CN106970268B - 基于并联电容的单相架空输电线路相电压自校准方法 - Google Patents

Abstract

一种单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。采样电容上极板与高压导线绝缘层表面相连，下极板悬空，其中并联开关电容，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，实现单相导线相电压的非接触式自校准。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

基于并联电容的单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并联电容的单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单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，将一具有上下极板的平行板电容器作为采样电容置于其中，充分考虑两块极板对电压两级的杂散电容，建立集中参数等效电路。考虑如今架空线路普遍绝缘化，极板对导线之间也将存在分布电容。在此电容两端并联几个已知容值的开关电容，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：

一种基于并联电容的单相架空输电线路相电压自校准方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：

1)将分布式电压传感器测量装置安装于单相架空线路上，其中采样电容容值大小选取μF级别。采样电容上极板与高压导线绝缘层表面相连，下极板悬空。其测得采样电容两端电压值为U_c1.输入计算机建立如下方程：

其中，C_h为上极板到高压导线的电容，C_g为下极板到大地的电容，C为两极板之间的采样电容的容值，U为待测线路电压值。

2)在测量装置上极板到高压导线的电容C_h两端并联一个开关电容，大小为C₁。测量得到采样电容两端电压值U_c2，输入计算机建立如下方程：

3)在步骤2)的基础上，在测量装置上极板到高压导线的电容C_h两端再并联一个开关电容，即一共并联两个已知电容，大小为C₁。测量得到采样电容两端电压值U_c3，输入计算机建立如下方程：

4)根据步骤1-3得到3条方程，将其转化为优化问题，得到如下目标函数：

5)通过优化算法求解使得目标函数Zmin＝0时各未知参数C_h、C_g、U的数值，即完成校准。

本发明由于采用了以上技术方案，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测量，以空气作为绝缘介质。采样电容上极板与高压导线绝缘层表面相连，下极板悬空，通过并联已知电容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，实现导线电压的自校准。

附图说明

图1是本发明的等效测量电路图

图2是本发明的添加并联电容自校准等效电路图

图3是本发明实例的电压传感器工作框图

图4是本发明实例的架空线路实验环境模拟图

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。

请先参阅图1、图2，图1是本发明的测量装置测量模型等效电路，图2是本发明的并联开关电容示意图。由图可见，该方法包括下列步骤：

1)将分布式电压传感器测量装置安装于单相架空线路上，其中采样电容容值大小选取μF级别。采样电容上极板与高压导线绝缘层表面相连，下极板悬空。其测得采样电容两端电压值为U_c1.输入计算机建立如下方程：

其中，C_h为上极板到高压导线的电容，C_g为下极板到大地的电容，C为两极板之间的采样电容的容值，U为待测线路电压值。

2)在测量装置上极板到高压导线的电容C_h两端并联一个开关电容，大小为C₁。测量得到采样电容两端电压值U_c2，输入计算机建立如下方程：

3)在步骤2)的基础上，在测量装置上极板到高压导线的电容C_h两端再并联一个开关电容，即一共并联两个已知电容，大小为C₁。测量得到采样电容两端电压值U_c3，输入计算机建立如下方程：

4)根据步骤1-3得到3条方程，将其转化为优化问题，得到如下目标函数：

5)通过优化算法求解使得目标函数Zmin＝0时各未知参数C_h、C_g、U的数值，即完成校准。

本发明的原理如下：

将分布式电压传感器测量装置(以下简称为测量装置)至于架空线路上，其运用空间电容分压的原理测量导线对地相电压。其核心元件为一个电容器，将导线视为大电容的一极，大地为另一极。将电容器置入导线与大地之间，考虑如今架空线路普遍绝缘化，极板对导线之间也将存在因导线绝缘层而形成的分布电容，形成如图1所示的等效测量电路。

根据电容分压原理，采样电容上分压值与导线电压有如下关系：

其中C为采样电容值，C_g为下极板对地杂散电容值，C_h为上极板到导线之间的分布电容，因绝缘层而产生。

由于C_g为杂散电容，一般都很小，数量级为几个pF到几十个pF级别，C’_g为C_g和C_h串联后电容值，小于C_g。而分压电容C的电容值可以选取的很大，比如达到μF级别，那么C？C′_g，则C+C′_g≈C

其中，C’_g、U为未知量，其余为已知量。

一种基于并联电容的单相架空输电线路相电压自校准方法，其特征如下：

依据上述原理，共有三个未知量。若能通过在C_h两端并联已知开关电容，实现在某一未知量中叠加一已知量，根据前后其余已知量的变化增加多条有效方程，既能求出所有未知量，实现单相架空输电线路相电压的自校准。其校准电路如图2所示。具体可按如下步骤实现：

步骤1，选取μF级别的采样电容，采样电容上极板与高压导线绝缘层表面相连，下极板悬空。其测得分压值为U_c1.则其值有如下关系：

步骤2，在C_h两端并联一个开关电容，其值为已知量，大小为C₁。则第二次测得分压值U_c2，其值有如下关系：

步骤3，在C_h两端再并联一个开关电容，其值为已知量，大小为C₁。则一共并联两个电容，第二次测得分压值U_c3，其值有如下关系：

步骤4，根据步骤1-3得到3条方程，将其转化为优化问题，得到如下目标函数：

步骤5，通过优化算法求解使得目标函数Zmin＝0时各未知参数C_h、C_g、U的数值，即完成校准。

为验证本发明的有效性，依据此发明设计了一个应用于配网线路的智能电压传感器，将分压电容C直接焊于PCB板，高压线路绝缘层通过导体结构直接与C上极板接触，并在其上并联不同电容值。C上电压信号经过调理放大后经由采样转化成数字信号，再经过CPU进行处理交由通信模块进行无线传输至系统后台，便于保存和后续分析，其简化后工作框图如图3所示。通过Comsol Multiphysics计算出装置对地杂散分布电容约为0.8pF，因此设计分压电容C＝16nF，比杂散电容大4个数量级，用于分压后采样。

采用支架来模拟杆塔，导线平行地面固定，并和高压发生器连接。将传感器悬挂于导线上，高压发生器产生有效值为10kv工频正弦电压，实验环境搭建如图4。传感器采集电容两端电压差ΔU，其内部工作芯片为MSP430F5438A，采样率为1kHz，每次采样十个周波。分别将C上极板与高压导线之间连接关系设定为：直接与绝缘层接触、并一个电容、并两个电容，每个并联电容值均为10pF。测量C上分压值，结果如下：

连接方式	直接接触绝缘层	并联1nF	并联2nF
				分压值(V)	0.47823	0.48299	0.48559

采用前两组采样值代入公式可计算得：

C_h＝23.12586pF，C_g＝0.78103pF，U＝10.12786kV

综上所述，此自校准方法能准确的求解单相线路未知电容参数及线路电压，实现基于并联电容的单相线路相电压的自校准。

Claims (1)

1.一种基于并联电容的单相架空输电线路相电压自校准方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)将分布式电压传感器测量装置安装于单相架空线路上，其中采样电容的电容值大小选取μF级别，采样电容上极板与高压导线绝缘层表面相连，下极板悬空，分布式电压传感器测量装置测得采样电容两端电压值为U_c1，输入计算机建立如下方程：

其中，C_h为上极板到高压导线的电容，主要由绝缘层产生，C_g为下极板到大地的电容，C为两极板之间的采样电容的电容值，U为待测线路电压值；

2)在分布式电压传感器测量装置上极板到高压导线的电容C_h两端并联一个开关电容，大小为C₁，测量得到采样电容两端电压值U_c2，输入计算机建立如下方程：

3)在步骤2)的基础上，在分布式电压传感器测量装置上极板到高压导线的电容C_h两端再并联一个开关电容，大小为C₁，即一共并联两个已知电容，测量得到采样电容两端电压值U_c3，输入计算机建立如下方程：

4)根据步骤1)-3)得到3条方程，将其转化为优化问题，得到如下目标函数：

5)通过优化算法求解使得目标函数Z＝0时各未知参数C_h、C_g、U的数值，即完成校准。