CN104614644A - 高压架空输电线路覆冰的诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压架空输电线路覆冰的诊断方法，该方法以输电线路两侧的电压电流为信号源，包括输电线路两端稳态数据、系统暂态数据和线路自身故障数据，自适应动态生成反映覆冰参数特征的参考电压、电流数据集。以检测数据与参考数据集的广义相关系数为判别标准，根据广义相关系数的大小诊断输电线路覆冰的区域和严重程度。根据参考数据的不同，诊断方法有单一正序诊断方法和全序冗余诊断方法。另外采用故障分量网络检测线路覆冰的方法，从原理上保证了覆冰检测的灵敏度，提高了线路覆冰的检测的准确性和可靠性。本发明的诊断结果是从参考数据集中比较得出的，符合最大隶属度原理和稳定配置理论，从理论上保证了诊断方法的准确性和可靠性。

Description

高压架空输电线路覆冰的诊断方法

技术领域

本发明涉及高空输电技术领域，特别是涉及一种高压架空输电线路覆冰的诊断方法。

背景技术

冰雪作为一种自然现象，是不可避免的。由冰雪引起的覆冰现象曾给世界各地许多架空线路的安全运行造成严重影响。2008年1月～2月我国湘鄂赣云贵川闽苏皖等15个省市自治区范围内发生雨雪冰冻灾害，灾区范围内的电力系统有36700多条线路故障，受灾人口达1亿多，直接经济损失超过1100亿元。对我国电网的损害尤其严重，其中500kV输电线路断线处高达799处。据统计，国家电网公司高压线杆塔倒塌17.2万基，受损1.2万基；低压线路杆塔倒塌51.9万基，受损15.3公里；各级电压等级线路停运15.3万条，变电站停运884座。2012年12月28日受强冷空气影响，湖南雨雪冰冻天气加重，湘中以北共有36个县市出现雨夹雪或纯雪、冰粒子，南岳衡山出现冰冻现象，湖南主电网72条高压输电线路覆冰，最大覆冰厚度达6毫米，2013年1月6日我国南网所辖输电线路覆冰199条，2014年2月11日，南网所辖10千伏及以上线路覆冰1098条。这些案例说明了覆冰对电网安全的严重影响和研究覆冰诊断技术的必要性、紧迫性。

目前输电线路覆冰诊断方法主要有，人工目测法和在线检测法。人工目测法主要是依靠电力工作人员的现场巡检来发现输电线路覆冰的情况。但高压架空输电线路分布范围广，跨越的地区环境复杂，气候恶劣，这给现场巡检工作带来了很大的困难。目前输电线路覆冰在线诊断方法可以分为三种：基于图像等效判别法、称重法和测量导线应力换算冰的质量的方法。图像检测法是在线路杆塔上安装一定数量的视频装置，将视频装置采集的图片传输到后台，提取有用的数据信息进行处理和分析。利用导线固有的几何尺寸计算导线的覆冰面积，换算为等效覆冰厚度。该方法便于观察，简单易行。缺点是摄像头采集的信息量有限，不能真实准确的反映整个覆冰导线的情况，只能反映局部的；覆冰严重时，摄像头会被冰雪盖住而无法使用。称重法是将球头挂环替换为拉力传感器，直接测量导线在一个垂直挡距内的质量，结合倾角传感器和当时的风速、风向，计算绝缘子串的倾斜分量和风阻系数，利用排除法，得出导线上的覆冰质量，再等效为等值覆冰厚度。该方法使用的传感器价格低廉、可靠性高、计算简便；能够较为全面的掌握覆冰线路的情况。缺点是受环境因素的影响比较大、非线性误差大、容易受电磁的干扰、不能长期稳定运行。导线倾角-弧垂法是在悬垂线夹附近的导线上安装倾角传感器，采集导线倾角、弧垂等参数，结合输电线路状态方程、线路参数和气象环境参数，得出导线的覆冰重量，再换算成等值覆冰厚度。该方法可应用输电线状态方程简化不规则计算。缺点是输电线的状态方程在不均匀覆冰的情况下误差比较大，导线弧垂受很多因素的影响，无法反映覆冰的具体分布情况。

总之，现有的输电线路覆冰诊断方法尚存在诸多问题和缺陷。现有的覆冰监测系统主要依靠于检测覆冰时的气象参数及动力特性的改变来进行诊断，这些方法都需要通过附加的设备来进行数据采集。这些附加设备本身就是一个比输电线路更容易覆冰的覆冰点。因此，研发有效的覆冰诊断技术是我国电网甚至世界电网(温寒带国家)亟需解决一个难题。研究一种安全有效、经济实用的输电线路覆冰诊断方法，不仅对保证电网安全可靠运行具有重要的工程实际意义，而且具有重要的经济效益和社会效益。

发明内容

基于上述情况，本发明提出了一种高压架空线路覆冰的诊断方法，以提高线路覆冰诊断的准确性，所采用的技术方案如下。

一种高压架空输电线路覆冰的诊断方法，包括步骤：

以输电线路两端电压电流为信号源，动态自适应生成电压电流的参考数据集；

在输电线路两端安装电压电流录波器，检测输电线路的实时电压电流；

计算输电线路两端电压电流的检测数据与参考数据集的广义相关系数；

根据广义相关系数的最大值，诊断实际输电线路覆冰的区域和严重程度。

本发明提出输电线路覆冰的诊断方法，计算现场检测电压电流数据与参考数据集的广义相关系数，相关系数最大的那个参考数据所对应的覆冰状况，即可判别为实际中架空线路覆冰的状况。与现有线路覆冰的检测方法不同，本发明的诊断结果不是从确定性方程解出来的，而是自适应生成具有覆冰参数特征的参考电压、电流数据集，求得检测数据与参考数据集的相关系数，根据相关系数值的大小进行诊断。本发明的诊断结果是根据最大广义相关系数得出的，是从参考数据集中比较得出的，符合“最大隶属度原理”和“稳定配置”理论，从理论上保证了诊断方法的准确性和可靠性(抗干扰的容错能力)。而且，本发明的诊断方法，不需要改变线路的一、二次接线，不需要新的附加设备，只需现有线路两端数据采集装置提供的电压、电流为信号源，即可实现线路覆冰的诊断。本方法简单实用，具有很强的可操作性和通用性，既可以离线检测，也可以在线监测，既可以单独构成检测装置和系统，也可以成为整个输电线路智能监控系统的一个重要组成部分。

附图说明

图1为本发明高压架空输电线路覆冰的诊断方法的流程示意图；

图2为理想覆冰线路模型；

图3为未覆冰时的电压波形；

图4为未覆冰时的电流波形；

图5为全线覆冰时的电压波形；

图6为全线覆冰时的电流波形；

图7为检测数据与无覆冰数据库的相关性；

图8为检测数据与全线覆冰数据库的相关性；

图9为检测数据与从线路左端开始覆冰数据库的相关性；

图10为检测数据与中部覆冰数据库的相关性；

图11为不同数据的覆冰诊断流程示意图。

具体实施方式

本发明的高压架空输电线路覆冰的诊断方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤s101、以输电线路两端电压电流为信号源，通过改变输电线路的参数来模拟不同的覆冰区域和严重程度，动态自适应生成电压电流的参考数据集；

步骤s102、在输电线路两端安装电压电流录波器，检测输电线路的实时电压电流；

步骤s103、计算输电线路两端电压电流的检测数据与参考数据集的广义相关系数；

步骤s104、根据广义相关系数的最大值，诊断实际输电线路覆冰的区域和严重程度。

为了便于说明本发明的原理，以图2所示简单理想覆冰模型简述覆冰与线路参数的关系。图中r为导线半径mm，a为覆冰厚度mm。线路覆冰后，增加了线路的重力荷载，架空线路弧垂增大，导线长度增加，横截面积下降，导线的电阻增加，但在实际中，纯冰和纯水都不是导体，即便考虑含有杂质，其导电性也远远小于导线的导电性，即有R_导线<<R_冰，而冰电阻和导线电阻是并联的关系，因此，对于线路电阻，只考虑覆冰导致导线自身电阻增大的情况，不考虑冰电阻的影响；线路绝缘子串覆冰，增大了泄漏电流，导致线路的等效电导增加(可达1000倍)。线路覆冰，降低了起晕电压，增大了线路电容和电晕损耗，导致线路的有功损耗和容性无功增加。线路覆冰的总效果是导致覆冰部分线路等效电阻、泄露电导、等效电容的增加。线路覆冰后，覆冰区域线路的参数发生变化，对应的线路两端的电压电流也会有改变，而且，不同的覆冰区域、不同的覆冰程度对线路两端电压电流的影响也不相同。

本发明的参考数据集是本发明诊断的重要环节，对诊断的准确性和可靠性十分重要。参考数据集反映了覆冰-参数特征情况下线路两端的电压、电流，表征了覆冰区域线路的作用，是根据检测数据的特点(稳、暂态)自适应动态生成的。针对高压架空输电线路的不同覆冰类型设置相应的输电线路参数，通过ATP或其它仿真软件进行模拟计算，生成输电线路两端的电压电流参考数据集(数据库)，为计算实测数据与参考数据集的广义相关系数奠定基础。该参考数据集中均包含以下数据。(1)A、B、C三相正常无覆冰时电压电流数据；(2)全线覆冰时三相电压电流数据；(3)不同区域覆冰时三相的电压电流数据，根据实际情况，建立不同区域覆冰时的数据库，如：线路左侧三分之一覆冰、线路左侧三分之二覆冰、线路右侧三分之一覆冰、线路右侧三分之二覆冰、线路中央往两边延伸一定距离的覆冰等等；(4)不同程度覆冰时的电压电流数据。

本发明的广义相关系数是复数。为了结合电压、电流的幅值和相位信息，本发明的广义相关系数为复数，为谐波次数。当复数趋于零时，其幅角是任意的。本发明取复相关系数的模为诊断判据，所谓相关系数的大小均指其模的大小。

本诊断方法优选地对两端电压、电流分别按其最大值做归一化处理。以两端电压的最大值为电压归一化基准值，以两端电流的最大值为电流归一化基准值，对两端数据做归一化处理，这是比较各广义相关系数相对大小的基础。

当基于输电线路两端稳态数据进行覆冰诊断时，检测数据为{u_测量(ω)，i_测量(ω)}，则生成的参考数据集为{u_参(ω)，i_参(ω)}，广义相关系数为根据广义相关系数的最大值诊断线路的覆冰，这是一种单一正序诊断方法。

本诊断方法还可以是基于输电线路暂态数据的覆冰诊断方法。根据电力系统统计数据，每变电站平均每天至少有一次操作，每变电站平均每年至少有10次雷电波入侵，GIS变电站每年有1-2次VFTO。这些和输电线路其它部分的操作或故障等，都会产生暂态电压和电流。当这些暂态电压和电流出现在线路两端时，相当于对线路的一次加信检测，是十分宝贵的覆冰诊断信息源。检测数据为暂态数据， 生成的参考数据集为{u_参(kω)，i_参(kω)}。而当检测电压、电流中的谐波次数不一致时，设检测电压、电流的谐波次数分别为k₁、k₂，生成的参考集为{u_参(k₁ω)，i_参(k₁ω)}和{u_参(k₂ω)，i_参(k₂ω)}。广义相关系数为根据各序广义相关系数的最大值诊断线路的覆冰，这是一种全序冗余诊断方法。

本诊断方法还可以是基于线路两端故障数据的覆冰诊断方法。根据线路两端的电压、电流故障数据和前一次故障测距的结果x^*(可由保信数据提供，也可自测)，再次对系统的覆冰进行诊断。由前一次故障测距结果，把线路从故障点处分成两部分，以线路两端的电压、电流暂态数据为信号源，结合正序、负序和零序数据和参数，对覆冰进行全序冗余诊断。检测数据为暂态数据， 生成的参考数据集为{u_参(kω，x^*)，i_参(kω，x^*)}。而当检测电压、电流中的谐波次数不一致时，设检测电压、电流的谐波次数分别为k₁、k₂，生成的参考集为{u_参(k₁ω，x^*)，i_参(k₁ω，x^*)}和{u_参(k₂ω，x^*)，i_参(k₂ω，x^*)}。广义相关系数为根据各序广义相关系数的最大值诊断线路的覆冰，这是一种缩小了搜索区域的全序列冗余诊断方法。

本诊断方法还可以是基于故障分量网络的线路覆冰诊断方法。该方法适用于线路两端有暂态数据的情况。检测数据为暂态数据，

生成的参考数据集为{Δu_参(kω)，Δi_参(kω)}。而当检测电压、电流中的谐波次数不一致时，设检测电压、电流的谐波次数分别为k₁、k₂，生成的参考集为{Δu_参(k₁ω)，Δi_参(k₁ω)}和{Δu_参(k₂ω)，Δi_参(k₂ω)}。广义相关系数为根据各序广义相关系数的最大值诊断线路的覆冰，这是一种全序冗余诊断方法或缩小了搜索区域的全序冗余诊断方法。故障分量网络，反应了线路结构或参数的动态变化，线路参数变化正是覆冰的特征，采用故障分量网络检测线路的覆冰的方法，从原理上保证了覆冰检测的灵敏度，提高了线路的覆冰检测的准确性和可靠性。

图11总结了不同数据类型的覆冰诊断的流程。

本诊断方法还可以是基于系统暂态数据和线路自身故障数据的覆冰诊断方法，线路两端的电压电流都是暂态数据，相应的输电线路参数需要随谐波次数调整。对于圆柱导体的交流参数，由于电磁场理论可得(等效交流电阻，单位为Ω/km)，(等效内自感，单位为H/km)，其中a为导线的截面半径，μ为导磁率，γ为电导率，ω为电压和电流的角频率。交流电阻R随ω的增加而增大，内自感L_i随频率的增加而减小，但是总自感 其中(最大值为)，总自感变化不大，互感和电容基本不变。对基于暂态数据的诊断，采用和修正线路参数。

下面介绍本诊断方法的具体实施例。

参考数据集反映了覆冰-参数特征情况下线路两端的电压、电流，表征了覆冰区域线路的作用，是根据检测数据的特点(稳、暂态)自适应动态生成的。为了通过实例说明本方法的原理，我们事先通过ATP软件仿真模拟建立数据库，得到一系列对应不同覆冰类型的参考电压电流数据，将该数据库导入到线路两端的数据处理单元。线路两端安装电压电流实时录波仪器，对线路的运行状态进行实时监测，将得到的数据送到数据处理单元，利用广义相关函数将监测得到的数据与数据库中的各个数据进行广义相关性分析，相关系数最大的那个数据所对应的线路覆冰状况即为实际中架空线路的覆冰情况，将代表覆冰情况的数据通过光纤或其他通信通道传送给后台服务器，以便运行维护人员及时掌握线路不同区域的覆冰情况及其严重程度，及时的做出相应的处理措施。

以线路未覆冰和全线覆冰为例，仿真研究在这两种情况下测量电压电流的波形图变化，图3表示未覆冰时的电压波形，图4表示未覆冰时的电流波形，图5表示全线覆冰时的电压波形，图6表示全线覆冰时的电流波形。通过对比发现，覆冰前后测量电压电流的波形数据发生变化。根据不同覆冰情况生成电压电流检测判据，将实际测量到的电压电流与事先建立起的数据库中的数据进行相关性分析，即可得到线路的覆冰情况。

根据不同工况，不同的覆冰程度以及覆冰的位置建立样本数据库，这里为了便于说明问题，该数据库仅分为4组。第一组为正常未覆冰的情况，总共有16种工况，第二组为全线覆冰的情况，覆冰严重程度分为10级，各级覆冰程度下对应16种不同的工况，第三组覆冰从线路的左端开始，覆冰长度从0.1l逐渐增加直到0.9l，相应地覆冰长度下分别对应10种不同的覆冰程度，第四组覆冰从中部开始向两边延伸。令a表示正常无覆冰数据，b表示全线覆冰的情况，c表示从线路左端开始覆冰的情况，d表示中部覆冰的情况。

假设所选识别工况为全线覆冰情况，全线覆冰时令1表示覆冰严重程度为10％，2表示覆冰严重程度为50％，3表示覆冰严重程度为90％，通过仿真分析得到与其他四组线路覆冰情况下的广义相关系数(正比于覆冰判据函数)如图7至图10所示。

由图7至图10可以看出aice1b的广义相关系数最大，由此便可判断出该线路的覆冰状况为全线覆冰，又aice1b的广义相关系数最大出现的位置在覆冰严重程度为10％处，所以可以进一步判断出覆冰的严重程度。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种高压架空输电线路覆冰的诊断方法，其特征在于，包括步骤：

以输电线路两端电压电流为信号源，动态自适应生成反映覆冰参数特征的电压电流参考数据集；

在输电线路两端安装电压电流录波器，检测输电线路的实时电压电流；

计算输电线路两端电压电流的检测数据与参考数据集的广义相关系数；

根据广义相关系数的最大值，诊断实际输电线路覆冰的区域和严重程度。

2.根据权利要求1所述的高压架空输电线路覆冰诊断新方法，其特征在于，包括步骤：

针对输电线路的不同覆冰类型设置相应的输电线路参数，通过ATP仿真软件进行模拟计算，生成输电线路两端电压电流的参考数据，

参考数据集包括以下数据：

正常无覆冰时的三相电压电流数据；

全线覆冰时的三相电压电流数据；

不同区域覆冰时的三相电压电流数据；

以及不同程度覆冰时的三相电压电流数据。

3.根据权利要求1或2所述的高压架空输电线路覆冰的诊断方法，其特征在于，所述广义相关系数为复数k为谐波次数，ω为电压和电流的角频率，为检测数据，为参考数据集。

4.根据权利要求1或2所述的高压架空输电线路覆冰的诊断方法，其特征在于，还包括：

对输电线路两端电压电流的检测数据和参考数据进行归一化处理。

5.根据权利要求1或2所述的高压架空输电线路覆冰的诊断方法，其特征在于，

输电线路两端电压电流的检测数据为稳态数据，检测数据为：

{u_测量(ω)，i_测量(ω)}

则生成的参考数据组为：

{u_参(ω)，i_参(ω)}

广义相关系数为：

6.根据权利要求1或2所述的高压架空输电线路覆冰的诊断方法，其特征在于，

输电线路两端电压电流的检测数据为暂态数据，表达式为：

参考数据集为：

{u_参(kω)，i_参(kω)}

当检测电压、电流的谐波次数不一致时，设检测电压、电流的谐波次数分别为k₁、k₂，参考数据集为：

{u_参(k₁ω)，i_参(k₁ω)}和(u_参(k₂ω)，i_参(k₂ω)}，

广义相关系数为

7.根据权利要求1所述的高压架空输电线路覆冰的诊断方法，其特征在于：

根据输电线路两端的电压、电流故障数据和前一次故障测距的结果x^*，再次对输电线路覆冰进行诊断：

根据前一次故障测距结果，把输电线路从故障点处分成两部分，以线路两端的电压、电流暂态数据为信号源，结合正序、负序和零序数据和参考数据集，根据各序广义相关系数的最大值诊断线路覆冰的，相关表达式如下：

检测电压和检测电流为：

生成的参考数据集为

{u_参(kω，x^*)，i_参(kω，x^*)}，

当检测电压、电流中的谐波次数不一致时，设检测电压、电流的谐波次数分别为k₁、k₂，参考数据集为

{u_参(k₁ω，x^*)，i_参(k₁ω，x^*)}和{u_参(k₂ω，x^*)，i_参(k₂ω，x^*)}，

广义相关系数为

8.根据权利要求1所述的高压架空输电线路覆冰的诊断方法，其特征在于，

对基于故障分量网络的输电线路，相关表达式为：

检测数据为暂态数据：

参考数据集为：

{Δu_参(kω)，Δi_参(kω)}

当检测电压、电流中的谐波次数不一致时，设检测电压、电流的谐波次数分别为k₁、k₂，参考数据集为：

{Δu_参(k₁ω)，Δi_参(k₁ω)}和{Δu_参(k₂ω)，Δi_参(k₂ω)}

广义相关系数为：

9.根据权利要求1所述的高压架空输电线路覆冰的诊断方法，其特征在于，按照以下公式对输电线路的等效交流电阻R和等效内自感L_i进行修正：

$R=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;a}}\sqrt{\frac{\mathrm{\&omega;\&mu;}}{2\mathrm{\&gamma;}}},L_i=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;a}}\sqrt{\frac{\mathrm{\&mu;}}{2\mathrm{\&omega;\&gamma;}}}$

其中，a为导线的截面半径，μ为导磁率，γ为电导率，ω为电压和电流的角频率。