低壓電氣設(shè)備末端過電壓自動化抑制方法

孫玉美

（國網(wǎng)北京市電力公司檢修公司，北京 100027）

當(dāng)前配電網(wǎng)多采用中性點非的形式有效實現(xiàn)接地運行，不僅對于電壓控制程度較高，而且零序阻抗大，單相高壓負載處于均衡的狀態(tài)，可以更好地確保電氣設(shè)備的穩(wěn)定運行。通常情況下，電氣設(shè)備可以劃定為高壓設(shè)備和低壓設(shè)備，高壓設(shè)備的電壓幅值較大，一般定向的波動影響較小，幾乎可以忽略不計。但是低壓設(shè)備如果不及時進行保護與抑制，極有可能造成設(shè)備內(nèi)部損壞，引發(fā)三相電壓的不平衡。所以，為減少低壓電氣設(shè)備的損壞了，相關(guān)人員設(shè)計了過電壓自動化抑制結(jié)構(gòu)，參考文獻［1］和文獻［2］，設(shè)定傳統(tǒng)磁環(huán)過電壓自動化抑制方法，傳統(tǒng)有源逆變分相注入過電壓自動化抑制方法，這一類傳統(tǒng)的過電壓自動化抑制形式雖然可以實現(xiàn)預(yù)期的電壓控制目標(biāo)，但是該類方法的穩(wěn)定性與針對性并不強，對于異常區(qū)域的定位也并不精準(zhǔn)，常常受到外部環(huán)境及特定因素的影響，最終導(dǎo)致自動化抑制結(jié)果不準(zhǔn)確［3］。為此提出對低壓電氣設(shè)備末端過電壓自動化抑制方法的設(shè)計與分析。綜合實際的測定與需求及標(biāo)準(zhǔn)的變化，融合相關(guān)過電壓自動化抑制技術(shù)，構(gòu)建更為靈活、多變的抑制結(jié)構(gòu)，從多個方向穩(wěn)定電氣設(shè)備的電壓情況，營造更為穩(wěn)定的設(shè)備運行環(huán)境，為后續(xù)相關(guān)技術(shù)的進一步創(chuàng)新和升級奠定基礎(chǔ)。

1 構(gòu)建低壓設(shè)備過電壓自動化抑制方法

1.1 三相不平衡過電壓辨識

通常情況下，配電網(wǎng)的內(nèi)置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，運行多變，再加上區(qū)域性用電調(diào)度存在一定的不合理性，導(dǎo)致隨機故障頻繁，且70%以上的均屬于單向接地性故障，形成零序電壓和過電壓的問題，一定程度上影響配電網(wǎng)日常的應(yīng)用和運行［4］。因此，面對上述情況，進行三相不平衡過電壓狀態(tài)的多維辨識處理。首先，明確具體的辨識范圍，并在邊緣位置進行標(biāo)定，確保自動化抑制過程中環(huán)境的穩(wěn)定性與可靠性［5］。

隨即，進行辨識節(jié)點的設(shè)定，這部分需要先將辨識范圍劃分為對應(yīng)的單元區(qū)域，內(nèi)部設(shè)定對應(yīng)數(shù)量過電壓辨識點位，同時配備對應(yīng)的辨識節(jié)點，形成關(guān)聯(lián)搭接之后，營造基礎(chǔ)性的多維辨識環(huán)境［6］。采用輻射形式的控制網(wǎng)線路，即為環(huán)網(wǎng)線路，進行故障過渡電阻與線路對地零序阻抗的等效并聯(lián)，這樣一定程度上可以確保故障線路零序阻抗值的減少，也可以簡化辨識環(huán)節(jié)，提升三相不平衡過電壓辨識效率［7］。

此時，分析阻抗辨識配電網(wǎng)處于不平衡運行狀態(tài)時，綜合柔性控制技術(shù)，測定出PWM 有源逆變器的注入頻率，當(dāng)產(chǎn)生電壓信號時，計算此時的測量阻抗：

公式（1）中：H表示測量阻抗，U表示總電壓，d表示額定電流，τ 表示測定電流，v 表示調(diào)控次數(shù)，? 表示中性點電壓。根據(jù)上述設(shè)定，完成對測量阻抗的計算與分析。將其設(shè)定為三相不平衡過電壓的實際辨識標(biāo)準(zhǔn)，在不同的電壓環(huán)境下，進行標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)整，形成多階的辨識結(jié)構(gòu)，為后續(xù)辨識工作的執(zhí)行奠定基礎(chǔ)。

1.2 柔性自動化多目標(biāo)抑制結(jié)構(gòu)設(shè)計

與初始的過電壓自動化抑制結(jié)構(gòu)不同的是，綜合柔性技術(shù)所設(shè)計的過電壓自動抑制結(jié)構(gòu)的抑制速度相對較快，對于異常區(qū)域的抑制針對性會更強一些［8］。首先，根據(jù)此時測量阻抗數(shù)值的變化，融合阻尼率，對各個區(qū)域進行多目標(biāo)二次不平衡過電壓辨識。采用柔性控制技術(shù)，設(shè)定中性點位移電壓，當(dāng)電壓大于整定值時，辨識配電網(wǎng)處于不平衡狀態(tài)，并存在接地故障。此時需要向配電網(wǎng)注入零序電流，促使中性點的位移電壓處于零的狀態(tài)。

在此基礎(chǔ)之上，采用三角形接線，設(shè)定接地點，注入零序電流，促使對地電容逐漸接入地面形成一個循環(huán)性的自動化抑制結(jié)構(gòu)，能夠進一步確保過電壓抑制環(huán)境的穩(wěn)定。此時，設(shè)計柔性自動化多目標(biāo)抑制結(jié)構(gòu)的執(zhí)行流程圖如圖1所示。

圖1 柔性自動化多目標(biāo)抑制結(jié)構(gòu)執(zhí)行流程圖

根據(jù)圖1，完成對柔性自動化多目標(biāo)抑制結(jié)構(gòu)執(zhí)行流程的設(shè)計與應(yīng)用。隨即，以此為基礎(chǔ)，合理調(diào)節(jié)低壓電氣設(shè)備的電壓、電流以及功率等電氣量，避免結(jié)構(gòu)在抑制處理的過程中出現(xiàn)不可控的誤差。

1.3 構(gòu)建三相有源過電壓自動化抑制模型

將上述設(shè)計的柔性自動化抑制結(jié)構(gòu)設(shè)定在初始的過電壓抑制模型之中，綜合節(jié)點所采集的配電網(wǎng)運行、異常數(shù)據(jù)，進行三相有源過電壓自動化抑制模型的構(gòu)建。可以先在配電網(wǎng)中注入電流，進行三相對地導(dǎo)納。注入電流的大小相位通常與實時零序電壓存在一定的抑制關(guān)系：

公式（2）中：F1和F2表示中性點位移電壓幅值的變化情況，F(xiàn)S表示注入電流，J表示輸出電壓。根據(jù)上述測算，調(diào)整自動化抑制的處理環(huán)節(jié)與覆蓋區(qū)域，同時對配電網(wǎng)異常的位置進行三相有源不平衡電壓補償處理，具體如下圖2所示。

圖2 三相有源不平衡電壓補償處理結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖2，完成對三相有源不平衡電壓補償處理結(jié)構(gòu)的設(shè)計與調(diào)整。此時，利用構(gòu)建的柔性自動化抑制結(jié)構(gòu)，捕捉低壓電氣設(shè)備各個階段過電壓的具體數(shù)值，在合理的補償標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，采用三相處理技術(shù)，在低壓電氣設(shè)備中設(shè)定并聯(lián)電阻，改變配電網(wǎng)中性點的接地方式，進一步強化有源過電壓自動化抑制能力。

但是當(dāng)對三相不平衡過電壓進行辨識時，一旦配電網(wǎng)進行電力的調(diào)度，低壓電氣設(shè)備便容易出現(xiàn)電壓上的波動，出現(xiàn)單相高壓負載。此時，可以通過補償三相不平衡電流的方式來抑制三相不平衡過電壓，再利用模型對低壓電氣設(shè)備末端的運行狀態(tài)維持穩(wěn)定，避免電壓波動對其造成關(guān)聯(lián)性的損壞，至此，完成三相有源過電壓自動化抑制模型的構(gòu)建。

1.4 無零矢量處理實現(xiàn)自動化抑制

所謂無零矢量處理，主要是針對電氣設(shè)備在零序運行的狀態(tài)下，采用自動化抑制共模的方式，強化抑制速度和效率，最終實現(xiàn)低壓電氣設(shè)備末端電壓的自動化抑制處理。采用新的矢量法或者矢量作用法等設(shè)定初始的抑制共模電壓。利用NZPWM法主控制直流電壓，并測算實時的利用率，如果在合理的范圍之內(nèi)，可以采集異常信號，通過非零矢量合成零矢量，以等效變換的方式對不同過電壓情況進行彌補。與此同時，在平衡的零矢量狀態(tài)下，測算出平均電壓：

2 方法測試

此次主要是對低壓電氣設(shè)備末端過電壓自動化抑制方法的實際應(yīng)用效果進行分析與驗證研究，考慮到最終測試結(jié)果的真實性與可靠性，選定G配電網(wǎng)作為測定處理的基礎(chǔ)性環(huán)境，參考文獻設(shè)定傳統(tǒng)磁環(huán)過電壓自動化抑制測試組、傳統(tǒng)有源逆變分相注入過電壓自動化抑制測試組以及此次所設(shè)計的柔性處理電壓自動化抑制測試組。根據(jù)實際的測定需求及標(biāo)準(zhǔn)，對最終獲取的測試結(jié)果比照研究，并進行基礎(chǔ)測試環(huán)境的搭建。

2.1 測試準(zhǔn)備

綜合相關(guān)的過電壓自動化抑制測定需求及標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)對應(yīng)的控制性技術(shù)，進行基礎(chǔ)測試環(huán)境的搭建。首先，選定10 kV的G配電網(wǎng)進行測算研究，標(biāo)定出三個區(qū)域作為測試的目標(biāo)，配電網(wǎng)的可控模式設(shè)定為開放模式，建立動態(tài)化的多維控制程序，設(shè)定在模型之中，在程序中增加三相控制結(jié)構(gòu)，對應(yīng)DSP28335主控制器，關(guān)聯(lián)恒河DLM4000型號的示波器進行數(shù)據(jù)信息的定向化采集。低壓電氣設(shè)備的輸出頻率為55 Hz，逆變器與示波器進行搭接，完成初始環(huán)境的設(shè)定。綜合低壓電氣設(shè)備的日常應(yīng)用需求，對相關(guān)的執(zhí)行指標(biāo)參數(shù)做出調(diào)整，如下表1所示：

表1 低壓設(shè)備過電壓自動化抑制指標(biāo)參數(shù)調(diào)整表

根據(jù)表1，完成對低壓設(shè)備過電壓自動化抑制指標(biāo)參數(shù)的調(diào)整與設(shè)定。隨即，進行基礎(chǔ)過電壓自動化抑制環(huán)境的建設(shè)。此時，測定出三個區(qū)域輸出點和逆變器負母線之間的實時電壓，確保電網(wǎng)處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)之后，對過電壓自動化抑制方法進行具體的驗證與分析。

2.2 測試過程及結(jié)構(gòu)分析

在上述搭建的測試環(huán)境中，綜合柔性控制技術(shù)和三相自動化處理技術(shù)，對G配電網(wǎng)過電壓自動化抑制方法進行驗證與分析研究。首先，通過柔性控制技術(shù)構(gòu)建一個定向的電壓控制程序，將其設(shè)定為設(shè)計的過電壓自動化抑制模型之中，形成動態(tài)化的可控抑制結(jié)構(gòu)。

隨即，在抑制模型增設(shè)輸出電抗器，用于電壓的逆向調(diào)節(jié)與分流，依據(jù)需求捕捉PWM 的輸出波形，測算出尖峰電壓值，降低長電纜末端的過電壓，確保測試過程中配電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性與可靠性。構(gòu)建穩(wěn)定的過電壓環(huán)境，針對選定的三個區(qū)域，測定出此時配電網(wǎng)的交流電壓均方根值升高，并且超過額定值的10%，持續(xù)的時間均超過1分鐘，通過自動化抑制模型依據(jù)流程對其作出處理，最終測算出自動化抑制耗時：

公式（4）中：G表示自動化抑制耗時，n表示電壓變換偏差，§表示過電壓峰值，i 表示抑制次數(shù)，v表示靜電力常量，g 表示預(yù)設(shè)自動化控制頻次，ζ 表示電流幅值。根據(jù)上述測定，完成對測試結(jié)果的對比分析，具體如下圖3所示：

圖3 測試結(jié)果對比分析圖示

根據(jù)圖3，完成對測試結(jié)果的對比分析：與傳統(tǒng)磁環(huán)過電壓自動化抑制測試組、傳統(tǒng)有源逆變分相注入過電壓自動化抑制測試組進行對比，此次所設(shè)計的柔性處理電壓自動化抑制測試組最終對于過電壓自動化抑制的耗時相對較短，控制在了0.4s以下，說明該種自動化抑制模式相對更為靈活，應(yīng)用簡單，抑制速度和效率較高，具有實際的應(yīng)用價值。

3 結(jié)論

綜上所述，對低壓電氣設(shè)備末端過電壓自動化抑制方法的設(shè)計與驗證分析，與傳統(tǒng)的過電壓自動化抑制方式相對比，此次綜合柔性控制技術(shù)和三相自動化處理技術(shù)所構(gòu)建的過電壓自動化抑制結(jié)構(gòu)相對更為穩(wěn)定、靈活，具有更強的針對性。在復(fù)雜的電壓環(huán)境下，可以快速解決零序過電壓的抑制難題。與此同時，柔性控制技術(shù)的融合應(yīng)用，還可以對過電壓區(qū)段進行精準(zhǔn)定位與處理，實現(xiàn)多頻控制，及時消除中性點位移電壓的不平衡情況，為配電網(wǎng)過電壓自動化抑制工作的執(zhí)行提供借鑒。