在線柔化因子可調(diào)的自適應(yīng)電流互感器變比預(yù)測器

王紅斌, 王曉東, 聶曉龍, 徐 燦

(1. 國網(wǎng)山西省電力公司 長治供電公司, 山西 長治 046011; 2. 武漢磐電科技股份有限公司 發(fā)展策劃部, 武漢 430100)

隨著我國在配電網(wǎng)建設(shè)和管理方面投入力度的不斷加大,電能計(jì)量[1-2]裝置準(zhǔn)確性提升直接影響配電網(wǎng)絡(luò)線損的精益化管理和供用電雙方的經(jīng)濟(jì)利益,成為了目前配電網(wǎng)調(diào)控與改進(jìn)的熱點(diǎn).然而,電力用戶存在季節(jié)性用電、階段性用電、日常用電、間歇性用電和不確定性用電等用電不規(guī)律情況,負(fù)荷波動較大.在配置電流互感器時,用單一變比的高壓計(jì)量裝置將會嚴(yán)重影響計(jì)量時段內(nèi)不同負(fù)載[3]情況下的計(jì)量準(zhǔn)確性.當(dāng)線路電流超過正常工作電流范圍時,電流互感器[4]將產(chǎn)生超差,使電流互感器鐵芯和二次線圈過熱、絕緣老化,可能誘發(fā)設(shè)備損壞和線路跳閘.

目前多變比互感器在國內(nèi)外均有一定的研究,主要采用多個繞組的方式,將內(nèi)部繼電器或電力電子器件切換至互感器接入的二次線圈,控制互感器變比的變化.MYRELID等[5]提出了采用智能轉(zhuǎn)換計(jì)量裝置配合復(fù)合變比電流互感器的方式,實(shí)現(xiàn)了多變比電流互感器的變比調(diào)節(jié).方法在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)電流互感器的變比調(diào)節(jié),但智能轉(zhuǎn)換計(jì)量裝置與多變比電流互感器相互獨(dú)立[6],二者之間需通過人工進(jìn)行接線,無法做到自動化和一體化.劉剛等[7]在16條10 kV專用線路出線柜上安裝使用復(fù)合變比多倍率自動轉(zhuǎn)換互感器,解決了低負(fù)載和超負(fù)載丟失電量的問題,但其掛網(wǎng)的多倍率自動轉(zhuǎn)換互感器仍然無法自動轉(zhuǎn)換配接互感器計(jì)量裝置與前級復(fù)合變比互感器,降低了復(fù)合變比多倍率自動轉(zhuǎn)換互感器的操作簡便性.

鑒于此,本文提出了一種復(fù)合變比自適應(yīng)智能電流互感器裝置.該裝置通過內(nèi)置于變比切換模塊的可調(diào)柔化因子廣義預(yù)測算法[8]實(shí)現(xiàn)復(fù)合變比組合在線調(diào)控,從而改善配網(wǎng)互感器的運(yùn)行性能,提高配電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性,保證電能計(jì)量的準(zhǔn)確,促進(jìn)電網(wǎng)健康有序發(fā)展.

1 復(fù)合變比自適應(yīng)智能電流互感器

復(fù)合變比自適應(yīng)智能電流互感器包括電流檢測單元、變比切換單元和輸出切換單元,可實(shí)現(xiàn)一次側(cè)電流自動檢測、量程自動切換和變比信息傳輸?shù)墓δ?電流檢測單元可實(shí)現(xiàn)對一次負(fù)荷電流幅值實(shí)時檢測,并將二次電流信號[9-10]和內(nèi)部邏輯判斷模塊輸出的邏輯信號傳送至變比切換單元和輸出切換單元.邏輯信號用于控制變比切換單元和輸出切換單元的狀態(tài).變比切換單元以電流檢測單元的二次電流信號作為變比自動選擇切換的依據(jù),并將變比信息傳輸至遠(yuǎn)方主站,最終實(shí)現(xiàn)電流互感器的復(fù)合變比自適應(yīng)調(diào)節(jié).自適應(yīng)變比電流互感器原理如圖1所示.

圖1 自適應(yīng)變比電流互感器原理圖Fig.1 Schematic principle of adaptive ratio current transformer

圖2為自適應(yīng)變比電流互感器的方案圖.默認(rèn)電流互感器以較大變比進(jìn)行電流檢測和輸出,并通過精度要求較低的電流互感器粗略測得配電網(wǎng)一次負(fù)荷電流值.

圖2 自適應(yīng)變比智能電流互感器典型方案圖Fig.2 Typical scheme diagram of adaptive ratio intelligent current transformer

電流檢測單元實(shí)時檢測電流互感器一次負(fù)荷電流的數(shù)值,其內(nèi)部包含邏輯判斷模塊.當(dāng)實(shí)時檢測的一次負(fù)荷電流在正常范圍內(nèi)時,則將其二次測量結(jié)果通過輸出切換模塊傳送至電能表.而當(dāng)實(shí)時檢測的一次負(fù)荷電流過大或過小時,則打開變比選擇單元,將二次電流輸出控制權(quán)移交給變比選擇單元,并將邏輯控制信號傳送至輸出切換模塊,使輸出切換模塊切換至另一通路.變比選擇單元根據(jù)電流檢測單元的二次電流輸出幅值自動選擇多變比電流互感器的最優(yōu)變比,以保證電流互感器的二次測量精度.多變比電流互感器具有3～5個不同變比,并涵蓋配變臺區(qū)或?qū)Ｗ兣_區(qū)的欠負(fù)荷和過負(fù)荷情況下的所有一次負(fù)荷電流.其后變比選擇單元將變比信息與多變比二次輸出分別傳送至遠(yuǎn)方主站和電能表.變比選擇單元采用低溫漂精密信號調(diào)理電路,其可達(dá)到較高的模擬精度,可供借鑒的方法主要是采用改變一次繞組串并聯(lián)連接方式或選擇二次繞組抽頭方式等.

對于一次繞組并聯(lián)電路,電流從輸入端分兩個支路流經(jīng)一次繞組,每個支路電流大小為I1,總電流為2I1,與此同時流經(jīng)二次繞組的電流為I2.對于一次繞組并聯(lián)的電流互感器,總的一次繞組就是1匝,電流為2I1.假設(shè)電流互感器二次繞組匝數(shù)為N2,則變比為

(1)

對于一次繞組串聯(lián)的電流互感器,設(shè)流經(jīng)一次繞組電流為I1,流經(jīng)二次繞組電流為I2,其一次總繞組是2匝,則變比為

(2)

通過改變一次繞組串并聯(lián)連接,進(jìn)而改變電流互感器變比選擇方式,可有效對電流互感器變比進(jìn)行切換.但該種方式的電流互感器變比選擇余地小,且在一次繞組串并聯(lián)連接方式的切換過程中需要斷電操作,無法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié),不符合電流互感器智能改變變比的功能要求,也不利于配電網(wǎng)供電可靠性和計(jì)量準(zhǔn)確性的提高.但其變比改變的策略和方法對復(fù)合變比自適應(yīng)智能電流互感器的研究具有一定借鑒意義.此外,選擇電流互感器二次繞組抽頭也是改變電流互感器變比的一種方式,但也存在不能在線自動進(jìn)行電流互感器變比調(diào)節(jié)的缺點(diǎn),給現(xiàn)場操作人員增加了工作量.

變比切換模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示,其為復(fù)合變比自適應(yīng)智能電流互感器的核心結(jié)構(gòu),包含電流檢測模塊的一次復(fù)合電流信息接收端、二次電流輸出端、變比信息輸出端以及與電流互感器相連的變比選擇控制端.當(dāng)電流檢測單元中邏輯判斷模塊判定一次負(fù)荷電流超出正常范圍時,變比切換單元內(nèi)部閉鎖信號解除,從而獲得電流變比選擇控制權(quán),根據(jù)電流檢測模塊中一次負(fù)荷電流幅值的大小,通過內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)變比的自適應(yīng)選擇,并控制變比選擇端進(jìn)行相應(yīng)動作.然后通過倍率歸一模塊將二次電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換后傳送至電能表,并將變比信息傳送遠(yuǎn)方主站.肖特基二極管組成的限壓模塊用于防止在電流變比切換過程中多變比電流互感器的二次開路.

圖3 變比切換模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Variable ratio switch module structure diagram

2 可調(diào)柔化因子廣義預(yù)測算法

PID控制器在工業(yè)控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用,在電力電能控制系統(tǒng)中的廣泛適用性表明了其在閉環(huán)控制中的優(yōu)越性[11-13].廣義預(yù)測控制(GPC)是一種具有代表性的自適應(yīng)控制方法,本文提出了一種改進(jìn)的GPC算法,該算法具有自適應(yīng)參考二次電流變比軌跡和自適應(yīng)柔化因子[14-15]的優(yōu)點(diǎn).

改進(jìn)GPC算法控制模型為

(3)

式中:y(k+j)為預(yù)測過程的輸出;α為柔化因子;yr為二次電流變比的參考軌跡;y(k)為當(dāng)前進(jìn)程的輸出;Δu(k+j-1)為增量控制輸入的第k個采樣速率;n為輸出預(yù)測層數(shù)量;m為控制層數(shù)量;λ(j)為控制輸入偏差的加權(quán)參數(shù).w(k+j)也可以表示為矩陣形式,即

(4)

為獲得最佳的二次電流變比調(diào)控速率,需要估計(jì)預(yù)測的y(k+j)值,可以通過一個自回歸綜合移動平均計(jì)算模型表示,即

(5)

式中:E=1-z-1為差分算子;u(k)為控制輸入變量;ξ(k)為零均值白噪聲;A(z-1)、B(z-1)以及C(z-1)為后移算子z-1的多項(xiàng)式.

引入丟番圖導(dǎo)出預(yù)測輸出為

(6)

根據(jù)表達(dá)式(3)、(4)可以得到y(tǒng)(k+j)以及忽略零均值白噪聲時需要計(jì)算的控制輸入,即

(7)

整個預(yù)測層的未來估計(jì)量可以表示為

(8)

式(3)可以重寫為

J=(Y-W)T(Y-W)+λΔUTΔU

(9)

柔化因子α是GPC控制器的關(guān)鍵參數(shù),其值可以從0～1變化,并被證明對積分時間和系統(tǒng)輸出有顯著的影響.控制系統(tǒng)具有低魯棒性和高跟蹤速度時,設(shè)置α為0;具有高魯棒性和低跟蹤速度時,設(shè)置α為1.由此,本文提出自適應(yīng)軟化因子策略,在系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時計(jì)算的基礎(chǔ)上,參考二次電流變比軌跡變化,確保迅速調(diào)整α指數(shù)方程.

3 用電數(shù)據(jù)采集和控制分析

本文采集實(shí)際電網(wǎng)監(jiān)測用戶的電能數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù)類型涵蓋了常見的用電負(fù)荷分類:1)日常用電,如大部分的生產(chǎn)制造業(yè)、辦公大樓、寫字樓、商場和住宅區(qū);2)階段性用電,如大型泵站、煉鋼爐或小煉鋼廠等.典型的24 h負(fù)荷曲線的記錄情況如圖4～7所示.

圖4 寫字樓用戶的24 h負(fù)荷情況Fig.7 24-hour load situation of office users

圖5 煉鋼爐用戶的24 h負(fù)荷情況Fig.5 24-hour load situation of furnace users

圖6 居民用戶的24 h負(fù)荷情況Fig.6 24-hour load situation of residential users

圖7 商場用戶的24 h負(fù)荷情況Fig.7 24-hour load of mall users

實(shí)際采集數(shù)據(jù)包括4種類型的用戶各5例,連續(xù)分析并采集了其1個月的數(shù)據(jù),截取時間為每個自然日的連續(xù)24 h.取最小預(yù)測時域N1=1,最大預(yù)測時域N2=18,控制時域N3=6,柔化因子α=0.5.考慮到實(shí)際柔化因子調(diào)控是實(shí)時進(jìn)行的,將柔化調(diào)控因子和電能變化信號進(jìn)行同步展示,圖8～11展示了不同用戶負(fù)載24 h電流變化和追蹤控制預(yù)測及柔化因子變化曲線.

圖8 寫字樓用戶的負(fù)載電流控制Fig.8 Load current control of office users

圖9 煉鋼爐用戶的負(fù)載電流控制Fig.9 Load current control of furnace users

圖10 居民用戶的負(fù)載電流控制Fig.10 Load current control of residential users

圖11 商場用戶的負(fù)載電流控制Fig.11 Load current control of mall users

結(jié)合圖8～11中的電流變化情況可以看出,針對不同類型的用戶,本文提出的控制追蹤算法能穩(wěn)步跟上負(fù)載二次電流的變化,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對變比的提前控制,計(jì)算得到不同用戶的變比需求.結(jié)合圖8～11中的柔化因子變化情況可以看出,在波形變化劇烈時,柔化因子取值減小接近0;當(dāng)波形變化平穩(wěn)時,柔化因子取值增大接近1.

4 結(jié) 論

本文從配網(wǎng)中電流互感器由于負(fù)荷變化而造成計(jì)量誤差的問題出發(fā),結(jié)合實(shí)際運(yùn)行環(huán)境,對現(xiàn)有單變比電流互感器在低負(fù)荷電流和過負(fù)荷電流方面的缺陷進(jìn)行分析.提出了復(fù)合變比自適應(yīng)智能電流互感器的變比組合策略,對復(fù)合變比自適應(yīng)智能電流互感器進(jìn)行研制,并結(jié)合提出的在線柔化因子可調(diào)廣義預(yù)測算法,實(shí)現(xiàn)了對負(fù)載二次電流的準(zhǔn)確追蹤控制.充分考慮現(xiàn)場安裝條件,對復(fù)合變比自適應(yīng)智能電流互感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并完成復(fù)合變比自適應(yīng)智能電流互感器測試與應(yīng)用.為解決電流互感器計(jì)量范圍不夠?qū)挾鵁o法滿足用電負(fù)荷變化速度快,導(dǎo)致在低負(fù)荷或超負(fù)荷時計(jì)量失準(zhǔn)造成電能漏計(jì)的問題提供了有效方案.