CN102640008B - 用于计算电网的配电站的输入电压的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于计算配电站(2)的变压器的输入电压的方法，具有以下步骤：-测量变压器的输入电流(I_OS)、变压器的输出电流(I_US)、变压器的输出电压(U_US)以及输出电流(I_US)和输出电压(U_US)之间的相位角；-凭借测得的输入电流(I_OS)、测得的输出电流(I_US)、测得的输出电压(U_US)以及输出电流(I_US)和输出电压(U_US)之间的相位角确定配电站(2)的变压器的电压变比(ü)和π型简化电路图的并联元件的复合导纳(<u>Y</u>)；以及，-计算配电站(2)的变压器的输入电压(U_OS)，该计算基于经确定的电压变比(ü)和经确定的π型简化电路图的并联元件的复合导纳(<u>Y</u>)。

Description

用于计算电网的配电站的输入电压的方法和装置

技术领域

本发明涉及能量分配技术，特别是配电站，即变电站，该变电站将电网的中压层和低压层相连。本发明特别涉及用于计算邻近配电站的中等电压的方法。

背景技术

传递电能的电网通常具有一系列的变电站，这些变电站将最高压层、高压层、中压层和低压层彼此相连。过去，电厂集中供应电能，从而使能量流的方向在电网中是已知的，即，从高压层到低压层。迄今为止，人们的出发点是，使在高压层和中压层之间的变电站的输出端的中压最高，而且该中压在配电站输入方向上相应地下降。随着非中心的生产设备的急剧增加，对配电网提出了新的挑战。在扩建过程中，可再生的能量将最小生产设备增加地连接在电网上，该电网提供电能，该电能馈送入中压层，特别是邻近配电站。由此，通过反馈出现负载峰值，而终端客户处的设备通过不可靠的电压过载受到损害。

另外通常最小生产设备的馈送行为，即，提供的能量的可靠性和量，例如对于太阳能设备和类似设备，是不能够预测的。因此，在未来有必要，对于在电网中、特别是中压层中的能量流更好地进行监视。为了经能量流和压力曲线获得在中压网内的信息，而不必配备带有测量装置的配电站，对在输入侧邻近各个配电站的中压的认识是必要的。然而，在没有对配电站进行直接测量的情况下，位于那里的中压并不能以简单的方式推导出来。

此外，在现有的配电站中，通常不安装测量设备，用测量设备可以获取在输入侧邻近配电站的中压。由于配电站的紧凑的构造方式，这通常是比较困难的，即，在输入侧加装这样电压测量设备。

另外，对于已存在的设备，配电站的变压器的空载电流是未知的，由此，在变压器的低压侧，由可简单测量的且由此已知的电压、以及由可简单测量的且由此已知的电流出发，反过来对于邻近输入侧的中压的计算不是很容易就可以实现。变压器的层级位置，即变压器的电压变比，有时可以手动地与变化的中压相匹配，从而在低压层上达到预期的网络电压。对于变压器层级位置的变化的自动获取尽管是可能的，然而也是昂贵的。手动的跟踪是有问题的，因为层级位置的变化通常不是通过专业人士来实施，这会造成局部测量和自动化技术的参数变化。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种方法和装置，用该方法和装置以简单的方式，对于存在的配电站，特别是利用具有老式构造的变压器，能够计算出在配电站的变压器的高压侧的输入电压。

本发明的目的通过根据权利要求1的、用于确定变压器输入电压的方法得以实现，并通过根据并列权利要求的装置得以实现。

具有优势的技术方案在从属权利要求中给出。

在第一方面，提供了用于计算配电站的变压器的输入电压的方法。该方法包括下述步骤：

-测量变压器的输入电流、变压器的输出电流、变压器的输入电压以及输出电流和输出电压之间的相位角；

-凭借测得的输入电流、测得的输出电流、测得的输出电压以及输出电流和输出电压之间的相位角，确定例如为配电站的变压器的电压变比和π型简化电路图的并联元件的复合导纳，或者确定出其它能够导出该导纳的值；

-基于经确定的电压变比以及预先确定的即经确定的简化电路的复合导纳，计算配电站的变压器的输入电压。

本发明的创新之处在于，无需预先给定配电站的变压器的电压变比、空载电流、铁损失和/或铜损失，或者无需给定流经的变压器的空载电流的大小，就能够计算出邻近输入侧的输入电压。这一点可以这样实现，即，首先凭借变压器的输出电压、输入电压和输出电流的大小确定电压变比以及在使用π型简化电路图情况下的并联元件的导纳。额外地，仅还需要变压器参数，其通常可以从变压器的技术铭牌上读出，而且由其可以计算出配电站的变压器的π型简化电路图的串联元件。这例如可以使变压器的相对短路电压与变压器的额定视在功率和额定电流相结合。

根据一个实施方式，首先可以将配电站的变压器的简化电路图的未知元件通过解方程组得到确定，该方程组考虑至少三个测量值数组，测量值数组由变压器的输入电流(I_OS)、变压器的输出电流(I_US)和输出电压(U_US)构成。在π型简化电路图的情况下，未知元件首先是并联元件Y和电压变比ü。

进一步设置有，采用多于三个前述测量值数组，如变压器的输入电流(I_OS)、变压器的输出电流(I_US)和变压器的输出电压(U_US)，由此形成超定方程组，该超定方程组例如可以凭借非线性状态估值的数学方法解出。

在另一方面，设置了测量和监视单元，用于计算配电站的变压器的输入电压。该测量和监视单元包括：

-用于测量输出电压的电压测量单元；

-用于测量变压器输入电流和变压器输出电流的电流测量单元；

-用于确定输出电流和输出电压之间的相位角的相位差单元；

-计算单元，其形成用于

●凭借测得的输入电流、测得的输出电流、测得的输出电压以及输出电流和输出电压之间的相位角，确定配电站的变压器的电压变比和π型简化电路图的并联元件的导纳；

●基于经确定的电压变比和经确定的例如π型简化电路图的并联元件的导纳计算配电站的变压器的输入电压。

附图说明

下面，凭借附加的附图进一步阐明优选的实施方式。附图中：

图1为具有不同电压层的电网的示意图；

图2为变压装置、特别是配电站的示意图；和

图3为配电站的变压器的简化电路图。

附图标记说明

1    电网

2    变电站

3    传输电缆

4    测量和监视单元

5    电压测量单元

6,7  电流测量单元

8    相位差探测器

9    计算单元

u_k   相对短路电压

U_k   短路电压

Y    并联元件的复合导纳，例如在变压器的π型简化电路图中

Z    串联元件的复合阻抗，例如在变压器的π型简化电路图中

U_US   输出电压

I_US   输出电流

U_OS   输入电压

I_OS   输入电流

U_OSr  变压器的高压侧的测量电压

具体实施方式

图1示出了具有传输电缆3的电网1，该电网具有最高压层E1、高压层E2、中压层E3和低压层E4。出于简化的目的，传输电缆表示为简单的直线，虽然通常为传递电流设置有多条传输电缆。在电压层E1至E4之间设置有变电站2，其作为主要组件具有变压器，从而将电压从较高的电压层转化至较低的电压层。在中压层E3和低压层E4之间的变电站被称为配电站。

在最高压层E1和高压层E2之间以及高压层E2和中压层E3之间的变电站2由于变电站的相对小的数目和变电站的较大的建造形式可以简单地设置相应的测量装置，用于测量输入和输出侧的电压(输入电压和输出电压)，这一点对于配电站由于配电站的高数目只有以更高的开支才能实现。此外，配电站通常紧凑式构建，而对输入侧电压测量的设置通常特别由于已存在的装置而较为困难。

迄今为止常见的是，对于中压层仅设置一个或少量馈送位置。这些馈送位置例如在图1中对应于高压层E2和中压层E3之间的变电站2。中压层E3的电压在馈送位置是最高的并随着与馈送位置的距离的增加而下降。能量流的方向始终是已知的。显而易见，该情况是发生变化的，这是因为，通过接通分散式生产设备，很难预测中压层中的例如再生能源、电流和电压分布。那么特别发生这样的情况，即，分散式生产设备的可用性不可预测，这一点对于例如风力或太阳能设备同样具有不可预测的可用性。

然而，为了能够对中压层E3的状态进行监视，对于经由输入侧的邻近配电站的输入电压的认识是有所助益的，这是因为，电压不仅包含所测量的变电站的信息，还包含邻近的变电站的信息。以这样的方式，可以通过使在中压输出之内的数个测量结合在馈送的变电站中本来就可用的测量，从而相对精确地确定出中压层的状态。

在配电站输入侧的过高的输入电压U_OS是特别有问题的，这是因为，它由于配电站的变压器的几乎不可变的电压变比会导致提高的电网压力(低压)，该低压提供给用户。这会造成连接的终端设备的损害或降低它的使用寿命。

代替对邻近高压侧的输入电压的直接测量，可以通过测量在输出侧邻近配电站2的变压器的输出电压U_US和在输出侧流动的输出电流I_US、凭借变压器的电学参数(ü:电压变比，即初级侧线圈的数目与次级侧线圈数目的比值，Y:变压器的π型简化电路图的并联元件(Querglieder))计算出邻近高压侧的输入电压，然而，特别是对于更老的配电站，不是所有的为此必要的电学参数都是已知的。这会特别涉及空转损失。通过电压变比ü和π型简化电路图的并联元件Y不能提供精确的参数。通常在配电站的变压器的技术铭牌上总是给出仅仅关于相对短路电压u_k、高压侧测量电压U_OSr、低压侧测量电压以及测量电流的信息，从而使该信息作为已知的参数成为前提。变压器的相对短路电压u_k是指这样的电压，该电压在短路的次级线圈上必须邻近于初级线圈，由此初级线圈接纳了一个测量电流。下列等式成立：

u_k＝U_k·100％/U_OSr

其中，U_k是测得的短路电压，而U_OSr对应于高压侧的测量电压。

图2示出了具有变电装置2、特别是配电站的变电装置的系统，该系统与测量和监视单元4相偶联。测量和监视单元4凭借电压测量单元5在输出侧对变电装置2的输出电压进行测量，并凭借第一电流测量单元6对变电装置2的输出电流进行测量，以及，凭借第二电流测量单元7对从输入侧流入变电装置2的电流进行测量。

电流测量单元6、7形成为变流器，并包括所谓的电缆转换器，电缆转换器围绕涉及的导体具有一个或多个线圈，可以测得在该导体中流动的电流。在线圈中，对测量电压进行感应，感应值与导体中的电流呈比例。在测量和监视单元4中，由变流器提供的测量电压凭借电流测量单元6、7得到测量，而且，在测量和监视单元4中相对应的参数经由流入到变电站2的变压器的输入侧和输出侧的输入电流I_OS和输出电流I_US来提供。凭借计算单元9进行下述计算，从而计算出输入电压U_OS。

另外，在变电站2的输出侧通过测量和监视单元4的电压测量单元5测得输出电压U_US。电压测量可以例如以传统的模拟-数字-转化器来进行。由测得的输出电压U_US和输出电流I_US计算出相位差探测器8的相位偏差，并且作为输出电压U_US和输出电流I_US之间的相位角差来提供。

图3中示出了配电站2的变压器的π型简化电路图。该π型简化电路图设置有理想变压器T，该变压器在输入侧围绕p-电路由两个并联元件Y和一个串联元件Z扩展而得。第一并联元件将配电站的变压器的输入连接端彼此相连。具有相同导纳Y的第二并联元件将理想变压器T的输入连接端彼此相连。在如此平行于理想变压器设置的并联元件之间串联地设置有上述串联元件。

串联元件的阻抗Z的值可以由相对短路电压u_k来进行确定，而且该阻抗对于配电站中的变压器-当例如没有关于铜损失的信息时-简化地用作纯电感元件，并联元件的导纳Y首先是未知的。变压器的层级以及相关的电压变比ü同样以未知为前提，这是因为，层级位置可以进行改变，而无需采用二级技术在配电站中获得相关了解。

在测量和监视单元4中，由输入电流I_OS、输出电流I_US和输出电压U_US以及前提为已知的串联元件的阻抗Z计算出了变压器的并联元件的未知的导纳Y和电压变比ü。对此在负载不同的时间点需要至少三个测量值，该测量值由输入电流I_OS、输出电压U_US、输出电流I_US以及输出电压U_US和输出电流I_US之间的相位角差构成。更好的结果通过使用更高数目的测量值得到，因为由此可以降低测量误差。

下列方程式给出了一同确定ü和Y的可能性，其基于根据图3的p简化电路图：

$\left|\frac{{\underset{\&OverBar;}{I}}_{\mathrm{OS}}}{{\underset{\&OverBar;}{I}}_{\mathrm{US}}}\right|=|\underset{\&OverBar;}{A}\&CenterDot;\frac{{\underset{\&OverBar;}{U}}_{\mathrm{US}}}{{\underset{\&OverBar;}{I}}_{\mathrm{US}}}+\underset{\&OverBar;}{B}|,$ 其中，A＝Y·(2+Z·Y)·ü，而

在公式中，ü和Y是未知的。由于Y由一个实部Y_r和一个虚部Y_i组成，所以该方程式对应于三个真实未知的变量Y_r、Y_i和ü。方程式中I _OS和I _US的比值通过两个电流测量值已知。同样已知的还有方程式右侧U_US和I_US的复合比。电流和电压在不同的负载状态下发生变化，而方程式的所有其它元素都是恒定值。通过对方程式的估值，在三个不同的时间点具有可解的方程组。

由于测量值数组的测量值在实践中具有误差，因此不仅最小必要的三个测量值用于计算，而且是明显更多，例如100个测量值。以这种方式，对简化电路图的元素的电学参数的估值以更高的精确性、基于已知的非线性状态估值的数学方法而实现。对于该方法，在超定方程组中得到最有可能的解。特别是可以以已知的方式，将并联元件Y和电压变比ü由严格的超定方程组中得出，从而在使用测量值数组的测量值时得出总的最小可能的与确定值的偏差。如果参数导纳Y和电压变比ü以这种方式得到确认，可以接着在接纳各个新测量值数组时直接计算出在变压器高压侧的入电压U_OS。

由于也可以计算输入电流I_OS，该电流还可以额外得到测量，因此可以以所述方法对计算质量规律地进行检测。例如，可以在输入电流I_OS的测量值的计算值之间发生偏差时，经预定的电流阈值启动新的方法，用于计算复合导纳Y和电压变比ü，从而对这些值进行校正。例如，可以出现这样的情况，即配电站的变压器的层级位置得到变更。

Claims (9)

1.一种用于计算配电站(2)的变压器的输入电压的方法，具有以下步骤：

-测量变压器的输入电流(I_OS)、变压器的输出电流(I_US)、变压器的输出电压(U_US)以及输出电流(I_US)和输出电压(U_US)之间的相位角；

-凭借测得的输入电流(I_OS)、测得的输出电流(I_US)、测得的输出电压(U_US)以及输出电流(I_US)和输出电压(U_US)之间的相位角确定电压变比(ü)和并联元件的复合导纳所述并联元件为配电站(2)的变压器的π型简化电路图的并联元件；以及

-计算配电站(2)的变压器的输入电压(U_OS)，该计算基于经确定的电压变比(ü)和经确定的并联元件的复合导纳所述并联元件为π型简化电路图的并联元件。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过额外地考虑高压侧测量电压、对于相对短路电压(u_k)以及对于高压侧的测量电流的给定值而确定变压器的输入电压。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，电压变比(ü)和复合导纳通过解方程组得到确定，其中，方程组凭借π型简化电路图的转换矩阵而得出。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述方程组是超定的并凭借非线性状态估值解出。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，多个测量值数组由变压器的输入电流(I_OS)、变压器的输出电流(I_US)和变压器的输出电压(U_US)得到确定，所述测量值数组提高方程组的超定。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，多于三个测量值数组由变压器的输入电流(I_OS)、变压器的输出电流(I_US)和变压器的输出电压(U_US)得到确定。

7.根据权利要求3或4所述的方法，其中，π型简化电路图设置两个并联的具有复合导纳的并联元件，在所述并联元件之间串联地设置具有阻抗的串联元件，其中，阻抗的虚部近似地通过计算阻抗的值而得以确定。

8.根据权利要求3或4所述的方法，其中，π型简化电路设置有两个并联的具有复合导纳的并联元件，在所述并联元件之间串联地设置具有阻抗的串联元件，其中，所述阻抗由相对或绝对短路电压和铜损失来确定。

9.一种用于计算配电站(2)的变压器输入电压的测量和监视单元(4)，其包括：

-电压测量单元(5)，用于测量输出电压(U_US)；

-电流测量单元(6、7)，用于测量变压器的输入电流(I_OS)和变压器的输出电流(I_US)；

-相位差单元，用于确定输出电流(I_US)和输出电压(U_US)之间的相位角；

-计算单元(9)，该计算单元形成用于：

凭借测得的输入电流(I_OS)、测得的输出电流(I_US)、测得的输出电压(U_US)以及输出电流(I_US)和输出电压(U_US)之间的相位角确定配电站(2)的变压器的电压变比(ü)和π型简化电路图的并联元件的复合导纳(Y)；以及

基于经确定的电压变比(ü)和经确定的π型简化电路图的并联元件的复合导纳(Y)计算配电站(2)的变压器的输入电压(U_OS)。