配网自动化 FTU超级电容后备能力检测方法

张东海

云南电网公司普洱孟连供电局 云南普洱 665800

摘要：对于配网自动化工程来说，超级电容后备能力是非常重要，但电容的检测方法一直存在误差较大的问题。因此提出配网自动化FTU超级电容后备能力检测方法。首先进行配网自动化FTU超级电容的波形调制，在波形的选择上选择三角波形，利用测量电压和电流计算电容量。确定了超级电容量后，对超级电容后备能力检测的模拟差分进行放大，最终实现超级电容后备能力的检测。

关键词：配网自动化；FTU；超级电容；后备能力；检测分析

中图分类号:TP212;U666.1文献标识码:A

0引言

目前云南电网规模逐渐增大，已安装了20000多台配电自动化终端(FTU)，均采用超级电容（工作电压为24V)作为后备电源，在使用过程中发现，部分终端的超级电容容量不满足要求，具体表现为正常工作时间＜10分钟，为保证配电网的正常运行，需要对超级电容后备能力进行检测。大容量电容的检测电容后备能力的方式为单相接电弧检测方式，且在监测的过程中会产生较高的电压^[1]。容易造成配电站电线短路，因此需要消弧线圈装置来调节测量中的电压和自动调谐补偿电流，保证在电网运行的过程中电压和电流的稳定性。该检测方法的关键是保证超级电容后备能力测量的准确性，根据串联谐振原理，调节消弧线圈挡位，以实现最大化的位移电压。但是该方式存在缺陷，即需要频繁地调节消弧线圈，增大了误差产生的可能。传统的两点法测试方式的应用原理是通过挡位调节位移电压，对电容后备能力进行监测，但这种方式难以直观地得到电网和线圈对电容的消耗量，影响电容后备能力的计算精度，采用变频信号法确定谐振频率的方式来消除误差，计算精度较高，在频率正确的前提下，可保证检测精度。由此，本文设计了在串联谐振中，利用电压、电流、电阻、电抗关系实现电容的计算，可以有效的考虑配电网的平衡度^[2]，该方式的计算精度较高，可保证配网自动化FTU超级电容后备能力的检测精度，并通过电压计算，保证测量结果的实时性。

1.配网自动化FTU超级电容调制波形

1.1调制波形的选择

硬件系统电路是超级电容后备能力检测的重要基础，该系统硬件主要是负责电信号的处理，并将处理后的信息直接输入到计算机中，FPGA芯片可实现信号调制和数字信号的处理，石英挠性加速硬件的结构如图1所示：

图1数字闭环检测硬件结构

如图1所示，在使用转换器进行量化保持后，数字电路模块会产生调制信号。电容传感器可以对检测到的电容进行波形模拟输出，并在低频信号向高频信号转变的时候及时进行幅值调整。常用的载波信号中三角波对于电容检测来说信号的处理更加方便，三角波的频率成分较为单一，因此在降噪的时候容易通过滤波器进行降噪。其他波形的结构比较复杂，在进行降噪时谐波分量较多，进行波形降噪比较困难^[3]。而波形复杂会导致相位调整也不方便，结合硬件设备对简易性的要求，选择三角波作为检测的波形。

1.2电容量的计算

通过电压和电流进行计算，可得到电容量的值。为提升电容量计算的效率，需要快速测得电压和电流。通常大容量高压电压电容在电压和电流检测中，多数应用电流互感器和电压互感器，但互感器由于有铁心具有非线性特点，响应速度难以满足现实需求。为此，本文采用了一种基于电压、电流传感器的测定方法。在电路的输出端与电流传感器和电压传感器的信号线相连接，为准确获取电流和电压信号，增加了一个信号放大电路，经过信号处理后得到电压值和电流值的输出。利用下式计算电容量：

（1）

式中， 表示电容量， 表示安全系数，通常取值1.2， 表示电流， 表示电压。

2.放大超级电容后备能力检测的模拟差分

交流信号的转换在复杂的环境中，是相对不利的，为了避免不利影响，在波形调制后应该放大检测时候的模拟差分。针对数字电路的特性，优化差动电容的调制信号，使交流信号的波形变得简单^[4]。D/A转换器可实现方波信号的转换，信号的转换过程如图2所示：

图2信号转换的过程

如图2所示，避免超级电容后备能力模拟差分方法过多，导致计算量无限增大。采用6个调压器串联的方式，经过信号的转换和模拟差分的增大，得到最终的电压信号U1和U2，差分信号电压信号之间的差求出。将差分信号作为最后要输出给数字信号处理的信号，由图2可以看出在固定的极板中引出信号^[5]，然后对该信号进行加载调制，从表头输出的信号经过电压跟随器稳定电压，最后通过差分放大器对信号进行放大，放大后的信号输出的幅值是最后的检测信号。能够有效的对超级电容后备能力进行检测。

3.测试实验

为了验证本文设计的方法具有一定有效性，设计对比实验，使用本文设计的方法与传统的串联谐振原理电容后备能力检测方法、两点法测试方法相比，对比进行后备能力检测时的抗干扰能力。

3.1实验准备

实验的线路设置为常规的配电站线路，在进行变频信号注入的时候采取绕组的方式，选用二次侧的分离绕组进行变频信号注入。利用调压器实现中性点的偏压调节，实验中使用8.0μF的电力电容模拟器对配电站系统进行电容模拟。相量滤波器选择4阶的信号，并在中性点电压中对工频进行有效的分量处理，将变频信号处理为变频分量，计算出缺失的幅值进行合理的幅值补偿，以保证补偿后的变频信号的变频分量值与实验所需的谐振频率相等，变频电流控制的参数如表1所示：

表1 变频电流控制的参数

电流参数如表1所示，在不同中性点偏压下对超级电容后备能力检测的误差应低于1%，在电压为24V的实验条件下进行电容检测。

3.2实验结果与分析

在相同的电压条件下，使用本文设计的方法与传统的串联谐振原理电容后备能力检测方法、两点法测试方法相比，对比工频干扰检测，实验结果如图3：

图3实验结果

实验结果如图3所示，在中心点偏压为24V的实验条件下，串联谐振原理电容后备能力检测方法和两点法测试方法在进行电容测试的时候，接收的除了变频信号外，还有很强的干扰信号，信号的接收曲线波动较大。但本文实际的方法可利用逆变器控制输出电流中的工频分量，检测时只接收变频信号。曲线平稳顺滑，检测误差较小。

结束语

本文设计可一种基于检测可控性的电容后备能力检测方法，通过改变电阻和电流的状态改变中心偏压的数值，从而获得各频率下的有效电容，并利用实验验证了该方式的精准性。最终实现了配电站电容后备能力的检测。

参考文献

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