CN108647438A - 一种新型土壤等效电阻模型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种将电网的多次多点实测数据与仿真建模计算相结合的土壤等效电阻模型建模方法。其特点在于采用实测数据与仿真计算相结合的混合建模方法对现有的土壤等效电阻模型搭建方法进行改进，通过改变交流电网的拓扑结构，即依次开断建模范围内具有直接电气联系的两变电站间交流线路的任一回线路，对交流电网进行多次多点测量，得到建模范围内各变电站主变中性点的多组直流电流分布数据，并通过仿真计算及反演手段构建土壤等效电阻模型。本发明无需收集详细的土壤参数，计算精确度高，克服了以往方法中难以准确建立非均匀分层土壤模型的问题，适用于精确计算土壤构成复杂情况下交流系统中直流电流的分布。

Description

一种新型土壤等效电阻模型建模方法

技术领域

本发明属于高压直流输电领域，特别涉及一种将电网的多次多点实测数据与仿真建模计算相结合的新型土壤等效电阻模型建模方法。

背景技术

高压直流输电(high voltage direct current，HVDC)技术在我国有着日益广泛的应用，但其在单极大地回路方式运行时将使部分中性点接地变压器产生不同程度的直流偏磁现象，使变压器温度升高、损耗增加、振动加剧，严重威胁着电力系统的安全稳定运行，必须加以抑制。正确计算直流系统单极大地运行时交流电网中直流电流的分布是对直流偏磁开展治理的前提。

现阶段直流输电系统单极大地运行方式下，交流系统中直流电流的分布情况可采用场路耦合模型进行计算。其中，交流电网可表示为电路网络，土壤模型则需转化为电场模型或电阻模型。土壤的电场模型依据实际土壤参数建立，用以模拟实际情况下的大地电场，建立该模型的关键是收集尽可能详细的土壤参数，并在建模时通过对土壤模型进行分层分块处理，将相应的土壤电阻率情况体现在模型中。土壤的电阻模型用“路”代替“场”，忽略了复杂的土壤状况，不关注电流在土壤中的具体流通路径，仅关心接地极和变电站所在位置间土壤的导电性，利用土壤参数建立相应的电阻网络。可见，土壤电场模型与电阻模型的建模方法均需采集接地极与变电站间土壤的具体参数，其工作量较大，且对于结构复杂的土壤，地质学虽有准确勘探和建模方法，但其覆盖范围远没有达到交流电网的尺寸，土壤模型难以精确建立。

为了避免收集详细的土壤参数，简化计算，提高仿真精度，本发明将电网的多次多点实测数据与仿真建模计算相结合，利用依次开断建模范围内两变电站间交流线路的任一回路，测量得到多组直流电流分布数据，通过反演手段构建土壤等效电阻模型。该模型搭建方法克服了以往方法中难以准确建立非均匀分层土壤模型的问题，能够较精确地计算土壤构成复杂情况下交流系统中直流电流的分布。

发明内容

本发明的目的是针对现有方法的不足，提供一种将电网的多次多点实测数据与仿真建模计算相结合的新型土壤等效电阻模型建模方法。该方法通过依次开断建模范围内两变电站间交流线路的任一回输电线路，测量出多种情况下交流电网中直流电流的分布数据，利用这些电流数据及交流电网的拓扑结构和参数进行仿真计算，反推出土壤相应的等效电阻模型。本发明无需收集详细的土壤参数，摆脱了复杂的电场计算，能够得到较高的仿真精度。

本发明的目的由以下技术措施实现：

步骤1：根据交流系统受直流偏磁的影响程度确定建模范围；

步骤2：将与建模边界变电站相连接的电网侧接地变电站视为观测点，在直流系统单极大地运行情况下，使用实时信号分析仪对观测点变压器进行现场噪声测量，若测量结果显示某观测点主变噪声超标，则将该变电站列入建模范围；

步骤3：假定建模范围内包含n座主变中性点接地变电站，其中存在m组变电站具有直接电气联系，即两座变电站间经输电线路直接连接，则将这m组变电站依次编号为1～m，设定计数器i，并令i＝1；

步骤4：在直流系统单极大地运行情况下，使用大口径钳型电流表钳住建模范围内各接地变压器中性点的每一根引下线，测量在交流系统正常运行时各变电站主变中性点的直流电流值，记为列向量I₀₍₀₎；

步骤5：在直流系统单极大地运行情况下，取第i组变电站(i<m)，断开其间交流线路的任意一回，即若两座变电站间经多条输电线路相连，则任意断开其中一条交流线路，若两座变电站间仅有一条输电线路相连，则断开该条交流线路；

步骤6：再次采用大口径钳型电流表钳住建模范围内各接地变压器中性点的每一根引下线，测量各变电站主变中性点的直流电流值，记为列向量I_0(i)，测量结束后需对断开的交流线路进行合闸操作，即每次测量仅有一条交流线路断开，且不影响电网的安全运行；

步骤7：判断m组具有直接电气联系的变电站是否均进行了步骤5及步骤6操作，即判断i是否等于m，若等于则进行步骤8，反之令i＝i+1，并返回步骤5；

步骤8：根据建模范围内交流系统的拓扑结构及参数，得到正常运行时交流电网的节点电导矩阵Y，计算得到仅包含接地节点的直流电导矩阵G，同时根据各变电站入地电流列向量I₀，分别求出电网在正常情况及一条交流线路断线运行情况下变电站地表电位列向量U_s；

步骤9：将地表某点的电位表示为各变电站和直流接地极注入的直流电流引起地电位的叠加，并利用各变电站直流接地电阻对角矩阵R、测量所得的直流接地极入地电流列向量I₁、矩阵U_s和I₀，通过遗传算法或最小二乘算法求解建模范围内任意两变电站间的直流互电阻矩阵M及各变电站与直流接地极间的直流互电阻矩阵N；

步骤10：利用矩阵U_s、I₀、R、I₁、M及N，建立土壤等效电阻模型。

本发明具有如下优点：

本发明通过改变交流电网的拓扑结构，即依次开断建模范围内具有直接电气联系的两变电站间交流线路的任一回线路，对交流电网进行多次多点测量，得到建模范围内各变电站主变中性点的多组直流电流分布数据，并通过仿真计算及反演手段构建土壤等效电阻模型。该方法采用实测数据与仿真计算相结合的混合建模方法对现有的土壤等效电阻模型搭建方法进行改进，克服了以往方法中难以准确建立非均匀分层土壤模型的问题，无需收集详细的土壤参数，所搭建模型精确度高，特别适合于精确计算土壤构成复杂情况下交流系统中直流电流的分布，且由于在正常运行的电网中断开任一条无故障线路，不会影响电网的正常运行，该模型搭建方法具有可行性。

附图说明

图1为新型土壤等效电阻模型建模方法流程图。

图2为交流系统地理接线图。

图3为观测点示意图。

图4为交流线路开断示意图。

图5为交流系统中直流电流分布模型。

图6为直流接地极附近地理环境图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

实施例：

本实施例采用将电网的多次多点实测数据与仿真建模计算相结合的新型土壤等效电阻模型建模方法搭建土壤等效电阻模型，建模方法的流程图如图1所示。

采用本发明所提建模方法搭建某直流接地极近区土壤等效电阻模型。根据交流系统受直流偏磁的影响程度确定建模范围，该地区电网的建模范围为以直流接地极为圆心、半径100km 内的交流系统，包含1个直流接地极和11座变电站，其地理位置分布如图2所示，最远变电站距直流接地极150km，此时地上网络模型主要由交流电网的拓扑结构和参数决定。直流系统单极大地运行时，直流接地极入地电流为5000A。设定与建模边界变电站相连接的电网侧接地变电站为观测点，其观测点示意图如图3所示，在直流系统单极大地运行情况下，使用实时信号分析仪对观测点变压器进行现场噪声测量，未发现观测点主变噪声超标现象。将建模范围内具有直接电气联系的12组变电站间的输电线路编号为1～12。

使用大口径钳型电流表钳住建模范围内各接地变压器中性点的每一根引下线，测量在直流接地极入地电流为5000A且交流系统正常运行时各变电站主变中性点的直流电流值，记为列向量I₀₍₀₎。依次断开建模范围内有直接电气联系的两变电站间交流线路的任一回，即依次断开1～12号输电线路的任一回线路，若两座变电站间经多条输电线路相连，则任意断开其中一条交流线路，若两座变电站间仅有一条输电线路相连，则断开该条交流线路。再次使用大口径钳型电流表钳住各变压器中性点的每一根引下线，测量各主变中性点的直流电流值，记为列向量I₀₍₁₎～I₀₍₁₂₎。需注意，每次测量结束后应对断开的交流线路进行合闸操作，即每次测量仅有一条交流线路断开，不影响电网的安全运行。交流线路开断示意图如图4所示，图中断路器1、2与断路器3、4不同时断开，图4为断开变电站1与变电站2间交流线路的任一回线路，测量各变电站入地电流时的交流线路示意图。

收集详细的交流电网直流参数，可建立精确的地上电阻网络模型。对于地上的交流电网，其直流电流分布满足下列各式：

YU＝J (1)

I₀＝HJ (2)

U_S＝HU (3)

式中，Y为交流网络节点的直流电导矩阵；U为交流网络节点的直流电压列向量，且有U＝[U_S U_N U_B]，U_S、U_N、U_B分别为变电站节点直流电压、中性点直流电压、母线直流电压列向量； J为交流电网节点的直流注入电流列向量，且有J＝[J_S J_N J_B]，J_S、J_N、J_B分别为变电站节点、中性点、母线节点的注入直流电流列向量；H为变电站接地点与交流电网所有节点的关联矩阵，其内部元素由0、1构成，当交流电网中的节点为变电站接地点时，相应的元素为1，当该节点不为变电站接地点时，相应元素为0。

将地上网络简化至仅包含变电站接地点，由节点电压法可知：

GU_S＝I₀ (4)

式中，G为仅包含接地节点的直流电导矩阵，为稀疏矩阵，其中非对角元素为任意两变电站接地点间的直流互电导，对角元素为变电站接地点的直流自电导。变电站接地点的自电导和互电导均可通过地上网络的拓扑结构和参数计算得到，即

G＝HYH^T (5)

地下模型采用的是等效电阻模型，具体的电阻网络如图5中地下部分所示。由于地下模型可视为一个线性网络，因此对地下模型可使用叠加原理进行分析，即地表某点的电位可看作是分别由各变电站和直流接地极注入的直流电流引起地电位改变效应的叠加，故地表电位为：

U_S＝RI₀+MI₀+NI₁ (6)

式中，R为由系统中各变电站的直流接地电阻构成的对角矩阵；M为对称矩阵，其中非对角元素为系统中任两个变电站间的直流互电阻，对角元素为0；N为系统中各变电站与直流接地极间的直流互电阻构成的矩阵，I₁为直流接地极入地电流列向量。

将地上网络模型与地下网络模型相耦合，建立场路耦合模型进行求解，即将式(4)、(6) 联立，则有：

[E-G(R+M)]I₀＝GNI₁ (7)

式中，E为n阶单位矩阵，n为变电站数量。其中I₀、I₁可通过测量得到，R、G可通过数据收集得到，M、N为未知量。采用遗传算法求解超定方程组，得到矩阵M、N，即可求得土壤等效电阻模型，如式(8)所示。

V＝RI₀+MI₀+NI₁ (8)

场路耦合模型示意图如图5所示。图5地上部分中，R_L500、R_L220、R_L110分别表示不同电压等级输电线路的直流电阻；R_C、R_G分别表示等效自耦变的串联绕组和公共绕组的直流电阻，对于有多台自耦变的变电站，该值为多台自耦变的串联绕组和公共绕组直流电阻的并联；R_T1、 R_T2分别表示等效非自耦变的高、低压侧的绕组直流电阻，对于有多台自耦变的变电站，该值为多台非自耦变的高、低压侧直流电阻的并联。图5地下部分中，R_jd500、R_jd220、R_jd110表示各电压等级变电站的直流接地电阻；M₅₀₀、M₂₂₀、M₁₁₀为该变电站与其他变电站间的直流互电阻行向量；N₅₀₀、N₂₂₀、N₁₁₀为该变电站与直流接地极间的直流互电阻行向量；R_jdzl为直流接地极的直流接地电阻；M_zl为变电站与直流接地极间的直流互电阻行向量，且有M_zl＝[N₅₀₀N₂₂₀ N₁₁₀]；N_zl为直流接地极间的直流互电阻行向量；I₀为各变电站的入地直流电流列向量，其中的元素为变电站所有变压器中性点流过的直流电流之和，且有I₀＝[I₀₍₅₀₀₎I₀₍₂₂₀₎I₀₍₁₁₀₎]^T；I₁为直流接地极入地电流列向量。

现阶段，基于有限元法采用ANSYS仿真软件计算直流接地极近区电网主变中性点直流电流的方法使用较为普遍。为验证土壤等效电阻模型的准确性，将其计算结果与该直流接地极近区电网有限元模型计算结果进行对比。其中有限元模型采用场路耦合方法搭建，其地上模型为电阻网络，土壤模型为水平4层分层模型，各层的电阻率如表1所示，第1层土壤为非均匀土壤，土壤主体的电阻率为150Ω·m，另外还包含湖、河流、埋地金属网络及一些电阻率较高的区域，其电阻率介于10～300Ω·m，具体分布情况如图6所示。建模时将直流接地极视为点电流源，注入电流为5000A。

表1土壤模型

将土壤等效电阻模型与有限元模型在正常运行时各变电站主变中性点直流电流值计算结果进行比较，如表2所示。

表2两种模型的计算结果及相对误差

现分别在两个距离较远且入地电流较大的#1、#11变电站加装电容型隔直装置，使交流系统的拓扑结构发生改变，导致系统中直流电流分布发生较大变化，从而进一步验证本发明模型的精确性。观察各模型中直流电流的分布情况，结果如表3所示。

表3#1、#11变电站主变加装隔直装置后两种模型的计算结果及相对误差

可见，本发明所提土壤等效电阻模型搭建方法能够对包含正常运行情况在内的多种状况下的各变电站入地电流数据进行拟合，得到的土壤等效电阻模型，并在土壤构成较复杂的情况下计算交流电网直流电流的分布情况，且计算误差较小，模型精确度高。

Claims (3)

1.一种将电网的多次多点实测数据与仿真建模计算相结合的新型土壤等效电阻模型建模方法包括以下关键步骤：

步骤1：根据交流系统受直流偏磁的影响程度确定建模范围；

步骤2：将与建模边界变电站相连接的电网侧接地变电站视为观测点，在直流系统单极大地运行情况下，使用实时信号分析仪对观测点变压器进行现场噪声测量，若测量结果显示某观测点主变噪声超标，则将该变电站列入建模范围；

步骤3：假定建模范围内包含n座主变中性点接地变电站，其中存在m组变电站具有直接电气联系，即两座变电站间经输电线路直接连接，则将这m组变电站依次编号为1～m，设定计数器i，并令i＝1；

步骤4：在直流系统单极大地运行情况下，使用大口径钳型电流表钳住建模范围内各接地变压器中性点的每一根引下线，测量在交流系统正常运行时各变电站主变中性点的直流电流值，记为列向量I₀₍₀₎；

步骤5：在直流系统单极大地运行情况下，取第i组变电站(i<m)，断开其间交流线路的任意一回，即若两座变电站间经多条输电线路相连，则任意断开其中一条交流线路，若两座变电站间仅有一条输电线路相连，则断开该条交流线路；

步骤6：再次采用大口径钳型电流表钳住建模范围内各接地变压器中性点的每一根引下线，测量各变电站主变中性点的直流电流值，记为列向量I_0(i)，测量结束后需对断开的交流线路进行合闸操作，即每次测量仅有一条交流线路断开，且不影响电网的安全运行；

步骤7：判断m组具有直接电气联系的变电站是否均进行了步骤5及步骤6操作，即判断i是否等于m，若等于则进行步骤8，反之令i＝i+1，并返回步骤5；

步骤8：根据建模范围内交流系统的拓扑结构及参数，得到正常运行时交流电网的节点电导矩阵Y，计算得到仅包含接地节点的直流电导矩阵G，同时根据各变电站入地电流列向量I₀，分别求出电网在正常情况及一条交流线路断线运行情况下变电站地表电位列向量U_s；

步骤9：将地表某点的电位表示为各变电站和直流接地极注入的直流电流引起地电位的叠加，并利用各变电站直流接地电阻对角矩阵R、测量所得的直流接地极入地电流列向量I₁、矩阵U_s和I₀，通过遗传算法或最小二乘算法求解建模范围内任意两变电站间的直流互电阻矩阵M及各变电站与直流接地极间的直流互电阻矩阵N；

步骤10：利用矩阵U_s、I₀、R、I₁、M及N，建立土壤等效电阻模型。

2.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于引入观测点精确确定建模范围，将与建模边界变电站相连接的电网侧接地变电站视为观测点，在直流系统单极大地运行情况下，使用实时信号分析仪对观测点变压器进行现场噪声测量，若测量结果显示某观测点主变噪声超标，则将该变电站列入建模范围，观测点的引入能够使建模范围更加精确，提高了所搭建土壤模型的准确度。

3.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于将电网的多次多点实测数据与仿真建模计算相结合，通过改变交流电网的拓扑结构，即采用依次开断建模范围内两变电站间交流线路任一回线路的方法，对交流电网进行多次多点测量，得到建模范围内各变电站主变中性点的多组直流电流分布数据，通过仿真计算及反演手段得到土壤等效电阻模型，该方法避免了复杂的电场计算，且无需收集详细的土壤参数，工作量较小，克服了以往方法中难以准确建立非均匀分层土壤模型的问题，所搭建模型误差小精确度高，适用于精确计算土壤构成复杂情况下交流系统中直流电流的分布。