特高压大变比GIS型电流互感器自适应补偿检定技术
湖北工业大学 太阳能高效利用及储能运行控制湖北省重点实验室
一、成果简介
可靠、准确的互感器校验对电网的安全经济运行具有重要意义。鉴于特高压GIS电流互感器具有变比大、集成度高、全封闭等特点，传统的检定产品很难完成现场全电流检测。为此，自2010年以来，项目组在综合运用电力电子技术、自适应陷波器技术、现场总线技术的基础上，重点攻克了校验电源波形控制、电力电子电源相位同步、升流器无功补偿等关键技术，研制了一体化智能校验系统，成为目前国内外唯一能进行特高压GIS电流互感器现场全电流检定的设备。
本系统主要由智能工频电源、多组合大容量升流器、无功补偿装置和互感器校验仪组成。其中智能工频电源主要实现功率输出、电容自动补偿控制、实时显示及人机交互功能；多组合大容量升流器主要完成能量传递，输出一次侧大电流；无功补偿装置主要为系统提供无功补偿；互感器校验仪主要进行实现自动校验和数据存储功能。
本成果突破了以往现场校验凭经验估算、多次断电手动调节电容、升流器漏抗大等局限性，在升流能力、试验回路长度、电源容量要求上实现了重大突破，升流能力相较其它厂家提高了4.5倍，工作效率提高了5倍。本成果首次实现了6000A级特高压GIS型电流互感器的现场全电流校验，大幅提高了互感器校验的自动化和智能化水平，有力保障了电力贸易结算的公平公正，有效支撑了特高压电网的建设和发展
二、技术创新
主要技术创新一：针对特高压GIS电流互感器现场全电流检测的难题，提出了串联式电力电子电源与电工电源分级调压的智能电源拓扑结构以及零电压模式控制策略，实现1%~120%额定容量范围内各检定点的快速精确定位。
针对标准JJG313-2010《测量用电流互感器》及JJG1021-2007《电力互感器》中对试验电源各检定点THD均不能大于5%的要求，采用单一的电子电源无法满足该技术指标，本项目采用基于串联式电子电源与电工电源分级调压技术，当输出功率（电压）小于功率电力电子电源的10%时，采用桥臂下管直通的方法让功率电力电子电源工作于零电压模式，系统由 20kVA的调压器和 20kVA 的降压变压器构成的电工电源供电，当输出功率大于 20kVA 时，系统调节电工电源输出为零，由功率电力电子电源供电。这样大功率下主要由电力电子电源来供电，提供了更大电源容量，提高了电源利用率，减小了供电线路电流，而且保证现场供电的三相平衡；小功率下采用由调压器和变压器构成的单相电工电源，保证小功率下电源波形优良和输出电流稳定。通过控制模式切换，可保证系统在7200A大电流范围下各检定点的快速精确定位。系统总体拓扑结构如图2所示，其中智能校验电源的拓扑结构如图2中虚线框部分所示。
图 2 项目总体拓扑结构图
主要技术创新二：针对实际电网电压存在谐波失真、幅值及频率扰动等非理想状况，提出多陷波器频率自适应锁相算法及其在DSP数控系统中的实现方式，解决了非理想电网电压条件下电力电子电源与电工电源的串联同步控制问题。
实际电网电压存在谐波失真、幅值及频率扰动等非理想状况，这不仅通过电工电源直接影响到组合电源输出电流，同时还影响电力电子电源与电工电源的相位同步，若电力电子电源与电工电源不能精确同步，则组合电源整体输出电压将存在波动，最终影响校验精度。本项目采用基于多陷波器频率自适应锁相环的逆变电源锁相算法，系统结构如图3所示，其中主模块为基于梯度下降法的具有频率自适应功能的幅值、相位估测模块，输助模块为多个基于主模块估测频率的二阶陷波器模块。基于该结构的锁相方法不但能获得各谐波分量信息，而且能估测出电网基波电压的频率、幅值和相位，准确跟踪电工电源电压波形，进而在电工电源输出非理想电压情况下实现逆变电源的串联同步控制。
图3 多陷波器频率自适应锁相环结构图
主要技术创新三：针对特高压大变比GIS电流互感器校验系统试验回路阻抗大、试验电流大、所需调压电源容量大的特点，提出升流器原副边混合补偿的多组合步进式无功补偿技术，实现了特高压大变比GIS电流互感器校验系统无功补偿智能、精准控制。
针对特高压大变比GIS电流互感器校验系统试验回路阻抗大、试验电流大、所需调压电源容量大的特点，本项目采用了基于升流器原副边混合补偿的多组合步进式无功补偿技术以降低电源容量。首先，升流器采用多组合大容量设计，升流器一次绕组设计有4组独立的绕组，单个绕组参数为1800A/25V，这四个绕组可以单独使用，也可以串并联使用，可实现7200A/25V、3600A/50V、1800A/75V和1800A/100V四种不同的输出组合。其次，如果被试容量在 180kVA 以内，整个装置中升流器本身有 180kVA 的容量，需要重点补偿的是电源容量以减小对现场电源的需求； 如果被试容量大于180kVA，不但需要补偿电源容量，还需要补偿升流器容量。本项目原副边补偿同时使用，可以实现 440 种补偿方案，使得补偿更为精细准确。通过该项技术，可用180kVA 的升流器实现 800kVA 的电源试验容量要求，实现系统无功补偿智能、精准控制。
主要技术创新四：设计了一体化智能校验系统。集互感器校验、一次回路参数测量、自动补偿控制以及升降压等功能于一体，实现了特高压GIS电流互感器智能在线检定。
为达到智能化集中控制，简化试验流程，降低试验劳动强度，提高现场试验工作效率的目的，本项目以智能工频电源为主体，在深入分析系统电磁兼容特性、绝缘特性的基础上，采用分层分块的布局架构，加入低压回路参数计算、带电投切补偿等功能，实现了特高压电流互感器一体化智能校验系统。该系统集互感器校验、一次回路参数测量、自动补偿控制以及升降压等功能于一体，并可以在线检定，试验人员可在同一人机交互窗口收集和了解现场试验需要的所有参数。
三、应用示范
本项目以创新性、实用性和产业化发展为目标，自主创新的特高压GIS电流互感器检定技术居于国际先进水平。已授权发明专利6项、实用新型专利10项、软件著作权2项，发表ESI高被引SCI论文1篇，为企业新增利润大2233万元。项目成果已通过湖北省计量测试技术研究院的检验。2017年，“特高压大变比GIS型电流互感器自适应补偿检定技术与应用”湖北省科技进步三等奖。
本项目成果可大幅提高互感器校验自动化水平，消除了现场人员操作的安全隐患,降低了劳动强度，工作效率提高了5倍以上，降低了互感器试验的成本，提升了电力计量的科学管理水平。
传统电流互感器现场校验装置设备零散、体积大、重量重、操作复杂，一座安装有9只计量电流互感器的500kV变电站的现场试验一般需要6～8名熟练试验人员,1辆大型货车，1辆吊车配合5天完成；本项目成果集成度高、体积小、重量轻仅需皮卡车既能完成运输，无需现场吊装，且平台智能化程度高，操作简单，对试验人员要求低，一般需要2～3名试验人员，1辆皮卡车配合2天即可完成试验。一座500kV变电站一次现场试验即可节省101000元，以河南省为例河南省拥有500kV变电站32座，220kV变现站320座，110kV及以下变电站千余座，全国有31个省市自治区，如果本技术在全国范围内推广使用，可节省数以亿计的试验费用，经济效益十分可观。