考虑分布式能源的智能配变台区系统设计

2022-02-21孙文宇尹兆磊周迎伟毕圆圆张柏杨

工业仪表与自动化装置 2022年1期

孙文宇，尹兆磊，周迎伟，毕圆圆，赵磊，张柏杨

(国网冀北电力有限公司承德供电公司，河北承德 067000)

0 引言

如今，随着人民的生活质量的不断提高，智能电网的建设也遇到了更多新的需求和挑战[1]。社会上居民的用电需求增加速度越来越慢，很多地区的输电线路骨架逐渐趋于完善，而且电源的供给也比较充足，国内逐步将智能电网的建设重心由智能电网输电线路的建设转移到配变台区的配网侧与用户侧建设。智能电网正在逐步提高供电的可靠性，配变台区的自动化水平也日趋完善，提供用户侧的电能质量和服务水平，是实现配变台区智能化的重要手段[2]。对于智能电网而言，配变台区指的是变压器的电能提供区域，通常位于配电网的末端，起到为该区域内的居民和商户提供电能服务的作用[3]。智能配变台区系统的设计可以实现输电线路、变压器等数据的监控与采集，还可以与配电网主站连接，交换运行数据，监测配变台区的运行状况，配变台区与配电网之间的相互配合，可以连接并管理电网信息，保证配电网运行的稳定性。

李琮琮等人[4]在同一配变台区分析了电能表的并联电气结构，发现采集到的电压变化规律都是一致的，根据配电网输电线路的理论知识，与配变台区变压器距离最近的节点和远处节点相比，电压值较高，基于这一判据，根据皮尔逊系数的计算结果，对电能表之间的相关性进行量化，通过对比电压的大小，识别到配变台区的信息，结合实例分析的方法，验证了该方法的准确性，但是无法保证配变台区系统的稳定性；杨志淳等人[5]根据智能配变终端的结构，针对低压配电网故障设计一种研判方法，先利用智能配变终端监测并分析了配变台区变压器的信息和电能表数据，利用分布式边缘计算功能，对用户的停电事件进行掌握，实时就地研判配变台区故障，解决了传统方法的不足，对配变台区的故障实时定位，减少用户的停电事件，但是配变台区系统的软件程序会出现卡顿。

基于以上研究的不足，该文考虑到分布式能源的特点，设计一个智能配变台区系统，保证系统硬件和软件的稳定性。

1 考虑分布式能源的智能配变台区系统智能配变台区系统硬件设计

1.1 设计系统硬件结构

智能配变台区的硬件设计部分包括三个层次，即功能实现层、核心控制层和通信接口层，其硬件结构框图如图1所示。

图1 硬件结构框图

配变台区硬件结构是围绕TI仪器生成的微处理器展开的，选择AM3358芯片的核心板作为核心控制层。微处理器单元比微控制器单元的功能更强大，可以满足配变台区系统在性能和可靠性方面的需求，作为核心控制层，还可以为微处理器搭配电源管理芯片[6]。由于DDR3从AM3358芯片中读写数据的速度比较快，往往将该芯片放在核心板中，为接口层和功能实现层使用。

1.2 设计遥信检测单元

配变台区系统需要对区域内的开关闭合状态进行实时检测，并上报给主站，经过遥信检测单元之后，开关的状态量就会直接输入到I/O管脚，通过输入的电平信号判断开关的状态。遥信检测单元原理如图2所示。

图2 遥信检测单元原理图

在遥信检测单元的原理中，电路为TLP521-1光耦的形式，结合DIP-4封装方式，对采集电路中的信号起到隔离作用。图中D10是一个保护电路的反向二极管，C19是一个对光耦起到保护作用的稳压电容，可以防止配变台区的变压器出现突变[7]。当遥信检测开关处于闭合状态时，YX10位置处的电压值为12 V，这时TLP521-1光耦处于导通状态，R19，R21与发光二极管共同构成输入回路，此时，位于电路另一端的弱电信号也会被导通，PA6处于低电平状态，而高电平信号就会进入I/O管脚内，配变台区接收到开关处于闭合状态的信号。当遥信检测开关处于断开状态时，YX10位置处的电压值为0 V，这时TLP521-1光耦处于不导通状态，PA6处于高电平状态，配变台区接收到开关处于断开状态的信号。

基于系统硬件架构，设计了遥信检测单元，实现了系统的硬件设计。

2 智能配变台区系统软件设计

2.1 基于分布式能源的智能配变台区无功功率补偿模型构建

在智能配变台区，每一个电器设备都不会同时运行，配变设备自身也会产生一定的功率损耗[8]，因此，需要结合分布式能源的负载特性与变化规律，确定变压器的容量。利用下式可以计算出配电台区变压器的无功功率补偿度，即：

(1)

式中：SN表示变压器在配变台区的额定容量值；β表示变压器的最大负荷率；φ1表示功率补偿前的因数角；φ2表示功率补偿之后的因数角；Qc表示补偿装置提供的无功功率值。那么利用下式可以计算变压器的容量，即：

Qc=P(tanφ1-tanφ2)

(2)

式中：P表示无功功率；tanφ1表示负荷功率因数角在补偿前的正切值；tanφ2表示负荷功率因数角在补偿后的正切值。

引入最优覆盖的基本思想[9]，根据分布式能源的分布特点，得到该区的负荷信息，对变压器的损耗分析，实现无功补偿的优化。配变台区无功功率需求的概率分布曲线是根据某一个时间段内的历史信息[10]，经过统计得到的，在已知的时间段内，无功补偿需要的实际补偿量如图3所示。

图3 无功需求分布曲线图

最优覆盖就是最大化覆盖无功的需求，使得面积差达到最小值[11]。当曲线的变化幅度一定时，最优覆盖就是无功需求分布的面积最大值，如图4的阴影部分所示。

图4 最优覆盖原理

在无功功率补偿模型中，根据分布式能源的分布规律，可以将电容容量曲线的最大覆盖面积作为目标函数，表示为：

(3)

式中：SC表示配变台区电容容量的覆盖面积；HC表示对电容补偿的总容量；HN表示电容补偿的分组数；C1表示电容容量的实际成本；C2表示增加一组电容的成本增加值；C3表示配变台区无功补偿装置的费用。

根据以上步骤，完成智能配变台区无功功率补偿模型的构建。

2.2 设计智能配变台区继电安全保护算法

在智能配变台区，要想实现继电安全保护，需要计算出配变台区发生故障时的适应度函数和期望函数[12]，通过对比故障状态下和正常运行下的适应度，计算出配变台区继电保护的故障识别概率，根据这一结果实现智能配变台区的继电安全保护。在智能配变台区，如果与故障识别编码对应的适应度值为E(x)，那么当配变台区发生故障时，可以利用下式计算出适应度函数，即：

(4)

根据配变台区继电保护的动作逻辑[13]，确定了实施继电保护的范围，构建配变台区继电保护的期望函数，通用公式表示为：

(5)

(6)

(7)

(Aj∪Bj∪Cj)∩Sj

(8)

在继电保护正常状态下和故障状态下，通过对比故障识别编码的适应度值[14-15]，计算了配变台区继电保护的故障识别概率，即：

(9)

式中：Esi表示正常状态下继电保护装置的编码适应度；Ei表示继电保护计算的编码适应度。那么继电保护的判决公式为：

(10)

式中：Kset1为配变台区继电保护的可靠性系数整定值；Kset2为识别配变台区故障的概率整定值；Kset3为定位配变台区故障的概率整定值。

综上所述，通过构建智能配变台区无功功率补偿模型和设计智能配变台区继电安全保护算法，实现了系统的软件设计。

3 性能的性能测试与分析

完成了考虑分布式能源的配变台区系统设计之后，需要对软硬件功能的完整性、模块参数的稳定性以及系统的稳定性进行全面的测试。该文的测试分为硬件和软件两部分，硬件测试部分包括驱动程序的稳定性测试和模块的功能测试，软件部分主要验证系统的运行能力。

3.1 测试硬件功能

硬件部分是配变台区系统运行的基础环境，将系统硬件部分存在的故障排除之后，可以保证系统稳定运行。通过通信接口测试、电能计量单元通信测试，实现系统的硬件功能测试。

3.1.1 通信接口测试

对于智能配变台区系统而言，通信接口测试是利用一根USB线将系统主板上的通信接口与系统PC终端连接，启动调试助手，待数据长度、波特率设置完成之后，开始测试，结果如表1所示。表1的测试结果表明，文中配变台区系统的通信接口满足系统的硬件功能需求。

表1 配变台区通信接口测试结果

3.1.2 遥信检测单元通信测试

系统在运行过程中，遥信检测单元通过RTENKW芯片管脚进行通信，先检测RTENKW芯片管脚的供电情况是否正常，选择PRFV-02-F电压表检测芯片管脚的输出情况，观察RTENKW芯片的电压与用户手册中的规定电压值一致，如果检测结果与规定值一致，说明供电正常。RTENKW芯片管脚电压检测结果如表2所示。从表2的结果可以看出，对于遥信检测单元的通信功能而言，其内部芯片都可以正常为系统提供电能。

表2 RTENKW芯片管脚电压检测结果

3.2 测试软件功能

该文通过测试系统的软件的功能单元，实现软件测试。在配变台区系统中，将测试电源示值与终端检测数值作对比，配变台区三相电流电压的测量误差设置为±0.5%以内，判断其功能是否可以达标。交流电源在220 V,1 A的条件下，配变台区三相电流电压检测结果如表3所示。从表3的结果可以看出，配变台区三相电流电压检测结果满足测量误差要求，得到的误差测量结果都小于±0.5%。