二次消諧裝置測(cè)試系統(tǒng)研究

盧 潔，任貝婷，陳 黎，肖 灑，任喬林，湯迎春，肖亞平

(1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司孝感供電公司,湖北 孝感 432000；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司隨州供電公司，湖北 隨州 441300；3.三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

在配電網(wǎng)系統(tǒng)中，監(jiān)測(cè)母線對(duì)地電壓顯得尤為重要，在母線上通常裝設(shè)電磁式電壓互感器(potential transformer)以便測(cè)量母線電壓。電磁式電壓互感器是鐵芯電感元件，如果有某種大擾動(dòng)或操作，PT的非線性鐵芯就可能飽和，從而與線路和設(shè)備的對(duì)地電容形成特殊的單相或三相共振回路，同時(shí)由于各相鐵芯飽和程度的差異性導(dǎo)致在勵(lì)磁涌流中產(chǎn)生零序分量[1-3]。鐵磁諧振分為基波諧振、分次諧波諧振和高次諧波諧振，可能帶來(lái)以下危害：過(guò)電壓、過(guò)電流、波形畸變和破壞電力絕緣[4-7]，最終燒毀 PT，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生巨大的威脅。通過(guò)一段時(shí)間內(nèi)在PT開(kāi)口三角處接入阻尼電阻來(lái)增大諧振的阻尼從而能夠有效地抑制鐵磁諧振[8-9]。

目前35 kV及以下的電網(wǎng)內(nèi)部過(guò)壓事故多數(shù)由電壓互感器的鐵磁諧振引起。在低頻諧振時(shí)，一般電壓并不高，諧振電流大，易使PT過(guò)熱而爆炸；工頻和倍頻諧振時(shí)，電流較小，但電壓過(guò)高，常使設(shè)備絕緣損壞，造成惡性事故。二次消諧裝置為PT消除諧振的重要組成設(shè)備。現(xiàn)有技術(shù)一般采用繼電保護(hù)測(cè)試儀對(duì)二次消諧裝置進(jìn)行測(cè)試，但在測(cè)試過(guò)程中常常產(chǎn)生瞬時(shí)動(dòng)作大電流，易損壞繼電保護(hù)測(cè)試儀及二次消諧裝置，安全性較低等問(wèn)題。本文詳細(xì)分析了鐵磁諧振產(chǎn)生的機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種新型二次消諧裝置的測(cè)試裝置，能夠有效地消除配電網(wǎng)中由于電壓互感器與對(duì)地電容所產(chǎn)生的鐵磁諧振，同時(shí)，該裝置控制簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好，在電力系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。

1 鐵磁諧振過(guò)電壓產(chǎn)生的機(jī)理

在中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)中，母線上接有測(cè)量和監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)地絕緣的電磁式電壓互感器，其一次繞組接成星形，并且中性點(diǎn)直接接地。因此，其網(wǎng)絡(luò)對(duì)地參數(shù)除了電力設(shè)備和導(dǎo)線的對(duì)地電容之外，還有電壓互感器的勵(lì)磁電感，它們是并聯(lián)連接的，各自組成獨(dú)立的振蕩回路。由于鐵磁諧振現(xiàn)象是在零序回路內(nèi)產(chǎn)生的，所以導(dǎo)線的相間電容、改善功率因數(shù)用的電容器組、電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)載變壓器及其有功和無(wú)功負(fù)荷對(duì)于諧振過(guò)程不起任何作用。

概括的說(shuō)，鐵磁諧振是由電磁式電壓互感器的非線性特性所引發(fā)的，是電路由于鐵芯飽和而引起的一種躍變。這一躍變使得電路原來(lái)的電感性工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙菪缘墓ぷ鳡顟B(tài)，在此躍變過(guò)程中電流激增，電壓也隨之增加，從而產(chǎn)生過(guò)電壓。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)二次消諧裝置測(cè)試儀包括諧波發(fā)生模塊、過(guò)流保護(hù)模塊、檢測(cè)模塊、人機(jī)交互模塊及數(shù)據(jù)處理模塊。諧波發(fā)生模塊、過(guò)流保護(hù)模塊及檢測(cè)模塊分別與數(shù)據(jù)處理模塊連接，同時(shí)諧波發(fā)生模塊、過(guò)流保護(hù)模塊及檢測(cè)模塊分別與待測(cè)試的二次消諧裝置連接。諧波發(fā)生模塊用于在數(shù)據(jù)處理模塊的控制下產(chǎn)生設(shè)定參數(shù)的諧波信號(hào)，將諧波信號(hào)發(fā)送至二次消諧裝置。檢測(cè)模塊用于檢測(cè)二次消諧裝置接收到諧波信號(hào)后產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)。人機(jī)交互模塊用于接收設(shè)定參數(shù)，并將設(shè)定參數(shù)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊用于接收響應(yīng)信號(hào)，根據(jù)響應(yīng)信號(hào)判斷二次消諧裝置的工作狀態(tài)。過(guò)流保護(hù)模塊用于對(duì)諧波發(fā)生模塊進(jìn)行過(guò)流。保護(hù)顯示模塊與數(shù)據(jù)處理模塊連接，主要用于實(shí)時(shí)顯示響應(yīng)信號(hào)及所述工作狀態(tài)。整個(gè)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 整個(gè)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 諧波發(fā)生模塊

諧波發(fā)生模塊主要用于在數(shù)據(jù)處理模塊的控制下產(chǎn)生設(shè)定參數(shù)的諧波信號(hào)，將諧波信號(hào)發(fā)送至二次消諧裝置，設(shè)定參數(shù)包括頻率、電壓及電流中的一種或多種。諧波發(fā)生模塊(也稱為諧波發(fā)生器)由依次連接的CPLD，D/A轉(zhuǎn)換器、功率放大單元及第一接口單元構(gòu)成。CPLD與數(shù)據(jù)處理模塊連接，第一接口單元與二次消諧裝置連接，CPLD用于在數(shù)據(jù)處理模塊的控制下，根據(jù)設(shè)定參數(shù)生成數(shù)字諧波信號(hào)，D/A轉(zhuǎn)換器用于將數(shù)字諧波信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬諧波信號(hào)，功率放大單元用于對(duì)模擬諧波信號(hào)進(jìn)行放大，得到諧波信號(hào)，第一接口單元用于將諧波信號(hào)發(fā)送至二次消諧裝置。

2.2 檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊的功能主要是通過(guò)對(duì)經(jīng)過(guò)二次消諧裝置處理過(guò)的諧波信號(hào)(即上述響應(yīng)信號(hào))進(jìn)行采樣，從而對(duì)響應(yīng)信號(hào)的各參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，將上述采樣結(jié)果發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理，得到該裝置的性能參數(shù)。檢測(cè)模塊包括采樣器及數(shù)字處理器，該采樣器在數(shù)字處理器的控制下進(jìn)行采樣。由于上述響應(yīng)信號(hào)通常為模擬信號(hào)，檢測(cè)模塊還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，此外，該模塊還包括與二次消諧裝置相連接的接口單元。

檢測(cè)模塊由依次連接的第二接口單元，A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字采樣單元、數(shù)字處理器構(gòu)成；第二接口單元與二次消諧裝置連接；數(shù)字處理器與數(shù)據(jù)處理模塊連接；第二接口單元用于接收二次消諧裝置產(chǎn)生的模擬響應(yīng)信號(hào)；A/D轉(zhuǎn)換器用于將模擬響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字響應(yīng)信號(hào)；數(shù)字采樣單元用于在數(shù)字處理器的控制下對(duì)數(shù)字響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采樣，得到最終的響應(yīng)信號(hào)。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

在本設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)處理模塊選用TMS320F28335型號(hào)的單片機(jī)。TMS320F28335 是美國(guó) TI 公司推出的定點(diǎn)32位DSP芯片，最高主頻可達(dá) 150 MHz，能很好地滿足實(shí)時(shí)性需求。其內(nèi)部集成了高度優(yōu)化的數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)，極大地提高了浮點(diǎn)運(yùn)算的能力，特別適用于復(fù)雜的算法，因此本裝置選擇該芯片來(lái)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，可以通過(guò)編程在該模塊中設(shè)定諧波信號(hào)的參數(shù)及處理響應(yīng)信號(hào)的采樣信號(hào)，得到二次消諧裝置的性能參數(shù)及判斷是否啟用過(guò)流保護(hù)等功能。

2.4 過(guò)流保護(hù)模塊

過(guò)流保護(hù)模塊主要包括過(guò)流繼電器。由數(shù)據(jù)處理模塊判斷響應(yīng)信號(hào)是否大于設(shè)定閾值，當(dāng)響應(yīng)信號(hào)超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，發(fā)出過(guò)流保護(hù)指示，過(guò)流保護(hù)模塊根據(jù)過(guò)流保護(hù)指示，啟動(dòng)過(guò)流繼電器進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，減少諧振破壞時(shí)大電流對(duì)諧波發(fā)生器的沖擊。

3 裝置的具體實(shí)現(xiàn)

3.1 測(cè)試儀的工作信號(hào)流向

如圖2所示，控制電源模塊為上位機(jī)數(shù)據(jù)處理及人機(jī)界面單元和下位機(jī)數(shù)據(jù)處理及控制單元提供電源。上位機(jī)數(shù)據(jù)處理及人機(jī)界面單元為整個(gè)裝置提供人機(jī)界面、記錄報(bào)告數(shù)據(jù)輸出等功能，下位機(jī)數(shù)據(jù)處理及控制單元接受“上位機(jī)數(shù)據(jù)處理及人機(jī)界面單元”的相關(guān)指令，輸出小信號(hào)電壓信號(hào)及控制指令給功放模塊。功放模塊及電壓輸出接口單元接受下位機(jī)數(shù)據(jù)處理及控制單元的相關(guān)指令，輸出測(cè)試功率電壓，具有自我保護(hù)功能，并向下位機(jī)數(shù)據(jù)處理及控制單元反饋保護(hù)信號(hào)。

圖2 測(cè)試儀的工作信號(hào)流向圖

3.2 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理及人機(jī)界面單元工作中的信號(hào)流向

上位機(jī)數(shù)據(jù)處理及人機(jī)界面單元由上位機(jī)處理器單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、USB接口、顯示屏、旋轉(zhuǎn)鼠標(biāo)等模塊組成，其工作中的信號(hào)流向如圖3所示。其中，上位機(jī)處理器單元為“上位機(jī)數(shù)據(jù)處理及人機(jī)界面單元”的核心微機(jī)控制中心，USB接口用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的拷貝。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。顯示屏用于實(shí)時(shí)顯示電壓情況、頻率大小、試驗(yàn)結(jié)果。旋轉(zhuǎn)鼠標(biāo)對(duì)試驗(yàn)人機(jī)軟件界面進(jìn)行編輯、設(shè)備控制等。

圖3 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理及人機(jī)界面單元工作中的信號(hào)流向圖

3.3 下位機(jī)數(shù)據(jù)處理及控制單元輸出交流小信號(hào)流向

下位機(jī)數(shù)據(jù)處理及控制單元由DSP處理器單元、CPLD、D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、小信號(hào)放大電路、電源電路等組成。該模塊輸出交流小信號(hào)的信號(hào)流向圖如圖4所示，由DSP信號(hào)處理器計(jì)算出所需輸出交流電壓一個(gè)周期波形上各個(gè)點(diǎn)的電壓值，聯(lián)合CPLD控制D/A轉(zhuǎn)換器把數(shù)據(jù)量變成一個(gè)周波的交流小信號(hào)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)放大后提供給后級(jí)的功率放大單元使用。

圖4 交流小信號(hào)流向圖

交流小信號(hào)經(jīng)過(guò)功放模塊及電壓輸出接口單元處理后輸入至二次消諧裝置中。上述功放模塊及電壓輸出接口單元由主電路母線電壓模塊、變頻電壓150 V輸出模塊、工頻電壓220 V輸出模塊、輸出切換及接口模塊等組成。

主電路母線電壓模塊原理圖如圖5所示，電源輸入的交流(AC，Alternating Current)220 V電壓通過(guò)200 W的多路輸出主壓變壓器分成兩路，其中一路經(jīng)過(guò)整流及電容器濾波生成直流+350 V及-350 V的母線電壓，另一路經(jīng)過(guò)整流及電容器濾波生成直流+220V及-220 V的母線電壓。

變頻電壓150 V輸出模塊的瞬時(shí)電流為7 A，原理圖如圖6所示。其具體工作工程為：交流小信號(hào)經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大電路后，分成兩路，一路通過(guò)正半波放大驅(qū)動(dòng)放大后進(jìn)入功率管，加入直流+220 V正電壓母線偏置；另一路通過(guò)負(fù)半波放大驅(qū)動(dòng)放大后進(jìn)入功率管，加入直流-220 V負(fù)電壓母線偏置；兩路電壓合成交流電壓，作為諧波信號(hào)輸出至二次消諧裝置中；同時(shí)將該交流電壓反饋至二級(jí)放大電路中，以進(jìn)行電壓反饋控制。

圖5 主電路母線電壓模塊的原理圖

在對(duì)電壓進(jìn)行半波放大驅(qū)動(dòng)放大及母線電壓偏置的過(guò)程中，設(shè)置保護(hù)電路，進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。工頻電壓220 V輸出模塊與上述變頻電壓150 V輸出模塊的設(shè)計(jì)原理類似，其原理圖如圖7所示。

圖6 變頻電壓150 V輸出模塊的原理圖

圖7 工頻電壓220 V輸出模塊的原理圖

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)諧波發(fā)生模塊產(chǎn)生設(shè)定參數(shù)的諧波信號(hào)，將該諧波信號(hào)發(fā)送至二次消諧裝置；通過(guò)檢測(cè)模塊檢測(cè)二次消諧裝置接收到諧波信號(hào)后產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)；通過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊接收該響應(yīng)信號(hào)，并根據(jù)該響應(yīng)信號(hào)判斷二次消諧裝置的工作狀態(tài)；通過(guò)過(guò)流保護(hù)模塊對(duì)諧波發(fā)生模塊進(jìn)行過(guò)流保護(hù)；該方式可以在二次消諧裝置的測(cè)試過(guò)程中實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，提高了測(cè)試的安全性。

(2)該測(cè)試儀能夠模擬電網(wǎng)諧振、接地、過(guò)電壓等故障，并能夠快速檢驗(yàn)PT二次消諧裝置的消諧及接地、過(guò)電壓告警等功能，保證PT二次消諧裝置穩(wěn)定可靠運(yùn)行；有效地解決了傳統(tǒng)方法存在易損壞測(cè)試儀、存在安全隱患、測(cè)試難等問(wèn)題。