殷 杰，張國明，陳振敏，吳志秋

（1.廣州地鐵建設(shè)管理有限公司，廣東廣州 510250；2.廣州新科佳都科技有限公司，廣東廣州 510700）

1 引言

目前，國內(nèi)地鐵供電系統(tǒng)多采用110/35kV 兩級電壓制式、集中供電方式[1]。電能輸送過程中110/35kV電纜對地分布電容效應(yīng)顯著，會(huì)產(chǎn)生大量的容性無功功率。正常運(yùn)營時(shí)段，各類感性無功功率所占比重較大，可中和電纜產(chǎn)生的容性無功，系統(tǒng)功率因數(shù)較高[2]。而夜間停運(yùn)時(shí)，大量感性負(fù)荷退出運(yùn)行，電纜產(chǎn)生的容性無功所占比例突出，導(dǎo)致容性無功功率倒送，降低系統(tǒng)功率因數(shù)，對電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。如果不做好無功平衡、削減無功部分的占比，地鐵的公共連接點(diǎn)功率因數(shù)很難穩(wěn)定在 0.9 以上[3]。這些現(xiàn)象帶來的諧振、電壓波動(dòng)、閃變、電壓畸變、三相不平衡等問題可造成設(shè)備供電不足、損耗增加、設(shè)備損壞、穩(wěn)定度降低等危害，進(jìn)而影響到地鐵各系統(tǒng)運(yùn)行安全和可靠性。因此，合理進(jìn)行無功補(bǔ)償是保證地鐵電能質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要手段。

2 系統(tǒng)概況

2.1 系統(tǒng)集成

（1）綜合監(jiān)控系統(tǒng)。綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）是構(gòu)建在通用硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上的大型監(jiān)控軟件系統(tǒng)，通過集成和互聯(lián)地鐵各機(jī)電子系統(tǒng)，形成綜合統(tǒng)一的監(jiān)控管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)地鐵機(jī)電系統(tǒng)信息互通、資源共享、綜合聯(lián)動(dòng)等功能，并最終達(dá)到優(yōu)化運(yùn)營管理模式及提高運(yùn)營效率等目的[4]。

（2）無功平衡控制系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置是一種能夠快速實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)荷無功功率變化的無功補(bǔ)償裝置[5]。動(dòng)態(tài)無功平衡控制是一種用于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的技術(shù)手段。在電力系統(tǒng)中，負(fù)載的無功功率需求與供電網(wǎng)的無功容量之間的不平衡會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定，進(jìn)而影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)集成于ISCC 中，通過去中心化的控制方法實(shí)現(xiàn)無功功率的精準(zhǔn)分配，利用動(dòng)態(tài)一致性算法獲得所需的全局平均信息[6]，改善系統(tǒng)的無功功率平衡，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

（3）集成優(yōu)勢。動(dòng)態(tài)無功平衡控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控功能、人機(jī)界面均由ISCS 完成，正常狀態(tài)下集成的相關(guān)系統(tǒng)依賴ISCS 實(shí)現(xiàn)正常操作功能。ISCS 具備較全面的地鐵設(shè)備及環(huán)境的運(yùn)行數(shù)據(jù)，能夠全面地采集各場所用電量和電能質(zhì)量情況，持續(xù)跟蹤諧波治理及無功補(bǔ)償后系統(tǒng)的電能質(zhì)量情況，利用動(dòng)態(tài)無功平衡控制技術(shù)，改善能耗指標(biāo)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

2.2 研究目的

低功率因數(shù)的供電系統(tǒng)將大量吸收城市電網(wǎng)無功，給城市電網(wǎng)帶來不利影響[7]。地鐵線路運(yùn)營商也會(huì)由此遭受城市電網(wǎng)開出的巨額罰款[8]。為此，本方案研究目的如下。

（1）滿足城市電網(wǎng)計(jì)費(fèi)考核。在110 kV 主站本側(cè)高壓側(cè)（T 接）或在110 kV 主站對側(cè)（專線）的平均功率因數(shù)需要滿足供電局計(jì)費(fèi)考核要求。功率因數(shù)的取值范圍包括1、0.95、0.9、0.85，并且可以調(diào)節(jié)，考核采樣頻率取值范圍包括15 min、0.5 h、1 h、日、周、月，也可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（2）降低電網(wǎng)有功損耗?？紤]到變電站運(yùn)行動(dòng)態(tài)無功功率優(yōu)化控制必須跟隨變電站資源調(diào)度要求，將變電站無功功率調(diào)度偏差最小作為第一優(yōu)化目標(biāo)[9]。網(wǎng)絡(luò)化動(dòng)態(tài)無功平衡控制系統(tǒng)根據(jù)潮流計(jì)算結(jié)果，生成最優(yōu)的無功補(bǔ)償策略，并按照無功補(bǔ)償策略，自動(dòng)或手動(dòng)向無功補(bǔ)償設(shè)備發(fā)出無功調(diào)節(jié)指令，對電力系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定量的無功補(bǔ)償，以降低電網(wǎng)中有功損耗。

（3）動(dòng)態(tài)連續(xù)的無功控制調(diào)節(jié)。網(wǎng)絡(luò)化動(dòng)態(tài)無功平衡控制系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)采集的開關(guān)刀閘分合狀態(tài)，實(shí)時(shí)形成控制分區(qū)，控制分區(qū)之間相互獨(dú)立。控制分區(qū)能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母淖兌鴮?shí)時(shí)改變。無功控制系統(tǒng)能夠根據(jù)歷史的無功控制策略來確定當(dāng)天同一時(shí)間段的無功控制策略。

（4）功率因數(shù)復(fù)核。網(wǎng)絡(luò)化動(dòng)態(tài)無功平衡控制系統(tǒng)能夠?qū)╇娋挚己酥芷趦?nèi)的實(shí)際平均功率因數(shù)進(jìn)行復(fù)核。在考核周期的后期，網(wǎng)絡(luò)化動(dòng)態(tài)無功平衡控制系統(tǒng)能夠根據(jù)該周期的平均功率因數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整該周期接下來的時(shí)間段的目標(biāo)功率因數(shù)，以確保整個(gè)考核周期的平均功率因數(shù)滿足供電局計(jì)費(fèi)考核要求。

2.3 系統(tǒng)功能

由于地鐵“夜間檢修、白天運(yùn)營”的特點(diǎn)，每天不同時(shí)段的負(fù)載性質(zhì)不同，在固定的時(shí)間段，也存在著供電系統(tǒng)功率因數(shù)無法滿足供電部門要求的情況[10]。針對行業(yè)現(xiàn)狀，廣州地鐵10 號(hào)線采用了基于綜合監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行無功平衡控制的方案，當(dāng)電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，綜合監(jiān)控系統(tǒng)采集到電抗器和同相供電裝置的各類數(shù)據(jù)，通過無功平衡算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，計(jì)算出合理的無功調(diào)整策略進(jìn)行無功補(bǔ)償操作，從而保證電壓質(zhì)量和電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定。

根據(jù)廣州地鐵10 號(hào)線現(xiàn)場電力設(shè)備部署情況，在110 kV 主變電所（以下簡稱“主所”）集中進(jìn)行無功治理。通過使用同相供電裝置和電抗器，成功地補(bǔ)償了電網(wǎng)無功功率和諧波電流，顯著改善了供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。方案實(shí)施后實(shí)現(xiàn)了監(jiān)視、策略控制、定時(shí)任務(wù)、功率因數(shù)自動(dòng)復(fù)核、人工控制事件記錄、自動(dòng)控制事件記錄及參數(shù)管理等功能。

（1）監(jiān)視功能。監(jiān)視功能包括無功設(shè)備基礎(chǔ)狀態(tài)和電氣信息監(jiān)視2 部分。無功設(shè)備基礎(chǔ)狀態(tài)通過電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集，經(jīng)ISCS 實(shí)時(shí)平臺(tái)處理后，以用戶界面方式在組態(tài)中展示；實(shí)時(shí)功率因數(shù)、總有功損耗等電氣信息是通過對電力監(jiān)控系統(tǒng)提供的電氣數(shù)據(jù)進(jìn)行潮流計(jì)算后得出并展示在組態(tài)中。

（2）策略控制。策略控制包括歷史策略控制和實(shí)時(shí)策略控制2 種方式。操作員可在ISCS 界面選擇不同的控制方式，生成對應(yīng)的控制策略并通過網(wǎng)絡(luò)通信引擎（Internet Communications Engine，ICE）接口發(fā)送到電力控制程序（PscadaAgent），通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（IoT gateway）下發(fā)到子系統(tǒng)。

（3）定時(shí)控制。用戶可在客戶端設(shè)置好定時(shí)任務(wù)的相關(guān)參數(shù)，包括預(yù)期的功率因數(shù)、無功平衡的控制設(shè)備組合等，客戶端即可控制開啟/關(guān)閉定時(shí)任務(wù)，后臺(tái)服務(wù)PscadaAgent 將進(jìn)行定時(shí)檢查和處理任務(wù)。

（4）功率因數(shù)自動(dòng)復(fù)核。該系統(tǒng)每分鐘存儲(chǔ)潮流計(jì)算后的實(shí)際功率因數(shù)，每日0 點(diǎn)統(tǒng)計(jì)前一天的日平均功率因數(shù)，計(jì)算過程如圖1 所示。在功率因數(shù)復(fù)核的時(shí)間點(diǎn)，求出本考核周期的日平均功率因數(shù)。如果該日平均功率因數(shù)低于考核要求，低于部分將在該考核周期的后期補(bǔ)足，使整個(gè)考核周期的日平均功率因數(shù)滿足用戶要求。

圖1 功率因數(shù)自動(dòng)復(fù)核過程示意圖

（5）人工控制事件記錄。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對電力調(diào)度員（PscadaManager）向PscadaAgent 下發(fā)的人工控制命令的記錄，具體過程如圖2 所示。PscadaAgent 調(diào)用ICE 接口下發(fā)策略控制。

圖2 人工控制事件記錄過程示意圖

（6）自動(dòng)控制事件記錄。系統(tǒng)也可實(shí)現(xiàn)對自動(dòng)控制事件記錄，即定時(shí)任務(wù)下PscadaAgent 自動(dòng)下發(fā)策略的記錄，如圖3 所示。

圖3 自動(dòng)控制事件記錄過程示意圖

（7）參數(shù)管理。操作員可查看網(wǎng)絡(luò)化動(dòng)態(tài)無功平衡控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)信息，包括功率因數(shù)考核值、考核周期、補(bǔ)償設(shè)備優(yōu)先級、電抗器檔位等，并可對上述參數(shù)進(jìn)行編輯。

3 計(jì)算原理

網(wǎng)絡(luò)化動(dòng)態(tài)無功平衡控制系統(tǒng)作為廣州地鐵10號(hào)線供電系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，用于維持系統(tǒng)中的無功功率平衡，以確保穩(wěn)定的電力供應(yīng)，保障運(yùn)營安全。以坑口主所I段供電區(qū)段為例，詳解無功補(bǔ)償算法如下。

3.1 設(shè)定電氣節(jié)點(diǎn)

根據(jù)坑口主所I 段供電區(qū)間設(shè)計(jì)圖紙，畫出系統(tǒng)等值電路網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)定電氣節(jié)點(diǎn)，其中含能饋裝置的電氣節(jié)點(diǎn)位于節(jié)點(diǎn)4，對應(yīng)廣鋼新城站，如圖4 所示。

圖4 坑口主所I 段33 kV 環(huán)網(wǎng)供電等值電路網(wǎng)絡(luò)

3.2 能饋裝置最優(yōu)無功出力求解

在已知33 kV 電纜等值電阻、電感、電容、單回路徑長度、各節(jié)點(diǎn)進(jìn)出線功率、電壓、能饋裝置最大的無功出力等參數(shù)后，以系統(tǒng)有功損耗Ploss最小為目標(biāo)，將能饋裝置的補(bǔ)償量QD作為控制變量建立無功優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，通過粒子群算法得出能饋裝置的輸出容量，即無功補(bǔ)償策略，求解方法如下。

目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：

式（1）中，n為供電系統(tǒng)支路數(shù)；Plossk為供電區(qū)間內(nèi)第k個(gè)電纜支路的有功損耗；Ploss為各條電纜的有功損耗的累加值。

考慮到補(bǔ)償時(shí)供電系統(tǒng)也需要滿足一定的約束條件，如保持節(jié)點(diǎn)電壓在正常范圍內(nèi)偏移（±5%）、公共連接點(diǎn)功率因數(shù)大于0.9、系統(tǒng)功率平衡等即有約束條件。

其中不等式約束條件為：

式（2）中，Ui為33 kV 母線電壓，系統(tǒng)中所有母線電壓的數(shù)值是會(huì)隨著無功的變化而變動(dòng)的，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定母線電壓不能超出一定的范圍，此算法中設(shè)定的電壓波動(dòng)范圍為±5%，即任意母線電壓最小值Uimin=33×（1 -5%）=31.35 kV，任意母線電壓最大值Uimax=33×（1+5%）=34.65 kV；QiD為系統(tǒng)中第i個(gè)能饋裝置的無功補(bǔ)償值，由于其最大出力受到容量的限制，因此無功補(bǔ)償時(shí)存在最大的補(bǔ)償容量QDmax（以坑口主所I 段供電區(qū)間為例，區(qū)段內(nèi)僅廣鋼新城站裝設(shè)有能饋裝置，假設(shè)該補(bǔ)償裝置的最大無功出力為2 MVar，則最大的補(bǔ)償容量QDmax=2 MVar）；QDmin為設(shè)定的無功補(bǔ)償最小值，一般QDmin=0.1 MVar；cosφiPCC表示第i個(gè)計(jì)量考核點(diǎn)的功率因數(shù)，通常設(shè)為0.9。

等式約束條件為：

式（3）中，Ni為與節(jié)點(diǎn)i關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)集合，包含節(jié)點(diǎn)i，b為平衡節(jié)點(diǎn)；NPQ為PQ節(jié)點(diǎn)集合；Pi、Qi為注入節(jié)點(diǎn)的有功功率和無功功率；Uj為與該車站有電纜連接的母線電壓；Gij為電纜電氣等效電路中電阻的倒數(shù)；Bij為電纜電氣等效電路中感抗的倒數(shù)，表示車站間母線電壓的夾角值。

由于節(jié)點(diǎn)電壓和無功補(bǔ)償量為狀態(tài)變量，在求解過程中可能會(huì)出現(xiàn)狀態(tài)變量的數(shù)值超過定義范圍，因此需要建立罰函數(shù)F對變量進(jìn)行限制。

式（4）中，μUi、μBi為罰因子，一般取較大的正整數(shù)；NB為補(bǔ)償裝置節(jié)點(diǎn)集合；Uilim、Qilim為狀態(tài)變量可取到的極值，當(dāng)狀態(tài)變量超過極值時(shí)，將狀態(tài)變量賦值為狀態(tài)極值。

3.3 求解考核點(diǎn)的實(shí)時(shí)功率、功率因數(shù)、總無功補(bǔ)償值

在已知110 kV 電纜等值電阻、電感、電容、單回路徑長度、主變壓器電氣參數(shù)、節(jié)點(diǎn)進(jìn)出線功率、電壓以及10 號(hào)線和1 號(hào)線總的無功補(bǔ)償量Qz10、Qz1等參數(shù)后，基于電力系統(tǒng)潮流計(jì)算方法得到坑口主所I 段計(jì)量考核點(diǎn)，對應(yīng)圖5 中電氣節(jié)點(diǎn)①的功率、功率因數(shù)等電氣信息，得到計(jì)量考核點(diǎn)功率因數(shù)滿足0.9 時(shí)系統(tǒng)總的無功補(bǔ)償量Qz，具體算法如下。

圖5 坑口主所I 段供電區(qū)段潮流計(jì)算等值電路

設(shè)供電系統(tǒng)中無功補(bǔ)償裝置數(shù)量為n，補(bǔ)償裝置容量為X，則第i個(gè)粒子位置隨機(jī)分布在容量X中，即有Xi={xi1，xi2，…，xin}T；粒子速度隨機(jī)分布于[-1，1]內(nèi)，即Vi={vi1，vi2，…，vin}T；具體優(yōu)化流程如圖6 所示。

圖6 粒子群算法優(yōu)化流程

（1）算法設(shè)定。設(shè)定種群粒子數(shù)m、最大迭代次數(shù)kmax、慣性權(quán)重ω和學(xué)習(xí)因子c1、c2。

（2）慣性權(quán)重改進(jìn)。慣性權(quán)重的大小會(huì)影響粒子種群對空間探索結(jié)果的全局性，為了使算法更好地找到最優(yōu)解，需要對慣性權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化。開始迭代時(shí)需要對全局進(jìn)行搜索，從而確定最優(yōu)解的大致范圍，此時(shí)設(shè)定較大的起始慣性權(quán)重。隨著迭代次數(shù)的增加，需要對定義空間進(jìn)行細(xì)致地尋找，此時(shí)應(yīng)逐漸減小慣性權(quán)重，這有利于提高算法精度，找到全局最優(yōu)解。設(shè)定慣性權(quán)重 ：

式（5）中，ωmax為最大慣性權(quán)重，一般取0.9；ωmin為最小慣性權(quán)重，一般取0.4；k為迭代次數(shù)；kmax為最大迭代次數(shù)。

（3）算法初始化。對種群初始化粒子進(jìn)行潮流計(jì)算，根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)得到粒子初始適應(yīng)度值，初始個(gè)體最優(yōu)位置Pi，即Pi={pi1，pi2，…，pin}T和初始全局最優(yōu)位置Pg，即Pg={pg1，pg2，…，pgn}T。

（4）粒子位置、速度更新。要確保粒子速度和位置符合要求，若迭代粒子位置結(jié)果超過了最大補(bǔ)償裝置容量X時(shí)，調(diào)整此時(shí)xid為容量最值；粒子速度超過速度最值，調(diào)整此時(shí)vid為速度最值。

（5）適應(yīng)度值判斷。計(jì)算更新后的粒子系統(tǒng)損耗值，比較此時(shí)適應(yīng)度值與前一次適應(yīng)度值，更新個(gè)體最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置。

（6）迭代更新。重復(fù)步驟4、5，判斷是否達(dá)到最大迭代次數(shù)。若達(dá)到最大次數(shù)，算法結(jié)束，輸出補(bǔ)償容量，即補(bǔ)償策略；否則再次更新粒子速度和位置，直至迭代次數(shù)達(dá)到最大。

3.4 無功補(bǔ)償量分配

根據(jù)獲取到的Qz10、Qz1和計(jì)算得到的總的無功補(bǔ)償量Qz，按補(bǔ)償比例得到對應(yīng)10 號(hào)線總的無功補(bǔ)償量QB10，將10 號(hào)線總的無功補(bǔ)償量QB10分配給廣鋼新城站能饋裝置。

4 應(yīng)用情況

本系統(tǒng)應(yīng)用于：廣州地鐵10 號(hào)線既有段5 座車站，含2 座換乘站；新建段14 座車站，含10 座換乘站，1 座車輛段，2 座主變電站。其中，補(bǔ)償設(shè)備包括在主所的電抗器和車站的能饋裝置，工程主變電站內(nèi)均配備電抗器和同相供電裝置。利用既有的綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，將電抗器和同相供電裝置接入網(wǎng)絡(luò)化動(dòng)態(tài)無功平衡控制系統(tǒng)中，對其進(jìn)行無功補(bǔ)償操作，如圖7 所示。

圖7 無功設(shè)備總覽界面

根據(jù)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備部署情況，無功控制系統(tǒng)采用集中控制方式，在110 kV 主所集中進(jìn)行無功治理，通過對同相供電裝置和電抗器補(bǔ)償電網(wǎng)無功功率和諧波電流，全面改善供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。以變電站功率損耗作為評價(jià)指標(biāo)，功率損耗越高表示變電站運(yùn)行動(dòng)態(tài)無功功率優(yōu)化控制效果越差[11]。選擇該線路自2023 年9 月1 日至7 日實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，功率因數(shù)穩(wěn)定在0.9以上，如表1 所示。

表1 功率因數(shù)比對表

從以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，變電站負(fù)荷得到了更為有效的調(diào)整，該個(gè)案變電站的電源母線負(fù)荷實(shí)現(xiàn)了更高程度的統(tǒng)一，使得電網(wǎng)負(fù)荷更加平衡[12]。

5 結(jié)語

地鐵線路建設(shè)中，需要考慮供電系統(tǒng)無功功率的就地平衡問題。如果無功補(bǔ)償容量的計(jì)算不夠精確，計(jì)算值小于實(shí)際需要的補(bǔ)充量，將直接造成公共連接點(diǎn)（PCC）功率因數(shù)不合格的后果，而且在線路運(yùn)營后再改造的成本和難度都會(huì)很大。若故意夸大補(bǔ)償容量，將直接造成不必要的設(shè)備投資[7]。廣州地鐵10 號(hào)線采用的基于綜合監(jiān)控的動(dòng)態(tài)無功平衡控制系統(tǒng)，保證了地鐵供電系統(tǒng)的功率因數(shù)在不同時(shí)段均能滿足電力系統(tǒng)的要求。該系統(tǒng)通過優(yōu)化無功功率流動(dòng)和電壓穩(wěn)定性，減少電能損耗，提高電力系統(tǒng)的效率，有效避免了電壓波動(dòng)和電力質(zhì)量問題，實(shí)現(xiàn)地鐵安全和可靠運(yùn)行。