在線柔化因子可調的自適應電流互感器變比預測器

王紅斌, 王曉東, 聶曉龍, 徐 燦

(1. 國網山西省電力公司 長治供電公司, 山西 長治 046011; 2. 武漢磐電科技股份有限公司 發展策劃部, 武漢 430100)

隨著我國在配電網建設和管理方面投入力度的不斷加大,電能計量[1-2]裝置準確性提升直接影響配電網絡線損的精益化管理和供用電雙方的經濟利益,成為了目前配電網調控與改進的熱點.然而,電力用戶存在季節性用電、階段性用電、日常用電、間歇性用電和不確定性用電等用電不規律情況,負荷波動較大.在配置電流互感器時,用單一變比的高壓計量裝置將會嚴重影響計量時段內不同負載[3]情況下的計量準確性.當線路電流超過正常工作電流范圍時,電流互感器[4]將產生超差,使電流互感器鐵芯和二次線圈過熱、絕緣老化,可能誘發設備損壞和線路跳閘.

目前多變比互感器在國內外均有一定的研究,主要采用多個繞組的方式,將內部繼電器或電力電子器件切換至互感器接入的二次線圈,控制互感器變比的變化.MYRELID等[5]提出了采用智能轉換計量裝置配合復合變比電流互感器的方式,實現了多變比電流互感器的變比調節.方法在一定程度上可以實現電流互感器的變比調節,但智能轉換計量裝置與多變比電流互感器相互獨立[6],二者之間需通過人工進行接線,無法做到自動化和一體化.劉剛等[7]在16條10 kV專用線路出線柜上安裝使用復合變比多倍率自動轉換互感器,解決了低負載和超負載丟失電量的問題,但其掛網的多倍率自動轉換互感器仍然無法自動轉換配接互感器計量裝置與前級復合變比互感器,降低了復合變比多倍率自動轉換互感器的操作簡便性.

鑒于此,本文提出了一種復合變比自適應智能電流互感器裝置.該裝置通過內置于變比切換模塊的可調柔化因子廣義預測算法[8]實現復合變比組合在線調控,從而改善配網互感器的運行性能,提高配電網系統的安全性、穩定性,保證電能計量的準確,促進電網健康有序發展.

1 復合變比自適應智能電流互感器

復合變比自適應智能電流互感器包括電流檢測單元、變比切換單元和輸出切換單元,可實現一次側電流自動檢測、量程自動切換和變比信息傳輸的功能.電流檢測單元可實現對一次負荷電流幅值實時檢測,并將二次電流信號[9-10]和內部邏輯判斷模塊輸出的邏輯信號傳送至變比切換單元和輸出切換單元.邏輯信號用于控制變比切換單元和輸出切換單元的狀態.變比切換單元以電流檢測單元的二次電流信號作為變比自動選擇切換的依據,并將變比信息傳輸至遠方主站,最終實現電流互感器的復合變比自適應調節.自適應變比電流互感器原理如圖1所示.

圖1 自適應變比電流互感器原理圖Fig.1 Schematic principle of adaptive ratio current transformer

圖2為自適應變比電流互感器的方案圖.默認電流互感器以較大變比進行電流檢測和輸出,并通過精度要求較低的電流互感器粗略測得配電網一次負荷電流值.

圖2 自適應變比智能電流互感器典型方案圖Fig.2 Typical scheme diagram of adaptive ratio intelligent current transformer

電流檢測單元實時檢測電流互感器一次負荷電流的數值,其內部包含邏輯判斷模塊.當實時檢測的一次負荷電流在正常范圍內時,則將其二次測量結果通過輸出切換模塊傳送至電能表.而當實時檢測的一次負荷電流過大或過小時,則打開變比選擇單元,將二次電流輸出控制權移交給變比選擇單元,并將邏輯控制信號傳送至輸出切換模塊,使輸出切換模塊切換至另一通路.變比選擇單元根據電流檢測單元的二次電流輸出幅值自動選擇多變比電流互感器的最優變比,以保證電流互感器的二次測量精度.多變比電流互感器具有3～5個不同變比,并涵蓋配變臺區或專變臺區的欠負荷和過負荷情況下的所有一次負荷電流.其后變比選擇單元將變比信息與多變比二次輸出分別傳送至遠方主站和電能表.變比選擇單元采用低溫漂精密信號調理電路,其可達到較高的模擬精度,可供借鑒的方法主要是采用改變一次繞組串并聯連接方式或選擇二次繞組抽頭方式等.

對于一次繞組并聯電路,電流從輸入端分兩個支路流經一次繞組,每個支路電流大小為I1,總電流為2I1,與此同時流經二次繞組的電流為I2.對于一次繞組并聯的電流互感器,總的一次繞組就是1匝,電流為2I1.假設電流互感器二次繞組匝數為N2,則變比為

(1)

對于一次繞組串聯的電流互感器,設流經一次繞組電流為I1,流經二次繞組電流為I2,其一次總繞組是2匝,則變比為

(2)

通過改變一次繞組串并聯連接,進而改變電流互感器變比選擇方式,可有效對電流互感器變比進行切換.但該種方式的電流互感器變比選擇余地小,且在一次繞組串并聯連接方式的切換過程中需要斷電操作,無法實現自適應調節,不符合電流互感器智能改變變比的功能要求,也不利于配電網供電可靠性和計量準確性的提高.但其變比改變的策略和方法對復合變比自適應智能電流互感器的研究具有一定借鑒意義.此外,選擇電流互感器二次繞組抽頭也是改變電流互感器變比的一種方式,但也存在不能在線自動進行電流互感器變比調節的缺點,給現場操作人員增加了工作量.

變比切換模塊結構如圖3所示,其為復合變比自適應智能電流互感器的核心結構,包含電流檢測模塊的一次復合電流信息接收端、二次電流輸出端、變比信息輸出端以及與電流互感器相連的變比選擇控制端.當電流檢測單元中邏輯判斷模塊判定一次負荷電流超出正常范圍時,變比切換單元內部閉鎖信號解除,從而獲得電流變比選擇控制權,根據電流檢測模塊中一次負荷電流幅值的大小,通過內部邏輯結構進行最優變比的自適應選擇,并控制變比選擇端進行相應動作.然后通過倍率歸一模塊將二次電流進行轉換后傳送至電能表,并將變比信息傳送遠方主站.肖特基二極管組成的限壓模塊用于防止在電流變比切換過程中多變比電流互感器的二次開路.

圖3 變比切換模塊結構圖Fig.3 Variable ratio switch module structure diagram

2 可調柔化因子廣義預測算法

PID控制器在工業控制系統中有著廣泛的應用,在電力電能控制系統中的廣泛適用性表明了其在閉環控制中的優越性[11-13].廣義預測控制(GPC)是一種具有代表性的自適應控制方法,本文提出了一種改進的GPC算法,該算法具有自適應參考二次電流變比軌跡和自適應柔化因子[14-15]的優點.

改進GPC算法控制模型為

(3)

式中:y(k+j)為預測過程的輸出;α為柔化因子;yr為二次電流變比的參考軌跡;y(k)為當前進程的輸出;Δu(k+j-1)為增量控制輸入的第k個采樣速率;n為輸出預測層數量;m為控制層數量;λ(j)為控制輸入偏差的加權參數.w(k+j)也可以表示為矩陣形式,即

(4)

為獲得最佳的二次電流變比調控速率,需要估計預測的y(k+j)值,可以通過一個自回歸綜合移動平均計算模型表示,即

(5)

式中:E=1-z-1為差分算子;u(k)為控制輸入變量;ξ(k)為零均值白噪聲;A(z-1)、B(z-1)以及C(z-1)為后移算子z-1的多項式.

引入丟番圖導出預測輸出為

(6)

根據表達式(3)、(4)可以得到y(k+j)以及忽略零均值白噪聲時需要計算的控制輸入,即

(7)

整個預測層的未來估計量可以表示為

(8)

式(3)可以重寫為

J=(Y-W)T(Y-W)+λΔUTΔU

(9)

柔化因子α是GPC控制器的關鍵參數,其值可以從0～1變化,并被證明對積分時間和系統輸出有顯著的影響.控制系統具有低魯棒性和高跟蹤速度時,設置α為0;具有高魯棒性和低跟蹤速度時,設置α為1.由此,本文提出自適應軟化因子策略,在系統進行實時計算的基礎上,參考二次電流變比軌跡變化,確保迅速調整α指數方程.

3 用電數據采集和控制分析

本文采集實際電網監測用戶的電能數據,分析數據類型涵蓋了常見的用電負荷分類:1)日常用電,如大部分的生產制造業、辦公大樓、寫字樓、商場和住宅區;2)階段性用電,如大型泵站、煉鋼爐或小煉鋼廠等.典型的24 h負荷曲線的記錄情況如圖4～7所示.

圖4 寫字樓用戶的24 h負荷情況Fig.7 24-hour load situation of office users

圖5 煉鋼爐用戶的24 h負荷情況Fig.5 24-hour load situation of furnace users

圖6 居民用戶的24 h負荷情況Fig.6 24-hour load situation of residential users

圖7 商場用戶的24 h負荷情況Fig.7 24-hour load of mall users

實際采集數據包括4種類型的用戶各5例,連續分析并采集了其1個月的數據,截取時間為每個自然日的連續24 h.取最小預測時域N1=1,最大預測時域N2=18,控制時域N3=6,柔化因子α=0.5.考慮到實際柔化因子調控是實時進行的,將柔化調控因子和電能變化信號進行同步展示,圖8～11展示了不同用戶負載24 h電流變化和追蹤控制預測及柔化因子變化曲線.

圖8 寫字樓用戶的負載電流控制Fig.8 Load current control of office users

圖9 煉鋼爐用戶的負載電流控制Fig.9 Load current control of furnace users

圖10 居民用戶的負載電流控制Fig.10 Load current control of residential users

圖11 商場用戶的負載電流控制Fig.11 Load current control of mall users

結合圖8～11中的電流變化情況可以看出,針對不同類型的用戶,本文提出的控制追蹤算法能穩步跟上負載二次電流的變化,進而實現對變比的提前控制,計算得到不同用戶的變比需求.結合圖8～11中的柔化因子變化情況可以看出,在波形變化劇烈時,柔化因子取值減小接近0;當波形變化平穩時,柔化因子取值增大接近1.

4 結 論

本文從配網中電流互感器由于負荷變化而造成計量誤差的問題出發,結合實際運行環境,對現有單變比電流互感器在低負荷電流和過負荷電流方面的缺陷進行分析.提出了復合變比自適應智能電流互感器的變比組合策略,對復合變比自適應智能電流互感器進行研制,并結合提出的在線柔化因子可調廣義預測算法,實現了對負載二次電流的準確追蹤控制.充分考慮現場安裝條件,對復合變比自適應智能電流互感器進行結構設計,并完成復合變比自適應智能電流互感器測試與應用.為解決電流互感器計量范圍不夠寬而無法滿足用電負荷變化速度快,導致在低負荷或超負荷時計量失準造成電能漏計的問題提供了有效方案.