配电网电容电流实时测量技术

配电网电容电流实时测量技术曾祥君,刘张磊,马洪江,许 瑶,于永源(长沙理工大学电气与信息工程学院,湖南省长沙市410076)摘要:针对不对称度大的配电网,实现了自动投切可调消弧线圈并联固定电抗器的预随调接地方式,研究了配电网电容电流实时谐振测量技术。

为提高电容电流测量精度,采用现场可编程门阵列(FPGA)芯片和高精度晶振精确测量注入信号的电压电流相位差,利用线性插值算法精确计算配电网谐振频率。

开发了消弧线圈自动调谐测控装置,实现电容电流的精确测量。

模拟实验和现场运行结果表明,该电容电流测量技术具有测量精度高、测量范围广和测量简单等特点,可适用于经消弧线圈预调式和预随调式接地电网。

关键词:配电网;消弧线圈;电容电流测量;线性插值中图分类号:TM 764;T M727.2收稿日期:2007-07-31;修回日期:2007-10-12。

国家自然科学基金资助项目(50207001);教育部新世纪优秀人才计划资助项目(N ECT-04-0781);霍英东教育基金会青年教师基金资助项目(101058);已申请国家发明专利(申请号200710034555.8)。

0 引言目前消弧线圈的调谐方式分为随调式、预调式和预随调式3种[1-3]。

中国的架空线配电网一般不进行换位处理,不对称度较大。

部分配电网存在单相高压负载(如武汉10kV 配电网的路灯负载),进一步增大了配电网不对称度。

不对称度大的配电网如采用预调式消弧线圈接地方式,正常运行时中性点位移电压高,满足不了运行规程要求;如采用随调式接地方式,正常运行时消弧线圈不投入电网运行,可以有效降低中性点位移电压,但在接地故障瞬间消弧线圈投入运行前,可能产生过大的接地故障残流、过高的接地弧光电压及过快的弧光电压恢复速度;如采用消弧线圈预随调接地方式,配电网正常运行时,预投部分消弧线圈容量,在满足位移电压要求的条件下,一定程度上限制了瞬时接地故障残流、弧光电压及弧光电压恢复速度。

因此,消弧线圈预随调接地方式是不对称度大的配电网一种较为理想的运行方式。

消弧线圈自动调谐以配电网对地电容电流的准确实时测量为基础。

目前国内外采用的配电网对地电容电流实时测量方法主要有以下几种:文献[4]介绍了法国提出的注入信号测量法,向配电网注入工频频率测量信号,根据返回信号的电压和电流向量计算电容电流,为提高测量精度,该方法要求信号源功率大,电压电流信号的测量精度高;文献[5-6]提出了一种从电压互感器二次侧注入变频电流信号测量电容电流的方法,测量范围和测量精度有限;文献[7]提出了配电网电容电流谐振测量方法,基于此方法开发的产品已在全国2000多个经消弧线圈预调谐接地系统中应用,但在经消弧线圈预随调接地系统中,正常运行时零序回路谐振频率低,谐振频率测量误差引起的电容电流计算误差大。

为此,本文针对不对称度大的配电网,研究了预随调接地方式和提高电容电流谐振测量精度的相关技术。

1 一种预随调接地方式针对不对称度大的配电网,提出自动投切可调消弧线圈并联固定电抗器的预随调接地方式,如图1所示。

图1 消弧线圈并联固定电抗器的预随调接地方式Fig.1 Presetting and following -setting compensationmode with Petersen -coil and f ixed reactorearthed in parallel配电网正常运行时,开关K 断开,可调消弧线圈L C 不投入配电网运行,使配电网的谐振频率远)61)第32卷 第3期2008年2月10日Vo l.32 N o.3F eb.10,2008离工频,有效降低了不对称度大的配电网中性点位移电压;固定电抗器L 一直投入配电网运行,一定程度上限制了瞬时接地故障残流、弧光电压及弧光电压恢复速度[8],有效降低了配电网接地故障暂态过电压。

配电网正常运行时,通过固定电抗器L 向配电网注入频率变化的电流信号,实时测量返回的电压信号,计算配电网的对地电容电流,并根据测得的对地电容电流实时调节消弧线圈的容量。

当配电网发生单相接地故障时,开关K 闭合,迅速投入消弧线圈,补偿配电网的对地电容电流,有效促进故障电弧熄灭。

该预随调控制方式与国内目前采用的电力电子器件控制励磁、短接二次线圈或投切二次并联电容等方案相比,造价低且不存在谐波问题;同时,由于采用传统设备,所使用的断路器比电力电子器件控制简单、可靠性高。

该预随调控制方式从接地故障发生到随调消弧线圈投入的时间小于100ms,这期间固定电抗器对限制故障残流、抑制弧光电压、降低故障恢复电压的上升速度等都起到了一定的作用,因此,开关的动作时间对配电网安全运行影响有限。

2 配电网电容电流谐振测量新技术2.1 配电网电容电流谐振测量精度分析文献[7,9]提出的配电网电容电流谐振测量原理应用于图1所示的预随调接地方式,测量接线如图2所示,等效电路如图3所示。

图2 预随调接地系统电容电流谐振测量原理Fig.2 C apacitive current resonance measuring scheme for presetting and following -setting compensateddistributionsystems图3 测量等效电路Fig.3 Equivalent circuit for capacitive currentmeasuring配电网正常运行时,从电抗器的二次侧向配电网注入变频电流测量信号,也可以从零序电压互感器开口三角侧注入测量信号[10],寻找谐振频率f X ,则脱谐度为:v =1-f 2Xf2(1)式中:f 为配电网工频,f =50H z 。

由v 的定义可直接计算配电网对地电容电流[11]:I C =I L1-v(2)式中:I L 为固定电抗器的补偿电流,可由电抗器的铭牌读出。

由式(1)、式(2)可得配电网电容电流:I C =f 2I Lf 2X(3) 由式(3)可知,只要测量出配电网谐振频率f X 就可以求出配电网的电容电流I C ,所以电容电流谐振测量方法的关键在于配电网谐振频率的准确测量。

f X 的测量误差影响v 和I C 的测量精度,v 和I C 的理论计算绝对误差为:$v =5v 5f X $f X =-2f Xf 2$f X (4)$I C =5I C5f X $f X =-2f 2I L f 3X$f X (5) 相对误差分别为:$v v @100%=2f Xf 2X -f 2$f X @100%(6)$I C I C @100%=-2$f Xf X@100%(7)从式(5)和式(7)可以看出,f X 越低,电容电流的测量误差越大。

对于预随调式接地系统,正常运行时,零序回路谐振频率低,谐振频率测量误差引起的电容电流测量误差大。

为提高电容电流测量精度,需减小f X 的测量误差,一方面,理论上采用减小注入信号频率扫描的间隔,并采用插值方法精确计算谐振频率;另一方面,实践上采用高精度晶振和现场可编程门阵列(FPGA )芯片,提高谐振频率的实际测量精度,满足对预随调式接地配电网的电容电流测量精度要求。

2.2 谐振频率的精确测量配电网正常运行时,采用频率扫描法向配电网注入幅值为1A 、频率为12H z~60H z 自动可调、间隔为0.1H z 的电流信号,并实时测量返回电压信号U #和电流I #的相位差,寻找相位差最接近0(即最接近配电网谐振频率)的2个频率点f 1和f 2,记录分别对应的相位差a 和b 。

近似认为谐振点附近相)62)2008,32(3)位差与频率呈线性关系,采用线性插值,计算配电网精确谐振频率为(计算精度可达0.01H z):f X =af 2+bf 1a +b(8)为实现相位差的高精度测量,采用高精度晶振和FPGA 计时器实现。

由高精度晶振产生计数脉冲时钟,由FPGA 设计信号发生器和计数器。

信号发生器输出具有高精度频率的测量信号,计数器记录输出电流信号与返回电压信号过零点的时间间隔(即相位差)。

该适合消弧线圈预随调接地系统的电容电流测量技术与文献[7]的谐振测量技术比较,结果如表1所示,其中电容电流的测量范围是指2种方法都在配电网正常运行时中性点接20H 电感所测得的电容电流。

表1中,本文测量技术所测谐振频率、脱谐度和电容电流的范围都比文献[7]的数值宽。

表1 电容电流测量范围比较结果Table 1 Comparison results of capacitive currentmeasurement ranges方法测量频率范围/H z 脱谐度范围/(%)电容电流范围/A 文献[7]技术30~60-44~6414~55本文技术12~60-44~9514~4003 预随调式消弧线圈测控装置开发了预随调式消弧线圈测控装置,硬件结构如图4所示。

图4 装置硬件结构Fig.4 Block diagram of device hardware该测量装置的主要功能如下:1)在线实时测量配电网的电容电流、脱谐度、中性点位移电压及电网频率;2)根据测量的配电网对地电容电流值实时调节消弧线圈的容量,并在配电网发生单相接地故障时自动投入消弧线圈,补偿对地电容电流;3)采用液晶屏显示各项测量数据,并完成整定值输入;4)具有通信功能,与变电站自动化系统及配电自动化系统接口;5)具有时钟功能和自检功能,装置运行异常时能自动报警。

该测量装置向电网注入变频电流信号,寻找配电网谐振频率,从而计算出配电网对地电容电流。

测量电容电流时,单片机向FPGA 模块发送待输出信号的频率,并读取测量相位差。

FPGA 设计成信号发生器和计数器,信号发生器输出高精度频率的测量信号,控制发信板向配电网注入频率变化的电流信号。

配电网返回的电压信号经高精度滤波后,转换为方波信号,送入计数器,记录输出电流信号与返回电压信号过零点的时间间隔(即相位差)。

由单片机插值计算配电网的精确谐振频率,并计算配电网对地电容电流值。

该电容电流测量的软件流程如图5所示。

图5 电容电流测量软件流程Fig.5 Flow chart of capacitive current measuring电容电流测量的主要步骤如下:1)测量装置初始化,测量配电网的系统频率;2)单片机读取频率表参数,并通过FPGA 控制发信板向电网注入相应频率的电流信号;3)FPGA 对发出的电流信号和电网返回电压信号的相位差进行测量,并把测量结果送回单片机;4)单片机根据相位差寻找配电网谐振频率前后2个频率点,线性插值,计算出配电网的精确谐振频率;5)进一步计算出配电网的脱谐度和电容电流。

4 实验测试及结果分析4.1 模拟实验测试如图6所示,模拟10kV 配电网预随调接地系统。