CN104679959B - 1000kV特高压电容分压器宽频等效电路建模方法 - Google Patents
1000kV特高压电容分压器宽频等效电路建模方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了属于电力设备宽频建模技术领域的一种1000kV特高压电容分压器宽频等效电路建模方法。所述方法用于特高压电容分压器宽频阻抗参数的测量，阻抗参数的传输及存储，阻抗参数的有理函数逼近，阻抗参数等效电路的实现，等效电路元件的无源优化。通过宽频建模方法得到特高压电容分压器的宽频无源等效电路模型，用于频域和时域仿真，为分析特高压电容分压器的分压特性、误差特性以及优化均压措施、提出误差修正方案提供了理论依据。本发明建立的一种1000kV特高压电容分压器宽频等效电路建模方法具有很大的理论和实际价值。
Description
技术领域
本发明属于电力设备宽频建模技术领域，尤其是涉及一种1000kV特高压电容分压器宽频等效电路建模方法。
背景技术
1000kV特高压电容分压器是特高压电网中重要的一次设备，准确的分压特性是其最基本的一项技术指标。为了分析在不同频率下特高压电容分压器的分压特性，需要建立其宽频等效电路模型来进行分析计算。传统的模型只适用于10kHz及以下频率，因而，发明一种特高压电容分压器宽频等效电路建模方法具有很大的理论和实际价值。
对于结构复杂的电力设备而言，黑箱法建模是一种简单而精确的建模方法。黑箱法建模方法不必探究设备的具体物理结构，通过测量电力设备的网络参数，进而推导得到设备的等效电路模型。但是，传统的黑箱法建模作为一种纯数学方法，所建立的模型在很多情况下会包含一部分元件参数为负数的有源元件，导致所建模型在仿真时不稳定；现有的针对特高压电容分压器建模的方法，虽能解决所建模型在仿真时不稳定的问题，但存在电器元件的高频参数难以计算并且复杂的问题，并且现有方法将分压电容的等效电路固定为电容的高频推广模型(如图8所示)，很难精确地表征电容在高频情况下的阻抗参数。因此，需要利用含有更多元件、结构相对复杂的等效电路来精确地表征电容在高频情况下的阻抗参数；本发明结合传统的黑箱建模方法，建立一种特高压电容分压器宽频等效电路建模方法，通过测量特高压电容分压器的阻抗参数，结合电路综合理论得到一个等效电路模型，然后利用模式搜索优化算法对已建模型进行无源优化，最终得到特高压电容分压器准确、无源的宽频电路模型，具有很大的理论和实际价值。
发明内容
本发明的目的在于提出一种1000kV特高压电容分压器宽频等效电路建模方法，所述方法用于特高压电容分压器宽频阻抗参数的测量，阻抗参数的传输及存储，阻抗参数的有理函数逼近，阻抗参数等效电路的实现，等效电路元件的无源优化，其特征在于，包括如下步骤：
1)将特高压电容分压器拆解为单节电容；
2)将阻抗测试夹具接入网络分析仪，并利用50欧姆的标准电阻对网络分析仪进行校准；
3)将网络分析仪、被测电容分压器、数据传输设备、数据存储设备连接；
4)在网络分析仪中设置扫描的频域范围为10kHz-10MHz，分别对特高压电容分压器的各个电容进行阻抗测量；
5)将步骤4)中测量得到的数据通过数据传输设备传输至数据存储设备，并利用数据存储设备中的EXCEL软件对测量得到的数据进行存储；
6)将步骤5)中存储的数据减去厂家所给的标准电容值在所有测量频点对应的阻抗值，所得数据利用矢量匹配法进行有理函数逼近，设置逼近精度为10，迭代次数为7，通过逼近得到部分分式和：
其中N为矢量匹配法的逼近精度，resk为留数，pk为极点，s为复频域变量，resk，pk为实数或者是共轭复数对，d为常数项，se为一次项；
7)根据步骤6)中逼近所得到的有理函数F(s)，用不同等效电路来等效有理函数中不同的部分，其中，常数项和一次项用一个RL串联电路等效，该等效电路图中电阻R＝d，电感L＝e，d,e均为常数；的等效电路分为极点和留数为实数以及极点和留数为共轭复数对两种情况，当极点和留数为实数时，等效电路中的电容C＝1/resk，电导G＝-pk/resk，当极点和留数为共轭复数对时，等效电路中的电容C，电阻R1，电阻R2，电感L为：
式中res1、res2为复数留数，p1、p2为复数极点；
8)将步骤7)得到的所有等效电路串联后，再与一个参数为厂家所给标准值的电容串联，即得到特高压电容分压器的等效电路；
9)利用模式搜索优化算法对特高压电容分压器的等效电路进行无源优化计算。
所述阻抗测试夹具为安捷伦阻抗测试夹具43961A。
所述利用模式搜索优化算法对特高压电容分压器的等效电路进行无源优化计算的具体方法为：将初始点设置为特高压电容分压器等效电路中所有元件的参数，对等效电路中所有元件参数进行搜索计算，约束条件为所有解均为正数，得到的最优解即为所有元件参数的优化解，得到的等效电路即为无源优化的等效电路。
本发明的有益效果在于，提出了一种1000kV特高压电容分压器宽频等效电路建模方法，通过宽频建模方法得到特高压电容分压器的宽频无源等效电路模型，特高压电容分压器的宽频无源等效电路模型用于频域和时域仿真，为分析特高压电容分压器的分压特性、误差特性以及优化均压措施、提出误差修正方案提供了理论依据。
附图说明
图1为测量接线示意图；
图中标号：
1-网络分析仪、2-试品、3-阻抗测试夹具、4-测量引线、5-数据传输设备、6-数据存储设备、7-对地绝缘装置。
图2为特高压电容分压器高压、中压电容的等效电路。
图3为高压电容建模结果与实测值的对比图。
图4、图5、图6为有理函数中不同部分所对应的等效电路说明图。
图7为本发明方法与传统黑箱建模方法的对比图。
图8为电容器的高频推广模型。
图9为高压电容、中压电容阻抗测量参数。
图10为高压电容逼近前后对比图。
图11为中压电容逼近前后对比图。
图12为高压、中压电容等效电路模型与实际值对比图。
具体实施方式
本发明提出一种1000kV特高压电容分压器宽频等效电路建模方法，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
一种1000kV特高压电容分压器宽频等效电路建模方法包括如下步骤：
1)将特高压电容分压器拆解为单节电容；
2)将阻抗测试夹具接入网络分析仪，并利用50欧姆的标准电阻对网络分析仪进行校准；
3)将网络分析仪、被测电容分压器、数据传输设备、数据存储设备连接；
4)在网络分析仪中设置扫描的频域范围为10kHz-10MHz，分别对特高压电容分压器的各个电容进行阻抗测量；
5)将步骤4)中测量得到的数据通过数据传输设备传输至数据存储设备，并利用数据存储设备中的EXCEL软件对测量得到的数据进行存储；
6)将步骤5)中存储的数据减去厂家所给的标准电容值在所有测量频点对应的阻抗值，所得数据利用矢量匹配法进行有理函数逼近，设置逼近精度为10，迭代次数为7，通过逼近得到部分分式和：
其中N为矢量匹配法的逼近精度，resk为留数，pk为极点，s为复频域变量，resk，pk为实数或者是共轭复数对，d为常数项，se为一次项；
7)根据步骤6)中逼近所得到的有理函数F(s)，用不同等效电路来等效有理函数中不同的部分，其中，常数项和一次项用一个RL串联电路等效，该等效电路图中电阻R＝d，电感L＝e，d,e均为常数；的等效电路分为极点和留数为实数以及极点和留数为共轭复数对两种情况，当极点和留数为实数时，等效电路中的电容C＝1/resk，电导G＝-pk/resk，当极点和留数为共轭复数对时，等效电路中的电容C，电阻R1，电阻R2，电感L为：
式中res1、res2为复数留数，p1、p2为复数极点；
8)将步骤7)得到的所有等效电路串联后，再与一个参数为厂家所给标准值的电容串联，即得到特高压电容分压器的等效电路；
9)利用模式搜索优化算法对特高压电容分压器的等效电路进行无源优化计算。
如上述步骤1)，将被测的1000kV特高压电容分压器拆解为单节的电容器，总共有四节高压电容和一节中压电容；并将单节的电容器与地面垂直竖立放置，底部与地面之间采用绝缘橡胶隔离。
如上述步骤3)，按照图1所示的接线图，将网络分析仪、被测电容、数据传输设备、数据存储设备连接。
如上述步骤5)，将步骤4)中测量得到的数据通过数据传输设备传输至用于存储数据的笔记本电脑，并利用笔记本电脑中的EXCEL软件对测量到的数据进行存储，测量到的阻抗参数如图9所示。
如上述步骤6)，将步骤5)中存储的数据减去厂家所给的标准电容值在所有测量频点对应的阻抗值，所得数据利用矢量匹配法进行有理函数逼近，设置逼近精度为10，迭代次数为7，高压电容逼近前后的对比如图10所示，中压电容逼近前后的对比如图11所示。通过逼近得到如下式所示的部分分式和形式：
其中N为矢量匹配法的逼近精度，resk为留数，pk为极点，s为复频域变量，resk，pk为实数或者是共轭复数对，d为常数项，se为一次项。
如上述步骤7)，根据步骤6)中得到的部分分式和形式，将该部分分式和形式用不同等效电路来等效。其中常数项和一次项用一个RL串联电路等效如图4，而用如图5和6所示的等效电路表示，其中图5表示极点和留数为实数的情况，图6表示极点和留数为共轭复数对的情况。
其中，图4中的电阻R＝d，电感L＝e，d,e均为常数；图5中的电容C＝1/resk，电导G＝-pk/resk；图6中的电容C，电阻R1，电阻R2，电感L为：
式中res1、res2为复数留数，p1、p2为复数极点。
如上述步骤8)，将所有的等效电路串联后，再与一个参数为厂家所给标准值的电容串联，即得到特高压电容分压器的等效电路，如图2所示为此处选取任意一节高压电容以及中压电容分别采用黑箱法建模所得的等效电路。高压电容等效电路的参数为：电容C1的数值为0.025μF；子模块2中R2＝18.92Ω，C2＝3.05μF；子模块3中R3＝-2073Ω，C3＝-2.03e-7μF；子模块4-7各个元件的具体数值见表1所示；子模块8中R8＝2811Ω。中压电容等效电路的参数为：电容C1的数值为0.49μF；子模块2中R2＝665Ω，C2＝17.6μF；子模块3中R3＝-653Ω，C3＝-3.48e-6μF；子模块4-7中各个元件的具体数值见表2所示；子模块8中R8＝713Ω。
表1 黑箱建模法高压电容等效电路参数
表2 黑箱建模法中压电容等效电路参数
由于黑箱建模方法是纯数学的方法，采用该方法建立的等效电路中有些元件的参数为负数，如表1和表2所示，为有源电路。为了能够得到更加准确的电路模型，需要对已经得到的等效电路进行优化。其具体方法为：利用模式搜索算法，将初始点设置为特高压电容分压器等效电路中所有元件的参数，对等效电路中所有元件参数进行搜索计算，约束条件为所有解均为正数，得到的最优解即为所有元件参数的优化解，得到的等效电路即为无源优化的等效电路。高压电容等效电路元件参数为：电容C1的数值为0.025μF，子模块2中R2＝4.29e9Ω，C2＝2.8e12μF；子模块3中R3＝1e-20Ω，C3＝1e-14μF。子模块4-7各个元件的具体数值见表3所示，子模块8中R8＝3.64e-12Ω；中压电容等效电路元件参数为：电容C1的数值为0.49μF，子模块2中R2＝664.9Ω，C2＝4.5e21μF；子模块3中R3＝1e-30Ω，C3＝1e-24μF。子模块4-7中各个元件的具体数值见表4所示，子模块8中R8＝1e-7Ω。
表3 本发明方法所得高压电容最终电路参数
表4 本发明方法所得中压电容最终电路参数
使用本发明方法所建模型的等效电路中所有元件的参数都为正数，即所建模型为无源的、稳定的，如表3和表4所示。所建立的高压、中压电容模型的等效电路阻抗值与实际阻抗值的对比图如图12所示，所建立的特高压电容分压器模型准确。将四节高压电容等效电路和一节中压电容等效电路串联，所得等效电路即为特高压电容分压器的宽频等效电路模型。
以某公司生产的1000kV特高压电容分压器作为实验对象，在10kHz-10MHz频域范围内，逼近精度设置为10，所建立的特高压电容分压器某节高压电容器的等效电路模型如图2所示，各个元件的参数为：电容C1的数值为0.025μF，子模块2中R2＝4.29e9Ω，C2＝2.8e12μF；子模块3中R3＝1e-20Ω，C3＝1e-14μF。子模块4-7各个元件的具体数值见表3所示，子模块8中R8＝3.64e-12Ω。由表3得出，所建立的等效电路模型中所有元件参数都为正数，即该模型稳定，由图3所示的对比结果得出该模型准确。
而采用传统的黑箱建模方法在同样的测量频域和逼近精度下虽然也得到如图2所示的等效电路，但等效电路元件的具体参数为：电容C1的数值为0.49μF，子模块2中R2＝664.9Ω，C2＝4.5e21μF；子模块3中R3＝1e-30Ω，C3＝1e-24μF。子模块4-7中各个元件的具体数值见表4所示，子模块8中R8＝1e-7Ω。
将本发明方法以及传统黑箱法高压电容等效电路进行时域仿真，将三个高压电容的等效电路进行串联，第一节首端加工频正弦1V电压激励源，第三节末端接地，正常情况下第二节电容的分压应该为激励源电压的2/3，具体仿真结果如图7所示，在元件参数含有负数的模型中出现了电压不稳定的情况，而实际情况中，三节串联高压电容之间应该均分电压。因此，本发明方法相比传统的黑箱建模方法更加有效。
本发明提出了一种1000kV特高压电容分压器宽频建模方法，所述方法用于特高压电容分压器宽频阻抗参数的测量，阻抗参数的传输及存储，阻抗参数的有理函数逼近，阻抗参数等效电路的实现，等效电路元件的无源优化。所用等效电路理论为电路中的基本理论，所建立的模型的具体结构根据所要求的精度而变化，能够在保证精度的情况下同时表征电气设备的宽频特性；由于网络分析仪进行扫频测量，并且测量频域较宽，设置频率采样点呈对数分布或线性分布，因而测量准确方便；通过优化之后得到的宽频等效电路模型精确、无源、可靠。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种1000kV特高压电容分压器宽频等效电路建模方法，所述方法用于特高压电容分压器宽频阻抗参数的测量，阻抗参数的传输及存储，阻抗参数的有理函数逼近，阻抗参数等效电路的实现，等效电路元件的无源优化，其特征在于，包括如下步骤：
1)将特高压电容分压器拆解为单节电容；
2)将阻抗测试夹具接入网络分析仪，并利用50欧姆的标准电阻对网络分析仪进行校准；
3)将网络分析仪、被测电容分压器、数据传输设备、数据存储设备连接；
4)在网络分析仪中设置扫描的频域范围为10kHz-10MHz，分别对特高压电容分压器的各个电容进行阻抗测量；
5)将步骤4)中测量得到的数据通过数据传输设备传输至数据存储设备，并利用数据存储设备中的EXCEL软件对测量得到的数据进行存储；
6)将步骤5)中存储的数据减去厂家所给的标准电容值在所有测量频点对应的阻抗值，所得数据利用矢量匹配法进行有理函数逼近，设置逼近精度为10，迭代次数为7，通过逼近得到部分分式和：
其中N为矢量匹配法的逼近精度，resk为留数，pk为极点，s为复频域变量，resk，pk为实数或者是共轭复数对，d为常数项，se为一次项；
7)根据步骤6)中逼近所得到的有理函数F(s)，用不同等效电路来等效有理函数中不同的部分，其中，常数项和一次项用一个RL串联电路等效，该等效电路图中电阻R＝d，电感L＝e，d,e均为常数；的等效电路分为极点和留数为实数以及极点和留数为共轭复数对两种情况，当极点和留数为实数时，等效电路中的电容C＝1/resk，电导G＝-pk/resk，当极点和留数为共轭复数对时，等效电路中的电容C，电阻R1，电阻R2，电感L为：
式中res1、res2为复数留数，p1、p2为复数极点；
8)将步骤7)得到的所有等效电路串联后，再与一个参数为厂家所给标准值的电容串联，即得到特高压电容分压器的等效电路；
9)利用模式搜索优化算法对特高压电容分压器的等效电路进行无源优化计算，
高压电容等效电路的参数为：电容C1的数值为0.025μF；子模块2中R2＝18.92Ω，C2＝3.05μF；子模块3中R3＝-2073Ω，C3＝-2.03e-7μF；子模块4-7各个元件的具体数值见表1所示；子模块8中R8＝2811Ω，中压电容等效电路的参数为：电容C1的数值为0.49μF；子模块2中R2＝665Ω，C2＝17.6μF；子模块3中R3＝-653Ω，C3＝-3.48e-6μF；子模块4-7中各个元件的具体数值见表2所示；子模块8中R8＝713Ω，
表1黑箱建模法高压电容等效电路参数
表2黑箱建模法中压电容等效电路参数
由于黑箱建模方法是纯数学的方法，采用该方法建立的等效电路中有些元件的参数为负数，如表1和表2所示，为有源电路，为了能够得到更加准确的电路模型，需要对已经得到的等效电路进行优化；其具体方法为：利用模式搜索算法，将初始点设置为特高压电容分压器等效电路中所有元件的参数，对等效电路中所有元件参数进行搜索计算，约束条件为所有解均为正数，得到的最优解即为所有元件参数的优化解，得到的等效电路即为无源优化的等效电路，高压电容等效电路元件参数为：电容C1的数值为0.025μF，子模块2中R2＝4.29e9Ω，C2＝2.8e12μF；子模块3中R3＝1e-20Ω，C3＝1e-14μF；子模块4-7各个元件的具体数值见表3所示，子模块8中R8＝3.64e-12Ω；中压电容等效电路元件参数为：电容C1的数值为0.49μF，子模块2中R2＝664.9Ω，C2＝4.5e21μF；子模块3中R3＝1e-30Ω，C3＝1e-24μF，子模块4-7中各个元件的具体数值见表4所示，子模块8中R8＝1e-7Ω，
表3高压电容最终电路参数
表4中压电容最终电路参数
等效电路中所有元件的参数都为正数，即所建模型为无源的、稳定的，如表3和表4所示。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阻抗测试夹具为安捷伦阻抗测试夹具43961A。
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| CN104679959A (zh) | 2015-06-03 |
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