电流电压监视范文（精选5篇）

电流电压监视 第1篇

关键词：电源监视,高端检测,低端检测,LTC4151

引言

电子产品设计的复杂性不断提高,管理功耗和优化总体效率变得更加重要。从工业和电信应用到汽车和消费电子产品的所有产品中,准确的电源电压和电流监视对节省功率和保证可靠性都是至关重要的。

监视至一个系统的电源输入需要多种元器件。为了测量电流,需要一个检测电阻和放大器,而且如果放大器共模范围扩展到正的电源轨并将其输出转换到地是最方便的;需要精确电阻分压器来测量电压,而且如果有多于1个电压要监视,那么还必须给这个元器件表增加一个多路复用器。接着是具有精确基准和一些与微处理器连接的模数转换器(ADC),同时也许还有与相邻IC共享I/O线。由于找到合适元器件的总体复杂性和困难,电源监视最好的方法就是集成解决方案。

LTC4151为发挥这一作用而开发。它含有形成一个完整电源监视系统所需的功能构件(参见图1)。它在7~80V的范围内工作,同时监视电源轨的电流、它自己的电源电压和一个附加的电压输入。为实现灵活性,检测电阻是外部的,从而允许LTC4151准确地监视从m A到A或更大范围的电流。该ADC具有12位分辨率和1%的总未调整电压误差以及1.25%总未调整电流误差。外部ADIN输入的总未调整误差(TUE)仅为0.75%。数字通信通过I2C进行,有9个器件地址选择。

由于宽工作范围,LTC4151在从电信到汽车的系统中很有用。通过在一个单芯片解决方案中集成所有必需的功能构件,原先在分立解决方案中由于空间或成本而不可能实现的应用,现在变得切实可行了。

简单与复杂

LTC4151应用于很多复杂、空间受限和低压的应用,包括RAID系统、电信和工业计算机/控制系统。幸运的是,这个器件仅需要少数简单连接,并采用了小型MS10或纤巧3mm3mm DFN封装。视系统而定,该监视IC可位于背板或可插拔板卡上。图2显示LTC4151监视至12VDC/DC转换器的输入电流和电压。这里,低压输入ADIN用来测量该转换器的5V输出,而I2C直接连接到微控制器。所需要的外部元器件仅为一个检测电阻和两个总线上拉电阻。

LTC4151提供相对简单直接的连接,同时远离与低端检测有关的风险。由于固有的简单性,低端检测(检测电阻与负载地串联)是一个有吸引力的监视电源电流的方法。通过允许ADC直接测量检测电阻的压降,或用一个简单的前置放大器,它去除了对特殊放大器的需求。遗憾的是,极少有负载真正以这种方式浮动而允许接地通路开路。这个电路还带来一种潜在安全危害,因为一个出故障或断接的低端检测电阻允许负载地升高至满电源电压。

由于这些原因,几乎总是优先选择高端检测,然而高端检测很难实现。这是因为ADC必须测量连接到正轨的检测电阻两端的压降,该正轨常常为远超出ADC本身范围的电压。此外,小的检测电阻压降(在这种情况下为20m V/A)就一个12位转换器而言太小,因为动态范围的大部分都浪费了。此时需要一个特殊放大器,一个能检测高正电压轨同时给以地为基准的ADC提供输出的放大器。LTC4151不仅解决了高压轨测量的问题,而且由于检测放大器的25倍增益,该12位转换器还完成了1621位转换器的工作。

“正压”非常出色

高端电流监视的问题由于电源电压提高而加重。LTC4151以高达+80V工作!

就7~80V的电源而言,LTC4151保持高精确度,从而涵盖具有12V、24V或48V电源电压的应用,包括服务器、海量存储设备和很多其他系统。图3显示了在一个48V应用中的LTC4151,ADIN通过测量一个二极管的压降监视温度。电源引脚的绝对最大电压和两个检测输入引脚是90V,这帮助该IC耐受高压瞬态而不被损坏。这种宽输入电压范围允许LTC4151直接连接到高压电源,而无需第二个电源。

高压应用会欢迎LTC4151提供的准确度。测量SENSE引脚上的电流时,最大总的未调整误差(TUE)为±1.25%。满标度电流检测电压为81.92m V,且具有20µV/LSB的分辨率。这种准确度就大多数应用而言是足够的,就算这不是好于分立解决方案的准确度,也是可与其比较的。通过内部精确衰减器测量VIN上的电压时,TUE为±1%,且具有102.4V的满标度电压和25m V/LSB的分辨率,从而在更低和更高的电压上提供足够的分辨能力。最后,在ADIN引脚获取电压读数时,TUE为±0.75%,且具有2.048V的满标度电压和25m V/LSB的分辨率。这些准确度数字在-40~85℃的工业温度范围内都是有效的。

有些应用,尤其在电信系统中,工作于负电压并消耗大量电流,在这类应用中,电源监视也许不那么简单直接。LTC4151能够很平等地监视正和负电压。尽管LTC4151具有一个停机引脚以在低功率应用中将静态电流降至120µA(在12V),但是LTC4151-1版本用提供简单光隔离的第二个I2C数据引脚取代了这个引脚,从而方便了该器件在高负压应用中的使用。光耦合器的使用允许主控制器位于来自电源监视器的不同地电平。

图4显示LTC4151-1如何连接到-48V Advanced TCA(ATCA)应用中的光耦合器。一条分路I2C数据线、SDAI(数据输入)引脚和独特的SDAO#(负数据输出)引脚方便地消除了为双向传输和数据接收而使用I2C分路器或合并器的需求。由于所有I2C信号都被箝位,而且上拉电阻都能够直接连接到-48V电源,所以也消除了对一个单独上拉电源的需求。注意,Vin端的电压在检测电阻的上行侧测量,以实现更高的准确度,而且假定LTC4151-1的静态电流在与DC/DC转换器的负载相比时可以忽略不计,转换器负载就ATCA应用而言通常在安培量级。该图还显示怎样能用ADIN引脚来利用一个热敏电阻测量线路板温度。

不管一个应用是否需要隔离,LTC4151都在返回来向轮询主机报告时提供一些便利的功能。I2C接口具有一个阻塞总线复位定时器,该定时器复位内部I2C状态机,以在I2C信号保持低电平超过33ms(阻塞总线状态)时允许恢复正常通信。除此以外,LTC4151还可以连续或以单个瞬像模式报告数据。在连续扫描模式,LTC4151以7.5Hz的刷新率顺序测量SENSE引脚之间、VIN和ADIN端的电压。在瞬像模式,主控制器指示LTC4151在任何信号端执行一次性测量,非常适用于仅需要偶尔测量输入电源的应用。I 2 C接口和两种报告模式使LTC4151非常适合于数字电源监视。

结论

LTC4151是一个通用型电源监视器,具有帮助应对种类繁多应用的功能。采用分立和其他电源监视器的传统实施方案在复杂性、功能性或性能方面往往达不到要求,但是LTC4151通过提供一个简单且非常有效的方法以监视电流、电压和温度,从而有能力应对这种情况。它包括内部检测放大器、增量累加ADC和I2C接口在内的高性能基本构件确保数字读数准确和精确。高压应用可以利用90V绝对最大额定值,同时该IC的全部灵活性适用于用户监视负电压,包括一个方便隔离的选项。总之,LTC4151允许设计师在实现一个可靠的电源监视电路上花更少的时间,因此实现这样的电路不再是一个难以承担的任务了。

参考文献

[1]Reyes D.Power Monitor for Automotive and Telecom Applications Includes ADC and I2C Interface[R].Linear Technology,2008

[2]LTC4151Datasheet[R].Linear Technology,2008

[3]Power Management for Portable Products[G].www.linear.com.c n/p c/downloadDocument.do-navId=H0,C1,C1003,D5205

[4]Power Supply Tracker Can Also Margin Supplies[R].www.linear.com.c n/p c/downloadDocument.do-navId=H0,C1,C1003,C1144,D9118

电压源电流源教案 第2篇

教师：程玉景

教学目地：（1）认识电压源模型和电流源模型

（2）掌握电压源和电流源的特点及符号

（3）掌握理想电压源和电流源的特点及符号

教学重点：（1）主要是其特点及符号 教学难点：

（1）对电流源的理解 教学方法：

举例，提问，讲授 教学时间：

45分钟

教学过程：

复习导入：

电压源电气符号

电流源电气符号

电源外特性：Ｕ＝Ｅ－Ｉｒ

并联分流公式: I1=(R2/R1+R2)I 新授：

导入： 向电路提供电压或电流的装置称为独立电源

举例: 稳压电源，稳压电源由稳压电源，发电机，太阳能电池

一.电压源

1.用途：

向外电路输出稳定电压。例：干电池（1.5V）

发电机（220V）

特点：

内阻较低

分类：

直流，交流

例：干电池，直流发电机，蓄电池 2.实际电压源

电气符号

特点：（1）电动势E和内阻ｒ串联,注意电压正负极性

（2）输出形式：电压U=Ｅ－Ｉｒ

3.理想电压源（恒压源）

电气符号：

特点：(1)r=0

(2)U=E

二．电流源

１.用途： 提供稳定的电流。例如：稳流电源 特点：

内阻很大

２.实际电流源

电气符号：

特点：（1）I S 和ｒ并联，注意电流方向

（2）输出形式：电流IL=(r/RL+r)I

3.理想电流源（恒流源）

电气符号：

特点：（1）ｒ趋于无穷大

（2）Is=IL

三．小结：

（1）实际电压源和电流源符号及其特点

（２）理想电压源和理想电流源符号及其特点

四．作业：

（１）笔试：整理笔记，将重点记忆。下一节提问

（２）口头：预习实际电压源和实际电流源的等效变换

五．板书设计：

主板书设计

副板书设计

电压源与电流源

一电压源

二电流源

复习：１.电压源与电流源符号 １.用途

１.用途

２.电源外特性： ２..实际电流源

２.实际电流源

３.并联分流公式:

电池电压监视电路的设计与研究 第3篇

随着科学技术的不断发展, 各种设备对工作电压的要求也越来越高, 这就需要电压监视电路对设备工作电压不断进行检测, 保证设备正常运行。

电池电压监视电路对采用电池为工作电源的设备的电源进行监视。最初监视电路的显示部分是采用灯光作为信号输出, 难以说明设备电源的工作动态, 后采用机械表作为显示部分, 但读数不方便且精度较低。现今监视电路主要采用数码管显示, 精度高, 显示直观, 便于读数, 得到了广泛推广。

本文设计电路适用于电池电压的监视, 且被监视电压在8~12V之间。

1 设计方案

对于电池电压的监视电路有几种可行性方案, 比如以发光二极管显示确定被测电压的范围;以电子电路配合数码显示;通过单片机编程实现。

本文应用电子电路, 以8位ADC作为模数转换电路, 数字信号处理采用列表法, 通过实际电压值与ADC输出二进制编码的对应关系, 应用门电路来完成信号的处理, 再经过译码器译码在数码管上显示被测电压数值。显示部分采用三位数码管显示, 精确到小数点后一位, 其误差为±0.1V。

具体设计框图如图1所示。

2 设计原理分析

电路分5部分:被测电源电路、A/D转换电路、信号处理电路、译码电路和显示电路。A/D转换电路负责将模拟信号转换成数字信号, 其精确度高, 测量速度快。信号处理电路将ADC转换来的数字信号取舍转化后, 变为与实际电压相对应的信号编码。译码电路采用74LS48七段显示译码驱动器, 对处理后的数字信号进行译码。显示电路采用数码管, 与前面的译码器相连, 用来显示被测电压值。

3 电池电压监视电路

3.1 A/D转换电路

逐次逼近比较式A/D转换是属于直接式A/D变换。其基本原理是用被测电压和一个可变的已知的电压 (基准电压) 进行比较, 直至比较结果相等, 达到测出被测电压值的目的。

信号处理电路通过列表 (如表1) , 找规律、计算、取近似值等方式, 应用门电路取舍转换使输出编码所对应的电压值与译码器产生对应关系, 从而使显示电压值与被测电压值基本相同。 (说明:由于数据量较大, 数据有取舍, 有些数据已取近似值)

信号处理电路分成3部分, 即电压值的十位、个位和小数点后一位, 与信号处理电路一一对应。

3.2 信号处理电路

3.2.1 十位数的数字处理

通过表1中的D7与电压值的十位数数字相对比可看出, 当D7=0时, 电压值的十位数数字就为0, 当D7=1时, 电压值的十位数数字就为1, 因此只要将ADC的D7位与译码器的A端相连就可达到目的, 中间不需要经过任何处理。

3.2.2 个位数的数字处理

由表1可知, ADC的D7与D6位与电压值的个位数数字对应关系如表2所示。

译码器输入端的B、C端均为0, 因此B、C端闲置即可。但当ADC的输出全部为0时, 电压值的个位数数字会显示8, 因而应用了一个单输入的三态与门, 和两块四或门74LS32D构成了一个八输入或门。

3.2.3 十分位数的数字处理

由表1可知ADC的D2、D3、D4、D5与电压值的十分位数数值的对应关系, 如表3所示。 (注:表中*代表任意值)

由表可得译码器ABCD的逻辑表达式, 进而得到相应的十分位显示子电路。

3.3 译码电路及显示电路

译码电路采用了三块七段显示译码器74LS48, 分别对电压值的十位、个位、十分位进行译码。显示电路采用了两块七段数码管, 分别用来显示电压值的十位数和十分位数;一块八段数码管, 用来显示电压值的个位数。

4 展望

本文设计电池电压监视电路适用范围较窄, 且没有警报功能, 因此还有很大改造空间。此功能电路必将向多样化、高性能、高技术方向迅猛发展。

参考文献

[1]陆绮荣.电子测量技术[M].北京:电子工业出版社, 2007, 1.

[2]郑步升, 吴渭.Multisim2001电路设计及仿真入门与应用[M].北京:电子工业出版社, 2002.

[3]刘守义.数字电子技术[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2007.

电流电压监视 第4篇

中平能化集团电务厂管理的平宝变电站, 2条35 k V主进线首宝线和七宝线, 由于设计原因线路侧没有安装电压互感器, 35k V进线有无电压只能在高压室开关柜的三相电压指示灯上看到, 后台机显示画面不能显示主进线线路侧有无电压, 无法在主控室后台机实时监测35 k V进线电压。

1 基本原理

将35 k V进线电压转变为遥信量引入综自后台, 实现进线电压失压报警功能。35 k V线路电压消失, 高压带电传感器无感应电压输出, 开关状态显示器内中间继电器常开触点打开, 微机保护装置备用开关量常开触点打开, 进线开关微机保护装置将开关量信号变化传送至后台机判断, 驱动警铃发出音响, 同时在综自后台机主接线图上, 35 k V进线开关 (首宝2) 图旁用圆圈由红色变为绿色提示, 后台机实时告警语音报出“首宝2线路侧无电”语音信息及其他告警信息。

2 主要设备

2.1 CBZ-8000综自管理系统

许继电气股份有限公司开发的新一代变电站综合自动化系统, 包含就地监控系统 (SCADA) 、远动通信接口、继电保护工程师站、一次设备状态检测及维护工作站的输配电系统成套保护与测控系统。在系统设计时充分考虑了电力系统信息化的要求, 设计了MIS、远程及继电保护信息接口等各种信息化接口设备, 具备现场功能扩展。

2.2 微机保护装置

35 k V进线开关采用WXH-822微机保护装置, 该装置提供8路遥信开入采集, 接入断路器分合位置、手车分合位置和接地刀闸分合位置等。该装置剩余4个备用遥信开关输入量n221、n222、n223、n224。

2.3 高压带电传感器

高压带电传感器是一种感应式 (非接触式) 高压带电检测装置, 它利用高压电场与传感器之间的电场耦合原理。传感器共3支, 分别置于“A、B、C”三相带电体下面, 与高压带电体无直接接触, 并保持一定的安全距离。它接受高压带电体电场信号, 输出28～32 V感应电压, 提供给开关状态显示器高电压带电指示灯。

2.4 开关状态显示器

现场使用的是ZH-KZQ-2000C开关状态显示器, 集成了一次回路模拟图、断路器位置、开关状态、接地闸刀位置、弹簧储能状态、高压带电指示、高压带点闭锁及温度、湿度传感器, 三相带电指示灯接入感应电压, 用于线路三相电压显示。任一相有电, 开关状态显示器内部“闭锁输出”中间继电器常开触点闭合, 开关状态器使其端子27、28导通。该“闭锁输出”端子在首宝2开关柜内未使用, 可以用作反映线路侧有无电压。

3 具体实施

3.1 接线原理图

开关状态显示器“闭锁输出”端子27从端子排1D58接至该端子排+BDM电源上;“闭锁输出”端子28从端子排1D59接至主控室35 k V线路保护柜2D端子排56。2D56内侧接线接至首宝2微机保护装置备用遥信开入“n222”端子上。由于“闭锁输出”端子在线路侧有电压时断开, 在线路侧无电压时吸合, 因此即可实现该遥信量按照线路侧有无电压而改变遥信状态。二次电缆 (2准2.5 mm, 铜芯) 从高压开关柜仪表室端子排上接出, 经屏顶小母线室、电缆沟、35 k V线路保护屏, 接到35 k V进线保护测控柜2D端子排。接线原理图如图1所示。

接线图中, BDM代表微机保护装置电源, 也是遥信信号的输入电源;WXH-822, 35 k V线路微机保护装置;n222为装置备用遥信接线端子;BS1:27、BS2:28为开关状态显示器闲置闭锁输出接点;1D58、1D59、2D56为端子排接线编号。

3.2 后台绘制“线路侧电压图形元件”

在许继CBZ-8000后台“在线监控系统”中制作“线路侧电压”图形。Autop Vision图形组态软件是把图形的编辑、组态以及状态的实时监控紧密地结合在一起, 在本质上已经成为一个通用的基础组态软件, 因此, 它不仅可以应用于监控系统, 而且可以运用于其他需要图形支持的系统。

在“实体库管理”中选择所需图元, 采用圆形遥信变位图元, 然后定义其“属性设置”, 实现在线路侧有电时图元变为红色, 线路侧无电时图元变为绿色的功能的画面显示效果。主接线图中以圆圈填充红色表示35 k V线路进线有电压, 该圆圈填充绿色表示35 k V线路进线无电压, 绘制完毕后保存、运行主接线图。效果显示:35 k V进线有电压时后台机主接线图红圆圈长亮、35 k V进线无电压时后台机主接线图绿圆圈长亮。

3.3 后台配置数据库

数据库维护系统是整个CBZ-8000变电站自动化监控系统中的重要组成部分, 是变电站系统中必不可少的重要环节, 它用来配置变电站系统正常运行所必需的基础数据信息, 并对系统内的各种数据库进行维护和管理, 同时提供必要的系统监视功能, 让维护人员了解整个变电站系统的网络节点状况和所有应用程序的运行情况, 以便及时发现问题并进行处理。

3.3.1 基本库配置

3.3.1. 1 基础数据表

其是变电站内所有数据信息的基础, 它为系统正常运行所必需的数据提供解释说明和选择内容。本成果将配置“字符串表维护”、“语音文件表维护”2项。“字符串表”为“遥信装置表”等数据表提供基础数据, “遥信装置表”中的“置位/复位时显示字符串”引用的就是“字符串表”中的“字符串标识”。

点击“操作工具条”上的“增加记录”按钮, 则在编辑区出现待编辑记录。当前最大的“字符串ID”加1, “字符串内容”添加为“首宝2线路侧有电”;“字符串ID”缺省加1, “字符串内容”添加为“首宝2线路侧无电”。然后点击“操作工具条”上的“保存记录”按钮保存, 所添加的记录, 同时新字符串及其标识就会出现在浏览区。“字符串ID”必须为1～255之间的整数。

3.3.1. 2 语音维护表

录制语音.wav文件“首宝2线路侧有电”、“首宝2线路侧无电”, 存放路径C:program files许继有限公司data文件夹下。“语音文件表”为模板库或者装置库的“遥测表”和“遥信表”等数据表提供基础数据。

点击“操作工具条”上的“增加记录”按钮, 则在编辑区出现待编辑记录, 其中“语音文件ID”缺省为当前最大的“语音文件标识”加1, “语音文件名称”为空, 并且呈灰色显示。修改“语音文件ID”后, 点击“语音文件名称”后面的“浏览”按钮, 系统弹出标准的“打开对话框”, 从中打开所需的“首宝2线路侧有电”、“首宝2线路侧无电”语音文件。之后点击“操作工具条”上的“保存记录”按钮保存即可。

3.3.2 装置库配置

装置库是所有装置数据表的总称。它提供实际运行的变电站系统内所有装置及其下属测点 (也称信息元或信息点) 的基础信息。点击“装置库配置”中的宝308柜 (首宝2) , 然后在遥信列表中找到备用遥信量n222, 定义信息点物理名称为“首宝2线路侧无电”, 定义置位报警语音文件为“首宝2线路侧无电.wav”, 复位语音报警为“首宝2线路侧有电”, 定义置位报警语音文件为“首宝2线路侧有电.wav”。定义分合响铃复选框为选中状态, 分合响笛复选框不选中状态, 最后定义告警级别为“一般”。

4 应用效果

自“35 k V进线电压在线监测”实施后, 35 k V进线先后出现了20多次停电检修工作, 综自后台机主接线图显示正确率达100%;语音报警内容正确、声音清晰;动作响应时间<50 ms, 且对其他设备不产生任何干扰。

5 结语

“35 k V进线电压在线监视”可使值班人员及时掌握35 k V进线有无电压, 作出及时、准确的判断, 从而缩短事故处理时间, 减少停电对供电用户的影响, 确保矿区电网的安全、可靠供电。此成果具有可靠性高、实用性强、费用低廉、效果显著、推广价值高等优点, 对于确保变电站双电源供电, 实现变电站的安全运行有着积极作用。

摘要：详细介绍了综自变电站35kV进线电压在线监测工作原理, 从现场实用的角度分析了实现35kV进线电压在线监测的实施方案。并以CBZ-8000综合自动化管理系统、WXH-822微机保护装置及高压配电设备为例, 介绍了实现该功能的具体方法。该功能在综合自动化变电站安全管理中具有重要的实际意义。

关键词：变电站,综自管理系统,进线电压监视

参考文献

电流电压监视 第5篇

随着电网规模的不断扩大、负荷的持续增长和电力市场的逐步实施,电力系统运行点越来越接近稳定极限,整个系统发生电压失稳甚至电压崩溃的危险不断增加[1,2],对电压稳定在线监视的研究日益受到国内外学者的重视[3,4]。

20世纪90年代出现的相量测量单元(PMU),使电力系统动态行为的监视成为可能,在电力系统分析和控制的许多领域得到应用[5]。PMU的出现为电压稳定的研究提供了新的手段,引起国内外学者的广泛关注[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]。

利用PMU量测和戴维南等值模型进行电压稳定在线监视,是其中的一个重要研究方向,国内外学者在等值模型[6,7,8,9,10]、参数估计方法[11,12,13,14]、对无效量测的过滤[11,15,16]、模型应用[6,7,8,10,17]等方面做了不少工作。这一思路的优点在于,戴维南等值模型的参数是根据电网对实际扰动的真实物理响应而估计出来的,可有效避免电网参数不准确或建模不完全的问题;而且在负荷快速变化时,使用PMU量测可快速给出电压稳定性指标,避免远程终端单元(RTU)量测不同步带来的较大误差。

对传统戴维南等值模型的研究大都基于一个假设:在一个数据窗内,戴维南等值内电势与内阻抗均不变。而实际系统有时并不满足这个假设,使用传统模型可能得到不合理的结果。本文利用电路原理的相关理论对传统戴维南等值模型的不足进行了定性分析,在此基础上提出了一种内电势相角可变的改进戴维南等值模型。

1 传统戴维南等值模型

通过离线分析,找出电网的薄弱部分,为每个薄弱负荷母线(称“监视母线”)配置一个PMU,便可对其进行快速的电压稳定在线监视:根据多个时刻的PMU量测,估计从某个监视母线看进去的电网戴维南等值模型的参数,快速计算该监视母线的电压稳定性指标。

1.1 戴维南等值模型的基本电路

从某个监视母线看进去,电网戴维南等值模型的基本电路如图1所示。

根据基本电路理论,可得:

$\dot{\mathit{E}}{}_{\text{Τ}}=\dot{\mathit{V}}{}_{\text{L}}+\mathit{{\rm Z}}{}_{\text{Τ}}\dot{\mathit{{\rm I}}}{}_{\text{L}}(1)$

将连续m组PMU量测$(\dot{\mathit{V}}{}_{\text{L}},\dot{\mathit{{\rm I}}}{}_{\text{L}})$看做一个数据窗,确定合适的数据窗长度,便可估计出戴维南等值模型的参数$\dot{\mathit{E}}{}_{\text{Τ}}$和ZT。

1.2 传统戴维南等值模型及求解方法

传统戴维南等值模型有如下假设:在一个数据窗内,电网的扰动主要由监视负荷的变化引起,其他部分近似保持不变;从监视母线看进去,电网戴维南等值内电势和内阻抗均不变。

在一个数据窗内,对于第k组量测,可得如下量测方程:

$\left[\begin{array}{c}E{}_{\text{Τ}\text{R}}\\ E{}_{\text{Τ}\text{Ι}}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{cc}{\rm I}{}_{\text{L}\text{R}}^{(k)}& -{\rm I}{}_{\text{L}\text{Ι}}^{(k)}\\ {\rm I}{}_{\text{L}\text{Ι}}^{(k)}& {\rm I}{}_{\text{L}\text{R}}^{(k)}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\rm Z}{}_{\text{Τ}\text{R}}\\ {\rm Z}{}_{\text{Τ}\text{Ι}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}V{}_{\text{L}\text{R}}^{(k)}\\ V{}_{\text{L}\text{Ι}}^{(k)}\end{array}\right](2)$

式中:下标R,I分别表示复数相量的实部、虚部。

根据假设,ETR,ETI,ZTR,ZTI在一个数据窗内均保持不变。

确定合适的数据窗长度m,将量测方程联立,便可通过多种方法[11,12,13,14]估计出等值参数$\dot{\mathit{E}}{}_{\text{Τ}}$和ZT。

2 传统戴维南等值模型的不足及定性分析

电网的潮流模型是非线性模型,而戴维南等值模型只能应用于线性网络[18],即线性化后的潮流模型。文献[19,20]指出,采用戴维南等值模型预测电压稳定,必然存在一定程度的误差,但没有详细分析负荷变化对等值模型各参数的影响程度,也没有指出影响预测结果的主要参数。下文将从电路原理的相关理论出发,分析负荷变化对戴维南等值参数的影响,并据此对传统戴维南等值模型进行改进。

潮流模型线性化时,发电机变为理想电压源,负荷变为阻抗。监视负荷变化时,线性化网络中各阻抗基本不变,根据戴维南等值内阻抗的定义[18],可以认为等值内阻抗近似不变。

在线性化网络中,移去监视负荷,其他部分不变,监视母线的电压即为戴维南等值内电势[18],根据叠加原理[18],监视母线的电压可由下式决定:

$\dot{\mathit{E}}{}_{\text{Τ}}={\displaystyle \sum _{i=1}^n\dot{\mathit{E}}}{}_{\text{Τ}i}(3)$

式中:$\dot{\mathit{E}}{}_{\text{Τ}i}$为第i个理想电压源单独作用时监视母线的电压;n为理想电压源的个数。

根据齐性定理[18],当第i个理想电压源的幅值变为原来的K倍、相角增加Δδ时,$\dot{\mathit{E}}{}_{\text{Τ}i}$的幅值也变为原来的K倍,相角也增加Δδ。

如果发电机的励磁系统足够快速、精确,当监视负荷变化时,机端电压幅值近似不变,机端电压相角可能变化;对应地,理想电压源电压幅值近似不变,电压相角可能变化。因而,式(3)中$\dot{\mathit{E}}{}_{\text{Τ}i}$的幅值不变但相角可能变化,$\dot{\mathit{E}}{}_{\text{Τ}}$的幅值、相角均可能变化。式(2)变为:

$\left[\begin{array}{c}E{}_{\text{Τ}\text{R}}^{(k)}\\ E{}_{\text{Τ}\text{Ι}}^{(k)}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{cc}{\rm I}{}_{\text{L}\text{R}}^{(k)}& -{\rm I}{}_{\text{L}\text{Ι}}^{(k)}\\ {\rm I}{}_{\text{L}\text{Ι}}^{(k)}& {\rm I}{}_{\text{L}\text{R}}^{(k)}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\rm Z}{}_{\text{Τ}\text{R}}\\ {\rm Z}{}_{\text{Τ}\text{Ι}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}V{}_{\text{L}\text{R}}^{(k)}\\ V{}_{\text{L}\text{Ι}}^{(k)}\end{array}\right](4)$

将m组式(4)所示的量测方程联立,共有2m个方程,2m+2个未知数,无法求解。也就是说,当戴维南等值内电势的幅值、相角均变化时,无论数据窗的长度是多少,均无法估计出戴维南等值参数。

当监视负荷变化时,戴维南等值内电势的幅值变化肯定较小、相角变化可能较大。需要说明的是,相角变化有时可能较小,在这些情况下,传统戴维南等值模型的假设可以得到近似满足。具体推导见附录A。

3 改进戴维南等值模型

3.1 改进戴维南等值模型

根据第2节的分析,改进戴维南等值模型的假设如下:在一个数据窗内,电网的扰动主要由监视负荷的变化引起,其他部分近似保持不变;从监视母线看进去,戴维南等值内电势的幅值不变,但相角可能变化;等值内阻抗的幅值、相角均不变。

第k组量测对应的量测方程如下:

$\{\begin{array}{l}\left[\begin{array}{c}E{}_{\text{Τ}\text{R}}^{(k)}\\ E{}_{\text{Τ}\text{Ι}}^{(k)}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{cc}{\rm I}{}_{\text{L}\text{R}}^{(k)}& -{\rm I}{}_{\text{L}\text{Ι}}^{(k)}\\ {\rm I}{}_{\text{L}\text{Ι}}^{(k)}& {\rm I}{}_{\text{L}\text{R}}^{(k)}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\rm Z}{}_{\text{Τ}\text{R}}\\ {\rm Z}{}_{\text{Τ}\text{Ι}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}V{}_{\text{L}\text{R}}^{(k)}\\ V{}_{\text{L}\text{Ι}}^{(k)}\end{array}\right]\\ (E{}_{\text{Τ}\text{R}}^{(k)}){}^2+(E{}_{\text{Τ}\text{Ι}}^{(k)}){}^2-(E{}_{\text{Τ}\text{Μ}}){}^2=0\end{array}(5)$

式中:下标M表示复数的幅值。

根据假设,ETM,ZTR,ZTI在一个数据窗内保持不变。

3.2 可解性分析

将m组式(5)所示的量测方程联立,共有3m个方程,2m+3个未知数(E(k)TR,E(k)TI,ETM,ZTR,ZTI,k=1,2,,m),因而m≥3时方程组才可求解。当m=3或m>3时,可分别采用牛顿法或最小二乘法求解。

3.3 牛顿法初值的估计

牛顿法对初值要求比较严格,若初值选择不合理,很可能导致牛顿法不收敛或收敛到不合理的解。用牛顿法求解改进戴维南等值模型时,需要估计的初值包括等值内电势$\stackrel{\tilde{\cdot }}{{\displaystyle \mathit{E}}}{}_{{\rm T}}^{(k)}(k=1,2,\cdots ,m)$、等值内电势幅值$\tilde{E}{}_{\text{Τ}\text{Μ}}$和等值内阻抗$\widetilde{\mathit{{\rm Z}}}{}_{\text{Τ}}$。本文采用的初值估计方法如下:

1)根据经验设定等值内电势的幅值ETM和等值内阻抗虚部与实部的比值ρ,如ETM=1.05,ρ=3等。需要说明的是,这2个设定值仅用于估计牛顿法迭代的初值,不需要很精确。

2)将ETM,ρ和第m时刻(当前时刻)的量测代入式(1),求出的$\widetilde{\mathit{{\rm Z}}}{}_{\text{Τ}}^{(m)}$作为等值内阻抗的估计值$\widetilde{\mathit{{\rm Z}}}{}_{\text{Τ}}$。

3)将$\widetilde{\mathit{{\rm Z}}}{}_{\text{Τ}}$和第k组量测代入式(1),可得等值内电势的估计值$\stackrel{\tilde{\cdot }}{{\displaystyle \mathit{E}}}{}_{\text{Τ}}^{(k)}$。

4)取各时刻$\stackrel{\tilde{\cdot }}{{\displaystyle \mathit{E}}}{}_{\text{Τ}}^{(k)}$幅值的平均值,可得等值内电势幅值的估计值$\tilde{E}{}_{\text{Τ}\text{Μ}}$。

3.4 模型误差分析

为了评估戴维南等值模型的准确性,需要将估计值与真实值相比较。但是,在复杂系统中,计算戴维南等值参数的真实值比较困难。

根据戴维南等值的物理含义可知,在使用等值模型和详细模型2种情况下,从等值端口向网络看进去的表现应该一致[18]。因而,在一段时间内,可根据等值模型与详细模型在监视母线处对负荷变化响应的吻合程度,来分析等值模型的误差。这种方法计算简单,并且可以在线评估等值模型的准确性。具体的误差分析流程如下:

1)根据一段时间内量测的负荷电压、电流序列计算负荷阻抗序列。

2)将负荷阻抗序列代入要分析的等值模型,在等值模型中计算负荷电压、电流序列。

3)将等值模型计算出的负荷电压、电流序列与量测值进行对比,得到等值模型的误差。

4 相关问题的讨论

4.1 电压稳定性指标

对于图1所示的两节点系统,当负荷阻抗的幅值与等值内阻抗的幅值相等时,系统发生电压崩溃[21]。选择负荷裕度作为电压稳定性指标,即崩溃时的有功负荷与当前的有功负荷之差。

4.2 数据窗的选取

PMU的采样速度较快,若监视负荷在相邻采样点变化较小,则需要采用间隔取点的方式,保证其在一个数据窗内每个采样点均有一定的变化。采用间隔取点的方式,当负荷变化较快时,数据窗形成时间短,电压稳定性指标刷新速度快;反之亦然,满足电压稳定在线监视的需求。

4.3 改进戴维南等值模型的退化

若戴维南等值内电势的相角在一个数据窗内保持不变,用牛顿法求解时,雅可比矩阵会奇异,导致求解失败。此时,量测方程由式(5)退化为式(2),应采用传统戴维南等值模型进行求解。

4.4 多个负荷同时变化对预测结果的影响

多个负荷同时变化,会导致戴维南等值内阻抗变化,不满足改进戴维南等值模型的假设。若其他负荷变化不大,或监视负荷的增长与所在区域的负荷增长存在正相关关系[18],根据改进戴维南等值模型得到的预测结果在工作点附近仍可用,但估计精度有所下降。通过不断刷新等值模型,可有效改善估计精度降低带来的影响。

4.5 戴维南等值模型的应用场景

本文的模型和算法可直接应用于调度中心,也可应用于变电站。用于调度中心时,利用广域测量系统(WAMS)提供的PMU数据,监视指定负荷母线的电压稳定情况,为调度人员提供预警信息和决策支持;用于变电站时,根据当地量测信息,监视所在母线的电压稳定情况,为紧急切负荷提供依据。

5 算例分析

以IEEE 39节点系统为测试系统,单线图见图2。选母线8为监视母线,为其配置一个PMU,母线32为平衡母线;负荷保持恒功率因数增长,带来的不平衡功率由所有发电机按当前有功出力的比例共同承担;不考虑发电机无功出力的限制。

5.1 算例1:只有监视负荷增长

保持其他负荷不变,单独增长母线8的负荷,当负荷增长因子为4.90(即母线8的负荷有功增长到基态的4.90倍)时,系统发生电压崩溃。

根据母线8的电压和负荷电流量测值估计戴维南等值参数,并据此计算电压稳定性指标,得到的负荷极限估计曲线如图3所示。可以看出,利用传统模型得到的负荷极限与实际负荷极限误差较大,而改进模型的误差较小。

负荷增长因子为1.5时,等值模型的负荷电压幅值的估计误差见图4。与传统模型相比,改进模型带来的估计误差较小。离估计点越近,估计误差则越小;反之亦然。这与电压稳定在线监视的要求相符。若电网不发生突变,只需进行持续的在线监视,就可保证预测结果在未来一段时间内有效。

5.2 多个负荷同时增长

5.2.1 算例2:监视负荷与临近负荷同时增长

同时增长监视负荷(母线8的负荷)和临近负荷(母线4的负荷),直至系统发生电压崩溃,仿真结果如表1所示。

由表1可知,随着η1的增加,传统模型和改进模型的估计误差都有所增加,但改进模型的估计误差均小于传统模型。

5.2.2 算例3:监视负荷和远方负荷同时增长

同时增长监视负荷(母线8的负荷)和远方负荷(母线29的负荷),直至系统发生电压崩溃,仿真结果如表2所示。与表1类似,表2中改进模型的估计误差均小于传统模型。

算例2和算例3的负荷增长模式更符合电力系统的实际情况。由仿真结果可知,当电网中部分母线负荷增加时,改进模型有一定的估计误差,但误差值明显小于传统模型。改进模型比传统模型更适用于实际系统。

6 结语

基于PMU量测的传统戴维南等值模型无法适应等值内电势相角变化的情况,本文利用基本电路的相关理论对其进行了定性分析,并在分析的基础上提出了改进戴维南等值模型。本文给出了改进模型的假设条件和量测方程,从可解性条件、求解方法、误差分析等方面进行了研究,并对数据窗的选取、模型退化等相关问题进行了讨论。利用改进模型计算出负荷裕度,作为系统电压稳定指标。IEEE 39节点系统的仿真结果表明,改进模型能够更准确地估计等值模型参数和系统负荷裕度,误差较小,更符合实际情况,具有更好的适应性。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。