CN104318003A - 基于tdcm模型的变电站地表电位计算及选址检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于TDCM模型的变电站地表电位计算及选址检测方法，根据高压直流输电接地极附近区域土壤结构，构件三维复合分层土壤导电模型；应用拟合镜像法根据TDCM模型构建点源格林函数；根据TDCM格林函数推导电位表达式，并通过ESP计算软件计算变电站地表电位分布图；进而求得流过变压器中性点的直流电流量；将直流电流值与变压器直流偏磁阈值进行比较，判断变压器是否受到直流偏磁威胁。本发明为准确评估流过变压器中性点直流量提供理论依据，保证直流接地极附近变电站选址合理性，为发生直流偏磁变电站治理措施提供支持，对特高压交直流混联电网合理规划和直流偏磁治理有重要意义。

Description

基于TDCM模型的变电站地表电位计算及选址检测方法

技术领域

本发明涉及变电站地表电位计算检测技术领域，尤其涉及基于TDCM模型的变电站地表电位计算及选址检测方法。

背景技术

在远距离、大容量输电和电力系统联网方面，高压直流输电具有明显优势，在我国能源结构调整及“西电东送”工程中起着重要作用。然而，当高压直流输电采用单极大地回路运行方式时，强大的入地直流造成地表电位（Earth Surface potential，ESP）分布不均匀，一部分直流电流通过接地的变压器中性点进入交流输电系统，引起变压器直流偏磁，铁芯高度饱和，磁化电流严重畸变，造成变压器噪音增大、振动加剧、局部过热、寿命减少等，严重时甚至威胁交直流混联电网的安全稳定运行。随着我国高压直流输电工程的日益增多，高压直流输电单极大地运行总时间越来越长，而且作为故障应急方式，大地回路运行方式基本不可避免。因此，对高压直流输电接地极附近变电站的变压器直流偏磁进行研究具有重要的理论意义和重大工程实用价值。

要评估直流偏磁对高压直流输电接地极附近变压器的影响，首先需要根据特定土壤模型计算各变电站ESP，再求得流过变压器中性点的直流电流量，以评估变压器是否受到直流偏磁威胁或采取合理措施治理直流偏磁。

申请号为201310720023.5的发明专利公开了一种直流输电单极运行时变压器中性线电流的计算方法，包括：建立接地极模型和大地土壤模型，计算接地极周围地表电位分布；建立电网的直流电路模型；根据计算的所述地表电位分布和建立的所述直流电路模型，计算变压器中性线电流。本发明考虑海岸效应对大地土壤模型的影响，建立接地极模型和大地土壤模型计算接地极周围地表电位分布；建立电网的直流电路模型，根据求得的中性点电位计算变压器中性线电流。本发明适应性强，可以计算内陆和沿海地区变压器中性线电流，能显著提高计算精度，对直流单极大地运行时变压器乃至整个系统的安全稳定运行都具有重要的实际意义。

申请号为201110370619.8的发明专利公开了一种跨步电压多点拟合测试方法，本发明以跨步电压测试点为中心，按田字形网格均匀布置指定数量地表电位测试点；之后，测量地表电位测试点与跨步电压测试点之间的电位差；最后，将测得的地表电位测试点和跨步电压测试点之间的相对距离和电位差进行数据拟合，求出最大的电位差，即为跨步电压测试点的跨步电压值。本发明能够保证测量准确度，而且操作简便、快捷。

申请号为03119386.2的发明专利公开了一种阴极保护管道的管地电位和地表电位综合检测方法及装置，属于对埋地管道的检测技术。该方法采用至少各一个检测管地电位和地表电位的参比电极同时进行测量，并在测量过程中采用瞬间中断电流法或外加激励电流信号法消除IR降，将记录仪采集的测试数据经微机分析，确定真实的管地电位和地表电位。实现本技术的装置包括参比电极组、数据采集记录装置、信号发生装置、电流中断器、测距仪以及微机分析系统，数据采集记录装置与电流中断器和信号发生装置采用GPS进行同步设置。本发明由于同步记录管地电位和地表电位梯度，获取更加真实、丰富的信息，检测效率高。

然而，在地表电位计算机仿真的计算评估领域，上述方法均不适用。要准确计算变电站地表电位值，取决于点源格林函数的精确求解。要准确计算点源格林函数，需基于合适的土壤模型应用物理意义明确、收敛性好的简便算法。土壤模型越接近实际土壤结构，计算结果将越准确。迄今为止，三维复合分层土壤导电模型（Three-Dimensional Combined-layer Soil Model，TDCM）是最能准确模拟实际土壤结构的模型，模型综合考虑了土壤结构在三维方向的变化，但TDCM模型下格林函数的有效求解是一个尚未有效解决的难题。由于经典镜像法级数收敛速度很慢，不具备推导TDCM格林函数能力；由于复镜像法引入了复数距离和角度等概念，大大增加了计算复杂性，且镜像的位置和强度均为复数，物理意义不明确，因而应用受到相当限制。上述原因使任意多层TDCM格林函数精确求解受到限制，导致对流经一些变压器中性点的直流量评估严重失真，造成不合理的电网规划方案和直流偏磁治理措施。

发明内容

本发明的目的是提供基于TDCM模型的变电站地表电位计算及选址检测方法，通过一种物理意义明确、可靠收敛的计算任意分层TDCM格林函数的算法，用以准确计算复杂地形条件下的ESP值，为高压直流输电接地极附近变电站规划选址和直流偏磁治理提供支持。

为实现上述目的，本发明的方案是：基于TDCM模型的变电站地表电位计算及选址检测方法，包括如下步骤：

1）根据高压直流输电接地极附近区域土壤结构，构件三维复合分层土壤导电（TDCM）模型；

2）应用拟合镜像法根据TDCM模型构建点源格林函数，将点源格林函数表示成有限个经典镜像与模拟镜像之和，拟合镜像的位置和强度均为实数；

3）根据TDCM格林函数推导电位表达式，并通过ESP计算软件计算变电站地表电位分布图；

4）根据已知的交流系统网络电阻参数和求得的地表电位分布图，求得流过变压器中性点的直流电流量；

5）将直流电流值与变压器直流偏磁阈值进行比较，判断变压器是否受到直流偏磁威胁，如果直流电流值小于变压器直流偏磁阈值，可以判断变电站地表电位合适，不予采取治理方案，反之，需选取变电站新址或采取合理措施治理直流偏磁。

所述TDCM格林函数可分解为水平分层土壤模型下格林函数与竖直分层土壤模型下格林函数。

所述ESP计算软件为CDEGS仿真软件。

本发明所介绍的基于TDCM模型的变电站地表电位计算及选址检测方法，其根本目的在于变电站的选址检测，采用手段是通过计算流过变压器中性点的直流电流量，以评估变压器是否受到直流偏磁威胁，其基础是需要根据特定土壤模型计算接地极周围地表电位分布，进而建立电网的直流电路模型，所以提出了一种基于TDCM模型构建点源格林函数，推导地表电位模型公式的方法。

本发明在计算TDCM格林函数时，首次采用了拟合镜像法。相对于复镜像法所存在的收敛性差、物理意义不明确以及经典镜像法所存在的不具备求解能力的缺点，拟合镜像法将点源格林函数表示成有限个经典镜像与模拟镜像之和，拟合镜像的位置和强度均为实数，因此其物理意义比复镜像法更合理，数学处理也更简便，是快速精确计算分层大地媒质中点源格林函数的一个很好的候选方法。在此基础上，首次推导了任意多层TDCM格林函数算法。根据本发明计算得到的格林函数计算直流接地极附近变电站ESP，为准确评估流过变压器中性点直流量提供理论依据，保证直流接地极附近变电站选址合理性，为发生直流偏磁变电站治理措施提供支持，对特高压交直流混联电网合理规划和直流偏磁治理有重要意义。

附图说明

图1是本发明变电站地表电位计算及选址检测方法流程图。

图2是任意多层结构的TDCM纵剖面示意图。

图3是本发明实施例中特定结构的TDCM纵剖面示意图。

图4是三维复合分层土壤模型（TDCM）模型下变电站地表电位分布图。

图5是水平分层土壤模型(HMSM)下变电站地表电位分布图。

图6是二维复合分层土壤模型(HSSM)下变电站地表电位分布图。

具体实施方式

基于TDCM模型的变电站地表电位计算及选址检测方法，具体流程如图1所示，涉及地表电位计算与变电站选址判断两个方面，其核心在于变电站地表电位计算方法，步骤在于：根据高压直流输电接地极附近区域土壤结构，构件三维复合分层土壤导电（TDCM）模型；应用拟合镜像法根据TDCM模型构建点源格林函数，将点源格林函数表示成有限个经典镜像与模拟镜像之和，拟合镜像的位置和强度均为实数；根据TDCM格林函数推导电位表达式，并通过ESP计算软件计算变电站地表电位分布图，其中，TDCM格林函数可分解为水平分层土壤模型下格林函数与竖直分层土壤模型下格林函数，具体实施步骤根据图2作进一步阐述：

1. 水平分层土壤模型下格林函数

若                                                轴方向土壤不分层，把图2水平第1层看作是电阻率为的均匀土壤，即，则TDCM转化为水平分层土壤模型，除点电源处，点源在其它各空间位置产生的电位均满足拉普拉斯方程：

                     (1)

边界条件为：

                        (2)

上式中，是第层土壤的介电常数，点源位置坐标为，是介电常数。

通过傅里叶变换，得到频域的拉普拉斯方程及边界条件:

                                          (3)

                        (4)

上式中，是径向波数，对土壤参数确定的土壤模型，可用传输线理论求解电位，势函数可表示为：

                                            (5)

上式中，是传输系数，当，取“+”号，反之，取“-”号；是位于第层的有源层到第层的波的传输系数，一般通过波矩阵方法求解。

故可表示为：

                                                  (6)

上式中，，是准静态镜像位置，镜像系数可通过点匹配法快速求解，通过最小二乘法可提高精度。

(6)式通过傅里叶逆变换，可得到时域下的势函数:

                                            (7)

上式中，。

2. 竖直分层土壤模型下格林函数

同理，当计算竖直分层土壤模型格林函数时，求解方法和水平分层的求解方法基本相同。竖直分层土壤模型下方向格林函数可表示为：

轴：                                      (8)                                    

轴：                                      (9)         

上式中各符号的意义和式(7)中相似。在实际垂直分层土壤中，还要考虑地面影响，这时格林函数表达式(8)和(9)需要加上源点的镜像作用，即分别把式(8)和(9)中替换为，替换为。

3. TDCM下格林函数

从式(8)可知，在方向垂直分层土壤模型中，镜像点坐标只在轴方向变化，而和坐标不变，可以想象在轴方向匹配有几个镜像点，在这几个镜像点的作用下，方向垂直分层的边界条件得以满足。因此，在这几个镜像点作用下，可以将上层土壤看作是电阻率为的均匀土壤.这时TDCM变成了二维复合分层土壤模型，而上述的镜像点就可以看作是在轴方向竖直第1层中的源点。为了满足轴方向的边界条件，这些镜像点须根据式(9)关系，在轴方向再镜像，这时二维复合分层土壤模型转化为水平分层土壤模型，而上述的镜像点就可以看作是在轴方向水平第1层中的源点。同理，为了满足轴方向的边界条件，这些镜像点根据式(7)关系，在轴方向再镜像。在上述所有镜像点作用下，求出的电位表达式就是TDCM的格林函数。

由上可知，当单位点电源和场点均在方向同层土壤时，TDCM下格林函数可以写为：

                         (10)

                       (11)

若源点和场点在不同土壤层，则相应地改变水平分层模型和垂直分层模型镜像点位置及大小，按照上述方法即可求得相应格林函数。

实施例

以华中某地区主要站点地表电位为计算对象，分析华中至华东±500高压直流输电工程直流单极运行后，对华中某地区220及以上变电站的影响，利用本发明的方法，根据推导的TDCM格林函数，利用CDEGS仿真软件建立计算程序，形成变电站地表电位分布图，图3为某接地极附近特定TDCM示意图，以此为算例进行分析：

在示意图中，为点电源，平面代表地平面。轴方向水平分3层，各层土壤电阻率和层厚分别为和；然后把轴方向水平第1层土壤在轴方向竖直分3层，各层土壤电阻率和层厚分别为和；最后把轴方向竖直第1层土壤在轴方向竖直分3层，各层土壤电阻率和层厚分别为和。 土壤参数如表1所示，同时列出了水平分层土壤模型(HMSM)和二维复合分层土壤模型(HSSM)土壤参数。

 

表1 土壤模型参数(电阻率/Ω.m,距离/km)

具体到本实施例，如图3所示土壤模型及表1所示土壤参数，首先推导出次土壤模型下格林函数表达式，分方向，如下所述：

方向格林函数计算方程为：

                  (12)

           (13)

                          (14)

方向格林函数计算方程为：

                  (15)

在实际竖直分层土壤中，还要考虑地面影响，这时格林函数表达式是式(7)加上源点的镜像作用，即分别把式(7)中替换为。

当单位点电源和场点均在方向第1层土壤时，TDCM下格林函数可以写为：

                                                                 (16)

式中，。

利用编写分程序，计算了TDCM下ESP，并与水平分层模型和二维复合分层模型下ESP分布图进行了比较，结果分别表示在图4、图5、图6中。其中，二维复合分层模型为轴方向不分层，方向与TDCM一致；水平分层土壤模型为轴方向不分层，而轴方向与TDCM一致，具体土壤参数见表1。

以华中某地区220KV变电站ESP为例，其接地极附近土壤参数为：

电阻率分别为0.2、10、0；层厚分别为4、30，接地极采用双环设计；入地电流3000，埋深3；

得到镜像位置分别为；相应幅值分别为。

从仿真模型结果可以看出，随着距离接地极距离()的增加，ESP逐渐减小，约呈负指数衰减趋势，经过检测，本发明计算结果与实地检测结果符合很好，并且相比精度有较大提高，验证了本发明方法的可靠性，值得注意的是，本发明计算所采用的直流接地极由直径为600的单圆环构成，埋深0.5，接地极入地电流为3000。当场点距离接地极较远时，接地极可以按照点源来处理。

由实际检测可知，双极两端中性点接地直流换流站接线方式，现已被广泛运用到远距离的高压直流输电领域中，虽然正常运行时两极电流相等，地回路中的电流为零，但是只要是运行过程中两极的电流不相等，接地极都会有电流流过，在直流输电线路和大地间形成回路；同时，由于土壤电阻分布径向不均，如果接地极附近有变压器中性点接地的变电所，地下金属导管或铠装电缆等金属设施，由于这些设施可能给地电流提供了比大地土壤更为良好的导电通道，因此一部分电流将沿着并通过这些设施流向远方，本发明的地表电位图便可以为准确求得流入各个中性点的直流电流提供理论上的计算依据。

所以，在根据发明算法得出地表电位模型分布图后，便可以根据已知的交流系统网络电阻参数和求得的地表电位分布图，求得流过变压器中性点的直流电流量；将直流电流值与变压器直流偏磁阈值进行比较，判断变压器是否受到直流偏磁威胁，如果直流电流值小于变压器直流偏磁阈值，可以判断变电站地表电位合适，不予采取治理方案，反之，需选取变电站新址或采取合理措施治理直流偏磁；保证直流接地极附近变电站选址合理性，为发生直流偏磁变电站治理措施提供支持，对特高压交直流混联电网合理规划和直流偏磁治理有重要意义。

Claims (3)

1.基于TDCM模型的变电站地表电位计算及选址检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）根据高压直流输电接地极附近区域土壤结构，构件三维复合分层土壤导电（TDCM）模型；

2）应用拟合镜像法根据TDCM模型构建点源格林函数，将点源格林函数表示成有限个经典镜像与模拟镜像之和，拟合镜像的位置和强度均为实数；

3）根据TDCM格林函数推导电位表达式，并通过ESP计算软件计算变电站地表电位分布图；

4）根据已知的交流系统网络电阻参数和求得的地表电位分布图，求得流过变压器中性点的直流电流量；

5）将直流电流值与变压器直流偏磁阈值进行比较，判断变压器是否受到直流偏磁威胁，如果直流电流值小于变压器直流偏磁阈值，可以判断变电站地表电位合适，不予采取治理方案，反之，需选取变电站新址或采取合理措施治理直流偏磁。

2.如权利要求1所述的基于TDCM模型的变电站地表电位计算及选址检测方法，其特征在于：所述TDCM格林函数可分解为水平分层土壤模型下格林函数与竖直分层土壤模型下格林函数。

3.如权利要求1所述的基于TDCM模型的变电站地表电位计算及选址检测方法，其特征在于：所述ESP计算软件为CDEGS仿真软件。