TTU在配电自动化的基本功能.doc

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1 序言
　　配电变压器在配网自动化中有重要地位，它既是配网的终端又是用户的最前端，起着承上启下的作用。配变监控终端TTU是针对配电网中配电变压器而研制的自动化装置。目前市场上各公司生产的TTU主要功能基本相同，主要是对变压器运行数据监测、越限报警、远方通信、当地显示、参数设置、变压器和TTU停电记录、开关变位事件记录等功能，有的可实现变压器运行温度控制、有载调压等。由于处理器速度和成本的限制，这些功能主要集中在在线监测，而实时控制方面相对薄弱。但随着高速处理器如DSP的应用和其价格的不断下调以及TTU在配电自动化中所处的重要地位，TTU必将成为综合的、多功能的自动化终端产品。
　　本文主要讨论在目前TTU已有的功能上进行拓展，主要有三个: 微机保护、无功补偿、谐波滤波。 选择这三个功能不仅在于他们在测量、逻辑判断上存在许多联系，更重要的在于变压器本身在配电网中所处的特殊环节使拓展这三个功能成为必然。现在就以下几个方面进行论述。
2 数据采集处理
2.1 硬件设计
　　在对电力信号进行采集和处理时，必须解决的两个问题是频谱混叠和频谱泄漏。对于频谱混叠，可以设置适当低通滤波器，并且适当选择一个周波的采样点数即可解决；对于频谱泄漏，只要保证窗口函数的宽度为基波周期的整倍数，就可以避免泄漏效应的产生。最实用、最有效的解决办法是设计有效的频率跟踪电路，使采样频率实时跟踪信号的基波频率。也就是根据采样时的基波频率来确定采样间隔，从根本上解决频谱泄漏效应。
　　由于微机保护、无功补偿、谐波滤波都要涉及到对谐波的分析，因此在一个工频周期中应该有足够多的采样点。根据奈奎斯特定理可知单周期的采样数至少是所要测量的信号的最大谐波次数的2倍。本文选取的是128点采样，选取这样高的采样频率就只有用高速处理器才能在两个采样间隔之间完成数据处理，本文选用TI公司的浮点DSP作为核心。在频率跟踪方面，为了确保足够的精度，选用同步采样，采用锁项环路定时启动A/D。系统结构如下图所示:

图1 采集系统硬件结构图
采用双口RAW是基于速度的考虑，这样可使用另外的芯片使TTU的数据采集、处理与通讯、显示、打印以及报警相分离。
2.2 程序框图
　　软件设计采用中断的方式，用锁项环定时启动A/D，用A/D转换完成的事件中断来读入、判断、处理数据。如下图所示:

图2 采集系统流程
2.3 算法选择
　　在TTU数据采集软件设计中，选择算法面临两个重要的问题，即计算速度问题和计算精度问题，而这两个者常常是矛盾的。因此，选择算法实质是寻找速度与精度之间的平衡点，使算法最大限度的符合客观实际。本文通过对国内外提出的多种典型算法进行分析、比较，以寻找出适合TTU的最佳方案。
2.3.1 傅里叶算法
　　a.全周傅氏算法: 能够滤出所有的奇偶次谐波，但对非周期分量较敏感，不能滤除衰减的直流分量，积分窗需要一个周波。
　　b.半波傅氏算法: 不能滤除直流分量和偶次谐波，但积分窗较短，反应快, 因此适合信号中只含有奇次谐波。
　　c.差分全周傅氏算法: 该方法是先对信号进行一次减法，然后再进行傅氏计算。其特点是能够消除直流分量，抑制非周期期分量。但该算法增强了对高次谐波的响应，使傅氏算法的幅频特性变坏。
　　d.并联补偿傅氏算法: 该方法是将傅里叶级数里的直流分量用衰减的指数函数代替。该算法可滤出按指数衰减的直流分量和各次谐波。但需要按照实际情况估计出指数函数的衰减时间常数，这可能会带来一定的误差。其积分窗也和全周傅氏算法一样。
2.3.2 递推最小二乘法
　　该算法是将输入的暂态电量与一定含有非周期分量、基频分量、整次谐波分量的函数依据最小二乘法进行拟合。该算法的特点是模型含有的谐波次数越多，计算结果越精确，但计算量也越大。实际应用时，可与前置低通滤波器相结合，减少待估计的谐波次数，以满足实时性的要求。
2.3.3 卡尔曼滤波算法
　　该算法的特点是计算精度与事先根据统计估计出的噪声、协方差矩阵有关，其计算速度与状态方程中含有的谐波次数有关。因此为了提高速度与精度也要与前置低通滤波器相配合以降低状态方程的维数。
　　由于配变处于配电网的终端，离用户最近，所以低压侧的线路中含有大量的非周期分量和谐波量。从上述分析可得出，当信号中存在衰减直流分量时，半波傅氏算法的误差非常大，全周傅氏算法误差较小，差分全周傅氏算法与并联补偿傅氏算法的误差要小的多。对递推最小二乘法和卡尔曼算法来说，状态数越多，精度越高，但是计算时间成倍增加，尤其是卡尔曼算法，因为TTU涉及到对谐波的估计，所以递推最小二乘法和卡尔曼算法难以满足TTU实时性的要求。综合以上分析可知，对TTU而言，差分法和并联补偿法是兼顾速度与精度的有效算法，其中差分法速度较并联补偿法快，而误差稍大。实际工程可根据功能要求予以取舍。
3． 功能模块
　　TTU采集系统获得所需要的电力系统运行参数以及谐波量，然后各个功能模块对这些数据进行分析、处理，作出不同的响应，以实现各自功能。如下图:

图3 功能模块
3．1 微机保护
　　配变监控终端TTU的微机保护首先是对变压器的保护。对于较大配变常配置的主保护有比率差动保护、差流速断保护以及瓦斯保护等。变压器后备保护多配置有复合电压过流保护、缺相保护、过负荷保护、零序电压电流保护以及过温保护等。如果配变的容量小，其保护将更加简单，因此配变的这些常用保护不再多说，在这里着重分析比率差动保护的制动，用它解决在变压器差动保护中，当空载合闸和故障切除时，励磁涌流和内部故障的鉴别问题。其制动原理主要有以下几种: 磁通量判别原理、二次谐波判别原理、断角判别原理。
　　1） 通量判别原理: 主要是利用磁通量电流特性来区分内部故障和励磁涌流的。当变压器发生励磁涌流时，磁通方程仍然成立，短路则相反。但该原理需要引进电压量且必须知道变压器各侧绕组的漏感，这在实际工作中是困难的。
　　2） 二次谐波判别原理: 主要是利用励磁涌流中二次谐波含量高与内部故障构成的。其原理有如下缺陷，当配变内部严重故障时，由于谐振使短路电流中的二次谐波含量明显增大，有可能使二次谐波制动，引起差动保护延时动作，尤其在空载合闸或故障切除时，变压器内部发生故障更会引起差动保护延时动作; 当配压端部接长线或接静止补偿电容，变压器内部故障时，暂态自由电流的频率可能接近二次谐波，同样有可能使二次谐波制动，引起差动保护延时动作; 在现代变压器的制造中，由于变压器铁心材料质量的提高，损耗不断的降低，使得变压器铁芯饱和特性提高，这使得变压器励磁涌流中谐波的成份降低，更加大了判断的难度，增加了误动可能。
　　3） 断角判别原理: 主要是根据励磁涌流波形出现间断来区分内部故障和励磁涌流的。然而当电流互感器饱和时，间断角部分将产生反向电流，饱和愈严重，间断角中反向电流愈大，使间断角消失; 在小电流情况下电流中的谐波含量以及频率的变化对间断角的测量影响很大。但是这两个弱点在采取适当措施后都是可以克服的。实践证明微机变压器保护采用间断角判别原理是完全可行的，其动作速度非常稳定，约20ms。　　从以上比较并结合本装置的特点可知，选用间断角判别的制动原理更加可靠。
3.2 无功补偿
　　任何输配电设备和用电装置都不可能是纯阻性负载，因此它们必然要占用一定的无功功率。无功电流的存在使线路总电流增大，因而增大了输配电线路的有功损耗，造成电压下降、电能浪费、恶化了电能质量。在低压系统补偿中，可采取配变低压侧就地补偿方式，从而改善用户功率因数和电压质量，降低电能损失，提高供电能力。补偿装置一次部分如下图所示:
　　TTU在上电初始化后即打开无功补偿中断。系统在中断程序运行过程中测得电网电流及电压的有效值，并结合功率因素，进而计算出电网无功功率的盈缺量。系统以此盈缺量并结合电网电压作为投切判据，触发信号给无触点开关，投入或切除补偿电容器从而达到补偿无功功率的目的。
　　发出投切信号后，无触点开关会自动检测相电压，并在相电压与电容电压相等时投切电容。触发切除信号后，无触点开关会自动检测电流，并在电流过零时切除电容。同时为了减少无触点开关功耗，提高使用寿命，可用交流接触器并接在无触点开关旁。当投入电容时，先投无触点开关，再并上交流接触器。当切除电容时，先断开交流接触器，然后再断开无触点开关。市场上已有集交流接触器和无触点开关功能于一体的电容器投切设备，如YH-FK2000型复合开关，其优点在于开关接通无涌流、无过电压、无谐波、无功耗、不发热等。如果用此开关则无需外接串联电抗器。
　　在程序设计中，可分设投切标志，用以区分欠补偿与过补偿。投切按无功补偿量等容逐次投切或者差容组合投切。并且要注意投切间隔，避免电容上的剩余电量对线路放电，以免给数据采集带来影响，同时软件设计中要防止投切振荡。
　　一般电容器组可以设置的保护有: 熔断器保护，过压、失压、零序等电压保护，速断、过流、过负荷、零序等电流保护。除熔断器保护外，其它保护均由微机实现。具体采用哪几种保护可由用户根据现场实际情况决定。要注意的是常规电流保护(包括微机保护)均只考虑基波成分，而电容器过流或过负荷的原因，除可能为系统电压过高或电容器故障引起基波电流增大外，往往是由于高次谐波电流过大。在无功补偿电容器组的运行中，就出现过由于高次谐波电流过大，常规保护不能正确动作，引起设备损坏的事故。因此在对电流的整定值中应该包含谐波量。
3.3 谐波滤除
　　抑制谐波的方法和无功补偿相似，也是在接近谐波源负荷的配变低压侧装设L-C谐波无源滤波器。目前电网中运行的滤波器大多靠人工手动投切。此外，凭经验手动投切滤波器往往是不精确、不及时的。要达到最佳滤波效果，滤波器的投入或切除应根据现场实时检测到的谐波含量来决定，且要求谐波测量精度高、速度快。鉴于存在的这些问题和生产实际的需要，TTU应具有谐波实时测量、滤波器投切控制等功能。
谐波滤波器一次部分主要由若干组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成，如下图所示:
　　其中，单调谐滤波器用以滤除某一特定次数的谐波其组数及每组的滤波次数应根据现场谐波状况确定。高通滤波器在高于某个频率之后很宽的频带范围内显低阻抗特性，用以吸收若干较高次谐波。在须同时投切多组滤波器时，为避免出现谐波放大现象，采用这样的投切顺序: 投入时先投入低次滤波器，后投入高次滤波器;切除时顺序则相反。此外，既要避免运行中滤波器投切频繁动作，又要防止反应过于缓慢。
　　在滤波器的保护上，由于L—C谐波无源滤波器与无功补偿电容器组在结构上具有很大的相似性，滤波器的保护设置可以参照电容器组的保护来进行。
3.4 显示与通讯
　　TTU的显示与通讯以及其他辅助功能采用另一芯片控制处理。显示通过人机对话 板进行，板上设有薄膜小键盘和液晶显示。保护定值的输入、修改可通过键盘方便的进行。液晶可显示用户关心的运行参数如电压、功率、功率因素、各次谐波含量等。TTU通过RS485接口与上位机进行通讯，通过RS232接口可进行现场调试。
4．综述
　　配变监控终端TTU已经在配电自动化中发挥了重要的作用。随配网自动化的进一步深入，TTU必将产生更大的效力，监测、控制、通讯、显示将更加完善，使配网自动化又迈上一个新台阶。⊙
参考文献

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