基于地鐵綜合監控的動態無功平衡控制研究

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，國內地鐵供電系統多采用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顯著，會產生大量的容性無功功率。正常運營時段，各類感性無功功率所占比重較大，可中和電纜產生的容性無功，系統功率因數較高[2]。而夜間停運時，大量感性負荷退出運行，電纜產生的容性無功所占比例突出，導致容性無功功率倒送，降低系統功率因數，對電網系統產生干擾。如果不做好無功平衡、削減無功部分的占比，地鐵的公共連接點功率因數很難穩定在 0.9 以上[3]。這些現象帶來的諧振、電壓波動、閃變、電壓畸變、三相不平衡等問題可造成設備供電不足、損耗增加、設備損壞、穩定度降低等危害，進而影響到地鐵各系統運行安全和可靠性。因此，合理進行無功補償是保證地鐵電能質量和電網穩定運行的必要手段。

2 系統概況

2.1 系統集成

（1）綜合監控系統。綜合監控系統（ISCS）是構建在通用硬件平臺基礎上的大型監控軟件系統，通過集成和互聯地鐵各機電子系統，形成綜合統一的監控管理平臺，實現地鐵機電系統信息互通、資源共享、綜合聯動等功能，并最終達到優化運營管理模式及提高運營效率等目的[4]。

（2）無功平衡控制系統。動態無功補償裝置是一種能夠快速實時跟蹤負荷無功功率變化的無功補償裝置[5]。動態無功平衡控制是一種用于提高電力系統穩定性的技術手段。在電力系統中，負載的無功功率需求與供電網的無功容量之間的不平衡會導致電網電壓的波動和電力系統的不穩定，進而影響電力系統的正常運行。動態無功補償控制系統集成于ISCC 中，通過去中心化的控制方法實現無功功率的精準分配，利用動態一致性算法獲得所需的全局平均信息[6]，改善系統的無功功率平衡，提高電網的穩定性。

（3）集成優勢。動態無功平衡控制系統的數據處理、監控功能、人機界面均由ISCS 完成，正常狀態下集成的相關系統依賴ISCS 實現正常操作功能。ISCS 具備較全面的地鐵設備及環境的運行數據，能夠全面地采集各場所用電量和電能質量情況，持續跟蹤諧波治理及無功補償后系統的電能質量情況，利用動態無功平衡控制技術，改善能耗指標，從而達到節能的目的。

2.2 研究目的

低功率因數的供電系統將大量吸收城市電網無功，給城市電網帶來不利影響[7]。地鐵線路運營商也會由此遭受城市電網開出的巨額罰款[8]。為此，本方案研究目的如下。

（1）滿足城市電網計費考核。在110 kV 主站本側高壓側（T 接）或在110 kV 主站對側（專線）的平均功率因數需要滿足供電局計費考核要求。功率因數的取值范圍包括1、0.95、0.9、0.85，并且可以調節，考核采樣頻率取值范圍包括15 min、0.5 h、1 h、日、周、月，也可以進行調節。

（2）降低電網有功損耗?？紤]到變電站運行動態無功功率優化控制必須跟隨變電站資源調度要求，將變電站無功功率調度偏差最小作為第一優化目標[9]。網絡化動態無功平衡控制系統根據潮流計算結果，生成最優的無功補償策略，并按照無功補償策略，自動或手動向無功補償設備發出無功調節指令，對電力系統各個節點進行定量的無功補償，以降低電網中有功損耗。

（3）動態連續的無功控制調節。網絡化動態無功平衡控制系統能夠根據實時采集的開關刀閘分合狀態，實時形成控制分區，控制分區之間相互獨立?？刂品謪^能根據網絡拓撲的改變而實時改變。無功控制系統能夠根據歷史的無功控制策略來確定當天同一時間段的無功控制策略。

（4）功率因數復核。網絡化動態無功平衡控制系統能夠對供電局考核周期內的實際平均功率因數進行復核。在考核周期的后期，網絡化動態無功平衡控制系統能夠根據該周期的平均功率因數，動態調整該周期接下來的時間段的目標功率因數，以確保整個考核周期的平均功率因數滿足供電局計費考核要求。

2.3 系統功能

由于地鐵“夜間檢修、白天運營”的特點，每天不同時段的負載性質不同，在固定的時間段，也存在著供電系統功率因數無法滿足供電部門要求的情況[10]。針對行業現狀，廣州地鐵10 號線采用了基于綜合監控系統進行無功平衡控制的方案，當電力系統運行時，綜合監控系統采集到電抗器和同相供電裝置的各類數據，通過無功平衡算法對數據進行運算處理，計算出合理的無功調整策略進行無功補償操作，從而保證電壓質量和電網運行穩定。

根據廣州地鐵10 號線現場電力設備部署情況，在110 kV 主變電所（以下簡稱“主所”）集中進行無功治理。通過使用同相供電裝置和電抗器，成功地補償了電網無功功率和諧波電流，顯著改善了供電系統的電能質量。方案實施后實現了監視、策略控制、定時任務、功率因數自動復核、人工控制事件記錄、自動控制事件記錄及參數管理等功能。

（1）監視功能。監視功能包括無功設備基礎狀態和電氣信息監視2 部分。無功設備基礎狀態通過電力監控系統實時采集，經ISCS 實時平臺處理后，以用戶界面方式在組態中展示；實時功率因數、總有功損耗等電氣信息是通過對電力監控系統提供的電氣數據進行潮流計算后得出并展示在組態中。

（2）策略控制。策略控制包括歷史策略控制和實時策略控制2 種方式。操作員可在ISCS 界面選擇不同的控制方式，生成對應的控制策略并通過網絡通信引擎（Internet Communications Engine，ICE）接口發送到電力控制程序（PscadaAgent），通過物聯網網關（IoT gateway）下發到子系統。

（3）定時控制。用戶可在客戶端設置好定時任務的相關參數，包括預期的功率因數、無功平衡的控制設備組合等，客戶端即可控制開啟/關閉定時任務，后臺服務PscadaAgent 將進行定時檢查和處理任務。

（4）功率因數自動復核。該系統每分鐘存儲潮流計算后的實際功率因數，每日0 點統計前一天的日平均功率因數，計算過程如圖1 所示。在功率因數復核的時間點，求出本考核周期的日平均功率因數。如果該日平均功率因數低于考核要求，低于部分將在該考核周期的后期補足，使整個考核周期的日平均功率因數滿足用戶要求。

圖1 功率因數自動復核過程示意圖

（5）人工控制事件記錄。系統可實現對電力調度員（PscadaManager）向PscadaAgent 下發的人工控制命令的記錄，具體過程如圖2 所示。PscadaAgent 調用ICE 接口下發策略控制。

圖2 人工控制事件記錄過程示意圖

（6）自動控制事件記錄。系統也可實現對自動控制事件記錄，即定時任務下PscadaAgent 自動下發策略的記錄，如圖3 所示。

圖3 自動控制事件記錄過程示意圖

（7）參數管理。操作員可查看網絡化動態無功平衡控制系統的相關參數信息，包括功率因數考核值、考核周期、補償設備優先級、電抗器檔位等，并可對上述參數進行編輯。

3 計算原理

網絡化動態無功平衡控制系統作為廣州地鐵10號線供電系統中的一個重要組成部分，用于維持系統中的無功功率平衡，以確保穩定的電力供應，保障運營安全。以坑口主所I段供電區段為例，詳解無功補償算法如下。

3.1 設定電氣節點

根據坑口主所I 段供電區間設計圖紙，畫出系統等值電路網絡，并設定電氣節點，其中含能饋裝置的電氣節點位于節點4，對應廣鋼新城站，如圖4 所示。

圖4 坑口主所I 段33 kV 環網供電等值電路網絡

3.2 能饋裝置最優無功出力求解

在已知33 kV 電纜等值電阻、電感、電容、單回路徑長度、各節點進出線功率、電壓、能饋裝置最大的無功出力等參數后，以系統有功損耗Ploss最小為目標，將能饋裝置的補償量QD作為控制變量建立無功優化數學模型，通過粒子群算法得出能饋裝置的輸出容量，即無功補償策略，求解方法如下。

目標函數表達式為：

式（1）中，n為供電系統支路數；Plossk為供電區間內第k個電纜支路的有功損耗；Ploss為各條電纜的有功損耗的累加值。

考慮到補償時供電系統也需要滿足一定的約束條件，如保持節點電壓在正常范圍內偏移（±5%）、公共連接點功率因數大于0.9、系統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，系統中所有母線電壓的數值是會隨著無功的變化而變動的，國家標準規定母線電壓不能超出一定的范圍，此算法中設定的電壓波動范圍為±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為系統中第i個能饋裝置的無功補償值，由于其最大出力受到容量的限制，因此無功補償時存在最大的補償容量QDmax（以坑口主所I 段供電區間為例，區段內僅廣鋼新城站裝設有能饋裝置，假設該補償裝置的最大無功出力為2 MVar，則最大的補償容量QDmax=2 MVar）；QDmin為設定的無功補償最小值，一般QDmin=0.1 MVar；cosφiPCC表示第i個計量考核點的功率因數，通常設為0.9。

等式約束條件為：

式（3）中，Ni為與節點i關聯的節點集合，包含節點i，b為平衡節點；NPQ為PQ節點集合；Pi、Qi為注入節點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；Bij為電纜電氣等效電路中感抗的倒數，表示車站間母線電壓的夾角值。

由于節點電壓和無功補償量為狀態變量，在求解過程中可能會出現狀態變量的數值超過定義范圍，因此需要建立罰函數F對變量進行限制。

式（4）中，μUi、μBi為罰因子，一般取較大的正整數；NB為補償裝置節點集合；Uilim、Qilim為狀態變量可取到的極值，當狀態變量超過極值時，將狀態變量賦值為狀態極值。

3.3 求解考核點的實時功率、功率因數、總無功補償值

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、節點進出線功率、電壓以及10 號線和1 號線總的無功補償量Qz10、Qz1等參數后，基于電力系統潮流計算方法得到坑口主所I 段計量考核點，對應圖5 中電氣節點①的功率、功率因數等電氣信息，得到計量考核點功率因數滿足0.9 時系統總的無功補償量Qz，具體算法如下。

圖5 坑口主所I 段供電區段潮流計算等值電路

設供電系統中無功補償裝置數量為n，補償裝置容量為X，則第i個粒子位置隨機分布在容量X中，即有Xi={xi1，xi2，…，xin}T；粒子速度隨機分布于[-1，1]內，即Vi={vi1，vi2，…，vin}T；具體優化流程如圖6 所示。

圖6 粒子群算法優化流程

（1）算法設定。設定種群粒子數m、最大迭代次數kmax、慣性權重ω和學習因子c1、c2。

（2）慣性權重改進。慣性權重的大小會影響粒子種群對空間探索結果的全局性，為了使算法更好地找到最優解，需要對慣性權重進行優化。開始迭代時需要對全局進行搜索，從而確定最優解的大致范圍，此時設定較大的起始慣性權重。隨著迭代次數的增加，需要對定義空間進行細致地尋找，此時應逐漸減小慣性權重，這有利于提高算法精度，找到全局最優解。設定慣性權重 ：

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

（3）算法初始化。對種群初始化粒子進行潮流計算，根據適應度函數得到粒子初始適應度值，初始個體最優位置Pi，即Pi={pi1，pi2，…，pin}T和初始全局最優位置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，若迭代粒子位置結果超過了最大補償裝置容量X時，調整此時xid為容量最值；粒子速度超過速度最值，調整此時vid為速度最值。

（5）適應度值判斷。計算更新后的粒子系統損耗值，比較此時適應度值與前一次適應度值，更新個體最優位置和全局最優位置。

（6）迭代更新。重復步驟4、5，判斷是否達到最大迭代次數。若達到最大次數，算法結束，輸出補償容量，即補償策略；否則再次更新粒子速度和位置，直至迭代次數達到最大。

3.4 無功補償量分配

根據獲取到的Qz10、Qz1和計算得到的總的無功補償量Qz，按補償比例得到對應10 號線總的無功補償量QB10，將10 號線總的無功補償量QB10分配給廣鋼新城站能饋裝置。

4 應用情況

本系統應用于：廣州地鐵10 號線既有段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，補償設備包括在主所的電抗器和車站的能饋裝置，工程主變電站內均配備電抗器和同相供電裝置。利用既有的綜合監控網絡，將電抗器和同相供電裝置接入網絡化動態無功平衡控制系統中，對其進行無功補償操作，如圖7 所示。

圖7 無功設備總覽界面

根據現場網絡及設備部署情況，無功控制系統采用集中控制方式，在110 kV 主所集中進行無功治理，通過對同相供電裝置和電抗器補償電網無功功率和諧波電流，全面改善供電系統的電能質量。以變電站功率損耗作為評價指標，功率損耗越高表示變電站運行動態無功功率優化控制效果越差[11]。選擇該線路自2023 年9 月1 日至7 日實際運行數據進行分析，功率因數穩定在0.9以上，如表1 所示。

表1 功率因數比對表

從以上統計數據可知，變電站負荷得到了更為有效的調整，該個案變電站的電源母線負荷實現了更高程度的統一，使得電網負荷更加平衡[12]。

5 結語

地鐵線路建設中，需要考慮供電系統無功功率的就地平衡問題。如果無功補償容量的計算不夠精確，計算值小于實際需要的補充量，將直接造成公共連接點（PCC）功率因數不合格的后果，而且在線路運營后再改造的成本和難度都會很大。若故意夸大補償容量，將直接造成不必要的設備投資[7]。廣州地鐵10 號線采用的基于綜合監控的動態無功平衡控制系統，保證了地鐵供電系統的功率因數在不同時段均能滿足電力系統的要求。該系統通過優化無功功率流動和電壓穩定性，減少電能損耗，提高電力系統的效率，有效避免了電壓波動和電力質量問題，實現地鐵安全和可靠運行。