CN102175923A - 输电线路动态损耗测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于高电压输电线路检测技术领域的一种输电线路动态损耗测量系统及方法，该测量系统是一种基于GPS时钟脉冲同步触发的输电线路动态损耗测量系统；，该输电线路动态损耗测量系统的组成为在输电线路两端的变电站分别装有电压、电流采集系统和工控机单元。利用零磁通电流互感器提取电压、电流信号后，经OPDL光电链路系统传输至工控机中数据采集卡，应用GPS时钟脉冲触发数据采集卡，实现线路首端和末端电压、电流采集的同步性，应用瞬时功率法分别计算线路两端的功率，获得整条输电线路的动态损耗。实现线路两端电压电流的同时采集，其同步精度小于0.1微秒。它测量准确度高，没有绝缘问题，操作方便，不存在安全隐患。

Description

输电线路动态损耗测量系统及方法

技术领域

本发明属于高电压输电线路检测技术领域，特别涉及一种输电线路动态损耗测量系统及方法，具体地说涉及一种基于GPS时钟脉冲同步触发的输电线路动态损耗测量系统及两个变电站之间超/特高压输电线路动态损耗测量方法，其适用于衡量输电线路的经济性。

背景技术

输电线路的动态损耗主要包括电阻损耗、电晕损耗、绝缘子的泄漏损失和地线上的损耗等。国内外很少有对输电线路动态损耗测量的报道，大多集中对空载导线电晕损耗的研究方面。

输电导线不是超导体，存在一定的导线电阻，当在输电线路上流过负荷电流时便产生了电阻损耗。导线电阻一般是恒定的，因此线路的电阻损耗随负荷电流的变化而变化，与负荷电流的平方成正比。

当导线表面的电位梯度超过空气的击穿场强时，在输电导线表面就形成电晕放电，由电晕放电而产生的能量损耗称为电晕损耗。空气中总是存在着一定数量的由宇宙射线所产生的正离子-自由电子对，当电子受到电场作用时就会加速运动。如果电场足够强，这些电子获得的能量便足以使与它们碰撞的中性分子电离(碰撞电离)，于是产生新的自由电子。这些电子同样受到电场的作用又会使其它分子电离，如此循环不已，整个过程如雪崩一样，称为电子崩。要是电子崩能够维持，电子必须达到一定数量并且电场也应具有足够大的数值。当输电线路表面电场强度超过空气分子的电离强度(一般为20～30kV/cm)，就可听到“嗞嗞”的放电声，嗅到臭氧的气味，夜间还可以看到导线周围发出的蓝紫色荧光，这就 是电晕放电。电晕损耗的大小受海拔(空气密度)、气象条件的影响，空气密度越小，空气的击穿场强就越低，雨、雪等恶劣天气容易在导线表面集有水滴，水滴会引起电位梯度集中，从而成为放电的电源。

绝缘子的泄漏损失是由绝缘子上存在泄漏电流导致的。绝缘子的泄漏电流又受绝缘子表面污秽情况和气象条件的影响。

电路正常运行时，每相地线与输电导线的空间位置不对称，尽管每相输电导线上的电压和电流基本平衡，但在地线上仍会同时静电感应分量和电磁感应分量，即产生感应电压，若地线与大地之间存在电流通道，就会产生电流，从而造成电能损耗，系统故障时，地线上的感应电压将更大，导线在双地线直接和地线与地线之间形成更大的环流及其电能损耗。

发明内容

本发明的目的是提出一种输电线路动态损耗测量系统及方法，其特征在于，该测量系统是一种基于GPS时钟脉冲同步触发的输电线路动态损耗测量系统，该输电线路动态损耗测量系统的组成为在输电线路首端(变电站1)和末端(变电站2)分别装有电压、电流采集系统和工控机单元，在变电站1端，零磁通电流互感器1.1连接由光电远端模块1.2通过光纤复合绝缘子2.5连接光电本地模块1.3构成的第一OPDL光电链路系统1.8，第一OPDL光电链路系统1.8的光电本地模块1.3再连接装有数据采集卡的工控机1.6，工控机1.6分别连接GPS模块1.7和第二OPDL光电链路系统1.9的光电本地模块1.3，第二OPDL光电链路系统1.9的光电远端模块1.2通过二次分压转接箱1.5连接电容式电压互感器1.4，电容式电压互感器1.4连接在输电线路上；在变电站2端安装有与变电站1端的相同结构的装置；变电站2端与变电站1端的工控机1.6采用Internet网络通信。

所述OPDL光电链路系统的原理结构由光纤复合绝缘子2.5分别连接光电远端模块1.2及光电本地模块1.3构成；该OPDL光电链路系统对由高压侧A/D转换模块2.1输入信号进行A/D变换和电/光变换、变换后的光信号经光纤复合绝缘子2.5和光缆传输至光电本地模块1.3，光纤复合绝缘子实现了高、低压端的绝缘问题，光电本地模块1.3的光/电变换2.7再对光信号进行光/电变换和D/A变换，而后将信号从信号处理电路与D/A模块2.6输出光电远端模块。

所述光电远端模块包括一个由高压侧A/D转换模块2.1、高压侧数字信号2.2、电/光变换模块2.3和光电能转换模块2.4的串联回路。

所述光电本地模块1.3由信号处理电路与D/A模块2.6与光/电变换2.7、电源2.8、驱动电路2.9和激光器2.10串联；光纤复合绝缘子2.5的一路分别连接光电远端模块1.2的电/光变换模块2.3及光电本地模块1.3的光/电变换2.7，另一路分别连接光电远端模块1.2的光电能转换模块2.4及光电本地模块1.3的激光器2.10。

一种输电线路动态损耗的测量方法，其特征在于，在两个变电站之间的输电线路的两端安装一套线路电流、电压采集单元，线路两端的数据通信采用Internet网络；利用零磁通电流互感器提取电流信号后，经第一OPDL光电链路系统传输至工控机中数据采集卡，从电容式电压互感器及二次分压转接箱提取电压信号，经第二OPDL光电链路系统传输至工控机中数据采集卡，GPS模块应用GPS时钟脉冲触发数据采集卡，实现线路首端和末端电压、电流采集的同步性，应用瞬时功率法分别计算线路两端的功率，根据能量守恒定律，将线路首端的输入功率减去线路末端的输出功率，获得整条输电线路的动态损耗。

所述电流信号的采集是采用穿心零磁通电流互感器，而后电连接光电链路系统OPDL16及远端模块，光电远端模块对信号进行A/D变换和电/光变换，变换后 的信号经过光纤绝缘子、光缆传输至本地模块进行光/电变换和D/A变换，然后电连接到测量计算机中的数据采集卡。

所述电压信号的采样是在电容式电压互感器的低压端介入一个二次分压转接箱，变换信号到采集卡的输入范围，二次分压转接箱电连接OPDL光电链路系统及光电远端模块，对信号进行A/D变换和电/光变换，变换后的信号经过光缆传输至光电本地模块进行光/电变换和D/A变换，然后电连接到测量计算机中的数据采集卡。

所述线路两端各装一个GPS模块，设定GPS时钟脉冲为分脉冲，即每分钟发出一个TTL数字脉冲，将此脉冲电连接到数据采集卡的外部触发端口，触发数据采集卡同时采集线路两端的电压和电流，应用NI公司的LABVIEW软件编程，采用瞬时功率法就地计算线路两端的功率，获得整条输电线路的动态损耗。

本发明的有益效果是采用零磁通电流互感器提取电流，根据其原理可知，测量的输电线路电流角差和比差均很小，采用GPS时钟脉冲触发数据采集卡，解决了测量数据同时性的难题，应用光纤传输信号，解决了电磁干扰问题和高、低压端的绝缘问题。使得整套系统安全可靠、测量精度高。这套测量系统可以准确的测量输电线路的动态损耗，从而可以衡量输电线路的经济性。

附图说明

图1、本发明实施例的测量系统结构示意图。

图2、本发明实施例的光电链路系统OPDL16结构示意图。

图3、本发明实施例的零磁通电流互感器原理图。

图4、测量系统软件流程图。

图5、测量系统同步角差。

图6、测量系统同步比差。

具体实施方式

提出一种输电线路动态损耗测量系统及方法。下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1所示是输电线路动态损耗测量系统的原理结构图，在输电线路首端(变电站1)和末端(变电站2)分别装有电压、电流采集系统和工控机单元，在变电站1端，零磁通电流互感器1.1连接由光电远端模块1.2通过光纤复合绝缘子2.5连接光电本地模块1.3构成的第一OPDL光电链路系统1.8，第一OPDL光电链路系统1.8的光电本地模块1.3再连接装有数据采集卡的工控机1.6，工控机1.6分别连接GPS模块1.7和第二OPDL光电链路系统1.9的光电本地模块1.3，第二OPDL光电链路系统1.9的光电远端模块1.2通过电容式电压二次分接箱1.5连接电容式电压互感器1.4，电容式电压互感器1.4连接在输电线路上；在变电站2端安装有与变电站1端的相同结构的装置；变电站2端与变电站1端的工控机1.6采用Internet网络通信。

本系统利用零磁通电流互感器1.1提取电流信号后，经第一OPDL光电链路系统1.8传输至工控机1.6中数据采集卡，从电容式电压互感器1.4及电容式电压二次分接箱1.5提取电压信号，经第二OPDL光电链路系统1.9传输至工控机1.6中数据采集卡，GPS模块1.7应用GPS时钟脉冲触发数据采集卡，实现线路首端和末端电压、电流采集的同步性，线路两端的数据通信采用Internet网络。

图2所示OPDL光电链路系统原理结构由光纤复合绝缘子2.5分别连接光电远端模块1.2及光电本地模块1.3构成，其中光电远端模块包括一个由高压侧A/D转换模块2.1、高压侧数字信号2.2、电/光变换模块2.3和光电能转换模块2.4的串联回路；光电本地模块1.3由信号处理电路与D/A模块2.6与光/电变换2.7、 电源2.8、驱动电路2.9和激光器2.10串联；光纤复合绝缘子2.5的一路分别连接光电远端模块1.2的电/光变换模块2.3及光电本地模块1.3的光/电变换2.7，另一路分别连接光电远端模块1.2的光电能转换模块2.4及光电本地模块1.3的激光器2.10；该OPDL光电链路系统对由高压侧A/D转换模块2.1输入信号进行A/D变换和电/光变换、变换后的光信号经光纤复合绝缘子2.5和光缆传输至光电本地模块1.3，光纤复合绝缘子实现了高、低压端的绝缘问题，光电本地模块1.3的光/电变换2.7再对光信号进行光/电变换和D/A变换，而后将信号从信号处理电路与D/A模块2.6输出。

图3是零磁通电流互感器的原理图，零磁通电流互感器1.1是在铁芯3.1上绕着一次线圈绕组3.2和二次线圈绕组3.3，还绕有检测绕组3.4和补偿绕组3.5，电子补偿电路3.6连接在检测绕组3.4和补偿绕组3.5之间。

对于电流互感器有：

I₁N₁+I₀N₁＝I₂N₂                                (1)

式中I₁，I₂，I₀分别表示一次电流，二次电流和激磁电流，N₁，N₂分别表示一次绕组匝数和二次绕组匝数。

由于激磁电流I₀的存在，使得一次安匝数与二次安匝数不相等而造成电流互感器的误差。如果没有激磁电流，那么电流互感器也会没有误差。

零磁通电流互感器的检测绕组3.4检测铁芯3.1的磁通密度，动态跟踪激磁电流I₀的变化，为电子补偿电路3.6提供反馈的电压信号，电子补偿电路3.6的补偿电流I₃通过补偿绕组N₃产生激磁磁动势，使I₀降至极低，达到近似“零磁通”的效果。这样就保证了提取电流信号的幅值和相位均有较高的精度。

图4为系统的软件流程图，首先设置数据采集卡的初始参数，然后基于GPS同时采集线路两端的电压和电流，再进行数字移相，补偿系统的固有误差，运用瞬时功率法计算两端的功率，再对数据原始波形和计算结果进行保存，并对计算 结果打上时标，为比较两端功率做准备。

首、末端的功率采用瞬时功率法，其算法原理如下：

设电流i(t)＝I_msin(ωt+φ_i)，电压u(t)＝U_msin(ωt+φ_u)，则

其中I为电流有效值，U为电压有效值， 

为功率因数夹角。

离散化后，

$P=\frac{1}{n{f}_{s}T}\underset{j=0}{\overset{n{f}_{s}T-1}{\mathrm{\Σ}}}u\left(j\right)i\left(j\right)---\left(3\right)$

式中T＝0.02s，f_s为采样频率，n为计算周期数。

图5、图6为测量系统的同步性问题，由函数发生器提供一标准的正弦信号，基于两块GPS同步触发两块数据采集卡采集同一信号，比较两数据采集卡采样的信号，测量角差为-4.60107分，比差为-0.45938％，误差比较稳定。

Claims (8)

1.一种输电线路动态损耗测量系统，其特征在于，该测量系统是一种基于GPS时钟脉冲同步触发的输电线路动态损耗测量系统；，该输电线路动态损耗测量系统的组成为在输电线路首端为变电站(1)，末端为变电站(2)，变电站(1)和变电站(2)分别装有电压、电流采集系统和工控机单元；在变电站(1)端，零磁通电流互感器(1.1)连接由光电远端模块(1.2)通过光纤复合绝缘子(2.5)连接光电本地模块(1.3)构成的第一OPDL光电链路系统(1.8)，第一OPDL光电链路系统(1.8)的光电本地模块(1.3)再连接装有数据采集卡的工控机(1.6)，工控机(1.6)分别连接GPS模块(1.7)和第二OPDL光电链路系统(1.9)的光电本地模块(1.3)，第二OPDL光电链路系统(1.9)的光电远端模块(1.2)通过二次分压转接箱(1.5)连接电容式电压互感器(1.4)，电容式电压互感器(1.4)连接在输电线路上；在变电站(2)端安装有与变电站(1)端的相同结构的装置；变电站(2)端与变电站(1)端的工控机(1.6)采用Internet网络通信。

2.根据权利要求1所述输电线路动态损耗测量系统，其特征在于，所述OPDL光电链路系统的原理结构由光纤复合绝缘子(2.5)分别连接光电远端模块(1.2)及光电本地模块(1.3)构成；该OPDL光电链路系统对由高压侧A/D转换模块(2.1)输入信号进行A/D变换和电/光变换、变换后的光信号经光纤复合绝缘子(2.5)和光缆传输至光电本地模块(1.3)，光纤复合绝缘子实现了高、低压端的绝缘问题，光电本地模块(1.3)的光/电变换(2.7)再对光信号进行光/电变换和D/A变换，而后将信号从信号处理电路与D/A模块(2.6)输出光电远端模块。

3.根据权利要求1所述输电线路动态损耗测量系统，其特征在于，所述光电远端模块包括一个由高压侧A/D转换模块(2.1)、高压侧数字信号(2.2)、电/光变换模块(2.3)和光电能转换模块(2.4)的串联回路。

4.根据权利要求1所述输电线路动态损耗测量系统，其特征在于，所述光电本地模块(1.3)由信号处理电路与D/A模块(2.6)与光/电变换(2.7)、电源(2.8)、驱动电路(2.9)和激光器(2.10串联；光纤复合绝缘子(2.5)的一路分别连接光电远端模块(1.2)的电/光变换模块(2.3)及光电本地模块(1.3)的光/电变换(2.7)，另一路分别连接光电远端模块(1.2)的光电能转换模块(2.4)及光电本地模块(1.3)的激光器(2.10)。

5.一种输电线路动态损耗的测量方法，其特征在于，在两个变电站之间的输电线路的两端安装一套线路电流、电压采集单元，线路两端的数据通信采用Internet网络；利用零磁通电流互感器提取电流信号后，经第一OPDL光电链路系统传输至工控机中数据采集卡，从电容式电压互感器及二次分压转接箱提取电压信号，经第二OPDL光电链路系统传输至工控机中数据采集卡，GPS模块应用GPS时钟脉冲触发数据采集卡，实现线路首端和末端电压、电流采集的同步性，应用瞬时功率法分别计算线路两端的功率，根据能量守恒定律，将线路首端的输入功率减去线路末端的输出功率，获得整条输电线路的动态损耗。

6.根据权利要求5所述输电线路动态损耗测量的测量方法，其特征在于，所述电流信号的采集是采用穿心零磁通电流互感器，而后电连接光电链路系统OPDL 16及远端模块，光电远端模块对信号进行A/D变换和电/光变换，变换后的信号经过光纤绝缘子、光缆传输至本地模块进行光/电变换和D/A变换，然后电连接到测量计算机中的数据采集卡。

7.根据权利要求5所述输电线路动态损耗测量的测量方法，其特征在于，所述电压信号的采样是在电容式电压互感器的低压端介入一个二次分压转接箱，变换信号到采集卡的输入范围，二次分压转接箱电连接OPDL光电链路系统及光电远端模块，对信号进行A/D变换和电/光变换，变换后的信号经过光缆传输至光电本地模块进行光/电变换和D/A变换，然后电连接到测量计算机中的数据采集卡。

8.根据权利要求5所述输电线路动态损耗测量的测量方法，其特征在于，所述线路两端各装一个GPS模块，设定GPS时钟脉冲为分脉冲，即每分钟发出一个TTL数字脉冲，将此脉冲电连接到数据采集卡的外部触发端口，触发数据采集卡同时采集线路两端的电压和电流，应用NI公司的LABVIEW软件编程，采用瞬时功率法就地计算线路两端的功率，获得整条输电线路的动态损耗。

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