基于電容補償法的變壓器電流回路檢測方法

李明遠，汪向軍，姜越，陸奔宇，柳德平

（江蘇省送變電有限公司，江蘇南京 210028）

隨著用電設備接入量的增大，電力系統無功功率的數值水平也會不斷升高，由于電量信號之間具有明顯的互通性，電源容量使用效率會呈現出持續降低的變化趨勢，而電容補償也叫功率因數補償或無功補償[1]。在這種補償性處理原則的作用下，電容器元件兩端負載電壓數值會出現一定程度的提升，這不但能夠避免無功電量信號的大量累積，還會促進電信號參量的快速傳輸[2]。從供電角度來看，電容補償作用可以更改變電信號的初始傳輸形式，在保證其電量供給能力的同時，平衡不同耗電設備之間的電壓配比關系，一方面可使電力系統中的電信號參量處于長期穩定的傳輸狀態；另一方面也可以將電網無功功率控制在相對較低的數值水平。

電流回路是指由電源、電鍵、用電器等多個元件結構共同組成的電流通路。對于變壓器設備而言，電流回路內相鄰電量信號之間的連接關系極為緊密，特別是在壓降差相對較高的情況下，變壓器設備能夠為電量信號提供穩定的逆變傳輸環境，而這些信號參量也可以在穩壓電源的作用下按需反饋給各級耗電設備[3]。隨著變壓器輸出功率水平的改變，逆變電信號回流速度會出現明顯下降的變化態勢，在此情況下，變壓器電流回路對于電量信號的感應敏感性也會不斷下降。為避免上述情況的發生，傳統限流控制方法借助電度表元件測量變壓器設備的總電路電壓，又根據統計學原則，確定電信號參量的實時回流速度[4]。然而該方法的應用能力有限，并不能將變壓器電流回路對于電量信號的感應敏感性提升至既定數值水平。為解決上述問題，以電容補償法為基礎，設計一種新型的變壓器電流回路檢測方法。

1 基于電容補償法的變電回路建模

1.1 電容補償線路規劃

在變壓器電流回路中，電容補償線路的搭建以LM2596-5 V 元件為基礎，可以在CD4051 設備的作用下，調節C1、C2、C3電容元件內逆變電信號的傳輸速度，從而使得+VCC 端、-VDD 端之間的傳輸電流始終保持相對穩定的數值狀態[5-6]。LM2596-5 V 元件直接負載于+VCC 端、-VDD 端之間，可以借助1號、2 號、3 號等多個處于開放狀態的節點組織，將已存儲逆變電信號傳輸給電阻R與電容C。完整的電容補償線路布局形式如圖1 所示。

圖1 電容補償線路布局形式

在規劃電容補償線路時，為使CD4051 設備能夠準確感知逆變電信號的實時傳輸速度，要求電流逆變器設備的內阻值不宜過高，但又必須高于電阻R已連接部分的阻值。

1.2 變電模量提取

變電模量是指變壓器元件在電容補償線路中提取的逆變電信號頻域度量值，由于變壓器元件同時負載高頻、低頻兩種類型的電信號參量，所以變電模量指標也具有兩種基本數值形態[7-8]。在電力系統運行環境中，變電模量的負值分量表示變壓器元件當前所負載電信號參量處于低頻傳輸狀態；變電模量的正值分量表示變壓器元件當前所負載電信號參量處于高頻傳輸狀態。設χ表示逆變系數，β表示基礎變電參量，表示變壓器元件在單位時間內所提取的逆變電信號均值，q表示電信號參量的頻域傳輸特征值，ΔT表示逆變電信號的單位傳輸時長。基于電容補償法所提取到的變電模量求解定義式為：由于逆變電信號的頻域跨度值不可能為零，所以變電模量指標的求解結果也不可能等于零。

1.3 電量補償系數

電量補償系數決定了電容補償算法對于變壓器電流回路的約束作用能力。在變電模量指標的基礎上，電量補償系數要求變壓器元件負載電容必須保持相對穩定的數值狀態，即隨著電流回路內逆變電信號累積量的增大，變壓器元件負載電容不應該出現明顯的數值變化[9-10]。設e0表示變壓器元件負載電容的初始賦值，eε表示ε時間節點處的變壓器負載電容數值，在電流回路中，eε≥e0不等式條件恒成立。在上述物理量的支持下，聯立式（1），可將電量補償系數計算結果表示為：

2 變壓器電流回路檢測算法設計

2.1 A/D轉換器

A/D 轉換器是一個完整的小型閉環電路結構。在變壓器電流回路中，該元件結構的選取既影響變壓器設備對于逆變電信號的處理與運輸能力，也會改變電容補償線路的實時布局形式[11]。為保障變壓器電流回路的穩定性，在設置A/D 轉換器結構時，必須考慮如下幾方面因素：

1）在執行電量處理指令時，A/D 轉換器設備的實際量程范圍必須大于變壓器電流回路內傳輸電流的最大數值；

2）A/D 轉換器設備所接收的逆變電信號必須保持直流傳輸狀態，對于交流形式的電流信號而言，其在被輸入A/D 轉換器設備之前，必須經過變壓器元件的多次處理[12]；

3）單一檢測周期內，A/D 轉換器設備只能對一種類型的逆變電信號進行處理，但一個變壓器電流回路內卻可以包含多個完整的電量信號檢測周期；

4）為加快逆變電信號的回流速度，在設置A/D轉換器設備時，要求輸入端的起始電流數值必須大于輸出端的實際電流數值。

2.2 電流互感系數

電流互感系數也叫變壓器電流回路中的電量感應向量，在電容補償法的認知中，該項指標參量的取值結果越大，就表示變壓器設備對于傳輸電流的調節能力越強。在不考慮其他干擾情況下，電流互感系數指標受到電信號累積量均值，電容互補參量兩項物理指標的直接影響[13-14]。電信號累積量均值常表示為，由于變壓器設備具有較強的電量承載能力，該項物理系數的取值始終屬于區間(1,+∞)。電容互補參量常表示為f，在移動電荷傳輸方向為正的前提下，該項物理系數取值恒大于零。在上述物理量的支持下，聯立式（2），可將電流互感系數求解表達式定義為：

其中，γ表示電流信號的方向性度量系數，ι表示電量累積系數的初始取值，θ表示點電荷識別系數，κ表示電流信號感應特征。為實現對電流互感系數的準確求解，要求系數θ的取值必須大于系數κ。

2.3 電信號回流量

電信號回流量是指變壓器設備在單位時間內所接收到的點電荷總量[15]。由于變壓器設備對于敏感性電容的感應能力有限，隨著輸出電壓數值的增大，電信號回流量指標也不會出現無限增大的數值變化趨勢[16]。設ρ表示點電荷在變壓器電流回路中的分布密度，且ρ≥1 的不等式條件恒成立，表示電容特征值，λ表示點電荷回流系數，ΔS表示點電荷的單位累積量。基于電容補償法的電信號回流量求解表達式為：

因為變壓器元件的實時運行速率不可能為零，所以電信號回流量指標的計算數值也恒大于自然數“1”。至此，完成對相關指標參量的計算與處理，在電容補償法原則的作用下，實現變壓器電流回路檢測方法的設計與應用。

3 實例分析

3.1 實驗準備

選擇CDDZ1500TM 型號的變壓器設備作為實驗元件，借助傳輸導線將其與CDKUS5024 變電控制箱相連（如圖2 所示）。

圖2 變電器電流回路連接

按照表1 所示指標數值對變電器電流回路中的相關參量進行設置，以確保點電荷能夠處于穩定傳輸狀態。

表1 實驗參數設置

為保證實驗結果的真實性，在實驗開始前，應將所有實驗設備示數歸于零位。

3.2 實驗流程

按照圖3 所示執行原則，篩選實驗組、對照組變量指標。

圖3 實驗數據篩選

分別利用實驗組（基于電容補償法的變壓器電流回路檢測方法）、對照組（限流控制方法）方法，檢測逆變電信號的回流速度，并將所得數值記為實驗組與對照組實驗數據。

3.3 數值分析

在變壓器電流回路中，逆變電信號回流速度能夠反映出設備元件對于電量信號的感應敏感性，在不考慮其他變量條件的情況下，逆變電信號的回流速度越快，設備元件對于電量信號的感應敏感性也就越強。

表2 記錄了實驗組、對照組逆變電信號回流速度的具體實驗數值。

表2 逆變電信號回流速度

分析表2 可知，隨著實驗時間的延長，實驗組逆變電信號回流速度呈現出不斷增大的數值變化態勢，但實驗前期的數值增長幅度明顯大于實驗后期；對照組逆變電信號回流速度則保持先穩定、然后持續小幅上升、最后再次趨于穩定的數值變化態勢。從極限值角度來看，實驗組逆變電信號回流速度最大值達到了9.5 A/ms，與對照組最大值7.1 A/ms 相比，增大了2.4 A/ms；整個實驗過程中，實驗組逆變電信號回流速度均值為8.7 A/ms，與對照組平均值6.7 A/ms 相比，增大了2.0 A/ms。

4 結束語

文中提出基于電容補償法的變壓器電流回路檢測方法。根據電容補償法則規劃電容補償線路，聯合提取所得變電模量，實現基于電容補償法的變電回路建模。實驗結果表明，在電容補償法原則的作用下，逆變電信號回流速度的數值水平得到了大幅促進，彌補了限流控制方法在提升逆變電信號回流速度方面的不足，滿足增強變壓器電流回路對于電量信號感應敏感性的實際應用需求。