CN106932649B - 基于串联电容的三相架空输电线路相电压自校准方法 - Google Patents

Abstract

一种三相架空输电线路相电压的自校准方法，利用空间电容分压原理，将线路与大地视为一个大电容对其进行分压，以空气作为绝缘介质。充分考虑三相线路之间的各类杂散电容，包括绝缘层所引起的电容，相间导线所存在的电容等，建立集中参数等效电路。在上下极板侧分别串联开关电容，通过改变其容值从而改变上极板对导线的杂散电容值，采样电容上将测得不同的电压值，从而可推算出各未知的杂散电容大小及待测电压大小，实现三相线路相电压的自校准。本发明适用于配网分布式装置的要求，优于现有电压测量方案。

Description

基于串联电容的三相架空输电线路相电压自校准方法

技术领域

本发明涉及一种应用于架空线分布式电压传感器中的基于串联电容的三相架空输电线路相电压自校准方法。

背景技术

随着我国电力工业水平的不断发展，建设坚强的智能电网成为未来的发展方向。目前我国配电网线路量大面广线长，所处环境复杂、故障率高，开发低成本分布式监测装置，实现对配网运行状态的实时在线监测与故障定位对实现配电网高效经济运行具有重大意义。

对配网架空线路相电压的分布式准确测量是一个难点。目前广泛使用的电压传感器主要有电磁式(PT)、电容式(CVT)电压互感器、光学电压传感器等。光学电压传感器稳定性问题尚未很好解决，需要高精度加工工艺和粘接工艺，尚未在电力互感器中得到大规模应用。传统PT容量较小、成本高、绝缘结构复杂、存在铁磁谐振现象、有漏感分布电容等因素的影响，渐渐不适应如今电网的需求。CVT主要应用于330kV以上电网，体积大，造价昂贵，不易安装，无法满足低成本分布式装置的要求。因此建立一种适用于配网分布式装置的相电压测量方法，并能实现三相线路相电压非接触式自校准，对提高分布式装置的电压测量精度具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新型的适用于小型化分布式装置的三相架空输电线路相电压的自校准方法，克服现有PT、CVT、光学电压传感器的不足，具有高测量精度。其利用空间电容分压原理，将输电线路与大地视为电压两级，将具有上下极板的平行板电容器作为采样电容置于其中，充分考虑三相线路之间的各类杂散电容，包括绝缘层所引起的电容，相间导线所存在的电容等，建立集中参数等效电路。在上下极板侧分别串联开关电容，通过改变其容值从而改变上极板对导线的杂散电容值，采样电容上将测得不同的电压值，从而可推算出各未知的杂散电容大小及待测电压大小。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于串联电容的三相架空输电线路相电压自校准方法，其特点在于，该方法包括下列步骤：

1)将三台分布式电压传感器测量装置同时分别置于三相架空输电线路的A、B、C三相，所述的分布式电压传感器测量装置的输出端与后台计算机相连，所述的分布式电压传感器测量装置测得到一组电压测量值U_cA、U_cB、U_cC，并输入计算机建立第应的第一组校准方程组(6)：

其中，C₁₁为采样电容上极板对本相导线的电容；C₁₂为采样电容对邻相导线电容；C₁₃为AC相之间采样电容对导线的电容，C_g为采样电容下极板对地的电容，C为采样电容的容值；

2)在每相分布式电压传感器测量装置的采样电容下极板和地之间串联一个已知大小的电容C_l，则等效于改变C_g，串联后可测量得一组新的测量值U’_cA,U’_cB,U’_cC，代入计算机建立第二组校准方程(7)：

其中C’_g为串联电容C_l后的等效采样电容下极板对地电容；

3)与步骤2)不同，在每相分布式电压传感器测量装置的采样电容上极板和本相导线之间串联一个已知大小的电容C_h，C_l不再串联入内，则等效于采样电容下极板对地的电容仍为C_g，改变了采样电容上极板对本相导线的电容C₁₁为串联后可得一组新的测量值U”_cA,U”_cB,U”_cC，并输入计算机建立第三组校准方程(8)：

其中C’₁₁为串联电容C_h后的等效采样电容上极板对本相导线的电容；

4)计算机将校准方程组(6)(7)(8)方程联立采用优化算法求解，得到C_g、C₁₁、C₁₂、C₁₃、U_A、U_B、U_C，即完成三相架空输电线路相电压自校准。

本发明由于采用了以上技术方案，充分考虑三相线路之间的各类杂散电容，包括绝缘层所引起的电容，相间导线所存在的电容等，建立集中参数等效电路。在上下极板侧分别串联开关电容，通过改变其容值从而改变上极板对导线、下极板对大地的杂散电容值，采样电容上将测得不同的电压值，从而可推算出各未知的杂散电容大小及待测电压大小，实现三相线路相电压的自校准。

附图说明

图1是本发明的A相装置测量等效电路

图2是本发明的BC相装置测量等效电路

图3是本发明的串联开关电容模型

图4是本发明实例的优化求解收敛过程示意图

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1、图2、图3，图1是本发明的A相装置测量等效电路，图2是本发明的B相装置、C相装置测量等效电路，图3是本发明的串联开关电容示意图，由图可见，本发明基于串联电容的三相架空输电线路相电压自校准方法，该方法包括下列步骤：

1)将三台分布式电压传感器测量装置同时分别置于三相架空输电线路的A、B、C三相，所述的分布式电压传感器测量装置的输出端与后台计算机相连，所述的分布式电压传感器测量装置测得到一组电压测量值U_cA、U_cB、U_cC，并输入计算机建立第应的第一组校准方程组(6)：

其中，C₁₁为采样电容上极板对本相导线的电容；C₁₂为采样电容对邻相导线电容；C₁₃为AC相之间采样电容对导线的电容，C_g为采样电容下极板对地的电容，C为采样电容的容值；

2)在每相分布式电压传感器测量装置的采样电容下极板和地之间串联一个已知大小的电容C_l，则等效于改变C_g，串联后可测量得一组新的测量值U’_cA,U’_cB,U’_cC，代入计算机建立第二组校准方程(7)：

其中C’_g为串联电容C_l后的等效采样电容下极板对地电容；

3)与步骤2)不同，在每相分布式电压传感器测量装置的采样电容上极板和本相导线之间串联一个已知大小的电容C_h，C_l不再串联入内，则等效于采样电容下极板对地的电容仍为C_g，改变了采样电容上极板对本相导线的电容C₁₁为串联后可得一组新的测量值U”_cA,U”_cB,U”_cC，并输入计算机建立第三组校准方程(8)：

其中C’₁₁为串联电容C_h后的等效采样电容上极板对本相导线的电容；

4)计算机将校准方程组(6)(7)(8)方程联立采用优化算法求解，得到C_g、C₁₁、C₁₂、C₁₃、U_A、U_B、U_C，即完成三相架空输电线路相电压自校准。

本发明的原理如下：

由于架空线路为三相排列，分布式电压传感器测量装置(以下简称为测量装置)为每相分开部署，因此运用空间电容分压测量时每相测量装置将受到其余两相线路影响。以A相为例，其测量等效电路如图1所示。为了简化计算，其中作如下假定：ABC三相电压幅值在测量时间内稳定不变，线路导线规格相同，相间距离相同，每相测量装置采样电容相同，对地分布电容也相同。其中，C₁₁为采样电容上极板对本相导线的电容；C₁₂为采样电容对邻相导线电容；C₁₃为AC相之间采样电容对导线的电容。同理，BC两相装置测量的等效电路如图2.

以图1为例，令节点1电压为U，由电路原理可得：

考虑采样电容C可以选取的很大，达到μF级，可以认为C C_g，则C+C_g≈C，所以

则采样电容C上电压与各相电压的关系为

其中，U_A,U_B,U_C有相位差，假定三相之间相位差恒为120°，则

U_A＝U_A sin(ωt)U_B＝U_B sin(ωt+240°)U_C＝U_C sin(ωt+120°)

代入上式，并进行正弦展开可得：

考虑校准只需校准得幅值或有效值，则上式中可把正弦量略去，保留幅值，可得

此为校准所依据的基本方程，将其代入图2中BC两相等效电路可得类似方程，因此扩展成三相可得校准方程如下：

其中，C₁₁为采样电容上极板对本相导线的电容，主要由绝缘层引起，C₁₂为采样电容对邻相导线电容，C₁₃为AC相之间采样电容对导线的电容，主要由空气和绝缘层引起；U_A,U_B,U_C为三相电压幅值；C_g为采样电容对地的分布电容。以上7个量为未知量，需要校准求得。C为采样电容值，为已知量。U_cA,U_cB,U_cC为三相装置采样电容所测量得到电压幅值，为已知量。

一种基于串联电容的三相架空输电线路相电压自校准方法，其特征如下：

校准过程共需求7个未知量数值，因此所需校准方程数应至少7条，根据(6)中所得的校准方程数过少，需增加方程数。通过分析方程组(6)的结构可以得出结论，改变已知量C的值大小并不能增加新的有效方程数，需改变未知量的大小才能增加新的有效方程。根据以上思路，采用串联电容法，给C_g和C₁₁串联已知开关电容，因而增加新的有效方程。其原理图如图3，图3中，通过在采样电容上下极板两侧串联已知大小的开关电容，从而改变了原有的C₁₁和C_g大小，增加了新的有效方程。具体可按如下步骤实现：

步骤1、C_h，C_l均不串联，得到一组测量值U_cA,U_cB,U_cC，此对应校准方程为(6)。步骤2、每相装置C_h不串联入内，只串联C_l，并且已知C_l大小。则等效于改变C_g，串联后可得一组新的测量值U’_cA,U’_cB,U’_cC，代入方程(6)中可得新的校准方程(7)：

步骤3、每相装置C_l不串联入内，只串联C_h，并且已知C_h大小。则等效于改变C₁₁，串联后可得一组新的测量值U”_cA,U”_cB,U”_cC，代入方程(6)中可得新的校准方程(8)：

因此，可得(6)(7)(8)三组共9条方程，其中7个未知量，只需通过数学算法将其解出来即完成校准。

为验证本发明的有效性，依据此发明在软件中搭建了仿真模型，三相测量装置安装于水平排列三相线路上，线路电压等级为10kv。将已知参数按如下值设定：

U_cA＝10.11×10^-5kv U_cB＝10.12×10^-5kv U_cC＝10.13×10^-5kv

U_c′_A＝10.14×10^-5kv U_c′_B＝10.15×10^-5kv U_c′_C＝10.16×10^-5kv

U″_cA＝10.17×10^-5kv U″_cB＝10.18×10^-5kv U″_cC＝10.19×10^-5kv

C＝100000pF＝0.1μF

C_l＝11pF

C_h＝10pF

采用PSO粒子群算法求解9条校准方程。添加PSOt工具箱，调用pso_Trelea_vectorized优化函数，参数数量设定为n＝7，最大粒子速度取参数变化范围的10％：Max_V＝0.1*(range(:,2)-range(:,1))

优化结果如下表：

未知参数	数值
		C<sub>g</sub>	0.206354713158255pF
C<sub>11</sub>	0.000796102813538pF
		C<sub>12</sub>	32.144877098510086pF
C<sub>13</sub>	21.491390746689909pF
		U<sub>A</sub>	9.992982048747075kV
U<sub>B</sub>	9.291756019856758kV
		U<sub>C</sub>	9.856140787296884kV

目标函数收敛过程如图4所示，求解过程能快速收敛。

综上所述，此自校准方法能准确的求解未知电容参数及线路电压，实现三相线路相电压的自校准，有效的提高测量精度。

Claims (1)

1.一种基于串联电容的三相架空输电线路相电压自校准方法，其特点在于，该方法包括下列步骤：

1)将三台分布式电压传感器测量装置同时分别置于三相架空输电线路的A、B、C三相，所述的分布式电压传感器测量装置的输出端与后台计算机相连，所述的分布式电压传感器测量装置测得到一组电压测量值U_cA、U_cB、U_cC，并输入计算机建立相应的第一组校准方程组(6)：

其中，C₁₁为采样电容上极板对本相导线的电容；C₁₂为采样电容对邻相导线电容；C₁₃为AC相之间采样电容对导线的电容，C_g为采样电容下极板对地的电容，C为采样电容的容值；

2)在每相分布式电压传感器测量装置的采样电容下极板和地之间串联一个已知大小的电容C_l，则等效于改变C_g，串联后可测量得一组新的测量值U’_cA,U’_cB,U’_cC，代入计算机建立第二组校准方程(7)：

其中C’_g为串联电容C_l后的等效采样电容下极板对地电容；

3)在每相分布式电压传感器测量装置的采样电容上极板和本相导线之间串联一个已知大小的电容C_h，C_l不再串联入内，则等效于采样电容下极板对地的电容仍为C_g，改变了采样电容上极板对本相导线的电容C₁₁为串联后得一组新的测量值U”_cA,U”_cB,U”_cC，并输入计算机建立第三组校准方程(8)：

其中C’₁₁为串联电容C_h后的等效采样电容上极板对本相导线的电容；

4)计算机将第一组校准方程组(6)、第二组校准方程组(7)和第三组校准方程组(8)方程联立采用优化算法求解，得到C_g、C₁₁、C₁₂、C₁₃、U_A、U_B、U_C，即完成三相架空输电线路相电压自校准。