孫文宇，尹兆磊，周迎偉，畢圓圓，趙 磊，張柏楊

(國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司，河北 承德 067000)

0 引言

如今，隨著人民的生活質(zhì)量的不斷提高，智能電網(wǎng)的建設(shè)也遇到了更多新的需求和挑戰(zhàn)[1]。社會(huì)上居民的用電需求增加速度越來越慢，很多地區(qū)的輸電線路骨架逐漸趨于完善，而且電源的供給也比較充足，國(guó)內(nèi)逐步將智能電網(wǎng)的建設(shè)重心由智能電網(wǎng)輸電線路的建設(shè)轉(zhuǎn)移到配變臺(tái)區(qū)的配網(wǎng)側(cè)與用戶側(cè)建設(shè)。智能電網(wǎng)正在逐步提高供電的可靠性，配變臺(tái)區(qū)的自動(dòng)化水平也日趨完善，提供用戶側(cè)的電能質(zhì)量和服務(wù)水平，是實(shí)現(xiàn)配變臺(tái)區(qū)智能化的重要手段[2]。對(duì)于智能電網(wǎng)而言，配變臺(tái)區(qū)指的是變壓器的電能提供區(qū)域，通常位于配電網(wǎng)的末端，起到為該區(qū)域內(nèi)的居民和商戶提供電能服務(wù)的作用[3]。智能配變臺(tái)區(qū)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)輸電線路、變壓器等數(shù)據(jù)的監(jiān)控與采集，還可以與配電網(wǎng)主站連接，交換運(yùn)行數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)配變臺(tái)區(qū)的運(yùn)行狀況，配變臺(tái)區(qū)與配電網(wǎng)之間的相互配合，可以連接并管理電網(wǎng)信息，保證配電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

李琮琮等人[4]在同一配變臺(tái)區(qū)分析了電能表的并聯(lián)電氣結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)采集到的電壓變化規(guī)律都是一致的，根據(jù)配電網(wǎng)輸電線路的理論知識(shí)，與配變臺(tái)區(qū)變壓器距離最近的節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)處節(jié)點(diǎn)相比，電壓值較高，基于這一判據(jù)，根據(jù)皮爾遜系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，對(duì)電能表之間的相關(guān)性進(jìn)行量化，通過對(duì)比電壓的大小，識(shí)別到配變臺(tái)區(qū)的信息，結(jié)合實(shí)例分析的方法，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性，但是無法保證配變臺(tái)區(qū)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；楊志淳等人[5]根據(jù)智能配變終端的結(jié)構(gòu)，針對(duì)低壓配電網(wǎng)故障設(shè)計(jì)一種研判方法，先利用智能配變終端監(jiān)測(cè)并分析了配變臺(tái)區(qū)變壓器的信息和電能表數(shù)據(jù)，利用分布式邊緣計(jì)算功能，對(duì)用戶的停電事件進(jìn)行掌握，實(shí)時(shí)就地研判配變臺(tái)區(qū)故障，解決了傳統(tǒng)方法的不足，對(duì)配變臺(tái)區(qū)的故障實(shí)時(shí)定位，減少用戶的停電事件，但是配變臺(tái)區(qū)系統(tǒng)的軟件程序會(huì)出現(xiàn)卡頓。

基于以上研究的不足，該文考慮到分布式能源的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)智能配變臺(tái)區(qū)系統(tǒng)，保證系統(tǒng)硬件和軟件的穩(wěn)定性。

1 考慮分布式能源的智能配變臺(tái)區(qū)系統(tǒng)智能配變臺(tái)區(qū)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

智能配變臺(tái)區(qū)的硬件設(shè)計(jì)部分包括三個(gè)層次，即功能實(shí)現(xiàn)層、核心控制層和通信接口層，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

配變臺(tái)區(qū)硬件結(jié)構(gòu)是圍繞TI儀器生成的微處理器展開的，選擇AM3358芯片的核心板作為核心控制層。微處理器單元比微控制器單元的功能更強(qiáng)大，可以滿足配變臺(tái)區(qū)系統(tǒng)在性能和可靠性方面的需求，作為核心控制層，還可以為微處理器搭配電源管理芯片[6]。由于DDR3從AM3358芯片中讀寫數(shù)據(jù)的速度比較快，往往將該芯片放在核心板中，為接口層和功能實(shí)現(xiàn)層使用。

1.2 設(shè)計(jì)遙信檢測(cè)單元

配變臺(tái)區(qū)系統(tǒng)需要對(duì)區(qū)域內(nèi)的開關(guān)閉合狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并上報(bào)給主站，經(jīng)過遙信檢測(cè)單元之后，開關(guān)的狀態(tài)量就會(huì)直接輸入到I/O管腳，通過輸入的電平信號(hào)判斷開關(guān)的狀態(tài)。遙信檢測(cè)單元原理如圖2所示。

圖2 遙信檢測(cè)單元原理圖

在遙信檢測(cè)單元的原理中，電路為TLP521-1光耦的形式，結(jié)合DIP-4封裝方式，對(duì)采集電路中的信號(hào)起到隔離作用。圖中D10是一個(gè)保護(hù)電路的反向二極管，C19是一個(gè)對(duì)光耦起到保護(hù)作用的穩(wěn)壓電容，可以防止配變臺(tái)區(qū)的變壓器出現(xiàn)突變[7]。當(dāng)遙信檢測(cè)開關(guān)處于閉合狀態(tài)時(shí)，YX10位置處的電壓值為12 V，這時(shí)TLP521-1光耦處于導(dǎo)通狀態(tài)，R19，R21與發(fā)光二極管共同構(gòu)成輸入回路，此時(shí)，位于電路另一端的弱電信號(hào)也會(huì)被導(dǎo)通，PA6處于低電平狀態(tài)，而高電平信號(hào)就會(huì)進(jìn)入I/O管腳內(nèi)，配變臺(tái)區(qū)接收到開關(guān)處于閉合狀態(tài)的信號(hào)。當(dāng)遙信檢測(cè)開關(guān)處于斷開狀態(tài)時(shí)，YX10位置處的電壓值為0 V，這時(shí)TLP521-1光耦處于不導(dǎo)通狀態(tài)，PA6處于高電平狀態(tài)，配變臺(tái)區(qū)接收到開關(guān)處于斷開狀態(tài)的信號(hào)。

基于系統(tǒng)硬件架構(gòu)，設(shè)計(jì)了遙信檢測(cè)單元，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

2 智能配變臺(tái)區(qū)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于分布式能源的智能配變臺(tái)區(qū)無功功率補(bǔ)償模型構(gòu)建

在智能配變臺(tái)區(qū)，每一個(gè)電器設(shè)備都不會(huì)同時(shí)運(yùn)行，配變?cè)O(shè)備自身也會(huì)產(chǎn)生一定的功率損耗[8]，因此，需要結(jié)合分布式能源的負(fù)載特性與變化規(guī)律，確定變壓器的容量。利用下式可以計(jì)算出配電臺(tái)區(qū)變壓器的無功功率補(bǔ)償度，即：

(1)

式中：SN表示變壓器在配變臺(tái)區(qū)的額定容量值；β表示變壓器的最大負(fù)荷率；φ1表示功率補(bǔ)償前的因數(shù)角；φ2表示功率補(bǔ)償之后的因數(shù)角；Qc表示補(bǔ)償裝置提供的無功功率值。那么利用下式可以計(jì)算變壓器的容量，即：

Qc=P(tanφ1-tanφ2)

(2)

式中：P表示無功功率；tanφ1表示負(fù)荷功率因數(shù)角在補(bǔ)償前的正切值；tanφ2表示負(fù)荷功率因數(shù)角在補(bǔ)償后的正切值。

引入最優(yōu)覆蓋的基本思想[9]，根據(jù)分布式能源的分布特點(diǎn)，得到該區(qū)的負(fù)荷信息，對(duì)變壓器的損耗分析，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化。配變臺(tái)區(qū)無功功率需求的概率分布曲線是根據(jù)某一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的歷史信息[10]，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)得到的，在已知的時(shí)間段內(nèi)，無功補(bǔ)償需要的實(shí)際補(bǔ)償量如圖3所示。

圖3 無功需求分布曲線圖

最優(yōu)覆蓋就是最大化覆蓋無功的需求，使得面積差達(dá)到最小值[11]。當(dāng)曲線的變化幅度一定時(shí)，最優(yōu)覆蓋就是無功需求分布的面積最大值，如圖4的陰影部分所示。

圖4 最優(yōu)覆蓋原理

在無功功率補(bǔ)償模型中，根據(jù)分布式能源的分布規(guī)律，可以將電容容量曲線的最大覆蓋面積作為目標(biāo)函數(shù)，表示為：

(3)

式中：SC表示配變臺(tái)區(qū)電容容量的覆蓋面積；HC表示對(duì)電容補(bǔ)償?shù)目側(cè)萘?；HN表示電容補(bǔ)償?shù)姆纸M數(shù)；C1表示電容容量的實(shí)際成本；C2表示增加一組電容的成本增加值；C3表示配變臺(tái)區(qū)無功補(bǔ)償裝置的費(fèi)用。

根據(jù)以上步驟，完成智能配變臺(tái)區(qū)無功功率補(bǔ)償模型的構(gòu)建。

2.2 設(shè)計(jì)智能配變臺(tái)區(qū)繼電安全保護(hù)算法

在智能配變臺(tái)區(qū)，要想實(shí)現(xiàn)繼電安全保護(hù)，需要計(jì)算出配變臺(tái)區(qū)發(fā)生故障時(shí)的適應(yīng)度函數(shù)和期望函數(shù)[12]，通過對(duì)比故障狀態(tài)下和正常運(yùn)行下的適應(yīng)度，計(jì)算出配變臺(tái)區(qū)繼電保護(hù)的故障識(shí)別概率，根據(jù)這一結(jié)果實(shí)現(xiàn)智能配變臺(tái)區(qū)的繼電安全保護(hù)。在智能配變臺(tái)區(qū)，如果與故障識(shí)別編碼對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度值為E(x)，那么當(dāng)配變臺(tái)區(qū)發(fā)生故障時(shí)，可以利用下式計(jì)算出適應(yīng)度函數(shù)，即：

(4)

根據(jù)配變臺(tái)區(qū)繼電保護(hù)的動(dòng)作邏輯[13]，確定了實(shí)施繼電保護(hù)的范圍，構(gòu)建配變臺(tái)區(qū)繼電保護(hù)的期望函數(shù)，通用公式表示為：

(5)

(6)

(7)

(Aj∪Bj∪Cj)∩Sj

(8)

在繼電保護(hù)正常狀態(tài)下和故障狀態(tài)下，通過對(duì)比故障識(shí)別編碼的適應(yīng)度值[14-15]，計(jì)算了配變臺(tái)區(qū)繼電保護(hù)的故障識(shí)別概率，即：

(9)

式中：Esi表示正常狀態(tài)下繼電保護(hù)裝置的編碼適應(yīng)度；Ei表示繼電保護(hù)計(jì)算的編碼適應(yīng)度。那么繼電保護(hù)的判決公式為：

(10)

式中：Kset1為配變臺(tái)區(qū)繼電保護(hù)的可靠性系數(shù)整定值；Kset2為識(shí)別配變臺(tái)區(qū)故障的概率整定值；Kset3為定位配變臺(tái)區(qū)故障的概率整定值。

綜上所述，通過構(gòu)建智能配變臺(tái)區(qū)無功功率補(bǔ)償模型和設(shè)計(jì)智能配變臺(tái)區(qū)繼電安全保護(hù)算法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

3 性能的性能測(cè)試與分析

完成了考慮分布式能源的配變臺(tái)區(qū)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后，需要對(duì)軟硬件功能的完整性、模塊參數(shù)的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行全面的測(cè)試。該文的測(cè)試分為硬件和軟件兩部分，硬件測(cè)試部分包括驅(qū)動(dòng)程序的穩(wěn)定性測(cè)試和模塊的功能測(cè)試，軟件部分主要驗(yàn)證系統(tǒng)的運(yùn)行能力。

3.1 測(cè)試硬件功能

硬件部分是配變臺(tái)區(qū)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)環(huán)境，將系統(tǒng)硬件部分存在的故障排除之后，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。通過通信接口測(cè)試、電能計(jì)量單元通信測(cè)試，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件功能測(cè)試。

3.1.1 通信接口測(cè)試

對(duì)于智能配變臺(tái)區(qū)系統(tǒng)而言，通信接口測(cè)試是利用一根USB線將系統(tǒng)主板上的通信接口與系統(tǒng)PC終端連接，啟動(dòng)調(diào)試助手，待數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、波特率設(shè)置完成之后，開始測(cè)試，結(jié)果如表1所示。表1的測(cè)試結(jié)果表明，文中配變臺(tái)區(qū)系統(tǒng)的通信接口滿足系統(tǒng)的硬件功能需求。

表1 配變臺(tái)區(qū)通信接口測(cè)試結(jié)果

3.1.2 遙信檢測(cè)單元通信測(cè)試

系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，遙信檢測(cè)單元通過RTENKW芯片管腳進(jìn)行通信，先檢測(cè)RTENKW芯片管腳的供電情況是否正常，選擇PRFV-02-F電壓表檢測(cè)芯片管腳的輸出情況，觀察RTENKW芯片的電壓與用戶手冊(cè)中的規(guī)定電壓值一致，如果檢測(cè)結(jié)果與規(guī)定值一致，說明供電正常。RTENKW芯片管腳電壓檢測(cè)結(jié)果如表2所示。從表2的結(jié)果可以看出，對(duì)于遙信檢測(cè)單元的通信功能而言，其內(nèi)部芯片都可以正常為系統(tǒng)提供電能。

表2 RTENKW芯片管腳電壓檢測(cè)結(jié)果

3.2 測(cè)試軟件功能

該文通過測(cè)試系統(tǒng)的軟件的功能單元，實(shí)現(xiàn)軟件測(cè)試。在配變臺(tái)區(qū)系統(tǒng)中，將測(cè)試電源示值與終端檢測(cè)數(shù)值作對(duì)比，配變臺(tái)區(qū)三相電流電壓的測(cè)量誤差設(shè)置為±0.5%以內(nèi)，判斷其功能是否可以達(dá)標(biāo)。交流電源在220 V,1 A的條件下，配變臺(tái)區(qū)三相電流電壓檢測(cè)結(jié)果如表3所示。從表3的結(jié)果可以看出，配變臺(tái)區(qū)三相電流電壓檢測(cè)結(jié)果滿足測(cè)量誤差要求，得到的誤差測(cè)量結(jié)果都小于±0.5%。

表3 配變臺(tái)區(qū)三相電流電壓檢測(cè)結(jié)果

為了確保配變臺(tái)區(qū)系統(tǒng)的軟件程序更加穩(wěn)定運(yùn)行，在不同的功率因數(shù)夾角下，檢測(cè)了有功功率和無功功率的數(shù)值，結(jié)果如表4所示，其誤差的規(guī)定范圍不大于1%。從表4的結(jié)果可以看出，在不同的功率因數(shù)夾角下，有功功率和無功功率的誤差測(cè)試結(jié)果都在1%以內(nèi)，滿足配變臺(tái)區(qū)系統(tǒng)有功功率和無功功率誤差的規(guī)定范圍。

表4 有功功率和無功功率的數(shù)值檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語

該文提出了考慮分布式能源的智能配變臺(tái)區(qū)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的硬件和軟件部分都可以滿足功能需求。但是該文的研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以將該系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際測(cè)試中，對(duì)吞吐量和響應(yīng)速度進(jìn)行測(cè)試，確保該系統(tǒng)可以滿足這兩方面的性能需求。