CN110412423B - 输电线路单相断线短接杆塔的生物安全评估平台及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了输电线路单相断线短接杆塔的生物安全评估平台及方法，电源模块包括依次连接的工频电源、整流器、逆变器和变压器；实验箱包括上端搭载的线路模块和下端搭载的跨步电压测试模块；跨步电压测试模块包括模拟地面、电压测量机器人、杆塔和接地装置。模拟输电线路单相断线接杆塔故障，测量实验杆塔地网各处的电流，以及测量得到的不同位置的跨步电压值，接着利用粒子群优化算法得到计及接触电阻的高斯误差系数最优值，最后对故障点周围区域进行安全测评。本发明能针对输电线路单相断线接杆塔的情况进行故障反演，并对故障点周围区域的跨步电压进行危险区域的测评，为制定相关安全警示和绝缘防护措施意见，提供坚实基础。

Description

输电线路单相断线短接杆塔的生物安全评估平台及方法
技术领域
本发明属于电力系统接地领域，特别是输电线路单相断线短接杆塔的生物安全评估平台及方法。
背景技术
输电线路极端接地故障是影响电力系统安全运行中主要的问题，输配电网跳闸事故频繁发生，通常输电线路发生断线短接杆塔时，故障电流将经杆塔和接地装置流散至地面，故障电流将对杆塔周围生物安全造成极大的威胁，生物走近电势区域时会在两脚之间产生电势差造成跨步电压触电事故。跨步电压对人体造成较大的危害，轻则烧伤皮肤、器官等，留下伤痕，情况严重时过大的电流会造成生命危险。由于配网线路长度的大幅增长，配网规模越来越大，穿越高密度人群的问题不可避免，配网极端接地的隐患将越加突出。目前而言，解决配电网断线接地故障仍是一项世界级难题。
目前国内外针对跨步电压的相关研究，主要集中在发电厂、变电站接地网的跨步电压仿真与接地电阻测试以及输、配电网系统运行风险评估和网架结构风险评估等，而缺乏输电线路极端接地跨步电压测试和风险评估技术。而在输电线路发生单相断线短接杆塔故障时，跨步电压测评方法将变得更加复杂，为了准确的对故障下跨步电压进行测评，迫切需要建立一种智能测评平台，能考虑输电线路断线产生过电压经杆塔流散的影响，测评周围土壤区域的跨步电压风险，并进行安全评估。
发明内容
本发明的目的是提供输电线路单相断线短接杆塔的生物安全评估平台及方法。
实现本发明目的的技术方案如下：
输电线路单相断线短接杆塔的生物安全评估平台，包括电源模块(31)、线路模块(32)、跨步电压测试模块(33)、实验箱(19)和数据分析模块(20)；
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(19)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)包括依次连接的线路电阻一(8)、线路电阻四(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)包括依次连接的线路电阻二(9)、线路电阻五(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)包括线路电阻三(10)、线路电阻六(14)和负载变压器(15)的C相变压单元，线路电阻三(10)的输入端为C相线路(7)的输入端，线路电阻三(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)连接到线路电阻六(14)的输入端，线路电阻六(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)包括电流传感器一(104)、电流传感器二(105)、电流传感器三(106)、高压开关一(107)、高压开关二(108)、高压开关三(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)分别连接到高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)的输入端，高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)的输出端相互连接；电流传感器一(104)、电流传感器二(105)和电流传感器三(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)；高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)还分别装有控制其开关闭合或断开的继电器一(110)、继电器二(111)和继电器三(112)，继电器一(110)、继电器二(111)和继电器三(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)包括模拟地面(17)、电压测量机器人(18)、杆塔(150)和接地装置(151)；模拟地面(17)由均匀布置的土壤填充；断线模拟器(11)的接杆塔导线(103)连接到杆塔(150)，杆塔(150)塔脚连接到接地装置(151)；从接地装置(151)任一端部开始每隔一定距离布置一个电流传感器四(152)；电压测量机器人(18)位于模拟地面(17)上，并无线连接到数据分析模块(20)。
上述评估平台的评估方法，包括以下步骤：
第一步：设定故障电流持续时间，通过电流传感器四(152)采集接地装置(151)测试点电流，通过数据分析模块(20)控制电压测量机器人(18)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：由下式计算每个电压测试点跨步电压理论值：
Figure BDA0002154950280000031
式(1)中Uti表示第i个跨步电压测试点的理论计算值；Ik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；In为第n个电流测试点与相邻的第1个测试点测得的电流幅值差的绝对值；rik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，rin为第i个电压测试点到第n个电流测试点与相邻的第1个电流测试点的中点的距离；n为电流测试点个数，m为电压测试点个数，Rb为人体电阻，ρ为实验箱中土壤电阻率，S为跨步距离，R0＝ρ/(4b)为接触电阻，b为等效接地半径；η为积分变量；g为计及接触电阻的高斯误差系数；
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(2)计算群体最优位置：
Figure BDA0002154950280000032
式中，Ufi为第i个电压测试点的跨步电压实测值，f为均方根误差函数；
(3)更新每个粒子的速度和位置；
(4)计算每个粒子位置的误差函数值，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代入公式(1)，优化后的理论公式为：
Figure BDA0002154950280000041
式(3)中，Ut为优化后的土壤区域任意点的跨步电压理论值；rk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，rn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，并划分危险区域：
Figure BDA0002154950280000042
式中，ts为故障电流持续时间，数据分析模块(20)依据(4)式计算人体能承受的最大跨步电压限值U，依据规则进行危险区域划分：当Ut<U时，为安全；当Ut≥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发生故障造成的过电压入侵工况；
2)能有效模拟输电线路发生断线短接杆塔工况；
3)能有效测量输电线路故障电流经杆塔流散至周围土壤时产生的跨步电压，通过测量与理论相结合的方法，对周围危险等级进行了准确评价；
4)通过上位机完成主要的操作与控制，操作方便智能，安全可靠，对跨步电压的测试具有普适性。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是本发明的控制断线的结构示意图；
图3是本发明的接地装置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一步说明。包括以下步骤：
第一步、搭建输电线路单相断线短接杆塔的生物安全评估平台：
如图1所示，本发明实验平台主要由电源模块(31)、线路模块(32)、跨步电压测试模块(33)、实验箱(19)、数据分析模块(20)组成；
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(19)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(19)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；三相线路通过线路电阻一(8)、线路电阻二(9)、线路电阻三(10)，线路电阻四(12)、线路电阻五(13)、线路电阻六(14)，断线模拟器(11)，负载变压器(15)与三相负载(16)相连；线路电阻一(8)和线路电阻四(12)、线路电阻二(9)和线路电阻五(13)以及线路电阻三(10)和线路电阻六(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)包括电流传感器一(104)、电流传感器二(105)、电流传感器三(106)、高压开关一(107)、高压开关二(108)、高压开关三(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)分别连接到高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)的输入端，高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)的输出端相互连接；电流传感器一(104)、电流传感器二(105)和电流传感器三(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)；高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)还分别装有控制其开关闭合或断开的继电器一(110)、继电器二(111)和继电器三(112)，继电器一(110)、继电器二(111)和继电器三(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)、接地装置(151)与接杆塔导线(103)相连，并由模拟地面(17)和电压测量机器人(18)组成，接杆塔导线(103)与杆塔(150)相连接，杆塔(150)通过接地装置(151)接入模拟地面(17)；从接地装置(151)任一角开始每隔一定距离布置一个电流传感器(152)，并依次进行编号，记录第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Ik，单位为A；模拟地面(17)由均匀布置的土壤填充，电压测量机器人(18)为远程操控可移动的真实人体比例模型，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(18)在模拟地面(17)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(20)。
第二步、模拟输电线路单相断线短接杆塔故障：
数据分析模块(20)控制高压开关一(107)和高压开关二(108)导通、高压开关三(109)断开，然后打开电源(1)，通过数据分析模块(20)监测传感器一(104)和传感器二(105)测量的电流波形，待判别波形稳定后，使用数据分析模块(20)发出电源侧断线接地信号，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)控制继电器二(111)动作使得高压开关二(108)断开，并控制继电器三(112)使得高压开关三(109)导通，并设定故障电流持续时间ts，单位为s；然后通过数据分析模块(20)控制电压测量机器人(18)测量不同点跨步电压Ufi并记录电压测试点到两个相邻电流测试点的中点的距离rik。
第三步、由下式计算所有的测试点跨步电压理论值：
Figure BDA0002154950280000061
式(5)中Uti表示第i个跨步电压测试点的理论计算值，单位为V；Ik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；In为第n个电流测试点与相邻的第1个测试点测得的电流幅值差的绝对值,单位为A；rik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，rin为第i个电压测试点到第n个电流测试点与相邻的第1个测试点的中点的距离,单位为m；n为电流测试点个数，m为电压测试点个数，Rb＝1000(Ω)为人体电阻，ρ为实验箱中土壤电阻率，单位为Ω.m，S＝0.8(m)为跨步距离，R0＝ρ/(4b)为接触电阻，单位为Ω，b＝0.08(m)为等效接地半径；η为积分变量；g为计及接触电阻的高斯误差系数；
第四步：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(6)计算群体最优位置：
Figure BDA0002154950280000071
式中，Ufi为第i个电压测试点的跨步电压实测值，单位为V；f为均方根误差函数；
(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代入公式(5)，优化后的理论公式为：
Figure BDA0002154950280000072
式(7)中，rk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，rn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；Ut为优化后的土壤区域任意点的跨步电压理论值；
第五步、根据故障电流持续时间ts计算人体能承受的最大跨步电压限值U，并划分危险区域：
Figure BDA0002154950280000073
数据分析模块(20)依据(8)式计算人体能承受的最大跨步电压限值U，依据规则进行危险区域划分：当Ut<U时，为安全；当Ut≥U时，为危险。

Claims (1)

1.输电线路单相断线短接杆塔的生物安全评估平台的评估方法，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(19)和数据分析模块(20)；
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(19)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)包括依次连接的线路电阻一(8)、线路电阻四(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)包括依次连接的线路电阻二(9)、线路电阻五(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)包括线路电阻三(10)、线路电阻六(14)和负载变压器(15)的C相变压单元，线路电阻三(10)的输入端为C相线路(7)的输入端，线路电阻三(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)连接到线路电阻六(14)的输入端，线路电阻六(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)包括电流传感器一(104)、电流传感器二(105)、电流传感器三(106)、高压开关一(107)、高压开关二(108)、高压开关三(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)分别连接到高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)的输入端，高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)的输出端相互连接；电流传感器一(104)、电流传感器二(105)和电流传感器三(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)；高压开关一(107)、高压开关二(108)和高压开关三(109)还分别装有控制其开关闭合或断开的继电器一(110)、继电器二(111)和继电器三(112)，继电器一(110)、继电器二(111)和继电器三(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)包括模拟地面(17)、电压测量机器人(18)、杆塔(150)和接地装置(151)；模拟地面(17)由均匀布置的土壤填充；断线模拟器(11)的接杆塔导线(103)连接到杆塔(150)，杆塔(150)塔脚连接到接地装置(151)；从接地装置(151)任一端部开始每隔一定距离布置一个电流传感器四(152)；电压测量机器人(18)位于模拟地面(17)上，为远程操控可移动的真实人体比例模型，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，并无线连接到数据分析模块(20)，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(20)；
第一步：设定故障电流持续时间，通过电流传感器四(152)采集接地装置(151)测试点电流，通过数据分析模块(20)控制电压测量机器人(18)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：由下式计算每个电压测试点跨步电压理论值：
Figure FDA0002574525350000021
式(1)中Uti表示第i个跨步电压测试点的理论计算值；Ik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；In为第n个电流测试点与相邻的第1个测试点测得的电流幅值差的绝对值；rik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，rin为第i个电压测试点到第n个电流测试点与相邻的第1个电流测试点的中点的距离；n为电流测试点个数，m为电压测试点个数，Rb为人体电阻，ρ为实验箱中土壤电阻率，S为跨步距离，R0＝ρ/(4b)为接触电阻，b为等效接地半径；η为积分变量；g为计及接触电阻的高斯误差系数；
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(2)计算群体最优位置：
Figure FDA0002574525350000031
式中，Ufi为第i个电压测试点的跨步电压实测值，f为均方根误差函数；
(3)更新每个粒子的速度和位置；
(4)计算每个粒子位置的误差函数值，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代入公式(1)，优化后的理论公式为：
Figure FDA0002574525350000032
式(3)中，Ut为优化后的土壤区域任意点的跨步电压理论值；rk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，rn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，并划分危险区域：
Figure FDA0002574525350000033
式中，ts为故障电流持续时间，数据分析模块(20)依据(4)式计算人体能承受的最大跨步电压限值U，依据规则进行危险区域划分：当Ut<U时，为安全；当Ut≥U时，为危险。
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