CN110308351A - 基于短时瞬态时域测量的接地网频率响应测量系统及方法 - Google Patents

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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere

Abstract

本发明公开了一种基于短时瞬态时域测量的接地网频率响应测量系统及方法，该测量系统由冲击电流回路和电压采集回路构成，其中冲击电流回路由冲击电流源，分压电阻，取样电阻和接地棒串联构成，电压采集回路由电压分压电阻，取样电阻和接地棒串联构成，冲击电流回路和电压采集回路均有一端连接接地网，另一端均连接接地棒，接地棒埋于地下并远离接地网。本发明通过测量取样电阻获取不同时刻的接地网电压和电流，再与接地网电压和电流的频率响应函数进行优化求解，进行获得接地网整个频段的频率响应。本发明所需要的低频数据和响应初始数据，获取方法简单可靠，可降低测量系统电磁兼容的要求，且测量原理可靠，测量精度高，实现成本较低。

Description

基于短时瞬态时域测量的接地网频率响应测量系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于短时瞬态时域测量的接地网频率响应测量系统及方法，属于变电站自动化技术领域。
背景技术
在智能变电站中，随着特高压建设的不断推进，电压等级越来越高、电网容量越来越大，一次电气设备和对其状态传感和控制的二次设备逐步融合，变电站的接地网的瞬态特性对二次设备的影响比传统的空气绝缘变电站更为严重。
对于接地网的瞬态特性测量，可采用冲击电流法进行。由于智能变电站接地网上连接的一次和二次设备多，冲击电流发生装置的容量和电流上升陡度要求更高；同时，由于传导性电磁耦合增强，瞬变电磁过程时间尺度更小，对接地网的瞬态特性测量装置提出更高要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于短时瞬态时域测量的接地网频率响应测量系统及方法，构建接地网短时瞬态时域数据的测量系统，基于该测量系统进行频率响应函数的计算，计算中根据傅立叶变换的原理，根据时域数据和频域数据之间的关系，从低频数据和时域数据出发，确定高频数据，进而得到整个频段的频率响应函数。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于短时瞬态时域测量的接地网频率响应测量系统，包括冲击电流回路和电压采集回路；
所述冲击电流回路包含相互串联的用于提供电流的冲击电流源、用于电流分压的电阻、用于电流取样的电阻和电流回路接地棒；；所述冲击电流回路的另一端为电流回路接地棒，且所述电流回路接地棒埋设在地下；
所述电压采集回路包含相互串联的用于电压分压的电阻、用于电压取样的电阻和电压回路接地棒；；所述电压采集回路的一端连接接地网；所述电压采集回路的另一端为电压回路接地棒，且所述电压回路接地棒埋设在地下。
前述的电流回路接地棒和电压回路接地棒均远离所述接地网。
前述的冲击电流源用于提供两种形式的电流，一种是双指数模式的冲击电流，另一种是不同频率的正弦波形电流。
前述的用于电流分压的电阻，用于电流取样的电阻，用于电压分压的电阻和用于电压取样的电阻参照高压试验的国家标准选择。
基于短时瞬态时域测量的接地网频率响应测量方法，包括：
获取所述接地网频率响应测量系统中用于电压取样的电阻和用于电流取样的电阻不同时刻的电压；
基于所述用于电压取样的电阻不同时刻的电压和接地网电压频率响应函数构造电压频率响应目标函数；以及，基于所述用于电流取样的电阻不同时刻的电压和接地网电流频率响应函数构造电流频率响应目标函数；
对所述目标函数进行优化求解，获取频域响应系数，得到接地网电压和电流在整个频段的频率响应函数；
根据接地网电压或电流的频率响应函数，输入任意频率值，即得到接地网电压或电流在该频率下的频率响应。
前述的通过冲击电流源施加双指数模式的冲击电流，采样所述用于电压取样的电阻和用于电流取样的电阻不同时刻的电压。
前述的基于所述电压取样电阻不同时刻的电压和接地网电压频率响应函数构造电压频率响应目标函数为：
|gv(ti)-v(ti)|，i＝1,2,…,M
其中，gv(ti)表示接地网电压频率响应函数的时域表达式，v(ti)为电压取样电阻ti时刻的电压，M为时间采样点数，
gv(ti)表示为：
其中，fmax1是接地网电压频域响应函数的截止频率，Gv(f)为接地网电压频域响应函数，f为频率，Q为多项式阶数，为电压频域响应系数。
前述的基于所述电流取样电阻不同时刻的电压和接地网电流频率响应函数构造电流频率响应目标函数，包括：
|gi(ti)-i(ti)|，i＝1,2,…,M
其中，gi(ti)表示接地网电流频率响应函数的时域表达式，i(ti)为接地网ti时刻的注入电流，通过所述电流取样电阻不同时刻的电压除以电流取样电阻得到，M为时间采样点数，
gi(ti)表示为：
其中，fmax2是接地网电流频域响应函数的截止频率，Gi(f)为接地网电流频域响应函数，f为频率，Q为多项式阶数，为电流频域响应系数。
前述的对所述目标函数进行优化求解，包括：以目标函数值最小为目标进行优化求解。
前述的将所获取的电压或电流频域响应系数带入接地网电压或电流频域响应函数，获得接地网电压或电流在整个频段的频率响应函数。
本发明的优点为：
基于本发明系统进行接地网频率响应计算，一方面保证了响应的因果性，另一方面，所需数据量小，对减少数据的存储有利。
本发明所需要的低频数据和响应初始数据，获取方法简单可靠，可降低测量系统电磁兼容的要求。
本发明测量原理可靠，测量精度高，实现成本较低，解决电流的稳定、准确、安全测量问题，提升了变电站一次设备的智能化水平。
本发明可以稳定准确地实现变电站瞬态电压和电流的测量，降低接地网冲击特性测量对电源容量的要求，减少瞬态数据存储的需求，提高变电站运行的稳定性并降低测量设备的制造成本。
附图说明
图1为接地网频率响应测量系统示意图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明采用小信号的测量的方式进行，接地网频率响应测量系统如图1所示。图1中，冲击电流源可提供两种性质的电流，一种是双指数性质的冲击电流波形，另一种是不同频率的正弦波形的电流。冲击电流回路由冲击电流源1、电流分压电阻2、电流取样电阻3和电流回路接地棒4串联构成。冲击电流回路的一端连接接地网5，另一端为接地棒。冲击电流源应距离接地网足够远，并埋设接地棒以供电流返回。通过测量电流取样电阻上的电压，除以电流取样电阻，即可获得冲击电流或者不同频率下注入接地网的电流。图1中右侧为电压采集回路，其由电压分压电阻6、电压取样电阻7和电压回路接地棒8构成，通过测量电压取样电阻获得接地网电压。电压采集回路的一端连接接地网，另一端为接地棒。同样，电压测量回路中的接地棒应该距离接地网足够远。
本发明的分压电阻，取样电阻的取值可以按照高压试验的相关国家标准选择。
本方法的执行过程如下：
第一步：按照图1布置，将测量系统进行连接；
第二步：图1中冲击电流源采用双指数冲击模式，通过电压取样电阻和电流取样电阻获得不同时刻ti,i＝1,2,…,M的电压v(ti)和电流i(ti)；M为时间采样点数。该冲击电流源的幅值参照高压试验要求。
第三步：假设接地网的频域响应为一个以频率f为变量的Q阶多项式，即：
其中，G(f)为接地网的频域响应函数，aq为频域响应系数。此处，G(f)可以是接地网电压的频率响应函数，也可以是接地网电流的频率响应函数。
将式(1)带入傅立叶反变换式中，可得到G(f)的时域表达式g(t)：
其中，fmax是接地网的频域响应函数的截止频率。
第四步：将步骤二所测量的接地网的电压或电流的时域函数与步骤三设定的接地网电压或电流的频率响应函数的时域表达式之差的绝对值作为目标函数，以目标函数值最小为目标进行优化求解，获得式(1)中的频域响应系数aq，至此，获得了接地网电压在整个频段的频率响应函数。Q的取值由优化求解程序自动确定。
以电压函数为例，采用目前常用任何一种优化算法对式(3)求最小值，获得式(1)中的频域响应系数aq，至此，获得了接地网电压在整个频段的频率响应函数。
s.t.|gv(ti)-v(ti)|→0i＝1,2,…,M (3)
gv(ti)表示接地网电压频率响应函数的时域表达式。
同理，接地网电流在整个频段的频率响应函数，采用下式(4)进行优化求解：
s.t.|gi(ti)-i(ti)|→0i＝1,2,…,M (4)。
gi(ti)表示接地网电流频率响应函数的时域表达式。
最终，根据接地网电压或电流在整个频段的频率响应函数，输入任意频率值，即得到接地网电压或电流在该频率下的频率响应。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.基于短时瞬态时域测量的接地网频率响应测量系统，其特征在于，包括冲击电流回路和电压采集回路；
所述冲击电流回路包含相互串联的用于提供电流的冲击电流源、用于电流分压的电阻、用于电流取样的电阻和电流回路接地棒；所述冲击电流回路的一端连接接地网；所述冲击电流回路的另一端为电流回路接地棒，且所述电流回路接地棒埋设在地下；
所述电压采集回路包含相互串联的用于电压分压的电阻、用于电压取样的电阻和电压回路接地棒；所述电压采集回路的一端连接接地网；所述电压采集回路的另一端为电压回路接地棒，且所述电压回路接地棒埋设在地下。
2.根据权利要求1所述的基于短时瞬态时域测量的接地网频率响应测量系统，其特征在于，所述电流回路接地棒和电压回路接地棒均远离所述接地网。
3.根据权利要求1所述的基于短时瞬态时域测量的接地网频率响应测量系统，其特征在于，所述冲击电流源用于提供两种形式的电流，一种是双指数模式的冲击电流，另一种是不同频率的正弦波形电流。
4.根据权利要求1所述的基于短时瞬态时域测量的接地网频率响应测量系统，其特征在于，所述用于电流分压的电阻，用于电流取样的电阻，用于电压分压的电阻和用于电压取样的电阻参照高压试验的国家标准选择。
5.基于短时瞬态时域测量的接地网频率响应测量方法，其特征在于，包括：
获取所述接地网频率响应测量系统中用于电压取样的电阻和用于电流取样的电阻不同时刻的电压；
基于所述用于电压取样的电阻不同时刻的电压和接地网电压频率响应函数构造电压频率响应目标函数；以及，基于所述用于电流取样的电阻不同时刻的电压和接地网电流频率响应函数构造电流频率响应目标函数；对所述目标函数进行优化求解，获取频域响应系数，得到接地网电压和电流在整个频段的频率响应函数；
根据接地网电压或电流的频率响应函数，输入任意频率值，得到接地网电压或电流在该频率下的频率响应。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，通过冲击电流源施加双指数模式的冲击电流，采样所述用于电压取样的电阻和用于电流取样的电阻不同时刻的电压。
7.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述基于所述电压取样电阻不同时刻的电压和接地网电压频率响应函数构造电压频率响应目标函数为：
|gv(ti)-v(ti)|，i＝1,2,…,M
其中，gv(ti)表示接地网电压频率响应函数的时域表达式，v(ti)为电压取样电阻ti时刻的电压，M为时间采样点数，
gv(ti)表示为：
其中，fmax1是接地网电压频域响应函数的截止频率，Gv(f)为接地网电压频域响应函数，f为频率，Q为多项式阶数，为电压频域响应系数。
8.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述基于所述电流取样电阻不同时刻的电压和接地网电流频率响应函数构造电流频率响应目标函数，包括：
|gi(ti)-i(ti)|，i＝1,2,…,M
其中，gi(ti)表示接地网电流频率响应函数的时域表达式，i(ti)为接地网ti时刻的注入电流，通过所述电流取样电阻不同时刻的电压除以电流取样电阻得到，M为时间采样点数，
gi(ti)表示为：
其中，fmax2是接地网电流频域响应函数的截止频率，Gi(f)为接地网电流频域响应函数，f为频率，Q为多项式阶数，为电流频域响应系数。
9.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述对所述目标函数进行优化求解，包括：以目标函数值最小为目标进行优化求解。
10.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，将所获取的电压或电流频域响应系数带入接地网电压或电流频域响应函数，获得接地网电压或电流在整个频段的频率响应函数。
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