在线柔化因子可调的自适应电流互感器变比预测器

王红斌, 王晓东, 聂晓龙, 徐 灿

(1. 国网山西省电力公司 长治供电公司, 山西 长治 046011; 2. 武汉磐电科技股份有限公司 发展策划部, 武汉 430100)

随着我国在配电网建设和管理方面投入力度的不断加大,电能计量[1-2]装置准确性提升直接影响配电网络线损的精益化管理和供用电双方的经济利益,成为了目前配电网调控与改进的热点.然而,电力用户存在季节性用电、阶段性用电、日常用电、间歇性用电和不确定性用电等用电不规律情况,负荷波动较大.在配置电流互感器时,用单一变比的高压计量装置将会严重影响计量时段内不同负载[3]情况下的计量准确性.当线路电流超过正常工作电流范围时,电流互感器[4]将产生超差,使电流互感器铁芯和二次线圈过热、绝缘老化,可能诱发设备损坏和线路跳闸.

目前多变比互感器在国内外均有一定的研究,主要采用多个绕组的方式,将内部继电器或电力电子器件切换至互感器接入的二次线圈,控制互感器变比的变化.MYRELID等[5]提出了采用智能转换计量装置配合复合变比电流互感器的方式,实现了多变比电流互感器的变比调节.方法在一定程度上可以实现电流互感器的变比调节,但智能转换计量装置与多变比电流互感器相互独立[6],二者之间需通过人工进行接线,无法做到自动化和一体化.刘刚等[7]在16条10 kV专用线路出线柜上安装使用复合变比多倍率自动转换互感器,解决了低负载和超负载丢失电量的问题,但其挂网的多倍率自动转换互感器仍然无法自动转换配接互感器计量装置与前级复合变比互感器,降低了复合变比多倍率自动转换互感器的操作简便性.

鉴于此,本文提出了一种复合变比自适应智能电流互感器装置.该装置通过内置于变比切换模块的可调柔化因子广义预测算法[8]实现复合变比组合在线调控,从而改善配网互感器的运行性能,提高配电网系统的安全性、稳定性,保证电能计量的准确,促进电网健康有序发展.

1 复合变比自适应智能电流互感器

复合变比自适应智能电流互感器包括电流检测单元、变比切换单元和输出切换单元,可实现一次侧电流自动检测、量程自动切换和变比信息传输的功能.电流检测单元可实现对一次负荷电流幅值实时检测,并将二次电流信号[9-10]和内部逻辑判断模块输出的逻辑信号传送至变比切换单元和输出切换单元.逻辑信号用于控制变比切换单元和输出切换单元的状态.变比切换单元以电流检测单元的二次电流信号作为变比自动选择切换的依据,并将变比信息传输至远方主站,最终实现电流互感器的复合变比自适应调节.自适应变比电流互感器原理如图1所示.

图1 自适应变比电流互感器原理图Fig.1 Schematic principle of adaptive ratio current transformer

图2为自适应变比电流互感器的方案图.默认电流互感器以较大变比进行电流检测和输出,并通过精度要求较低的电流互感器粗略测得配电网一次负荷电流值.

图2 自适应变比智能电流互感器典型方案图Fig.2 Typical scheme diagram of adaptive ratio intelligent current transformer

电流检测单元实时检测电流互感器一次负荷电流的数值,其内部包含逻辑判断模块.当实时检测的一次负荷电流在正常范围内时,则将其二次测量结果通过输出切换模块传送至电能表.而当实时检测的一次负荷电流过大或过小时,则打开变比选择单元,将二次电流输出控制权移交给变比选择单元,并将逻辑控制信号传送至输出切换模块,使输出切换模块切换至另一通路.变比选择单元根据电流检测单元的二次电流输出幅值自动选择多变比电流互感器的最优变比,以保证电流互感器的二次测量精度.多变比电流互感器具有3～5个不同变比,并涵盖配变台区或专变台区的欠负荷和过负荷情况下的所有一次负荷电流.其后变比选择单元将变比信息与多变比二次输出分别传送至远方主站和电能表.变比选择单元采用低温漂精密信号调理电路,其可达到较高的模拟精度,可供借鉴的方法主要是采用改变一次绕组串并联连接方式或选择二次绕组抽头方式等.

对于一次绕组并联电路,电流从输入端分两个支路流经一次绕组,每个支路电流大小为I1,总电流为2I1,与此同时流经二次绕组的电流为I2.对于一次绕组并联的电流互感器,总的一次绕组就是1匝,电流为2I1.假设电流互感器二次绕组匝数为N2,则变比为

(1)

对于一次绕组串联的电流互感器,设流经一次绕组电流为I1,流经二次绕组电流为I2,其一次总绕组是2匝,则变比为

(2)

通过改变一次绕组串并联连接,进而改变电流互感器变比选择方式,可有效对电流互感器变比进行切换.但该种方式的电流互感器变比选择余地小,且在一次绕组串并联连接方式的切换过程中需要断电操作,无法实现自适应调节,不符合电流互感器智能改变变比的功能要求,也不利于配电网供电可靠性和计量准确性的提高.但其变比改变的策略和方法对复合变比自适应智能电流互感器的研究具有一定借鉴意义.此外,选择电流互感器二次绕组抽头也是改变电流互感器变比的一种方式,但也存在不能在线自动进行电流互感器变比调节的缺点,给现场操作人员增加了工作量.

变比切换模块结构如图3所示,其为复合变比自适应智能电流互感器的核心结构,包含电流检测模块的一次复合电流信息接收端、二次电流输出端、变比信息输出端以及与电流互感器相连的变比选择控制端.当电流检测单元中逻辑判断模块判定一次负荷电流超出正常范围时,变比切换单元内部闭锁信号解除,从而获得电流变比选择控制权,根据电流检测模块中一次负荷电流幅值的大小,通过内部逻辑结构进行最优变比的自适应选择,并控制变比选择端进行相应动作.然后通过倍率归一模块将二次电流进行转换后传送至电能表,并将变比信息传送远方主站.肖特基二极管组成的限压模块用于防止在电流变比切换过程中多变比电流互感器的二次开路.

图3 变比切换模块结构图Fig.3 Variable ratio switch module structure diagram

2 可调柔化因子广义预测算法

PID控制器在工业控制系统中有着广泛的应用,在电力电能控制系统中的广泛适用性表明了其在闭环控制中的优越性[11-13].广义预测控制(GPC)是一种具有代表性的自适应控制方法,本文提出了一种改进的GPC算法,该算法具有自适应参考二次电流变比轨迹和自适应柔化因子[14-15]的优点.

改进GPC算法控制模型为

(3)

式中:y(k+j)为预测过程的输出;α为柔化因子;yr为二次电流变比的参考轨迹;y(k)为当前进程的输出;Δu(k+j-1)为增量控制输入的第k个采样速率;n为输出预测层数量;m为控制层数量;λ(j)为控制输入偏差的加权参数.w(k+j)也可以表示为矩阵形式,即

(4)

为获得最佳的二次电流变比调控速率,需要估计预测的y(k+j)值,可以通过一个自回归综合移动平均计算模型表示,即

(5)

式中:E=1-z-1为差分算子;u(k)为控制输入变量;ξ(k)为零均值白噪声;A(z-1)、B(z-1)以及C(z-1)为后移算子z-1的多项式.

引入丢番图导出预测输出为

(6)

根据表达式(3)、(4)可以得到y(k+j)以及忽略零均值白噪声时需要计算的控制输入,即

(7)

整个预测层的未来估计量可以表示为

(8)

式(3)可以重写为

J=(Y-W)T(Y-W)+λΔUTΔU

(9)

柔化因子α是GPC控制器的关键参数,其值可以从0～1变化,并被证明对积分时间和系统输出有显著的影响.控制系统具有低鲁棒性和高跟踪速度时,设置α为0;具有高鲁棒性和低跟踪速度时,设置α为1.由此,本文提出自适应软化因子策略,在系统进行实时计算的基础上,参考二次电流变比轨迹变化,确保迅速调整α指数方程.

3 用电数据采集和控制分析

本文采集实际电网监测用户的电能数据,分析数据类型涵盖了常见的用电负荷分类:1)日常用电,如大部分的生产制造业、办公大楼、写字楼、商场和住宅区;2)阶段性用电,如大型泵站、炼钢炉或小炼钢厂等.典型的24 h负荷曲线的记录情况如图4～7所示.

图4 写字楼用户的24 h负荷情况Fig.7 24-hour load situation of office users

图5 炼钢炉用户的24 h负荷情况Fig.5 24-hour load situation of furnace users

图6 居民用户的24 h负荷情况Fig.6 24-hour load situation of residential users

图7 商场用户的24 h负荷情况Fig.7 24-hour load of mall users

实际采集数据包括4种类型的用户各5例,连续分析并采集了其1个月的数据,截取时间为每个自然日的连续24 h.取最小预测时域N1=1,最大预测时域N2=18,控制时域N3=6,柔化因子α=0.5.考虑到实际柔化因子调控是实时进行的,将柔化调控因子和电能变化信号进行同步展示,图8～11展示了不同用户负载24 h电流变化和追踪控制预测及柔化因子变化曲线.

图8 写字楼用户的负载电流控制Fig.8 Load current control of office users

图9 炼钢炉用户的负载电流控制Fig.9 Load current control of furnace users

图10 居民用户的负载电流控制Fig.10 Load current control of residential users

图11 商场用户的负载电流控制Fig.11 Load current control of mall users

结合图8～11中的电流变化情况可以看出,针对不同类型的用户,本文提出的控制追踪算法能稳步跟上负载二次电流的变化,进而实现对变比的提前控制,计算得到不同用户的变比需求.结合图8～11中的柔化因子变化情况可以看出,在波形变化剧烈时,柔化因子取值减小接近0;当波形变化平稳时,柔化因子取值增大接近1.

4 结 论

本文从配网中电流互感器由于负荷变化而造成计量误差的问题出发,结合实际运行环境,对现有单变比电流互感器在低负荷电流和过负荷电流方面的缺陷进行分析.提出了复合变比自适应智能电流互感器的变比组合策略,对复合变比自适应智能电流互感器进行研制,并结合提出的在线柔化因子可调广义预测算法,实现了对负载二次电流的准确追踪控制.充分考虑现场安装条件,对复合变比自适应智能电流互感器进行结构设计,并完成复合变比自适应智能电流互感器测试与应用.为解决电流互感器计量范围不够宽而无法满足用电负荷变化速度快,导致在低负荷或超负荷时计量失准造成电能漏计的问题提供了有效方案.