CN108258682B - 一种电网地磁感应电流的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电网地磁感应电流的控制方法及系统。本发明首先构建地磁感应电流模型；根据地磁感应电流模型计算各变电站中性点的地磁感应电流，得到计算值；判断各计算值与各实测值的差值是否均小于设定阈值，若是，则根据地磁感应电流模型获得地磁感应电流的分布特征；根据分布特征确定各变电站中性点串接电阻的阻值；实时获取各变电站中性点的地磁感应电流的数值；判断各数值是否均小于或等于最大限值，若否，调整数值对应的变电站中性点串接电阻的阻值，直至所有变电站中性点GIC均在限值范围之内，直到此次地磁暴结束。本发明可以实时防御地磁暴对电网的灾害影响，提高电网的抗磁暴风险能力，保证电网的安全运行。

Description

一种电网地磁感应电流的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统安全防御技术领域，特别是涉及一种电网地磁感应电流控制方法及系统。

背景技术

地磁暴对电力系统的影响可追溯到1940年，随后北欧及北美等高纬度地区曾发生过多次磁暴侵害电力系统的事件，由于当时电网规模不大，没有造成严重危害及大范围停电事故。随着电网规模的不断扩大，1989年3月13日，加拿大魁北克电网受到强磁暴的严重影响，使整个电网瘫痪。

第23太阳周高峰期，世界上出现了几次大磁暴事件，如2003年10月30日发生的瑞典马尔默大停电事故，引起大面积停电。巴西、南非以及日本等地区的电网也发生了地磁暴侵害事件，其中南非至少有15台大型变电站损坏，该事件引起了中低维度地区对地磁暴电网灾害的广泛关注。我国广东等地的500kV电网也曾发生过多次磁暴侵害事件，造成过变电站温升，振动、噪声等不利影响。其中，2004年11月9-10日磁暴期间，广东岭澳核电站检测到变电站中性点地磁感应电流(GeomagneticallyInducedCurrent，GIC)峰值高达75.5A，1分钟连续均值也超过了50A，表明了地磁暴对我国电网存在较大威胁。

我国2005年建成的750kV和2009年建成的1000kV高压输电工程，输电线路直流电阻约为魁北克735kV电网的66.7％和39.4％，则在相同变化率地磁扰动下，我国750kV和1000kV电网的GIC较魁北克电网的大。

强烈地磁扰动在全球同时发生，对电网的影响具有全局突发性的特点，更有对电力系统造成集群破坏和连锁故障的灾害性特点。地磁暴作为一种自然现象会持续发生，随着我国特高压电网工程的推进，地磁暴产生的GIC对特高压电网的影响范围更大，程度更深，是未来电网安全面临的新问题。

随着我国电网规模的不断扩大，特别是特高压电网的大规模建设以及单相自耦变电站的普遍应用，这些因素更会增加电网遭受GIC侵害的可能性。

发明内容

本发明的目的是提供一种电网地磁感应电流的控制方法及系统，以提高电网抗磁暴风险能力。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电网地磁感应电流的控制方法，所述方法包括：

构建地磁感应电流模型；

根据所述地磁感应电流模型计算各变电站中性点的地磁感应电流，得到计算值；

获取各所述变电站中性点的地磁感应电流的实测值；

判断各所述计算值与各所述实测值的差值是否均小于设定阈值，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示所述计算值与所述实测值的差值均小于所述设定阈值，根据所述地磁感应电流模型获得所述地磁感应电流的分布特征；

根据所述分布特征确定各所述变电站中性点串接电阻的阻值；

实时获取各所述变电站中性点的地磁感应电流的数值；

判断各所述数值是否均小于或等于最大限值，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果表示至少一个所述数值大于所述最大限值，调整所述数值对应的变电站中性点串接电阻的阻值。

可选的，所述构建地磁感应电流模型，具体包括：

获取电网的运行方式、地磁扰动数据和大地电导率模型；

根据所述运行方式确定所述电网的等值直流网络结构；

根据所述等值直流网络结构、所述地磁扰动数据和大地电导率模型构建所述地磁感应电流模型。

可选的，所述根据所述地磁感应电流模型计算各变电站中性点的地磁感应电流，具体包括：

根据所述地磁扰动数据和所述大地电导率模型计算电网变电站中性点的地面地磁感应电场；

根据所述地面地磁感应电场和所述等值直流网络结构计算各变电站中性点的地磁感应电流。

可选的，若所述第一判断结果表示最少一个所述计算值与所述实测值的差值大于所述设定阈值，修正所述地磁感应电流模型；

可选的，所述地磁感应电流的分布特征指地磁感应电流在电网中的流动方向和幅值大小。

可选的，根据所述分布特征确定各所述变电站中性点串接电阻的阻值，具体包括：

构建目标优化函数，所述目标优化函数为需要配置小电阻的变电站的个数；

建立地磁感应电流最大限值约束方程和串接电阻最大阻值约束方程；

根据所述地磁感应电流最大限值约束方程和所述串接电阻最大阻值约束方程确定所述目标优化函数的最小值；

根据所述目标优化函数的最小值确定各所述变电站的串接电阻的阻值。

可选的，所述获取各所述变电站中性点的地磁感应电流的实测值，具体为：

利用霍尔传感器获取各所述变电站中性点的地磁感应电流的实测值，所述霍尔传感器安装在各所述变电站的接地线上。

一种电网地磁感应电流的控制系统，所述系统包括：

地磁感应电流模型构建模块，用于构建地磁感应电流模型；

地磁感应电流计算值确定模块，用于根据所述地磁感应电流模型计算各变电站中性点的地磁感应电流，得到计算值；

地磁感应电流实测值获取模块，用于获取各所述变电站中性点的地磁感应电流的实测值；

第一结果判断模块，用于判断各所述计算值与各所述实测值的差值是否均小于设定阈值，得到第一判断结果；

地磁感应电流的分布特征确定模块，用于若所述第一判断结果表示所述计算值与所述实测值的差值均小于所述设定阈值，根据所述地磁感应电流模型获得所述地磁感应电流的分布特征；

变电站中性点串接电阻的阻值确定模块，用于根据所述分布特征确定各所述变电站中性点串接电阻的阻值；

地磁感应电流的数值实时获取模块，用于实时获取各所述变电站中性点的地磁感应电流的数值；

第二结果判断模块，用于判断各所述数值是否均小于或等于最大限值，得到第二判断结果；

变电站中性点串接电阻的阻值调整模块，用于若所述第二判断结果表示至少一个所述数值大于所述最大限值，调整所述数值对应的变电站中性点串接电阻的阻值。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种电网地磁感应电流控制方法及系统，通过变电站中性点间串接小电阻治理电网GIC，治理装置简单、经济、实用且易于操作，能够实时反映地磁暴侵害下电网GIC的分布情况，通过调度中心远程投切变电站中性点小电阻器实现电网GIC的在线治理，提高了电网抗磁暴风险能力。

本发明给出了在线治理电网GIC方案及系统，可为电力系统空间灾害防御提技术依据。调度中心在线治理电网GIC系统综合显示实测GIC数据和变电站中性点配置小电阻方案，GIC实测值采用报表和图示的形式进行显示。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电网地磁感应电流的控制方法的流程图；

图2为本发明提供的变电站中性点GIC监测装置和在线治理装置；

图3为本发明电网地磁感应电流的控制系统的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种电网地磁感应电流的控制方法及系统，以提高电网抗磁暴风险能力。本发明易于实现，通过变电站中性点间串接小电阻治理电网GIC概念明确，实现技术成熟，治理装置简单、经济、实用且易于操作，能够实时反映地磁暴侵害下电网GIC的分布情况，通过调度中心远程投切变电站中性点小电阻器实现电网GIC的在线治理，提高了电网抗磁暴风险能力。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

依据国家空间天气监测预警中心实时掌握太阳耀斑和太阳质子事件，明确太阳风暴对地面的影响程度，即磁暴等级。结合历史数据，分析此次磁暴对电网的影响程度，如存在较大风险等级，则进行电网GIC计算。

本发明提供了一种电网地磁感应电流的控制方法，图1为本发明电网地磁感应电流的控制方法的流程图。如图1所示，所述方法包括：

步骤101：构建地磁感应电流模型，具体包括：

步骤1011：获取电网的运行方式、地磁扰动数据和大地电导率模型；

步骤1012：根据所述运行方式确定所述电网的等值直流网络结构。从调度中心获取电网实时运行方式，考虑到电网GIC的准直流特性以及电网的分布特性，依据电网的运行方式可以获取220kV以上电网的等值直流网络结构，便于电网GIC建模计算。

步骤1013：根据所述等值直流网络结构、所述地磁扰动数据和大地电导率模型构建所述地磁感应电流模型。

步骤102：根据所述地磁感应电流模型计算各变电站中性点的地磁感应电流，得到计算值；具体包括：

步骤1021：根据所述地磁扰动数据和大地电导率模型计算电网变电站中性点处的地面地磁感应电场，具体计算公式为：

其中，表示X方向(南北方向)的地面地磁感应电场，分别表示Y方向(东向方向)的地面地磁感应电场，表示电网节点处Y方向的地磁扰动，表示电网节点X方向的地磁扰动，Z₀表示大地电导率模型。

步骤1022：根据所述地面地磁感应电场和所述等值直流网络结构计算各变电站中性点的地磁感应电流，具体计算公式为：

I_GIC＝aE_x+bE_y (3)

其中，a，b为仅与电网因素相关的常数，且为已知数。

步骤103：获取各所述变电站中性点的地磁感应电流的实测值，具体为：利用霍尔传感器获取各所述变电站中性点的地磁感应电流的实测值，所述霍尔传感器安装在各所述变电站的接地线上。

霍尔传感器的供电电源由变电站控制柜中取220V交流电压，经整流模块输出+12V电源给霍尔传感器供电。

GIC监测装置接收霍尔传感器的二次输出数据，并经低通数字滤波器滤掉信号采集过程中包含的工频和高频成分，降低信号的噪声干扰。GIC监测装置将去噪后的GIC信号送到变电站控制中心的监控PC机，通过互联网，最后将GIC监测数据上传到调度中心服务器。保证变电站中性点GIC数据的就地和远程监测。

步骤104：判断各所述计算值与各所述实测值的差值是否均小于设定阈值，得到第一判断结果。通过电网调度中心服务器监测的电网中变电站中性点GIC实测值与计算值进行对比，给出误差。设定阈值可为相对误差在±5％范围之内。

根据实测值与计算值间的误差不仅要考虑幅值，还要考虑方向，我们规定经变电站中性点注入大地的GIC流经方向为“+”，相反，从大地注入变电站绕组的方向为“-”。

步骤105：若所述第一判断结果表示所述计算值与所述实测值的差值均小于所述设定阈值，根据所述地磁感应电流模型获得所述地磁感应电流的分布特征，所述地磁感应电流的分布特征指地磁感应电流在电网中的流动方向和幅值大小，在由变电站中性点、变电站绕组、输电线路以及大地形成的回路中流动。

分析电网GIC分布特征，为变电站中性点配置小电阻治理GIC提供理论支撑，分析电网GIC分布特征时首先找出变电站中性点GIC高风险节点，即存在GIC最大值的变电站，确定此次磁暴对电网的影响程度，然后依次找出GIC较大值和较小值的变电站，依据地电场方向，结合电网结构和GIC分布情况，掌握电网GIC的分布特征与规律。

可选的，若所述第一判断结果表示最少一个所述计算值与所述实测值的差值大于所述设定阈值，修正所述地磁感应电流模型。

修正地磁感应电流模型时，主要修正公式(1)和公式(2)中的Z₀和公式(3)中的a和b参数，直到计算结果与实测结果的误差满足工程要求为止。由于GIC为频率为0.0001～0.01Hz的准直流电流，理论上的深度可达数千公里，国内外的研究表明，一般情况下，在500km时的电流密度也很大，即使是我国的10*10的探测精度，也难以满足地磁暴地磁扰动和感应地电场计算的需要。

步骤106：根据所述分布特征确定各所述变电站中性点串接电阻的阻值，具体包括：

步骤1061：构建目标优化函数，所述目标优化函数为需要配置小电阻的变电站的个数；所述目标函数如下：

min(I_max)＝min(|A_j|,j＝1,2,…,M) (4)

其中，M为电网中变电站个数。

步骤1062：建立地磁感应电流最大限值约束方程和串接电阻最大阻值约束方程；约束条件为变电站中性点GIC最大值小于30A且变电站中性点串接小电阻阻值小于3Ω，即

I_max<30A (5)

R<3Ω (6)

步骤1063：根据所述地磁感应电流最大限值约束方程和所述串接电阻最大阻值约束方程确定所述目标优化函数的最小值；

步骤1064：根据所述目标优化函数的最小值确定各所述变电站的串接电阻的阻值。

依据电网GIC的分布特征与规律，通过专家系统并结合优化算法进行优化配置变电站中性点小电阻器，根据优化配置方案，通过调度中心给各变电站中性点串接小电阻器治理GIC装置下达指令，指定接入中性点的小电阻值，具体操作由中性点串接小电阻器治理GIC装置来完成，在线治理电网GIC。

专家系统依据历史数据结合实际网络进行离线计算出多种配置方案，给优化计算提供指导方案和参考，也可作为优化配置方案的第一个局部最优解，进而给出全局最优解，以期提高优化计算速度。

优化算法包括，建立优化目标函数和约束方程，在治理电网GIC及保证电网安全运行的前提下，择优在全网中选择需要配置小电阻的变电站，使得需要配置小电阻的变电站越少越好。

变电站中性点配置小电阻治理装置的串接电阻值为1、2、3欧姆三个档次的阻值，通过四个断路器组合投切实现可变电阻接地，变电站控制中心接收到调度中心的命令后，根据调度中心给定的配置小电阻阻值时，控制中心自动进行组合投切断路器，保证小电阻串接到中性点绕组。

如图2所示，GIC治理装置包括四个断路器，即k、k1、k2、k3，正常运行情况下，k处于闭合状态，当接收到命令时，首先打开开关k，然后根据调度命令需要串接的阻值进行组合k1-k3，完成合闸操作。

GIC治理装置中，k1-k3与R1-R3一一对应，且R1的阻值为1Ω，R2的阻值为2Ω、R3的阻值为3Ω，若调度命令发来指令，串接小电阻值在(0，1]Ω范围内，则合上k1；串接小电阻在(1，2]Ω范围内，则合上k2；串接小电阻在(2，3]Ω范围内，则合上k3。

步骤107：实时获取各所述变电站中性点的地磁感应电流的数值；

步骤108：判断各所述数值是否均小于或等于最大限值，得到第二判断结果；

步骤109：若所述第二判断结果表示至少一个所述数值大于所述最大限值，调整所述数值对应的变电站中性点串接电阻的阻值。

通过调度中心接收到所有需要配置小电阻的变电站投切命令后，在确保变电站中性点小电阻均串接运行时，对实时采集的变电站中性点GIC值进行分析，若GIC实测值超过规定的最大限值时，则重新调整所述数值对应的变电站中性点串接电阻的阻值，直到所有的变电站中性点GIC实测值满足要求为止。保证将所有变电站中性点GIC实测值在合理范围之内，即电网GIC得到有效治理，实时保存当前配置方案及对应的地电场数据，并放入专家系统知识库。

本发明涉及一种变电站中性点配置小电阻在线治理电网地磁感应电流方法及其系统。本发明依据空间天气预报提供的地磁风暴等级，结合大地电性结构和电网参数进行电网GIC计算，将电网GIC的计算结果与变电站中性点GIC的实测值进行对比，在线修正电网GIC的计算模型，然后进行优化配置变电站中性点小电阻，并通过调度中心远程投切接入变电站中性点小电阻器，根据电网GIC的实测值，不断调整配置方案，保证所有变电站中性点GIC均在限值范围之内，直到此次地磁暴结束，将所有中性点配置的小电阻退出运行，实现实时检测并在线治理电网GIC，防御地磁暴对电网的影响。本发明易于实现，操作简单方便，可以实时防御地磁暴对电网的灾害影响，提高电网的抗磁暴风险能力，保证电网的安全运行。

本发明还提供了一种电网地磁感应电流的控制系统，图3为本发明电网地磁感应电流的控制系统的结构图。如图3所示，所述系统包括：

地磁感应电流模型构建模块301，用于构建地磁感应电流模型；

地磁感应电流计算值确定模块302，用于根据所述地磁感应电流模型计算各变电站中性点的地磁感应电流，得到计算值；

地磁感应电流实测值获取模块303，用于获取各所述变电站中性点的地磁感应电流的实测值；

第一结果判断模块304，用于判断各所述计算值与各所述实测值的差值是否均小于设定阈值，得到第一判断结果；

地磁感应电流的分布特征确定模块305，用于若所述第一判断结果表示所述计算值与所述实测值的差值均小于所述设定阈值，根据所述地磁感应电流模型获得所述地磁感应电流的分布特征；

变电站中性点串接电阻的阻值确定模块306，用于根据所述分布特征确定各所述变电站中性点串接电阻的阻值；

地磁感应电流的数值实时获取模块307，用于实时获取各所述变电站中性点的地磁感应电流的数值；

第二结果判断模块308，用于判断各所述数值是否均小于或等于最大限值，得到第二判断结果；

变电站中性点串接电阻的阻值调整模块309，用于若所述第二判断结果表示至少一个所述数值大于所述最大限值，调整所述数值对应的变电站中性点串接电阻的阻值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种电网地磁感应电流的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

构建地磁感应电流模型；

根据所述地磁感应电流模型计算各变电站中性点的地磁感应电流，得到计算值；

获取各所述变电站中性点的地磁感应电流的实测值；

判断各所述计算值与各所述实测值的差值是否均小于设定阈值，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示所述计算值与所述实测值的差值均小于所述设定阈值，根据所述地磁感应电流模型获得所述地磁感应电流的分布特征；

根据所述分布特征确定各所述变电站中性点串接电阻的阻值；

实时获取各所述变电站中性点的地磁感应电流的数值；

判断各所述数值是否均小于或等于最大限值，得到第二判断结果；

若所述第二判断结果表示至少一个所述数值大于所述最大限值，调整所述数值对应的变电站中性点串接电阻的阻值。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述构建地磁感应电流模型，具体包括：

获取电网的运行方式、地磁扰动数据和大地电导率模型；

根据所述运行方式确定所述电网的等值直流网络结构；

根据所述等值直流网络结构、所述地磁扰动数据和大地电导率模型构建所述地磁感应电流模型。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述地磁感应电流模型计算各变电站中性点的地磁感应电流，具体包括：

根据所述地磁扰动数据和所述大地电导率模型计算电网变电站中性点的地面地磁感应电场；

根据所述地面地磁感应电场和所述等值直流网络结构计算各变电站中性点的地磁感应电流。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，若所述第一判断结果表示最少一个所述计算值与所述实测值的差值大于所述设定阈值，修正所述地磁感应电流模型。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述地磁感应电流的分布特征指地磁感应电流在电网中的流动方向和幅值大小。

6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，根据所述分布特征确定各所述变电站中性点串接电阻的阻值，具体包括：

构建目标优化函数，所述目标优化函数为需要配置小电阻的变电站的个数；

建立地磁感应电流最大限值约束方程和串接电阻最大阻值约束方程；

根据所述地磁感应电流最大限值约束方程和所述串接电阻最大阻值约束方程确定所述目标优化函数的最小值；

根据所述目标优化函数的最小值确定各所述变电站的串接电阻的阻值。

7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述获取各所述变电站中性点的地磁感应电流的实测值，具体为：

利用霍尔传感器获取各所述变电站中性点的地磁感应电流的实测值，所述霍尔传感器安装在各所述变电站的接地线上。

8.一种电网地磁感应电流的控制系统，其特征在于，所述系统包括：

地磁感应电流模型构建模块，用于构建地磁感应电流模型；

地磁感应电流计算值确定模块，用于根据所述地磁感应电流模型计算各变电站中性点的地磁感应电流，得到计算值；

地磁感应电流实测值获取模块，用于获取各所述变电站中性点的地磁感应电流的实测值；

第一结果判断模块，用于判断各所述计算值与各所述实测值的差值是否均小于设定阈值，得到第一判断结果；

地磁感应电流的分布特征确定模块，用于若所述第一判断结果表示所述计算值与所述实测值的差值均小于所述设定阈值，根据所述地磁感应电流模型获得所述地磁感应电流的分布特征；

变电站中性点串接电阻的阻值确定模块，用于根据所述分布特征确定各所述变电站中性点串接电阻的阻值；

地磁感应电流的数值实时获取模块，用于实时获取各所述变电站中性点的地磁感应电流的数值；

第二结果判断模块，用于判断各所述数值是否均小于或等于最大限值，得到第二判断结果；

变电站中性点串接电阻的阻值调整模块，用于若所述第二判断结果表示至少一个所述数值大于所述最大限值，调整所述数值对应的变电站中性点串接电阻的阻值。