10_35kV配电网铁磁谐振消谐及远程监视系统

机电工程技术 2008年第37卷第06期机电工程技术 !""#年第 $%卷第 "&期 收稿日期:2008-05-27 摘要:设计了一种新型的10～35kV配电网铁磁谐振消谐及远程监视系统。该系统由现场的智能消谐器、调度中心远程监视计算机 和数据传输网络组成,能够实现铁磁谐振自动判断及消谐、铁磁谐振波形自动、自动数据远程传送和远程集中监视等功能。 本文详细地描述了所提系统的构成、工作原理和实现方法。 关键词:配电网;铁磁谐振;消谐方法;远程监视;远程数据传输 中图分类号:TM762 文献标识码:A 文章编号:1009-9492 (2008) 06-0096-04 10～35kV配电网铁磁谐振消谐及远程监视系统 秦 杰 1,王少荣 2 (1.鄂州供电公司, 湖北鄂州 436000;2.华中科技大学电气与电子工程学院, 湖北武汉 430074) 1引言 采用中性点非直接接地方式的配电网络,单相接地故 障电流很小,在发生单相接地故障时,无须立即跳闸,因 而比中性点直接接地系统具有更高的供电可靠性。正因为 如此,我国 10～35kV配电网普遍采用中性点非直接接地方 式。但是,在中性点非直接接地的配电网络中,系统分布 电容与电磁式电压互感器 (TV)之间容易发生铁磁谐振。 铁磁谐振具有很大的危害性,轻则引起电压互感器高压熔 断器熔断,重则致使电压互感器本身烧毁,甚至引发整个 变电站停电 [1, 2, 3]。因此,如何有效地消除配电网的铁磁 谐振是一个重要的问题。 运行经验和理论分析均表明,铁磁谐振往往是在系统 对地电压 (相电压)出现不对称且某些相电压升高,电压 互感器铁芯出现饱和而致使系统对地分布电容和电压互感 器的激磁电抗达到某种匹配的情况下发生,并且可能发生 分频谐振、基频谐振或高频谐振 [1]。因此,铁磁谐振经常 在某种外部条件的激发下发生。例如,断路器三相非同期 合闸、切除单相接地故障等都容易激发铁磁谐振 [4]。此 外,由于 10～35kV配电网覆盖面广,配电线路投切频繁, 网络结构复杂且经常发生变化,因而发生铁磁谐振的概率 也较大。 为了保证配电网的可靠运行,应该采取有效的消谐措 施,尽量避免铁磁谐振的发生。目前采用的消谐方法主要 有 3种 [1-5]:第一种方法是从一次系统入手,改变谐振条 件,从而避免铁磁谐振的发生。在系统中性点装设消弧线 圈、电压互感器中性点加装接地电压互感器以及在母线和 地之间装设并联电容器等属于第一种方法的消谐措施。这 种方法的特点是物理概念清晰,参数选择适当时消谐效果 明显,但投资较大,且随着网络结构的变化,需要改变参 数。第二种方法是在每组电压互感器一次侧中性点与地之 间串联大容量电阻,以阻尼谐振和限流零序电流。这种方 法的特点是物理概念清晰,实施简单,但串联电阻可能烧 毁,从而未能完全避免铁磁谐振的发生。第三种方法是在 电压互感器二次侧开口三角形处接入阻尼电阻,以阻尼谐 振。第三种方法的特点是,在电压互感器二次侧实现阻 尼,容易实施,投资较小,但要阻尼分频铁磁谐振时,阻 尼电阻必须足够小。为了不使电压互感器过载,阻尼电阻 应该在发生铁磁谐振时才短时接入。因此,采用第三种方 法时,需要判断是否发生铁磁谐振,特别是要与单相接地 故障相区分。 上述三种消谐方法在实际中均有应用,且都能在不同 程度上起到消谐的作用。但是,随着电力系统的发展,特 别是配电网自动化的实施和新型电力负荷的出现,配电网 络的结构和特性随时都可能发生很大变化。例如,在发生 故障后,配电网自动化系统将对网络进行重构,这样,系 统分布电容可能会在较大的范围内变化,以至于原先的消 谐措施效果欠佳。因此,构建有效的消谐系统,并对配电 网铁磁谐振情况及消谐效果进行监视具有实际意义。鉴于 此,本文设计了一种新型的 10～35kV配电网铁磁谐振消谐 及远程监视系统。该系统把消谐装置纳入到配电网的自动 化系统中,并对相关波形进行录波,在调度中心可以远程 监视各处消谐装置的运行情况。应用该系统有利于更深入 地分析配电网的铁磁谐振的发生机理,更能及时地把握现 场消谐装置的消谐效果。本文介绍这种系统的系统架构、 研究与开发 96 机电工程技术 2008年第37卷第06期机电工程技术 !""#年第 $%卷第 "&期 图2 智能消谐控制器的原理框图 图1 铁磁谐振消谐及远程监视系统架构 工作原理和具体设计。 2系统架构及工作原理 10～35kV配电网铁磁谐振消谐及远程监视系统采用上 述第三种消谐方法,它由安装在调度中心的远程监视计算 机、数据通信网络和安装在现场的智能消谐器三个部分组 成,其系统架构如图1所示。 该系统的工作原理是:智能消谐器通过采集电压互 感器二次侧开口三角形电压信号循环检测铁磁谐振情况, 如果发现发生铁磁谐振,则立即按预定的方式进行消谐 控制,并存储铁磁谐振过程的波形数据。同时,位于调 度中心的远程监视计算机,通过数据通信网络轮询现场 的各个智能消谐器,获取现场智能消谐器的实际工作状 态和铁磁谐振波形数据,并自动进行数据存储、数据分 析、数据处理以及生成相应的铁磁谐振监视报告。此外, 远程监视计算机还可以通过调度中心的专用数据网从配 网自动化系统获取实际配电网结构信息,并进行存储, 以便进一步分析铁磁谐振的发生机理。下面详细介绍各 部分的具体设计。 3智能消谐器设计 智能消谐器包括智能消谐控制器和 执行器两个单元。 3.1智能消谐控制器的设计 考虑到电压互感器最多为 4组 (对 应于4段母线),为了能够准确判断铁磁 谐振,将每组电压互感器二次侧的三个 相电压和开口三角形电压均引入智能消 谐控制器。智能消谐控制器包括 DSP应 用系统、16路交流电压信号输入通道、 16路开关量输入通道、8路开关量输出 通道、8路触发脉冲输出通道和 1个光 纤通信接口,其原理框图如图2所示。 智能消谐控制器采用了 TI公司的高 档 DSP芯片 TMS320F2812。这种芯片内 置 2个 12位 A/D转换器,可采集 16路 模拟信号,具有很强的运算和处理能力, 并具有多个 PWM输出引脚,产生触发脉冲非常方便。从 图2可知,智能消谐控制器配置了 EEPROM,目的是为了 记录铁磁谐振波形和存储设定参数。EEPROM采用 24LC64,其单片容量为 8k字节。24LC64采用 I2C协议, 串行总线上可同时并联 8片,因此容量可扩展至 64k字 节。由于采用了串行接口的 EEPROM,波形数据和设定参 数存储十分可靠,即使有较强的电磁干扰,EEPROM中的 数据也不会被改写。智能消谐控制器的通信接口采用了光 纤通信接口,主要是为了提高抗干扰能力。因为在一次系 统发生故障时,智能消谐器所处的工作环境的地电位干扰 相当严重,通常的电气通信接口很容易损坏。有关光纤通 信接口的设计后面再作介绍。 3.2智能消谐执行器的设计 执行器的任务是依据智能消谐控制器的控制信号和触 发脉冲短时间将电压互感器二次侧的开口三角形短路,其 主要执行元件是双向可控硅。执行器共有 4个完全一样的 通道,分别控制 4组电压互感器。单通道执行器的电气原 理如图3所示。 图 3中,K为双向可控硅,R、C组成阻容吸收支路, 限制电压上升率,以保护双向可控硅。MB为脉冲变压器, 它可以输出正、负触发脉冲。MB原方的+E通过控制继电 器常开触点接脉冲功放电源的正极,只有在消谐时才与脉 冲功放电源的+12V接通。MB原方的+M和-M分别接智能 消谐控制器输出的正、负触发脉冲信号。消谐时,正、负 触发脉冲信号分别在电压互感器开口三角形电压的正半周 的起始时刻和负半周的起始时刻触出,使双向可控硅可靠 导通,短接开口三角形的两个输出端。图 3中的限幅电路 由电阻和稳压管组成,起限制触发信号的电压幅值和触发 电流的作用。 4通信接口和通信协议 智能消谐控制器可以通过变电站综合自动化系统、变 研究与开发 97 机电工程技术 2008年第37卷第06期机电工程技术 !""#年第 $%卷第 "&期 图3 执行器电气原理图 电站RTU或者独立信道,实现远程数据传送。通信速率可 以是 1200bps、2400bps、4800bps、9600bps和 19200bps。 前面已经提及,为了提高抗干扰能力,智能消谐控制器采 用光纤通信接口。但是,在实际中,变电站综合自动化系 统和 RTU的通信接口大多为 RS-232或者 RS-422/485, 所以,需要通信接口转换器才能实现系统之间的互联。图 4表示了智能消谐控制器与通信接口转换器的连接情况。 图 4中,光纤采用 62.5/100μm多模光纤,光纤通信 接口采用安捷伦公司的器件,光发射器采用 HFBR-1412, 光检测器采用 HFBR-2412,接口为 ST型。通信接口转换 器仅进行光/电和电/光信号转换,在数据交换过程中是透 明的,原理简单,此处不作详细介绍。 智能消谐控制器中内置了 CDT、Modbus和自定义三 种通信协议。CDT为自动循环发送式协议,Modbus为询 问-应答式协议,两种协议均采用 CRC校验,但计算校验 码的方法略有不同。因为 CDT和 Modbus都是 RTU的通 用协议,这里不再展开介绍。下面对自定义协议作进一步 说明。 自定义通信协议为 询问-应答式协议,采用 固定帧长,并采用异或、 累加和两种校验码。自 定义协议有三类帧,分 别是命令帧、状态帧和 数据帧,它们的帧结构 如图 5所示。 图5中,异或校验码 为除帧头、帧尾和校验码 字节外的所有字节的异或 值,累加和校验码取除帧 头、帧尾和校验码字节外 的所有字节的累加和的低 字节。命令帧从调度中心 的远程监视计算机发往智 能消谐控制器,用于参数 设定、读取状态或读取波 形数据。状态帧从智能消谐控制器发往远程监视计算机, 用于报告设定参数和运行状态。数据帧从智能控制器发往 远程监视计算机,用于传送波形数据。由于波形数据块较 大,因此需要分成多帧发送,数据帧中的数据帧序号即用 于记录数据帧的先后次序。每个数据帧发送 240字节波形 数据,对应于 12位 A/D转换器的 120个采样点。如果波 形数据块的字节数不能被 240整除,则最后一个数据帧的 不足字节用00H补齐。从数据帧的结构可以看出,数据帧 序号范围为 0～255,而每个数据帧传送 240字节数据,所 以可转移的最大数据块为60k字节。 5远程监视计算机软件 远程监视计算机软件采用模块化设计,按照功能划分 模块,主要功能模块包括通信管理模块、远程监视模块、 消谐记录模块、波形分析模块、铁磁谐振数据库和监视报 告生成模块。远程计算机软件的结构框图如图6所示。 图4 通信接口连接示意图 图5 自定义通信协议的帧结构 研究与开发 98 机电工程技术 2008年第37卷第06期机电工程技术 !""#年第 $%卷第 "&期 4.2.3可编程控制器与步进系统和伺服系统的控制连线图 图 7为可编程控制器与步进系统和伺服系统的控制连 线示意图。控制步骤如下。 1)伺服、步进上电准备完成后,由 PLC数据处理, 计算客户设定的参数以及伺服、步进将要执行的位置脉冲 数,然后,通过 Y7→KA2,发出伺服 ON信号,使伺服进 入随时待命状态,等待注塑机的顶出命令。 2)当 PLC收到注塑机顶出命令信号,立即同时向伺 服、步进驱动器发脉冲指令,并根据 X4→接近开关检测 器信号计算步进的位置、速度,以此为依据调整伺服电机 的同步作用,使得步进电机和伺服电机同时到达期望位 置,同步顶出螺纹。 3)如果同步机构同步脱出的塑料螺纹有收缩、脱离 稍微不到位等现象,可以现场从设定面板上修正调整收缩 率,达到最佳效果。 5结束语 该文介绍了一种在用步进电机脱螺纹情况下,配以用 伺服控制的新型模具脱螺纹同步机构,从而较好地解决目 前由于脱螺纹时不同步所造成的各种质量问题。可以适应 不同螺距、不同塑料工件,突破传统机械式脱螺纹结 构的限制,具有明显的技术先进性。有较好的应用价值和 市场前景。 参考文献: [1]彭荣济.现代综合机械设计手册 [M].北京:北京出版社, 1999. [2]魏兵,熊禾根.机械原理 [M].武汉:华中科技大学出版 社,2007. 作者简介:乡碧云,女,1964年生,广东四会人,大学本科,高 级工程师。研究领域:机电控制技术。已发表7篇。 (编辑:梁 玉) 图6 远程监视计算机软件结构框图 远程监视计算机软件的运行机制是:通信管理模块自 动轮询远方的各个智能消谐控制器,并获取状态信息和波 形数据;远程监视模块、消谐记录模块和波形分析模块均 从通信管理模块获取数据并实现实时监视、消谐情况登记 和谐振波形分析,并将结果存入铁磁谐振数据库中;监视 报告生成模块则从远程监视模块、消谐记录模块和波形分 析模块获取结果形成当前的监视报告,也可以从铁磁谐振 数据库获取历史数据而形成过去的监测报告。 远程监视计算机软件的各个功能模块分工明确,相应 的程序也比较简洁。但是,如果配电网的规模较大,整个 系统的智能消谐控制器就较多,远程监视计算机软件需要 处理的数据量可能会很大。因此,为了平衡数据处理的负 荷,在智能控制器中将波形数据进行了压缩。具体做法 是:对于非平稳过程的波形数据直接存储,对于平稳过程 的波形数据只存储一个周期的采样数据和周期数。这种数 据压缩方法虽然非常简单,但效果却很好,既减轻了远程 监视计算机的负担,又缩短了远程数据交换过程,提高了 整个系统的实时性能。 6结束语 本文设计的 10～35kV配电网铁磁谐振消谐及远程监视 系统,集成了消谐、远程集中监视和谐振波形记录三大功 能。与常规的消谐措施相比,该系统的最大特点是实现了 铁磁谐振的远程集中监视和波形记录。该系统的应用,使 调度中心的运行人员能够全面把握整个配电网的铁磁谐振 情况和消谐效果,并有助于更加深入地了解现代配电系统 产生铁磁谐振的机理,具有良好的应用前景。 参考文献: [1]田壁元,俎云霄.电力系统铁磁谐振在线监控 [J].河北电 力技术,1990(1):15-18. [2]刘志民,石瑞和,何长中,等.MES98型微机消谐装置在变 电站的应用 [J].四川电力技术,2005(2):42-43. [3]任婕,章兢.微机自动消谐装置的研制 [J].湖南电力, 2003,23(6):4-5. [4]金雄飞,李之昆.电力系统铁磁谐振研究现状 [J].四川电 力技术,2004(1):10-13. [5]徐斌.限制 TV铁磁谐振过电压的措施 [J].安徽水利水电 职业技术学院学报,2005,5(4):61-63. 第一作者简介:秦 杰,男,1974年生,湖北黄冈人,大学本 科,助理工程师。研究领域:配电网及其自动化。 (编辑:向 飞) """""""""""""""""""""""""""""""" (上接第41页) 研究与开发 99