温度对配电一二次融合成套设备测量准确度影响_赵海洋.pdf

57 电工电气电工电气 (2023 No.2)赵海洋，滕达，姜晓君，侯永涛(中讯邮电咨询设计院有限公司，北京 100048)温度对配电一二次融合成套设备测量准确度影响0 引言近年来，随着智能电网建设的快速发展，对配电网的智能化提出了更高的要求，作为其关键支撑的配电网一二次设备融合是配电网设备标准化、集成化的发展趋势1-2。配电网中由于负荷突变、短路过电流的发生、设备安装连接不当、环境因素的影响都会造成开关设备过热，配电开关一二次融合后，二次设备将处于高温环境中，然而很多二次元件大多是电子器件，工作性能与周围温度有着密切的关系，难以承受强高温的运行工况，因此一次设备的温升很有可能对二次设备造成误动、拒动、精准度下降、死机等现象，这对设备运行可靠性和稳定性是一种考验3-6。目前国内外针对电磁干扰对二次设备影响的研究相对较多，但关于温度对二次设备影响的研究较少。一二次融合成套开关设备正处于发展阶段，技作者简介：赵海洋(1992)，男，助理工程师，硕士，从事供配电设计、节能减排等工作；滕达(1973)，男，高级工程师，学士，从事供电系统、节能减排等工作。摘 要：配电网一二次设备融合后，二次设备因长期处于一次高温环境中，其内部电子器件性能易受温度影响。分析了温度对二次设备内元件及信号调理电路的影响，基于高低温试验环境箱搭建了试验测试平台，通过采集二次设备互感器的比值差和相位差进行测量精准度的对比分析，为提高测量精准度，提出采用非线性软件补偿方式，并进行了软件算法原理分析和试验验证。试验结果表明，取样电阻和差分运算放大电路的温度相关系数是影响二次设备采集准确度的关键，温度变化会造成二次设备的测量准确度下降，在高温 60、低温-30 左右已不能满足配电开关的要求，加入非线性软件补偿后比值差变化在 0.15%0.3%之间波动，可以有效提高测量准确度。关键词：配电网；温度变化；一二次融合；测量准确度；二次设备中图分类号：TM642 文献标识码：B 文章编号：1007-3175(2023)02-0057-06 Abstract:The performance of internal electronic devices of the secondary equipment is susceptible to temperature because the second-ary equipment has been in the primary high temperature environment for a long time after primary and secondary fusion of the distribution network.The paper analyzes temperature effects on internal devices of the secondary equipment and signal conditioning circuit,and it also establishes a test platform based on the high and low temperature environmental chamber.The measuring accuracy is compared and analyzed by collecting ratio error and phase difference of the secondary equipment transducers.Moreover,the paper puts forward a nonlinear software compensation method and conducts the software algorithm principle analysis and test verification to increase the measuring accuracy.The re-sults show that the temperature correlation coefficient of sampling resistance and differential operational amplifier circuit are the key factors to acquisition accuracy of the secondary equipment.Temperature variation decreases measuring accuracy of the secondary equipment.It can-not meet the requirement of distribution switches at high temperature of 60 and low temperature of-30.The measuring accuracy can be effectively increased by employing the nonlinear software compensation method which ensures the fluctuation of the ratio error between 0.15%and 0.3%.Key words:distribution network;temperature variation;primary and secondary fusion;measuring accuracy;secondary equipmentZHAO Hai-yang,TENG Da,JIANG Xiao-jun,HOU Yong-tao（China Information Technology Designing&Consulting Institute Co.,Ltd,Beijing 100048,China）Temperature Effect on Measuring Accuracy of Primary andSecondary Fusion Equipment of Distribution Network温度对配电一二次融合成套设备测量准确度影响58电工电气电工电气 (2023 No.2)术路线尚未成熟，缺少对融合后的智能化组件、智能终端随一次开关设备完整的型式试验这项关键内容；电子元件的工作可靠性主要受温度影响，并且这种影响是持续性的，因此探究温度对一二次融合成套开关设备测量准确度的影响尤为重要7-8。为探究温度对配电网一二次融合成套开关二次设备的影响，文中通过理论分析温度对二次设备内元件及信号调理电路造成的影响，得出影响二次设备精度的原因；搭建高低温试验环境箱平台对一二次融合成套开关设备进行温度试验，得到温度对二次设备测量准确度的影响程度；针对二次设备采集精度问题提出非线性软件补偿方式，并进行软件算法原理分析和试验验证。1 温度对二次设备的影响原理分析1.1 温度对二次设备电子元件的影响温度主要通过对二次设备中的电阻、电容和半导体元件进行影响，由此影响一二次融合成套设备的工作可靠性。一次设备端工作时候产生的高温将引起电子元件的温度变化，这种热扰动将导致二次设备元件性能产生零漂和非线性变化，从而导致输出电压发生变化；过高的温度还会降低元件的散热效果，当器件自身温度达到极限时会发生击穿、断路、短路等损坏性事故；同样温度的升高是增加电子元件故障率和失效率以及影响电子设备寿命的主要原因之一，严重地限制了电子器件的工作可靠性9-12。温度升高会对元件造成热扰动，导致电阻、电容和半导体元件参数发生变化、器件性能下降；长期的高温环境将直接导致二次设备寿命及可靠性降低。1.2 温度对二次设备采集单元的影响1.2.1 二次设备采集单元结构介绍馈线终端装置(FTU)采集单元结构如图 1 所示，一次高压侧经电压互感器二次侧输出有效值为100 V 的交流电，FTU 采集单元首先对输入信号进行信号调理，信号调理单元主要包含分压处理模块、滤波处理模块、差分放大模块。分压处理模块将输入信号转换为峰值为 2.5 V 的交流信号，滤波处理模块能有效抑制和防止干扰信号进入，经过差分放大模块后送入 A/D 采集芯片。该产品使用的 A/D采集芯片为 AD7606，需要 DC2.5 V 的基准电压源；隔离电源将输入电源转换为 DC5 V，为信号调理电路、A/D 转换器、控制器、网络模块等提供电源；ADR421 芯片输出 DC2.5 V，为 A/D 采集芯片提供基准电压源。对 FTU 采集单元的分析可知，温度影响精准度主要通过对分压电路中的采样电阻、信号滤波电路、差分放大电路的影响，下面将从这三个方面分别进行理论分析。1.2.2 温度对采样电阻的影响FTU 采集单元中，需要对采集到的输入信号进行分压或取样，其温度的变化将引起电阻的阻值变化，取样电阻发生变化将导致测量准确度发生变化，因此首先考虑减少二次设备端的输入功率，其次选择高精度、低温漂的采样电阻。对于精密的低温漂电阻，其阻值与温度的变化关系为：RT=R25(1+T)(1)式中：R25为该电阻在常温 25 时的电阻值；RT为温度T时的电阻值；T为相对于 25 时的温度变化量，T=T-25；为电阻材料温度特性曲线的相关系数。假设 25 时电阻两端输入电压为e(t)=ISR25，当温度从 25 变化到T时，精密电阻两端输出信号的相对误差为：式中：R=RT-R25；IS为流过采样电阻的电流值。从式(2)中可以看出，当温度变化量为T时，精密电阻两端采样电压为：US(t)=e(t)e(t)=e(t)Te(t)|T=25 (3)由式(1)、式(2)分析可知，采样电阻因温度变化引起的相对误差与电阻的温度特性相关系数有关。当要求 FTU 二次系统在宽温度范围工作时，这项因素应当着重考虑，尽量选择温度系数小的采样(2)L=Te(t)e(t)|T=25 ISRe(t)|T=25 图1 FTU采集单元结构示意图互感器分压处理网络/串口保护电路滤波电路控制器隔离电源差分放大A/D采集芯片ADR421芯片高压侧信号调理电路电源输入电压温度对配电一二次融合成套设备测量准确度影响59 电工电气电工电气 (2023 No.2)电阻。1.2.3 温度对信号滤波电路的影响FTU 采集模块信号调理电路中首先要对输入的信号进行滤波处理，滤波电路如图 2 所示。图 2 中U1为输入信号，则滤波器的输出为：式中G1为电阻、电容随温度变化的相关性系数，G1的温度系数为：若=2f=314 rad/s，R=100 k，C=1 000 pF，则有：根据式(5)、式(6)可知，温度相关系数G1约为电阻、电容系数和的千分之一，影响较小，可忽略不计，故不考虑温度变化对滤波装置影响。1.2.4 温度对差分放大电路的影响FTU 采集模块信号经过滤波处理后，需要对其进行信号放大处理，差分比例运算放大电路见图 3。图 3 中U1为反向端输入电压，U2为正向端输入电压，Uo为输出电压，U-为运算放大器反向端电压，U+为运算放大器同向端电压，R1和Rf为电阻。运算器的失调电流和偏置电流会随温度的改变而改变，当电流流经电阻时会在电阻两端形成失调电压，从而导致运算放大器放大增益G变化。假设放大器增益的温度特性系数为，当温度变化量为T时，由放大器自身的温度特性而引起G的变化量为：G=TG (7)由图 3 可得差分比例运算电路的计算公式为：根据式(8)联立可得：假设Ui=U2-U1，可得到：假设电阻R1随温度变化，并且温度变化特性与式(1)相同，则：RGT=R25(1+T)(11)式中RGT为R1在温度为T时的电阻值。由式(7)、式(11)可以得出当温度变化T时，增益G因为电阻随温度变化产生的变化量为：因此在温度影响下的差分放大电路的放大增益G的表达式为：则放大器放大倍数的相对误差可表示为：从公式中得出的结论可知，温度变化对差分比例放大器造成的影响很大，温度对同向比例放大器引起的相对误差同放大器内部元件和电阻的温度系数密切相关。2 温度对一二次融合设备的影响试验2.1 试验测试方案图 4 为在温度干扰下一二次融合成套开关设备测量精准度试验接线示意图，升压变压器用于对标准电压互感器和一二次融合成套开关设备施加一次侧电压；一二次融合开关设备包括断路器、互感器图3 差分比例运算放大电路-+R1RfRfU1U-UoR1U2U+(4)U2=U1=G1U11 1+(RC)2(5)dG1G1dT =1+(RC)2 1+(RC)2-=ddT12121CdCdT1RdRdT(RC)2(+)1+(RC)2-(6)dG1G1dT =-9.8510-4(+)1CdCdT1RdRdT(9)Uo=(U2-U1)RfR1(10)Uo=UiRfR1(8)U1-U-R1U-UoRf =U2-U+R1U+Rf =U-=U+(12)G=TG1+T(13)G=G+G=TG(+T)1+T(14)A=T(+T)1+TGG温度对配电一二次融合成套设备测量准确度影响图2 滤波电路图RCU2U160电工电气电工电气 (2023 No.2)和 FTU，被检测的互感器和 FTU 设备置入高低温模拟环境箱中；互感器测试仪对标准电压互感器二次输出端和 FTU 的互感器输入信号以及经信号转换后FTU 的输出信号进行采集，计算比值差(比差)和相位差(相差)。一次高压侧断路器长时间受环境因素的影响，将经受严寒气候和酷热气候；此外受接触电阻的影响，在大电流(例如短路)下温度会急剧上升，温度能够达到上百摄氏度，因此试验过程中选取试验温度变化的范围从-40 70 之间，温度变化宽度为 110，变化梯度为 10。具体的高温试验要求按照国标 GB/T 2423.2(电工电子环境试验高温试验方法)进行13，将配电终端在通电状态下放入低温试验模拟环境箱中，待温度达到设定温度值后维持 2 h，然后测试 FTU 测量精准度和 FTU 的工作电压、电流信号以及控制分合闸时间的分散性；低温试验测试方案要求按照国标 GB/T 2423.1(电工电子环境试验低温试验方法)进行，其测试过程与高温相似。2.2 试验测试结果分析对选取某型号 10 kV 一二次融合成套开关设备进行温度干扰试验，试验测试前首先对互感器在常温下进行精准度测试，比差在 0.1%0.25%之间波动，相差在-4+4 之间波动。将一二次融合成套开关设备的二次设备与电压传感器放置于高低温环境模拟箱中，按照 10 的变化梯度从-40 70 设定试验温度下分别测量三次数据，记录试验过程中比差和相差的变化值。表 1 所示为干扰温度为 70 下测试数据，由表可知，在温度干扰下FTU 输入端口数据和 FTU 输出端口数据相对于室温下的测量数据都产生明显的跳变，导致一二次融合设备测量精准度下降；FTU 输出端相比 FTU 输入端比差变化和相差变化更加明显，进一步说明温度对二次设备采集精准度影响较大。图 5、图 6 所示为 FTU 输入端和输出端在不同温度干扰下三次试验的比差和相差变化，由图可知，比差的整体变化在 20 以上随温度上升逐渐变大，在 20 以下随温度的降低逐渐变大，相差变化也有增加的趋势，但整体趋于平缓；在相同温度干扰下，FTU 采集后输出的测量值误差要比 FTU 输入端的测量值要大，说明温度干扰不仅影响互感器本身，对 FTU 内部采集单元元件也产生较大干扰；目前国家电网公司对 10 kV 一二次融合成套设备测量准确度的要求是一次互感器准确度为 0.5 级，一二次融合成套化后互感器测量准确度等级为 1 级；由测量数据可知一二次融合设备在试验的极限温度干扰下工作已经不能满足国家电网公司的要求；若随着极限温度的增加准确度误差还将进一步扩大。图4 测量精准度试验接线示意图升压变压器调压器断路器FTU馈线终端高压地线互感器测试仪标准电压互感器电压信号数据传输同步信号信号转换装置一二次融合设备高低温模拟箱被检测互感器TCP/RS485协议表1 70 温度干扰下误差数据变化测量端口测试次数比差变化/%相差变化/()FTU输入10.513 397.020.578 766.530.608 767.2FTU输出11.030 0613.221.130 0612.531.103 8412.2a)比差变化温度/1.0-50比差变化/%080-40-30-20-1000.20.40.60.870605040302010图5 FTU输入端数据变化b)相差变化温度/-50相差变化/()080-40-30-20-1002468121070605040302010-第1次测量-第2次测量-第3次测量温度对配电一二次融合成套设备测量准确度影响61 电工电气电工电气 (2023 No.2)2.3 进一步测试分析图 7 为在不同温度干扰下一二次融合成套开关二次设备工作的电压、电流数据变化，由图可知，在试验的温度变化范围内二次设备的电压未发生变化，电流在 20 以上随温度上升逐渐变大，在20 以下随温度的降低也逐渐变大。功耗的增加侧面反应二次设备内电子器件性能受热扰动影响产生非线性变化或零漂，因此，测量精准度的改变是由于二次设备内元件性能发生变化造成的。3 非线性软件温度补偿措施如果长时间工作在高温环境下，由于测量精度产生的误差将会对电能计量产生较大的误差，因此有必要对这种精准度的变差采取防护措施。目前硬件补偿电路复杂、补偿效果较差，文中采用软件补偿的措施弥补因温度变化引起的误差，此方法在参考文献 14-16 中已经提出，这里将其应用于一二次融合设备。基本方法为首先利用在温度干扰下得到的测量数据，找出在温度干扰下一二次融合成套开关设备测量精准度的误差与理想值之间的关系，建立对应的数学模型和计算非线性补偿系数，其次采集一二次融合成套设备 FTU 内部温度和互感器数据，将温度传输给温度误差补偿程序进行计算得出该温度下的零点漂移值，最后输出补偿后的电压值。采用 STM32F103ZET6 为硬件平台采集 FTU 输出的测量数据，在将数据传输给互感器测试仪进行测量精准度试验，软件流程图如图 8 所示。增加软件补偿方式后的试验框图如图 9 所示，在增加非线性软件补偿措施后，将一二次融合成套开关设备放置于高低温环境模拟箱中，温度变化按照 10 的变化梯度从-40 70 分别测量三次数据，记录试验过程中比差变化；图 10 为 FTU 输出端在温度干扰下的比差电化，从图中的试验数据可知，在不同的试验温度下，一二次融合成套开关设图7 电压、电流随温度的变化-电流-电压温度/-50电压/V，电流/mA080240200160120-40-30-20-100408070605040302010a)比差变化温度/1.8-50比差变化/%080-40-30-20-1000.30.60.91.21.570605040302010图6 FTU输出端数据变化b)相差变化温度/-50相差变化/()08021-40-30-20-10036912181570605040302010-第1次测量-第2次测量-第3次测量图8 非线性温度补偿流程图开始结束读入U和Ti=1i=i+1T=Ti?TTi?U代入Yi非线性多项式中算出aU代入Yi非线性多项式中算出U代入Yi-1非线性多项式中算出b=(a+b)/2Uo=Ui/(+1)是是否否温度对配电一二次融合成套设备测量准确度影响62电工电气电工电气 (2023 No.2)备测量精准度比差变化在 0.15%0.3%之间波动，对测量精准度有较好的提高，已满足国家电网公司对一二次融合成套开关设备的精度要求。4 结语1)取样电阻和差分运算放大电路的温度相关系数是影响二次设备采集准确度的关键，在设计二次设备 FTU 时尽量选择温度系数比较小的采样电阻和增益温度特性稳定的放大器。2)温度对一二次融合成套开关二次设备的试验表明，温度会对电子器件性能造成影响，导致测量精准度误差变大；按照国家电网公司目前对一二次融合成套开关设备准确度的要求，在高温 60、低温-30 左右已不能满足要求。3)针对温度造成测量精准度下降的问题，利用软件方式进行非线性补偿，试验结果表明采用非线性补偿后，保障一二次融合设备在不同温度的干扰下比差变化在 0.15%0.3%之间波动，对二次设备测量精准度有较好的提升，并且这种方法简单高效，具有广泛的应用前景。参考文献1 李于达，王海燕，刘刚，等.配电网中的馈电自动化技术发展综述 J.电网技术，2006，30(S1)：242-245.2 张敏，崔琪，吴斌.智能配电网馈线自动化发展及展望 J.电网与清洁能源，2010，26(4)：41-43.3 李红青，张志丹，朱吉然，等.配电网新型一二次融合成套设备测试方法研究 J.湖南电力，2018，38(2)：47-52.4 胡良蓉，骆虎，魏泉，等.一种智能开关设备的集成及试验研究 J.高压电器，2015，51(4)：62-66.5 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