CN106841873A - 基于gps同步的直流输电线路频率特性双端测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于GPS同步的直流输电线路频率特性双端测试系统，能够对超、特高压远距离直流输电线路进行频率特性测试，有效减小测试误差，本发明的技术方案包括变频电源、隔离变压器、电流取样传感器及GPS同步测量仪，所述变频电源与隔离变压器的原边绕组连接，隔离变压器副边绕组连接直流输电线路首端，所述GPS同步测量仪分为首端GPS同步测量仪和末端GPS同步测量仪，首端GPS同步测量仪连接直流输电线路首端，末端GPS同步测量仪连接直流输电线路末端。

Description

基于GPS同步的直流输电线路频率特性双端测试系统及方法

技术领域

本发明涉及输电线路参数测试技术领域，具体为一种基于GPS同步的直流输电线路频率特性双端测试系统及方法。

背景技术

一般来讲，根据电容效应的大小，长度小于100km的架空输电线路被定义为短线路，在计算中可以采用集中参数等效；100km到300km的架空输电线路为中长线路，用集中参数模型等效存在一定的误差；大于300km的架空输电线路为长线路，电缆线路大于50km时也可称为长线路，采用集中参数模型等效会引起工程上不能接受的误差，必须用分布参数模型处理。测试短线路的线路参数(R、L、C)时，基本上可以将线路作为集中参数等效回路对待，入端阻抗除以线路总长度作为线路分布参数，所产生的误差很小；按照集中参数模型处理的中长线路的参数误差一般在5％以内；长线路集中参数模型的误差随着长度的增加，超出工程可以接受的范围。

超、特高压直流输电线路长度一般超过1000km，线路的传输速度一般接近光速(c＝300000km/s)，当长度等于1500km时，线路的传输相位移已经达到90°，线路入端阻抗的电容特性和电感特性发生了逆转，这是集中参数模型所不能等效的，必须将测量的开路入端阻抗和短路入端阻抗代入传输线方程，进行联立求解，才能得到正确的线路分布参数(单位长度，每公里的R、L、C数值)。

高压直流输电线路在进行频率特性测试时，由于测试频率的增加，信号传输相位移继续增大，当频率增加10倍时，1500km线路的相位移将约等于900°(5π)，这给直流输电参数的测试的测量和方程联立求解计算带来更多的问题。

发明内容

本发明提供了一种基于GPS同步的直流输电线路频率特性双端测试系统，能够对超、特高压远距离直流输电线路进行频率特性测试，有效减小测试误差。

本发明所述基于GPS同步的直流输电线路频率特性双端测试系统的技术方案在于：包括变频电源、隔离变压器及GPS同步测量仪，所述变频电源与隔离变压器的原边绕组连接，隔离变压器副边绕组连接直流输电线路首端，所述GPS同步测量仪分为首端GPS同步测量仪和末端GPS同步测量仪，首端GPS同步测量仪连接直流输电线路首端，末端GPS同步测量仪连接直流输电线路末端。

作为优选，所述GPS同步测量仪内包括有电流取样传感器和电压取样传感器，首端GPS同步测量仪和末端GPS同步测量仪内的电流取样传感器和电压取样传感器分别与直流输电线路首端和末端连接，以采集直流输电线路首端和末端的电流值。

作为优选，所述GPS同步测量仪还包括CPU、信号调理放大器、AD转换器及GPS芯片，所述CPU分别与AD转换器和GPS芯片连接，AD转换器连接信号调理放大器，所述电流取样传感器和电压取样传感器同时与信号调理放大器连接。

作为优选，所述变频电源为台湾CHROMA6530型，所述隔离变压器为GPS-15X，所述电流取样传感器为KEW8148型50A/3V钳式互感器，所述电压取样传感器为LPT-13型800V/3V电压传感器，所述CPU为TMS320F2812数字信号处理器，所述信号调理放大器为OP27、AD620、AD526组成的运算放大器组件，所述AD转换器为AD7656型，所述GPS芯片为KYL1020L型GPS模块。

本发明所述基于GPS同步的直流输电线路频率特性双端测试方法的技术方案包括以下步骤：

(1)在直流输电线路首端加入20Hz～2500Hz、0～300V试验电压；

(2)在直流输电线路首端连接GPS同步测量仪，以接入直流输电线路首端电压信号和电流信号；

(3)在直流输电线路末端连接GPS同步测量仪，以接入直流输电线路末端的电压信号和电流信号；

(4)设定直流输电线路首端和末端的GPS同步测量仪在每分钟第5秒的脉冲上升沿各自启动首、末两端的同步数据采集，以获得直流输电线路首末两端的电流和电压数据，数据保存的记录标号以时间为标签，便于数据编组对接。

上述技术方案的有益效果在于：

首端、末端的电压和电流信号，由于有GPS时钟及秒脉冲沿的同步，可以保证各个量值在同一时刻进行测试(同步误差小于100ns)，得到的相量具有可参照性，从而带入长线路方程求解。

变频电源的引入，可以在20Hz～2500Hz的频率范围内，进行全范围测试，便于将测试到的各个参数对应于测试频率描绘成曲线。

附图说明

图1为本发明所述系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图先描述本发明所述基于GPS同步的直流输电线路频率特性双端测试系统的实施例。

本实施例所述基于GPS同步的直流输电线路频率特性双端测试系统的技术方案包括变频电源1、隔离变压器2及GPS同步测量仪，所述变频电源1与隔离变压器2的原边绕组连接，隔离变压器2副边绕组连接直流输电线路9首端，所述GPS同步测量仪分为首端GPS同步测量仪10和末端GPS同步测量仪11，首端GPS同步测量仪10连接直流输电线路9首端，末端GPS同步测量仪11连接直流输电线路9末端。

所述GPS同步测量仪内包括有电流取样传感器3和电压取样传感器8，首端GPS同步测量仪10和末端GPS同步测量仪11内的电流取样传感器3和电压取样传感器8分别与直流输电线路首端和末端连接，以采集直流输电线路9首端和末端的电流值。

所述GPS同步测量仪还包括CPU5、信号调理放大器4、AD转换器7及GPS芯片6，所述CPU5分别与AD转换器7和GPS芯片6连接，AD转换器7连接信号调理放大器4，所述电流取样传感器3和电压取样传感器8同时与信号调理放大器连接。

所述变频电源为台湾CHROMA6530型，所述隔离变压器为GPS-15X，所述电流取样传感器为KEW8148型50A/3V钳式互感器，所述电压取样传感器为LPT-13型800V/3V电压传感器，所述CPU为TMS320F2812数字信号处理器，所述信号调理放大器为OP27、AD620、AD526组成的运算放大器组件，所述AD转换器为AD7656型，所述GPS芯片为KYL1020L型GPS模块。

以下详细说明利用上述技术方案对远距离直流输电线路进行频率特性进行检测的步骤。

先在直流输电线路首端加入20Hz～2500Hz、0～300V试验电压；在直流输电线路首端连接GPS同步测量仪，以接入直流输电线路首端的电压信号和电流信号；在直流输电线路末端连接GPS同步测量仪，以接入直流输电线路末端的电压信号和电流信号；

然后设置上位机，设定直流输电线路首端和末端的GPS同步测量仪在每分钟第5秒的脉冲上升沿各自启动首、末两端的同步数据采集，以获得直流输电线路首末两端的电流和电压数据，数据保存的记录标号以时间为标签，便于数据编组对接。

其中：

变频电源：产生满足直流输电线路频率特性测试要求的变频信号，信号频率在20Hz-2500Hz可调节。

隔离变压器：将变频信号电源输出的信号转换成对称的两相信号，并实现信号源输出与被测试直流输电线路的隔离；

首端GPS同步测量仪器：接收卫星GPS时间和秒脉冲信号，在系统约定的时间进行电压和电流采集，得到首端电压和电流的模值和相位角。

末端GPS同步测量仪器：接收卫星GPS时间和秒脉冲信号，在系统约定的时间进行电压和电流采集，得到末端电压和电流的模值和相位角

以下描述利用GPS同步测量仪器测量后的计算过程：

设R₀、L0、g0、C0、分别为传输线路单位长度的电阻、电感、泄漏电导和电容；

E和Z分别为电源侧电动势和内阻抗；

ZL为负载侧阻抗；

单位长度的阻抗为：Z₀＝R₀+jwL₀；

其单位长度的导纳：Y₀＝g₀+jwC₀。

长传输线路的方程推导：

均匀分布传输线路，在不受外界电磁场影响下，其上的电压电流传输特性，采用公式表述如下：

其中：l为线路长度；

波阻抗为：

传输常数为：

当末端接任意负载时，x＝l，l为线路长度。公式(1)和(2)可以演变为：

式(5)和式(6)也可以改写为：

1、末端短路时的求解

当末端短路时，末端电压为零，(7)、(8)可改写为：

式(9)除以(10)得到：

令：则：

Z_c＝x/thγl (12)

式(10)可以改写为：

和为首端的电压和电流相量，为末端的电流相量，可以通过双端GPS同步测量方式准确得到，l为线路总长度。根据(12)、(13)，可以计算得到Z_c和γ，再根据(3)、(4)进而得到R₀、L₀、g₀和C₀等参数。

2.末端开路时的求解

当末端开路时，末端电流为零，(7)、(8)可改写为：

(14)除以(15)得到：

令：

则：Z_c＝x/cthγl (17)

式(14)改写为：

根据(17)和(18)联立求解，可以计算得到Zc和γ，再根据(3)、(4)进而得到R₀、L₀、g₀和C₀等参数。

以下以一个具体的实例对上述计算过程加以说明：

首端加入50Hz、0～300V试验电压；

首端GPS同步测量仪器通过CT接入电流信号，在首端接入电压信号；

末端GPS同步测量仪器在末端接入电压信号；

约定每分钟的第5秒的脉冲上升沿各自启动首、末两端的同步数据采集，数据保存的记录标号以时间为标签，便于数据编组对接。

线路长度为1280km，首端和末端测试到的电压、电流分别为：

6、求解

根据式(18)求取γl

γl＝0.046+j1.354＝1.3548∠88.05

求取c t hγl

求x

根据式(17)求Z_c

根据式(3)、(4)可推导：

计算得到电容量为C₀＝Y₀/2πf＝0.0125uF。

Z₀＝γZ_c＝1.058×10^-3∠88.05×269.6∠-1.95＝0.2853∠86.1

Z₀＝0.0194+j0.2846

计算得到电阻和电感：R₀＝0.0194、L₀＝0.2846/(2πf)＝0.906mH。

以上过程，可通过计算机编程自动化完成。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于GPS同步的直流输电线路频率特性双端测试系统，其特征在于：包括变频电源、隔离变压器及GPS同步测量仪，所述变频电源与隔离变压器的原边绕组连接，隔离变压器副边绕组连接直流输电线路首端，所述GPS同步测量仪分为首端GPS同步测量仪和末端GPS同步测量仪，首端GPS同步测量仪连接直流输电线路首端，末端GPS同步测量仪连接直流输电线路末端。

2.根据权利要求1所述的基于GPS同步的直流输电线路频率特性双端测试系统，其特征在于：所述GPS同步测量仪内包括有电流取样传感器和电压取样传感器，首端GPS同步测量仪和末端GPS同步测量仪内的电流取样传感器和电压取样传感器分别与直流输电线路首端和末端连接，以采集直流输电线路首端和末端的电流值。

3.根据权利要求2所述的基于GPS同步的直流输电线路频率特性双端测试系统，其特征在于：所述GPS同步测量仪还包括CPU、信号调理放大器、AD转换器及GPS芯片，所述CPU分别与AD转换器和GPS芯片连接，AD转换器连接信号调理放大器，所述电流取样传感器和电压取样传感器同时与信号调理放大器连接。

4.根据权利要求3所述的基于GPS同步的直流输电线路频率特性双端测试系统，其特征在于：所述变频电源为台湾CHROMA6530型，所述隔离变压器为GPS-15X，所述电流取样传感器为KEW8148型50A/3V钳式互感器，所述电压取样传感器为LPT-13型800V/3V电压传感器，所述CPU为TMS320F2812数字信号处理器，所述信号调理放大器为OP27、AD620、AD526组成的运算放大器组件，所述AD转换器为AD7656型，所述GPS芯片为KYL1020L型GPS模块。

5.基于GPS同步的直流输电线路频率特性双端测试方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在直流输电线路首端加入20Hz～2500Hz、0～300V试验电压；

(2)在直流输电线路首端连接GPS同步测量仪，以接入直流输电线路首端电压信号和电流信号；

(3)在直流输电线路末端连接GPS同步测量仪，以接入直流输电线路末端的电压信号和电流信号；

(4)设定直流输电线路首端和末端的GPS同步测量仪在每分钟第5秒的脉冲上升沿各自启动首、末两端的同步数据采集，以获得直流输电线路首末两端的电流和电压数据，数据保存的记录标号以时间为标签，便于数据编组对接。