基于电容补偿法的变压器电流回路检测方法

李明远，汪向军，姜越，陆奔宇，柳德平

（江苏省送变电有限公司，江苏南京 210028）

随着用电设备接入量的增大，电力系统无功功率的数值水平也会不断升高，由于电量信号之间具有明显的互通性，电源容量使用效率会呈现出持续降低的变化趋势，而电容补偿也叫功率因数补偿或无功补偿[1]。在这种补偿性处理原则的作用下，电容器元件两端负载电压数值会出现一定程度的提升，这不但能够避免无功电量信号的大量累积，还会促进电信号参量的快速传输[2]。从供电角度来看，电容补偿作用可以更改变电信号的初始传输形式，在保证其电量供给能力的同时，平衡不同耗电设备之间的电压配比关系，一方面可使电力系统中的电信号参量处于长期稳定的传输状态；另一方面也可以将电网无功功率控制在相对较低的数值水平。

电流回路是指由电源、电键、用电器等多个元件结构共同组成的电流通路。对于变压器设备而言，电流回路内相邻电量信号之间的连接关系极为紧密，特别是在压降差相对较高的情况下，变压器设备能够为电量信号提供稳定的逆变传输环境，而这些信号参量也可以在稳压电源的作用下按需反馈给各级耗电设备[3]。随着变压器输出功率水平的改变，逆变电信号回流速度会出现明显下降的变化态势，在此情况下，变压器电流回路对于电量信号的感应敏感性也会不断下降。为避免上述情况的发生，传统限流控制方法借助电度表元件测量变压器设备的总电路电压，又根据统计学原则，确定电信号参量的实时回流速度[4]。然而该方法的应用能力有限，并不能将变压器电流回路对于电量信号的感应敏感性提升至既定数值水平。为解决上述问题，以电容补偿法为基础，设计一种新型的变压器电流回路检测方法。

1 基于电容补偿法的变电回路建模

1.1 电容补偿线路规划

在变压器电流回路中，电容补偿线路的搭建以LM2596-5 V 元件为基础，可以在CD4051 设备的作用下，调节C1、C2、C3电容元件内逆变电信号的传输速度，从而使得+VCC 端、-VDD 端之间的传输电流始终保持相对稳定的数值状态[5-6]。LM2596-5 V 元件直接负载于+VCC 端、-VDD 端之间，可以借助1号、2 号、3 号等多个处于开放状态的节点组织，将已存储逆变电信号传输给电阻R与电容C。完整的电容补偿线路布局形式如图1 所示。

图1 电容补偿线路布局形式

在规划电容补偿线路时，为使CD4051 设备能够准确感知逆变电信号的实时传输速度，要求电流逆变器设备的内阻值不宜过高，但又必须高于电阻R已连接部分的阻值。

1.2 变电模量提取

变电模量是指变压器元件在电容补偿线路中提取的逆变电信号频域度量值，由于变压器元件同时负载高频、低频两种类型的电信号参量，所以变电模量指标也具有两种基本数值形态[7-8]。在电力系统运行环境中，变电模量的负值分量表示变压器元件当前所负载电信号参量处于低频传输状态；变电模量的正值分量表示变压器元件当前所负载电信号参量处于高频传输状态。设χ表示逆变系数，β表示基础变电参量，表示变压器元件在单位时间内所提取的逆变电信号均值，q表示电信号参量的频域传输特征值，ΔT表示逆变电信号的单位传输时长。基于电容补偿法所提取到的变电模量求解定义式为：由于逆变电信号的频域跨度值不可能为零，所以变电模量指标的求解结果也不可能等于零。

1.3 电量补偿系数

电量补偿系数决定了电容补偿算法对于变压器电流回路的约束作用能力。在变电模量指标的基础上，电量补偿系数要求变压器元件负载电容必须保持相对稳定的数值状态，即随着电流回路内逆变电信号累积量的增大，变压器元件负载电容不应该出现明显的数值变化[9-10]。设e0表示变压器元件负载电容的初始赋值，eε表示ε时间节点处的变压器负载电容数值，在电流回路中，eε≥e0不等式条件恒成立。在上述物理量的支持下，联立式（1），可将电量补偿系数计算结果表示为：

2 变压器电流回路检测算法设计

2.1 A/D转换器

A/D 转换器是一个完整的小型闭环电路结构。在变压器电流回路中，该元件结构的选取既影响变压器设备对于逆变电信号的处理与运输能力，也会改变电容补偿线路的实时布局形式[11]。为保障变压器电流回路的稳定性，在设置A/D 转换器结构时，必须考虑如下几方面因素：

1）在执行电量处理指令时，A/D 转换器设备的实际量程范围必须大于变压器电流回路内传输电流的最大数值；

2）A/D 转换器设备所接收的逆变电信号必须保持直流传输状态，对于交流形式的电流信号而言，其在被输入A/D 转换器设备之前，必须经过变压器元件的多次处理[12]；

3）单一检测周期内，A/D 转换器设备只能对一种类型的逆变电信号进行处理，但一个变压器电流回路内却可以包含多个完整的电量信号检测周期；

4）为加快逆变电信号的回流速度，在设置A/D转换器设备时，要求输入端的起始电流数值必须大于输出端的实际电流数值。

2.2 电流互感系数

电流互感系数也叫变压器电流回路中的电量感应向量，在电容补偿法的认知中，该项指标参量的取值结果越大，就表示变压器设备对于传输电流的调节能力越强。在不考虑其他干扰情况下，电流互感系数指标受到电信号累积量均值，电容互补参量两项物理指标的直接影响[13-14]。电信号累积量均值常表示为，由于变压器设备具有较强的电量承载能力，该项物理系数的取值始终属于区间(1,+∞)。电容互补参量常表示为f，在移动电荷传输方向为正的前提下，该项物理系数取值恒大于零。在上述物理量的支持下，联立式（2），可将电流互感系数求解表达式定义为：

其中，γ表示电流信号的方向性度量系数，ι表示电量累积系数的初始取值，θ表示点电荷识别系数，κ表示电流信号感应特征。为实现对电流互感系数的准确求解，要求系数θ的取值必须大于系数κ。

2.3 电信号回流量

电信号回流量是指变压器设备在单位时间内所接收到的点电荷总量[15]。由于变压器设备对于敏感性电容的感应能力有限，随着输出电压数值的增大，电信号回流量指标也不会出现无限增大的数值变化趋势[16]。设ρ表示点电荷在变压器电流回路中的分布密度，且ρ≥1 的不等式条件恒成立，表示电容特征值，λ表示点电荷回流系数，ΔS表示点电荷的单位累积量。基于电容补偿法的电信号回流量求解表达式为：

因为变压器元件的实时运行速率不可能为零，所以电信号回流量指标的计算数值也恒大于自然数“1”。至此，完成对相关指标参量的计算与处理，在电容补偿法原则的作用下，实现变压器电流回路检测方法的设计与应用。

3 实例分析

3.1 实验准备

选择CDDZ1500TM 型号的变压器设备作为实验元件，借助传输导线将其与CDKUS5024 变电控制箱相连（如图2 所示）。

图2 变电器电流回路连接

按照表1 所示指标数值对变电器电流回路中的相关参量进行设置，以确保点电荷能够处于稳定传输状态。

表1 实验参数设置

为保证实验结果的真实性，在实验开始前，应将所有实验设备示数归于零位。

3.2 实验流程

按照图3 所示执行原则，筛选实验组、对照组变量指标。

图3 实验数据筛选

分别利用实验组（基于电容补偿法的变压器电流回路检测方法）、对照组（限流控制方法）方法，检测逆变电信号的回流速度，并将所得数值记为实验组与对照组实验数据。

3.3 数值分析

在变压器电流回路中，逆变电信号回流速度能够反映出设备元件对于电量信号的感应敏感性，在不考虑其他变量条件的情况下，逆变电信号的回流速度越快，设备元件对于电量信号的感应敏感性也就越强。

表2 记录了实验组、对照组逆变电信号回流速度的具体实验数值。

表2 逆变电信号回流速度

分析表2 可知，随着实验时间的延长，实验组逆变电信号回流速度呈现出不断增大的数值变化态势，但实验前期的数值增长幅度明显大于实验后期；对照组逆变电信号回流速度则保持先稳定、然后持续小幅上升、最后再次趋于稳定的数值变化态势。从极限值角度来看，实验组逆变电信号回流速度最大值达到了9.5 A/ms，与对照组最大值7.1 A/ms 相比，增大了2.4 A/ms；整个实验过程中，实验组逆变电信号回流速度均值为8.7 A/ms，与对照组平均值6.7 A/ms 相比，增大了2.0 A/ms。

4 结束语

文中提出基于电容补偿法的变压器电流回路检测方法。根据电容补偿法则规划电容补偿线路，联合提取所得变电模量，实现基于电容补偿法的变电回路建模。实验结果表明，在电容补偿法原则的作用下，逆变电信号回流速度的数值水平得到了大幅促进，弥补了限流控制方法在提升逆变电信号回流速度方面的不足，满足增强变压器电流回路对于电量信号感应敏感性的实际应用需求。