变电站无功补偿配置及安全运行状态评价方法

变电站无功补偿配置及安全运行状态评价方法

倪政 1

（ 1.安徽理工大学 安全科学与工程学院，安徽 淮南 232001）

摘 要：为降低功率损耗，获得最大的降损节电效益，改善系统电压水平，提高输电设备的效率，保证配电网安全稳定运行，综合评估无功补偿配置及安全运行状态对电压无功管控、提高经济效益和保证安全稳定运行至关重要。针对该问题本文依托PMS、SCADA监测系统数据，建立一种变电站无功补偿配置及安全运行状态评价方法。本文根据涉及的无功配置、线路电压等相关指标，明确各指标评估方法，采用层次分析法与熵权值法相结合的综合评价方法对无功补偿配置及安全运行做出量化评价。最后将本文所提出的评价方法应用于某变电站无功补偿装置的综合评价，验证该方法的合理性和可行性。

关键词：无功补偿配置；安全运行状态；评价体系；综合评价

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1 引言

随着大电力网络数字化水平的不断提高，已实现发、输、配电及用户侧全景实时数据采集、传输以及存储，产生了大量具有异构、实时、真实特征的数据，如何在线监测并有效评估无功补偿装置运行状态及补偿效果、及时发现电压无功不合格的原因，成为配电网无功管理智能化发展的关键问题^[1]。

现有无功补偿运行标准明确了无功补偿设备的配置原则、各级电压质量的合格范围以及功率因数的合理运行水平。国内外已有大量文献对评价指标处理、评价权重选取等方面展开研究^[2]，但专门针对无功补偿装置本体和电网电压无功安全运行状况的评价方法相对较少，文献^[3,4]针对配变低压无功补偿装置和高压配电网无功运行状态分别提出相应的指标评价体系，但均侧重于电网无功运行状态评价，忽略了电网的电力电子化带来的影响，丰富的谐波频谱大大增加了电网谐振风险，威胁电网的安全稳定运行。

本文建立无功补偿配置及安全运行评价指标体系，明确各指标评估方法，采用主观层次分析法与客观熵权值法相结合的综合评价方法对无功补偿配置及安全运行做出量化评价。最后将本文所提供评价方法应用于某变电站无功补偿装置，验证该方法的合理性和可行性。

2 无功补偿配置及安全运行评价指标体系

电网电压、无功运行状态评估指标体系是进行无功补偿设备配置及运行状态评估的基础，指标体系的优劣直接影响评估结果的好坏。该评价指标体系主要由无功补偿配置、装置运行状态和电网运行状态三类一级指标构成，其结构如图1所示。

图1 无功补偿配置及安全运行评价指标体系

1）变压器无功补偿度

该指标旨在评估配变无功补偿设备配置的容量是否与配变容量相匹配。根据相关标准，220kV变电站的补偿容量按照主变压器容量的10%～25%配置。

2）运行年限

无功补偿装置接网投运后，由于电介质局部击穿造成极板面积减少从而会影响到电容C数值降低。一般，投运后第一年电容值下降率应2%以内，第二年至第五年电容值下降率应在1%～2%，第五年后因电介质老化，电容值将加速下降，一般认为在电容器投运15年后可认为该电容器寿命期结束。

3）等效利用小时数

等效利用小时数表示每年度无功补偿装置实际运行小时数，反映设备的工作状态及运行可靠性。等效利用小时数越高，表明无功补偿装置的利用率越高、投资效益越大。用T表示无功补偿装置等效利用小时数。其计算公式下所示。

(1)

式中：S_real表示每年无功补偿装置实际运行所发出的无功总容量；S表示无功补偿装置额定容量。

4）动作次数超标率

无功补偿装置动作次数超标率主要用于评估电容器是否动作频繁以及频繁动作的程度。设变电站i的第j台主变在规定时段内无功补偿装置的实际动作次数为 T_ij、动作次数上限为T_max，则

(2)

如果 E_ROC不为 0，则该补偿器存在动作频繁问题，E_ROC越大，动作频繁程度越严重。

5）功率因数合格率

功率因数是指交流电路有功功率对视在功率的比值。根据电网公司规定月功率因数合格率先进指标为0.99。配变功率因数合格率G_hgl计算公式为如下。

(3)

式中，H_cosθ’表示配变功率因数合格数据个数，H_cosθ表示配变功率因数数据总个数。

6）电压偏差合格率

电压质量是电力系统电能质量的重要指标之一，它的好坏主要取决于电力系统无功潮流分布是否合理。根据相关标准规定，年度供电电压合格率应达到98.0%以上。电压偏差合格率计算公式如下所示。

(4)

式中：N_S为评价时间段内数据采集点的总个数，N_VQ为在评价时段内电压合格采集点的个数。

3 无功补偿配置及安全运行评价模型

3.1 确定隶属度函数

对于无功补偿各指标的评价，各指标的定量数据采用模糊分布法，评价指标体系中偏小、偏大和中间型是最为常用的隶属度函数的分类。其中 a,b,c,d 为梯形隶属度函数的转折点，它们满足 a ≤b ，c ≤d , 梯形隶属度函数的公式以及隶属度函数图见表1。

表1 梯形隶属度函数

采用专家打分法或统计抽样方法等确定典型评分点a、b、c、d。依据典型点，即可确定对应于该指标的隶属函数，即指标评分标准函数。

3.2 建立综合权重

模糊层次分析法在建立递阶层次结构后，上下层之间元素的隶属关系就确定了。本文通过专家评定法，对各指标两两进行比较，构造成对比较阵，然后对这些成对比较阵计算分析，获得其权值。判断矩阵通过一致性检验后，才可认定权重系数合理有效。

熵权法属于客观赋权法，可以有效弥补主观随意性及一定的误差。在确定指标及评判矩阵的情况下，各指标之间的信息量即可通过信息熵来度量，应用熵值法可以使评价结果更符合实际情况。本文采用层次分析法与熵值法相结合的评估方法，计算指标体系内各单项指标的权重。

利用信息权重修正层次分析法得到的权重，得到综合权重如下式所示。

(5)

式中w_i为层次分析法权重序列，g_i为熵权法权重序列。

无功补偿配置及运行状态属于模糊概念，模糊子集之间存在模糊性。定义4个模糊子集V=（v1, v2, v3, v4），分别表示优秀、良好、注意、严重，评价结果四类状态限值及应对策略如表2所示。

表2 无功补偿配置及安全运行评价指标体系

4 算例分析

本文选取安徽省某220kV变电站无功补偿为对象进行无功补偿配置及安全运行评价，该变电站有220kV变压器3组，分别定义为1~3#变压器，运行数据均以日为单位，数据时间间隔为每5min监测一次（全天共288个监测数据）的统计结果，该变电站无功补偿配置及运行数据如表3所示，归一化处理结果表4所示。

表3 某变电站无功补偿配置及安全运行统计表

表4 归一化处理结果

采用层次分析法与熵值法相结合的评估方法，确定指标体系内各单项指标及分层指标的权重，权重计算结果如表5所示。

表5 无功补偿配置及安全运行评价指标体系

根据权重和各指标值计算各变压器得分如表6所示，可以初步看出，该地区无功补偿装置配置均较为合理，但实际运行情况却相对较差，其中#3变压器运行情况最差，其本体运行状态和电网运行状态均得分较低，该变压器存在无功补偿利用率低、功率因数合格率较低问题，参考问题表象可有目的地进一步分析具体原因，进而提出相应的整改方案。

表6 无功补偿配置及安全运行评价指标体系得分表

5 结论

本文充分利用变电站数字化设备设施平台，深度挖掘变电站电网电压、无功运行水平和无功补偿设备运行状态，丰富完善无功补偿状态及运行评估指标体系，建立变电站无功补偿配置及安全运行评价方法，使运行数据和状态参量得到有效结合，且尽量多的保留数据本身信息，综合主观和客观评价因素，得到了与设备实际运行情况基本符合的综合评判结果。

参考文献

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