CN110361578A - 计及土壤分层的单相线路短接杆塔人身安全评估系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了计及土壤分层的单相线路短接杆塔人身安全评估系统及方法，包括电源模块、线路模块、跨步电压测试模块、实验箱和数据分析模块；工频电源通过三相出线与线路模块连接；三相线路通过线路电阻、断线模拟器和负载变压器与三相RLC负载连接；断线模拟器由电流传感器、高压开关、电流采集装置、开关动作判断装置、中央处理器和无线收发装置组成，用于模拟输电线路单相断线短接杆塔故障；跨步电压测试模块用于分层土壤下的跨步电压测量；数据分析模块负责其余模块的操作与控制，并记录相关参数。本发明能有效模拟水平分层土壤下的输电线路单相断线短接杆塔故障，并对跨步电压进行有效测评，以达到对人身安全的评估。

Description

计及土壤分层的单相线路短接杆塔人身安全评估系统及方法

技术领域

本发明属于电力系统接地分析领域，特别是一种计及土壤分层的单相线路短接杆塔人身安全评估系统及方法。

背景技术

由于各种气象灾害、导线过载和外力破坏等原因，线路断线故障会频繁发生，尤其是单相断线故障发生概率更大，由于配网线路杆塔较多，当单相线路断线后短接杆塔时，因杆塔接地网的存在，会造成输电线短路，降低电力系统的稳定性及可靠性。输电线路杆塔接地装置的主要功能是有效地将故障电流泄入大地。由于故障电流幅值较大，断线故障常伴随接地故障形成复杂故障，易导致火灾和人畜触电危害，甚至发展为相间短路故障，扩大停电范围，造成严重的不良社会影响。由此可见，可靠的输配电网络和供电系统对完善电网安全保障和防御体系具有重要意义。

目前，国内外针对跨步电压的相关研究，主要集中在发变电站接地网的跨步电压仿真与接地电阻测试研究，以及配电网系统运行风险评估和网架结构风险评估等，缺乏一种配电网极端接地跨步电压测试和风险评估技术。而在输电线路单相短路直接接杆塔时，产生的工频过电压导致跨步电压测评方法将变得更加复杂，因此为了准确对跨步电压进行测试，迫切需要建立一种智能安全评估系统，能考虑土壤水平分层和线路单相断线故障后短接杆塔的影响，用以对输配电系统周围土壤区域的跨步电压进行测评，并对其风险进行有效的安全评估。

发明内容

本发明的目的是提供计及土壤分层的单相线路短接杆塔人身安全评估系统及方法。

实现本发明目的的技术方案如下：

计及土壤分层的单相线路短接杆塔人身安全评估系统，包括电源模块(31)、线路模块(32)、跨步电压测试模块(33)、实验箱(23)和数据分析模块(22)；

所述电源模块(31)包括依次连接的工频电源(1)、整流器(2)、逆变器(3)和变压器(4)；

所述实验箱(23)包括上端搭载的线路模块(32)和下端搭载的跨步电压测试模块(33)；

所述线路模块(32)由A相线路(5)、B相线路(6)、C相线路(7)和三相负载(16)；三相负载(16)为RLC负载；变压器(4)的三相出线分别连接到A相线路(5)、B相线路(6)和C相线路(7)的输入端；A相线路(5)包括依次连接的第一线路电阻(8)、第四线路电阻(12)和负载变压器(15)的A相变压单元，A相变压单元输出端连接到三相负载(16)；B相线路(6)包括依次连接的第二线路电阻(9)、第五线路电阻(13)和负载变压器(15)的B相变压单元，B相变压单元的输出端也连接到三相负载(16)；C相线路(7)包括第三线路电阻(10)、第六线路电阻(14)和负载变压器(15)的C相变压单元，第三线路电阻(10)的输入端为C相线路(7)的输入端，第三线路电阻(10)的输出端连接到断线模拟器(11)的输入导线(101)，断线模拟器(11)的输出导线(102)连接到第六线路电阻(14)的输入端，第六线路电阻(14)的输出端连接到C相变压单元的输入端，C相变压单元的输出端也连接到三相负载(16)；

所述断线模拟器(11)包括第一电流传感器(104)、第二电流传感器(105)、第三电流传感器(106)、第一高压开关(107)、第二高压开关(108)、第三高压开关(109)、电流采集装置(113)、开关动作判断装置(114)、中央处理器(115)和无线收发装置(116)；断线模拟器(11)的输入导线(101)、输出导线(102)和接杆塔导线(103)分别连接到第一高压开关(107)、第二高压开关(108)和第三高压开关(109)的输入端，第一高压开关(107)、第二高压开关(108)和第三高压开关(109)的输出端相互连接；第一电流传感器(104)、第二电流传感器(105)和第三电流传感器(106)分别套装在断线模拟器(11)的输入导线(101)、输出导线(102)和接杆塔导线(103)上，其输出端均连接到电流采集装置(113)；第一高压开关(107)、第二高压开关(108)和第三高压开关(109)分别装有控制其开关闭合或断开第一继电器(110)、第二继电器(111)和第三继电器(112)，第一继电器(110)、第二继电器(111)和第三继电器(112)均连接到开关动作判断装置(114)；电流采集装置(113)和开关动作判断装置(114)连接到中央处理器(115)，中央处理器(115)通过无线收发装置(116)连接到数据分析模块(20)；

所述跨步电压测试模块(33)包括杆塔(150)、杆塔接地网(151)、第一层土壤(18)、第二层土壤(19)、第三层土壤(20)、第四层土壤(21)和电压测量机器人(17)；接杆塔导线(103)连接到杆塔(150)；第一层土壤(18)、第二层土壤(19)、第三层土壤(20)和第四层土壤(21)分别由不同电阻率的土壤均匀填充，第四层土壤(21)为实验地点大地土壤，杆塔接地网(151)为正方形，水平埋在第一层土壤(18)表面下方，并连接到杆塔(150)的塔脚；从杆塔接地网(151)的任一端部开始，每隔一个距离套装一个电流传感器四(152)；电压测量机器人(17)位于第一层土壤(18)表面，并无线连接到数据分析模块(22)。

上述评估系统的评估方法，包括以下步骤：

第一步、模拟输电线路单相断线短接杆塔故障并进行电压测试：

设定故障电流持续时间t_s，通过电流传感器四(152)采集杆塔接地网(151)测试点电流，通过数据分析模块(22)控制电压测量机器人(17)测量不同点跨步电压并记录电压测试点到两个相邻电流测试点的中点的距离；

第二步、由下式计算每个测试点跨步电压理论值U_ti：

式(1)中U_ti表示第i个跨步电压测试点的理论计算值，I_k为第k个电流测试点与相邻的第k+1个测试点测得的电流幅值差的绝对值，k＝1,2,3，…，n-1；I_n为第n个电流测试点与第1个测试点测得的电流幅值差的绝对值，r_ik为第i个电压测试点到第k个电流测试点与相邻的第k+1个电流测试点的中点的距离，r_in为第i个电压测试点到第n个电流测试点与第1个电流测试点的中点的距离；M和L为参数，J₀(r_ik)为第一类零阶贝塞尔函数，n为电流测试点个数，m为电压测试点个数，R_b为人体电阻，ρ₁为第一层土壤的电阻率，S为跨步距离，R₀＝ρ₁/(4b)为接触电阻，b为等效接地半径，g为计及接触电阻的高斯误差系数，η、λ为积分变量；式(2)、(3)中，μ₁，μ₂，μ₃为系数，h₁，h₂，h₃分别为第一层土壤，第二层土壤和第三层土壤的深度；式(4)中ρ_l为第l层土壤的电阻率；

第三步：采用粒子群优化算法对跨步电压公式进行建模，计算出使跨步电压实测值与理论值误差最小的g值，步骤如下：

a)生成具有均匀分布的粒子和速度的初始总体，设置停止条件；

b)按照式(5)计算群体最优位置：

式(5)中，f(g)为目标函数，U_fi为第i个电压测试点的跨步电压实测值；

c)更新每个粒子的个体历史最优位置与整个群体的最优位置；

d)更新每个粒子的速度和位置；

e)若满足停止条件，则停止搜索，输出搜索结果；否则返回第b)步；

f)根据优化得出最优值g₀代入以下公式(6)，为优化后的理论公式:

式(6)中，U_t为优化后的土壤区域任意点的跨步电压理论值；r_k为任意电压测试点到第k个电流测试点与相邻的第k+1个电流测试点的中点的距离，r_n为任意电压测试点到第n个电流测试点与相邻的第1个测试点的中点的距离；

第四步：计算人体能承受的最大跨步电压限值U，并划分危险等级：

式(7)中，t_s为故障电流持续时间，数据分析模块(22)依据(7)式计算人体能承受的最大跨步电压限值U，依据规则进行危险等级划分：当U_t<U时，为安全；当U_t≥U时，为危险。

本发明的有益效果在于：

1)能有效模拟输电线路单相断线接杆塔周围土壤水平分层工况；

2)能模拟输电线路单相断线接地故障，并有效测量工频下水平分层土壤的跨步电压，改善理论计算方法，并对危险等级进行评价；

3)通过上位机完成主要的操作与控制，操作方便，安全可靠，对水平多层土壤的测试具有普适性。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图

图2是本发明的断线模拟器的结构示意图

图3是本发明的杆塔接地网电流传感器布置示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步说明。包括以下步骤：

第一步：搭建一种分层土壤下配网单相接地故障跨步电压风险评估实验平台。

如图1所示，本发明的测试平台包括电源模块(31)、线路模块(32)、跨步电压测试模块(33)、实验箱(23)、数据分析模块(22)；

电源模块(31)由工频220V电源(1)、整流器(2)、逆变器(3)和变压器(4)组成，其各部分通过单根导线连接；工频220V电源(1)为220V市电，整流器(2)将单相交流电整流为直流电，逆变器(3)将直流电逆变为三相交流电，通过变压器(4)可以改变实验系统所需电压等级；

实验箱(23)上端搭载了线路模块(32)，下端搭载了跨步电压测试模块(33)，实验箱(23)下端面开口，其余面由透明亚克力绝缘板搭建；

变压器(4)通过三相出线与线路模块(32)连接，线路模块(32)由A相线路(5)、B相线路(6)和C相线路(7)组成；三相线路通过第一线路电阻(8)、第二线路电阻(9)、第三线路电阻(10)，第四线路电阻(12)、第五线路电阻(13)、第六线路电阻(14)，断线模拟器(11)，负载变压器(15)与三相负载(16)相连；第一线路电阻(8)和第四线路电阻(12)、第二线路电阻(9)和第五线路电阻(13)以及第三线路电阻(10)和第六线路电阻(14)为模拟断线点两侧导线等效电阻，三相导线经过负载变压器(15)降压后为三相负载(16)供电；所述三相负载(16)为RLC负载；

如图2所示，断线模拟器(11)包括第一电流传感器(104)、第二电流传感器(105)、第三电流传感器(106)、第一高压开关(107)、第二高压开关(108)、第三高压开关(109)、电流采集装置(113)、开关动作判断装置(114)、中央处理器(115)和无线收发装置(116)；断线模拟器(11)的输入导线(101)、输出导线(102)和接杆塔导线(103)分别连接到第一高压开关(107)、第二高压开关(108)和第三高压开关(109)的输入端；第一电流传感器(104)、第二电流传感器(105)和第三电流传感器(106)分别套装在断线模拟器(11)的输入导线(101)、输出导线(102)和接杆塔导线(103)上，其输出端均连接到电流采集装置(113)；第一高压开关(107)、第二高压开关(108)和第三高压开关(109)的输出端分别装有第一继电器(110)、第二继电器(111)和第三继电器(112)，第一继电器(110)、第二继电器(111)和第三继电器(112)均连接到开关动作判断装置(114)；电流采集装置(113)和开关动作判断装置(114)连接到中央处理器(115)，中央处理器(115)通过无线收发装置(116)连接到数据分析模块(20)；

如图1所示，跨步电压测试模块(33)通过杆塔(150)、杆塔接地网(151)与接杆塔导线(103)相连，还包括第一层土壤(18)、第二层土壤(19)、第三层土壤(20)、第四层土壤(21)和电压测量机器人(17)。第一层土壤(18)、第二层土壤(19)、第三层土壤(20)由三种不同土壤依据实验厚度要求均匀填充，第四层土壤(21)为实验地点大地土壤，杆塔接地网(151)水平埋在第一层土壤(18)表面下方0.8m处平面上，杆塔接地网(151)与杆塔(150)塔脚相连，从任一端部开始每隔1m布置一个电流传感器，并依次进行编号，记录I_j，I_j为第j个电流测试点与相邻的第j+1个测试点测得的电流幅值之差的绝对值，单位为A；电压测量机器人(17)为远程操控可移动的真实人体比例模型，通过两脚与地面接触模拟触电，其内部设有等值电阻用于模拟人体电阻，同时还具备距离传感器，因相关机器人技术已很成熟，更为具体的内部结构不再赘述；电压测量机器人(17)在第一层土壤(18)表面范围内移动，并将测量到的跨步电压和测试点与接杆塔导线(103)的距离数据无线传输至数据分析模块(22)。

第二步、模拟输电线路单相断线短接杆塔故障并进行电压测试：

数据分析模块(22)控制第一高压开关(107)和第二高压开关(108)导通、第三高压开关(109)断开，然后打开电源(2)，通过数据分析模块(22)监测传感器(104)和传感器(105)测量的电流波形，待判别波形稳定后，使用数据分析模块(22)发出电源侧断线信号，通过无线收发装置(116)将信号传输到中央处理器(115)，开关动作控制装置(114)控制第二继电器(111)动作使得第二高压开关(108)断开，并控制第三继电器(112)使得第三高压开关(109)导通；然后设定故障电流持续时间t_s，通过电流传感器四(152)杆塔接地网(151)测试点电流，通过数据分析模块(22)控制电压测量机器人(17)测量不同点跨步电压并记录电压测试点到两个相邻电流测试点的中点的距离；将所有数据无线传输至数据分析模块(22)；

第三步、由下式计算每个测试点跨步电压理论值U_ti：

式(8)中U_ti表示第i个跨步电压测试点的理论计算值，I_k为第k个电流测试点与相邻的第k+1个测试点测得的电流差的绝对值，单位为A，r_ik为第i个电压测试点到第k个电流测试点与相邻的第k+1个测试点的中点的距离，单位为m，M和L为参数，J₀为第一类零阶贝塞尔函数，n为电流测试点个数，m为电压测试点个数，R_b＝1000(Ω)为人体电阻，ρ₁为实验箱中第一层土壤电阻率，S＝0.8(m)为跨步距离，R₀＝ρ/(4b)为接触电阻，b＝0.08(m)为等效接地半径，g为计及接触电阻的高斯误差系数，η、λ为积分变量；式(9)、(10)中，μ₁，μ₂，μ₃为系数，h₁，h₂，h₃分别为第一层，第二层和第三层土壤深度；式(11)中ρ_l为第l层土壤的电阻率。

第三步：采用粒子群优化算法对跨步电压公式进行建模，计算出使跨步电压实测值与理论值误差最小的g值，步骤如下：

(1)生成具有均匀分布的粒子和速度的初始总体，设置停止条件；

(2)按照式(12)计算群体最优位置：

(3)更新每个粒子的速度和位置；

(4)计算每个粒子位置的目标函数值，同时更新每个粒子的个体历史最优位置与整个群体的最优位置；

(5)若满足停止条件，则停止搜索，输出搜索结果；否则返回第(3)步；

(6)根据优化得出最优值g₀代入以下公式(13)，为优化后的理论公式：

式(13)中，r_k为土壤区域任意位置到第k个电流测试点与相邻的第k+1个电流测试点的中点的距离，其中r_n表示该点到最后一个电流测试点与相邻的第一个电流测试点的中点的距离，式中其它参数与权利要求2第二步定义一致；

第四步：计算人体能承受的最大跨步电压限值U，并划分危险等级：

式(14)中，t_s为故障时间；

数据分析模块(23)依据(14)式计算人体能承受的最大跨步电压限值U，依据规则进行危险等级划分：当U_t<U时，为安全；当U_t≥U时，为危险。

Claims (2)

1.计及土壤分层的单相线路短接杆塔人身安全评估系统，其特征在于，包括电源模块(31)、线路模块(32)、跨步电压测试模块(33)、实验箱(23)和数据分析模块(22)；

所述电源模块(31)包括依次连接的工频电源(1)、整流器(2)、逆变器(3)和变压器(4)；

所述实验箱(23)包括上端搭载的线路模块(32)和下端搭载的跨步电压测试模块(33)；

所述线路模块(32)包括A相线路(5)、B相线路(6)、C相线路(7)和三相负载(16)；三相负载(16)为RLC负载；变压器(4)的三相出线分别连接到A相线路(5)、B相线路(6)和C相线路(7)的输入端；A相线路(5)包括依次连接的第一线路电阻(8)、第四线路电阻(12)和负载变压器(15)的A相变压单元，A相变压单元输出端连接到三相负载(16)；B相线路(6)包括依次连接的第二线路电阻(9)、第五线路电阻(13)和负载变压器(15)的B相变压单元，B相变压单元的输出端也连接到三相负载(16)；C相线路(7)包括第三线路电阻(10)、第六线路电阻(14)和负载变压器(15)的C相变压单元，第三线路电阻(10)的输入端为C相线路(7)的输入端，第三线路电阻(10)的输出端连接到断线模拟器(11)的输入导线(101)，断线模拟器(11)的输出导线(102)连接到第六线路电阻(14)的输入端，第六线路电阻(14)的输出端连接到C相变压单元的输入端，C相变压单元的输出端也连接到三相负载(16)；

所述断线模拟器(11)包括第一电流传感器(104)、第二电流传感器(105)、第三电流传感器(106)、第一高压开关(107)、第二高压开关(108)、第三高压开关(109)、电流采集装置(113)、开关动作判断装置(114)、中央处理器(115)和无线收发装置(116)；断线模拟器(11)的输入导线(101)、输出导线(102)和接杆塔导线(103)分别连接到第一高压开关(107)、第二高压开关(108)和第三高压开关(109)的输入端，第一高压开关(107)、第二高压开关(108)和第三高压开关(109)的输出端相互连接；第一电流传感器(104)、第二电流传感器(105)和第三电流传感器(106)分别套装在断线模拟器(11)的输入导线(101)、输出导线(102)和接杆塔导线(103)上，其输出端均连接到电流采集装置(113)；第一高压开关(107)、第二高压开关(108)和第三高压开关(109)分别装有控制其开关闭合或断开第一继电器(110)、第二继电器(111)和第三继电器(112)，第一继电器(110)、第二继电器(111)和第三继电器(112)均连接到开关动作判断装置(114)；电流采集装置(113)和开关动作判断装置(114)连接到中央处理器(115)，中央处理器(115)通过无线收发装置(116)连接到数据分析模块(20)；

所述跨步电压测试模块(33)包括杆塔(150)、杆塔接地网(151)、第一层土壤(18)、第二层土壤(19)、第三层土壤(20)、第四层土壤(21)和电压测量机器人(17)；接杆塔导线(103)连接到杆塔(150)；第一层土壤(18)、第二层土壤(19)、第三层土壤(20)和第四层土壤(21)分别由不同电阻率的土壤均匀填充，第四层土壤(21)为实验地点大地土壤，杆塔接地网(151)为正方形，水平埋在第一层土壤(18)表面下方，并连接到杆塔(150)的塔脚；从杆塔接地网(151)的任一端部开始，每隔一个距离套装一个电流传感器四(152)；电压测量机器人(17)位于第一层土壤(18)表面，并无线连接到数据分析模块(22)。

2.如权利要求1所述的计及土壤分层的单相线路短接杆塔人身安全评估系统的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、模拟输电线路单相断线短接杆塔故障并进行电压测试：

设定故障电流持续时间t_s，通过电流传感器四(152)采集杆塔接地网(151)测试点电流，通过数据分析模块(22)控制电压测量机器人(17)测量不同点跨步电压并记录电压测试点到两个相邻电流测试点的中点的距离；

第二步、由下式计算每个测试点跨步电压理论值U_ti：

式(1)中U_ti表示第i个跨步电压测试点的理论计算值，I_k为第k个电流测试点与相邻的第k+1个测试点测得的电流幅值差的绝对值，k＝1,2,3，…，n-1；I_n为第n个电流测试点与第1个测试点测得的电流幅值差的绝对值，r_ik为第i个电压测试点到第k个电流测试点与相邻的第k+1个电流测试点的中点的距离，r_in为第i个电压测试点到第n个电流测试点与第1个电流测试点的中点的距离；M和L为参数，J₀(r_ik)为第一类零阶贝塞尔函数，n为电流测试点个数，m为电压测试点个数，R_b为人体电阻，ρ₁为第一层土壤的电阻率，S为跨步距离，R₀＝ρ₁/(4b)为接触电阻，b为等效接地半径，g为计及接触电阻的高斯误差系数，η、λ为积分变量；式(2)、(3)中，μ₁，μ₂，μ₃为系数，h₁，h₂，h₃分别为第一层土壤，第二层土壤和第三层土壤的深度；式(4)中ρ_l为第l层土壤的电阻率；

第三步：采用粒子群优化算法对跨步电压公式进行建模，计算出使跨步电压实测值与理论值误差最小的g值，步骤如下：

a)生成具有均匀分布的粒子和速度的初始总体，设置停止条件；

b)按照式(5)计算群体最优位置：

式(5)中，f(g)为目标函数，U_fi为第i个电压测试点的跨步电压实测值；

c)更新每个粒子的个体历史最优位置与整个群体的最优位置；

d)更新每个粒子的速度和位置；

e)若满足停止条件，则停止搜索，输出搜索结果；否则返回第b)步；

f)根据优化得出最优值g₀代入以下公式(6)，为优化后的理论公式:

式(6)中，U_t为优化后的土壤区域任意点的跨步电压理论值；r_k为任意电压测试点到第k个电流测试点与相邻的第k+1个电流测试点的中点的距离，r_n为任意电压测试点到第n个电流测试点与相邻的第1个测试点的中点的距离；

第四步：计算人体能承受的最大跨步电压限值U，并划分危险等级：

式(7)中，t_s为故障电流持续时间，数据分析模块(22)依据(7)式计算人体能承受的最大跨步电压限值U，依据规则进行危险等级划分：当U_t<U时，为安全；当U_t≥U时，为危险。