基于電容補(bǔ)償法的變壓器電流回路檢測(cè)方法

李明遠(yuǎn)，汪向軍，姜越，陸奔宇，柳德平

（江蘇省送變電有限公司，江蘇南京 210028）

隨著用電設(shè)備接入量的增大，電力系統(tǒng)無(wú)功功率的數(shù)值水平也會(huì)不斷升高，由于電量信號(hào)之間具有明顯的互通性，電源容量使用效率會(huì)呈現(xiàn)出持續(xù)降低的變化趨勢(shì)，而電容補(bǔ)償也叫功率因數(shù)補(bǔ)償或無(wú)功補(bǔ)償[1]。在這種補(bǔ)償性處理原則的作用下，電容器元件兩端負(fù)載電壓數(shù)值會(huì)出現(xiàn)一定程度的提升，這不但能夠避免無(wú)功電量信號(hào)的大量累積，還會(huì)促進(jìn)電信號(hào)參量的快速傳輸[2]。從供電角度來(lái)看，電容補(bǔ)償作用可以更改變電信號(hào)的初始傳輸形式，在保證其電量供給能力的同時(shí)，平衡不同耗電設(shè)備之間的電壓配比關(guān)系，一方面可使電力系統(tǒng)中的電信號(hào)參量處于長(zhǎng)期穩(wěn)定的傳輸狀態(tài)；另一方面也可以將電網(wǎng)無(wú)功功率控制在相對(duì)較低的數(shù)值水平。

電流回路是指由電源、電鍵、用電器等多個(gè)元件結(jié)構(gòu)共同組成的電流通路。對(duì)于變壓器設(shè)備而言，電流回路內(nèi)相鄰電量信號(hào)之間的連接關(guān)系極為緊密，特別是在壓降差相對(duì)較高的情況下，變壓器設(shè)備能夠?yàn)殡娏啃盘?hào)提供穩(wěn)定的逆變傳輸環(huán)境，而這些信號(hào)參量也可以在穩(wěn)壓電源的作用下按需反饋給各級(jí)耗電設(shè)備[3]。隨著變壓器輸出功率水平的改變，逆變電信號(hào)回流速度會(huì)出現(xiàn)明顯下降的變化態(tài)勢(shì)，在此情況下，變壓器電流回路對(duì)于電量信號(hào)的感應(yīng)敏感性也會(huì)不斷下降。為避免上述情況的發(fā)生，傳統(tǒng)限流控制方法借助電度表元件測(cè)量變壓器設(shè)備的總電路電壓，又根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原則，確定電信號(hào)參量的實(shí)時(shí)回流速度[4]。然而該方法的應(yīng)用能力有限，并不能將變壓器電流回路對(duì)于電量信號(hào)的感應(yīng)敏感性提升至既定數(shù)值水平。為解決上述問(wèn)題，以電容補(bǔ)償法為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種新型的變壓器電流回路檢測(cè)方法。

1 基于電容補(bǔ)償法的變電回路建模

1.1 電容補(bǔ)償線路規(guī)劃

在變壓器電流回路中，電容補(bǔ)償線路的搭建以LM2596-5 V 元件為基礎(chǔ)，可以在CD4051 設(shè)備的作用下，調(diào)節(jié)C1、C2、C3電容元件內(nèi)逆變電信號(hào)的傳輸速度，從而使得+VCC 端、-VDD 端之間的傳輸電流始終保持相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值狀態(tài)[5-6]。LM2596-5 V 元件直接負(fù)載于+VCC 端、-VDD 端之間，可以借助1號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)等多個(gè)處于開(kāi)放狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)組織，將已存儲(chǔ)逆變電信號(hào)傳輸給電阻R與電容C。完整的電容補(bǔ)償線路布局形式如圖1 所示。

圖1 電容補(bǔ)償線路布局形式

在規(guī)劃電容補(bǔ)償線路時(shí)，為使CD4051 設(shè)備能夠準(zhǔn)確感知逆變電信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸速度，要求電流逆變器設(shè)備的內(nèi)阻值不宜過(guò)高，但又必須高于電阻R已連接部分的阻值。

1.2 變電模量提取

變電模量是指變壓器元件在電容補(bǔ)償線路中提取的逆變電信號(hào)頻域度量值，由于變壓器元件同時(shí)負(fù)載高頻、低頻兩種類型的電信號(hào)參量，所以變電模量指標(biāo)也具有兩種基本數(shù)值形態(tài)[7-8]。在電力系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中，變電模量的負(fù)值分量表示變壓器元件當(dāng)前所負(fù)載電信號(hào)參量處于低頻傳輸狀態(tài)；變電模量的正值分量表示變壓器元件當(dāng)前所負(fù)載電信號(hào)參量處于高頻傳輸狀態(tài)。設(shè)χ表示逆變系數(shù)，β表示基礎(chǔ)變電參量，表示變壓器元件在單位時(shí)間內(nèi)所提取的逆變電信號(hào)均值，q表示電信號(hào)參量的頻域傳輸特征值，ΔT表示逆變電信號(hào)的單位傳輸時(shí)長(zhǎng)?；陔娙菅a(bǔ)償法所提取到的變電模量求解定義式為：由于逆變電信號(hào)的頻域跨度值不可能為零，所以變電模量指標(biāo)的求解結(jié)果也不可能等于零。

1.3 電量補(bǔ)償系數(shù)

電量補(bǔ)償系數(shù)決定了電容補(bǔ)償算法對(duì)于變壓器電流回路的約束作用能力。在變電模量指標(biāo)的基礎(chǔ)上，電量補(bǔ)償系數(shù)要求變壓器元件負(fù)載電容必須保持相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值狀態(tài)，即隨著電流回路內(nèi)逆變電信號(hào)累積量的增大，變壓器元件負(fù)載電容不應(yīng)該出現(xiàn)明顯的數(shù)值變化[9-10]。設(shè)e0表示變壓器元件負(fù)載電容的初始賦值，eε表示ε時(shí)間節(jié)點(diǎn)處的變壓器負(fù)載電容數(shù)值，在電流回路中，eε≥e0不等式條件恒成立。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（1），可將電量補(bǔ)償系數(shù)計(jì)算結(jié)果表示為：

2 變壓器電流回路檢測(cè)算法設(shè)計(jì)

2.1 A/D轉(zhuǎn)換器

A/D 轉(zhuǎn)換器是一個(gè)完整的小型閉環(huán)電路結(jié)構(gòu)。在變壓器電流回路中，該元件結(jié)構(gòu)的選取既影響變壓器設(shè)備對(duì)于逆變電信號(hào)的處理與運(yùn)輸能力，也會(huì)改變電容補(bǔ)償線路的實(shí)時(shí)布局形式[11]。為保障變壓器電流回路的穩(wěn)定性，在設(shè)置A/D 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)時(shí)，必須考慮如下幾方面因素：

1）在執(zhí)行電量處理指令時(shí)，A/D 轉(zhuǎn)換器設(shè)備的實(shí)際量程范圍必須大于變壓器電流回路內(nèi)傳輸電流的最大數(shù)值；

2）A/D 轉(zhuǎn)換器設(shè)備所接收的逆變電信號(hào)必須保持直流傳輸狀態(tài)，對(duì)于交流形式的電流信號(hào)而言，其在被輸入A/D 轉(zhuǎn)換器設(shè)備之前，必須經(jīng)過(guò)變壓器元件的多次處理[12]；

3）單一檢測(cè)周期內(nèi)，A/D 轉(zhuǎn)換器設(shè)備只能對(duì)一種類型的逆變電信號(hào)進(jìn)行處理，但一個(gè)變壓器電流回路內(nèi)卻可以包含多個(gè)完整的電量信號(hào)檢測(cè)周期；

4）為加快逆變電信號(hào)的回流速度，在設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)備時(shí)，要求輸入端的起始電流數(shù)值必須大于輸出端的實(shí)際電流數(shù)值。

2.2 電流互感系數(shù)

電流互感系數(shù)也叫變壓器電流回路中的電量感應(yīng)向量，在電容補(bǔ)償法的認(rèn)知中，該項(xiàng)指標(biāo)參量的取值結(jié)果越大，就表示變壓器設(shè)備對(duì)于傳輸電流的調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)。在不考慮其他干擾情況下，電流互感系數(shù)指標(biāo)受到電信號(hào)累積量均值，電容互補(bǔ)參量?jī)身?xiàng)物理指標(biāo)的直接影響[13-14]。電信號(hào)累積量均值常表示為，由于變壓器設(shè)備具有較強(qiáng)的電量承載能力，該項(xiàng)物理系數(shù)的取值始終屬于區(qū)間(1,+∞)。電容互補(bǔ)參量常表示為f，在移動(dòng)電荷傳輸方向?yàn)檎那疤嵯?，該?xiàng)物理系數(shù)取值恒大于零。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（2），可將電流互感系數(shù)求解表達(dá)式定義為：

其中，γ表示電流信號(hào)的方向性度量系數(shù)，ι表示電量累積系數(shù)的初始取值，θ表示點(diǎn)電荷識(shí)別系數(shù)，κ表示電流信號(hào)感應(yīng)特征。為實(shí)現(xiàn)對(duì)電流互感系數(shù)的準(zhǔn)確求解，要求系數(shù)θ的取值必須大于系數(shù)κ。

2.3 電信號(hào)回流量

電信號(hào)回流量是指變壓器設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)所接收到的點(diǎn)電荷總量[15]。由于變壓器設(shè)備對(duì)于敏感性電容的感應(yīng)能力有限，隨著輸出電壓數(shù)值的增大，電信號(hào)回流量指標(biāo)也不會(huì)出現(xiàn)無(wú)限增大的數(shù)值變化趨勢(shì)[16]。設(shè)ρ表示點(diǎn)電荷在變壓器電流回路中的分布密度，且ρ≥1 的不等式條件恒成立，表示電容特征值，λ表示點(diǎn)電荷回流系數(shù)，ΔS表示點(diǎn)電荷的單位累積量?；陔娙菅a(bǔ)償法的電信號(hào)回流量求解表達(dá)式為：

因?yàn)樽儔浩髟膶?shí)時(shí)運(yùn)行速率不可能為零，所以電信號(hào)回流量指標(biāo)的計(jì)算數(shù)值也恒大于自然數(shù)“1”。至此，完成對(duì)相關(guān)指標(biāo)參量的計(jì)算與處理，在電容補(bǔ)償法原則的作用下，實(shí)現(xiàn)變壓器電流回路檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

3 實(shí)例分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選擇CDDZ1500TM 型號(hào)的變壓器設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)元件，借助傳輸導(dǎo)線將其與CDKUS5024 變電控制箱相連（如圖2 所示）。

圖2 變電器電流回路連接

按照表1 所示指標(biāo)數(shù)值對(duì)變電器電流回路中的相關(guān)參量進(jìn)行設(shè)置，以確保點(diǎn)電荷能夠處于穩(wěn)定傳輸狀態(tài)。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，應(yīng)將所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備示數(shù)歸于零位。

3.2 實(shí)驗(yàn)流程

按照?qǐng)D3 所示執(zhí)行原則，篩選實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組變量指標(biāo)。

圖3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)篩選

分別利用實(shí)驗(yàn)組（基于電容補(bǔ)償法的變壓器電流回路檢測(cè)方法）、對(duì)照組（限流控制方法）方法，檢測(cè)逆變電信號(hào)的回流速度，并將所得數(shù)值記為實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)值分析

在變壓器電流回路中，逆變電信號(hào)回流速度能夠反映出設(shè)備元件對(duì)于電量信號(hào)的感應(yīng)敏感性，在不考慮其他變量條件的情況下，逆變電信號(hào)的回流速度越快，設(shè)備元件對(duì)于電量信號(hào)的感應(yīng)敏感性也就越強(qiáng)。

表2 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組逆變電信號(hào)回流速度的具體實(shí)驗(yàn)數(shù)值。

表2 逆變電信號(hào)回流速度

分析表2 可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組逆變電信號(hào)回流速度呈現(xiàn)出不斷增大的數(shù)值變化態(tài)勢(shì)，但實(shí)驗(yàn)前期的數(shù)值增長(zhǎng)幅度明顯大于實(shí)驗(yàn)后期；對(duì)照組逆變電信號(hào)回流速度則保持先穩(wěn)定、然后持續(xù)小幅上升、最后再次趨于穩(wěn)定的數(shù)值變化態(tài)勢(shì)。從極限值角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)組逆變電信號(hào)回流速度最大值達(dá)到了9.5 A/ms，與對(duì)照組最大值7.1 A/ms 相比，增大了2.4 A/ms；整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)組逆變電信號(hào)回流速度均值為8.7 A/ms，與對(duì)照組平均值6.7 A/ms 相比，增大了2.0 A/ms。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出基于電容補(bǔ)償法的變壓器電流回路檢測(cè)方法。根據(jù)電容補(bǔ)償法則規(guī)劃電容補(bǔ)償線路，聯(lián)合提取所得變電模量，實(shí)現(xiàn)基于電容補(bǔ)償法的變電回路建模。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電容補(bǔ)償法原則的作用下，逆變電信號(hào)回流速度的數(shù)值水平得到了大幅促進(jìn)，彌補(bǔ)了限流控制方法在提升逆變電信號(hào)回流速度方面的不足，滿足增強(qiáng)變壓器電流回路對(duì)于電量信號(hào)感應(yīng)敏感性的實(shí)際應(yīng)用需求。