CN110456130B - 一种利用三相稳态电压信息解耦暂态电压测量波形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用三相交流线路的稳态电压信息解耦暂态电压测量波形的方法，属于电力系统输电线路过电压测量技术领域。所述方法包括将三个电场传感器分别放置在待测三相交流输电线路的下方；在输电线路带有稳态电压时，传感器1、传感器2和传感器3分别测得稳态电场波形为E₁、E₂和E₃；构造解耦矩阵并求解解耦矩阵M；对解耦矩阵M取逆，得到解耦矩阵M^‑1；利用解耦矩阵M^‑1，以及电场波形E_a、E_b和E_c，求解解耦后的实际暂态电压信号。本发明提出的电压解耦方法，可以得到每相线路上的电压波形。

Description

一种利用三相稳态电压信息解耦暂态电压测量波形的方法

技术领域

本发明涉及一种利用三相交流线路的稳态电压信息解耦暂态电压测量波形的方法，属于电力系统输电线路过电压测量技术领域。

背景技术

过电压是电网事故的主要成因之一，也是电气设备绝缘强度设计的决定性因素。过电压的持续时间虽然短暂，但峰值高、波形陡、能量大，因而会对电气绝缘造成严重威胁。例如，对于变电站而言，对220kV及以下系统，电气设备的绝缘水平主要由雷电过电压决定；对330kV及以上电压等级的超高压系统，操作过电压成为主要矛盾，绝缘配合需要将操作过电压控制在一定范围，再用避雷器作为后备保护。过电压的测量和分析有着极其重要的意义，通过分析过电压的发生发展过程，可为处理事故提供可靠数据，为改进措施提供重要的参考依据，为电气制造提供实际有效的参考资料。获取正确的过电压波形，对绝缘配合的经济性与安全性都有重要意义。

电容式电压互感器(Capacitor Voltage Transformer，CVT)是变电站内用于测量电压的常规设备。对于35kV～220kV电压等级的出线均布置有单相电容式电压互感器，对于500kV及以上电压等级的出线一般布置有三相电容式电压互感器。常规的电压互感器和电流互感器的截止频率较低，很难满足传变暂态行波信号的要求。通常认为，CVT的截止频率不超过10kHz。对于畸变的行波信号，即使采用较高的采样速率(例如1MHz)，也无法显著提升时间分辨率。

现有技术中，专利号为2015101877814的中国发明专利用一种电力系统全光学暂态电压监测装置，包括：用于发出激光信号的激光源、起偏器、光学电场传感器、偏振分束器、光接收机、模数转换器、缓存器、处理器和工控机。这套电力系统全光学暂态电压监测装置，采用了集成光学电场传感器，由于光学电场传感器中不含有金属，对原电场影响较小，因此具有较高的测量可靠性；所用的电场传感器具有较宽且平坦的频响曲线，可以测量3Hz～100MHz的范围内频率分量，所提供的监测装置具有很大的频率范围，在工频和暂态电压频率下频响一致，因此能兼顾工频电压以及内过电压和外过电压的测量。测量方法为将光学电场传感器置于距待测输电线路下方，光学电场传感器感应输电线路中的电压，该电压经光学电场传感器转换为光功率信号，光功率信号经过光电转换，得到一个工频电压U1，将该工频电压作为测量参考电压，实时检测电力系统输电线路的电压，该电压经光学电场传感器处理后得到一个输出电压U2，通过比较工频电压就可以得到暂态电压波形。用电场传感器测量电力系统的暂态电压时，出于安装维护的考虑，传感器一般无法十分靠近导线，因此传感器的测量结果或多或少会受到另外两相电压的影响，从而影响测量的准确性。如何通过实测结果，去掉另两相电压的影响，进而反推出线路上的暂态电压，是必须克服的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种利用交流线路的三相稳态电压信息解耦暂态电压测量波形的方法，即利用交流线路的电压稳态信息对三相暂态电压测量结果进行解耦。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种利用三相交流线路的稳态电压信息解耦暂态电压测量波形的方法，在传感器刻度因数已知的情况下，包括以下步骤：

步骤1，将三个电场传感器分别放置在待测三相交流输电线路下方的相同高度处：设将传感器1、传感器2和传感器3分别放置在输电线路A相、B相和C相下方的相同高度处，其中三相电压稳态幅值为U₀；

步骤2，在输电线路带有交流稳态电压时，传感器1、传感器2和传感器3分别测得交流稳态电场波形为E₁、E₂和E₃，记稳态电压下传感器测得的稳态电场波形为：

其中，A、B、C分别为传感器1、传感器2和传感器3测得的稳态电场幅值，

分别为传感器1、传感器2和传感器3测得的稳态电场相位；

步骤3，构造解耦矩阵并求解解耦矩阵M：

设解耦矩阵

其中，M_jk为k相电压在传感器j处产生电场的耦合系数，j为1、2或3；k为1、2或3，分别相应表示A相、B相或C相；

根据传感器测得的稳态电场波形

与用三相电压稳态幅值U₀归一化后的三相电压波形

之间的关系：

从而求得解耦矩阵M如下：

步骤4，对解耦矩阵M取逆，得到解耦矩阵M^-1；

步骤5，利用解耦矩阵M^-1和传感器测得的任意波形电场

求解解耦后的暂态电压信号

进一步的，步骤2中，

其中，由于线路的物理结构对称，实际测得的电场参数有近似关系：A≈C，

以A取代C，以0取代

以

取代

以

取代

进一步的，

步骤3中，求解解耦矩阵M时，忽略不相邻两相之间的相互影响，在解耦矩阵M中，令M₃₁＝M₁₃＝0；因线路结构以及传感器摆放位置的对称性：令M₂₁＝M₂₃＝M₁₂＝M₃₂＝M_c，M₁₁＝M₃₃＝M_a，M₂₂＝M_b，则有：

一种利用三相交流线路的稳态电压信息解耦暂态电压测量波形的方法，在传感器刻度因数未知的情况下，包括以下步骤：

步骤1，将三个电场传感器分别放置在待测三相交流输电线路下方的相同高度：设将传感器1、传感器2和传感器3分别放置在输电线路A相、B相和C相下方的相同高度，其中电压稳态幅值为U₀；

步骤2，在输电线路带有交流稳态电压时，传感器1、传感器2和传感器3分别输出交流稳态电场波形为

和

将各传感器的响应以其电压稳态幅值为基准值分别归一化后的稳态电场波形记为如下：

分别为传感器1、传感器2和传感器3测得的稳态电场相位；

步骤3，求解相对解耦矩阵M′，

根据归一化后的稳态电场波形

与用三相电压稳态峰值U₀进行归一化后的相对电压波形

的关系：

从而求得相对解耦矩阵M′如下：

步骤4，对相对解耦矩阵M′取逆，得到相对解耦矩阵(M′)^-1；

步骤5，利用相对解耦矩阵(M′)-¹和归一化后的测得的暂态波形

求得解耦后的相对暂态电压信号

暂态电压信号

进一步的，

记步骤2中稳态电压下传感器的测得的稳态电场波形为：

其中，A、B、C分别为传感器1、传感器2和传感器3测得的稳态电场幅值，且A＝k₁O₁，B＝k₂O₂，C＝k₃O₃；

K为传感器刻度因数矩阵

k₁、k₂和k₃分别为传感器1、传感器2和传感器3的刻度因数；

由于线路的物理结构对称，实际测得的信号参数有近似关系：

以0取代

以

取代

以

取代

进一步的，步骤3中，在求解相对解耦矩阵M′时，先设解耦矩阵M为：

M_jk为k相电压在传感器j处产生电场的耦合系数，j为1、2或3；k为1、2或3，分别相应表示A相、B相或C相；

忽略不相邻两相之间的相互影响，令相邻两相之间的耦合因数相等，即在解耦矩阵M中，令M₃₁＝M₁₃＝0，M₂₁＝M₂₃＝M₁₂＝M₃₂＝M_c，M₁₁＝M₃₃＝M₂₂＝M_a；则有：

传感器的测得的稳态电场波形

与归一化后的三相电压波形

之间的关系如下：

得到

其中，

为相对解耦矩阵。

本发明的有益效果为：

1、本发明提出的电压解耦方法，在进行暂态电压监测时，传感器只需要放置在线路下方甚至放在地面上即可，测量装置并不与带电线路直接接触。

2、本发明提出的电压解耦方法，消除了测量中三相输电线路三相之间相互干扰的问题，从而可以推出单相线路上的实际电压波形。

3、本发明提出的电场或电压解耦方法，不需要利用暂态电压波形就能完成解耦，只需要波形的稳态信息就能得到比较正确的结果。

4、本发明在简化的条件下，甚至可以不需要传感器的刻度因素也能简化地解耦，得到三相电压波形。

附图说明

图1为传感器对输电线路测量布置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

稳态运行情况下，三相电压的幅值以及相对相角条件是已知的，使用GPS定时系统将测得的电场波形与站用CVT的数据同步起来，则电压波形和测得的电场波形之间的相对相位条件也为已知量。利用测得的电场稳态波形的幅值和相角信息实现解耦的方法我们称之为稳态解耦方法。仅仅依靠稳态波形信息并不能实现解耦，有时候我们需要依据实际的情况合理地假设解耦矩阵存在某种对称性或者是合理地假设解耦矩阵中某些元素为0，对解耦矩阵做出合理的简化后才能完成解耦。下面我们将会分析在特定的条件下需要做出那些简化才可能实现解耦。

实施例1

一种利用三相交流线路的稳态电压信息解耦暂态电压测量波形的方法，在传感器刻度因数已知的情况下，包括以下步骤：

步骤1，将三个电压传感器或电场传感器分别放置在待测三相输电线路的下方的相同高度处；设将传感器1、传感器2和传感器3分别放置在输电线路A相、B相和C相的下方。如图1所示，输电线路的相间距离为W，传感器与带电导体的平均距离为h，传感器测量垂直方向的电场，且W＞2h。

步骤2，在输电线路带有交流稳态电压时，传感器1、传感器2和传感器3分别测得交流稳态电场波形为E₁、E₂和E₃。记稳态电压下传感器测得的稳态电场波形为：

其中，A、B、C分别为传感器1、传感器2和传感器3测得的稳态电场幅值，

分别为传感器1、传感器2和传感器3测得的稳态电场相位；由于线路的物理结构对称，实际测得的电场参数有近似关系：A≈C，

以A取代C，以0取代

以

取代

以

取代

步骤3，构造解耦矩阵并求解解耦矩阵M：

步骤3.1，构造解耦矩阵M：

每个传感器测得的电场均是三相电压产生的电场的线性叠加，测得的电场与输电线路电压之间关系为：

E₁、E₂和E₃分别为传感器1、传感器2和传感器3测得的稳态电场，U_a、U_b和U_c分别为A相、B相和C相的电压，M_jk为k相电压在传感器j处产生电场的耦合系数，j为1、2或3；k为1、2或3，分别相应表示A相、B相或C相；

设解耦矩阵M为：

步骤3.2，求解解耦矩阵M：

忽略不相邻两相之间的相互影响，在解耦矩阵M中，令M₃₁＝M₁₃＝0；因线路结构以及传感器摆放位置的对称性：令M₂₁＝M₂₃＝M₁₂＝M₃₂＝M_c，M₁₁＝M₃₃＝M_a，M₂₂＝M_b，则有：

传感器测得的稳态电场波形

与归一化后的三相电压波形

之间的关系为：

化简得到：

求解该方程组，得到唯一解：

从而求得解耦矩阵M：

步骤4，对解耦矩阵M取逆，得到解耦矩阵M^-1；

步骤5，利用解耦矩阵M^-1和传感器测得的任意波形电场

求解解耦后的实际暂态电压信号

实施例2

一种利用三相交流线路的稳态电压信息解耦暂态电压测量波形的方法，在传感器刻度因数未知的情况下，包括以下步骤：

步骤1，将三个电场传感器分别放置在待测三相交流输电线路下方的相同高度：设将传感器1、传感器2和传感器3分别放置在输电线路A相、B相和C相下方的相同高度，其中电压稳态幅值为U₀；

步骤2，在输电线路带有交流稳态电压时，传感器1、传感器2和传感器3分别输出交流稳态电场波形为

和

记稳态电压下传感器的测得的稳态电场波形为：

其中，A、B、C分别为传感器1、传感器2和传感器3测得的稳态电场幅值，且A＝k₁O₁，B＝k₂O₂，C＝k₃O₃；

分别为传感器1、传感器2和传感器3测得的稳态电场相位；

K为传感器刻度因数矩阵

k₁、k₂和k₃分别为传感器1、传感器2和传感器3的刻度因数；

由于线路的物理结构对称，实际测得的信号参数有近似关系：

以0取代

以

取代

以

取代

将各传感器的响应以其电压稳态幅值为基准值分别归一化后的稳态电场波形记为如下：

步骤3，求解相对解耦矩阵M′：

先设解耦矩阵M为：

M_jk为k相电压在传感器j处产生电场的耦合系数，j为1、2或3；k为1、2或3，分别相应表示A相、B相或C相；

忽略不相邻两相之间的相互影响，令相邻两相之间的耦合因数相等，即在解耦矩阵M中，令M₃₁＝M₁₃＝0，M₂₁＝M₂₃＝M₁₂＝M₃₂＝M_c，M₁₁＝M₃₃＝M₂₂＝M_a；则有：

传感器的测得的稳态电场波形

与归一化后的三相电压波形

之间的关系如下：

将上式变换后，则得到：

其中，

为相对解耦矩阵。

归一化后的稳态电场波形

与用三相电压稳态峰值U₀进行归一化后的相对电压波形

满足以下关系：

我们不需要具体求得A、B、C的值，只需要求解得到：

即相对解耦矩阵M′：

步骤4，对相对解耦矩阵M′取逆，得到相对解耦矩阵(M′)^-1；

步骤5，利用相对解耦矩阵(M′)^-1和归一化后的测得的暂态波形

求得解耦后的相对暂态电压信号

暂态电压信号

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用三相交流线路的稳态电压信息解耦暂态电压测量波形的方法，在传感器刻度因数已知的情况下，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将三个电场传感器分别放置在三相交流线路下方的相同高度处：设将传感器1、传感器2和传感器3分别放置在所述三相交流线路A相、B相和C相下方的相同高度处，其中三相电压稳态幅值为U₀；

步骤2，在所述三相交流线路带有交流稳态电压时，传感器1、传感器2和传感器3分别测得交流稳态电场波形为E₁、E₂和E₃，记交流稳态电压下所述三个电场传感器测得的交流稳态电场波形为：

其中，A、B、C分别为传感器1、传感器2和传感器3测得的交流稳态电场幅值，

分别为传感器1、传感器2和传感器3测得的交流稳态电场相位；

步骤3，构造解耦矩阵并求解解耦矩阵M：

设解耦矩阵

其中，M_jk为k相电压在传感器1、传感器2或传感器3处产生交流稳态电场的耦合系数，j为1、2或3；k为1、2或3，分别相应表示A相、B相或C相；

根据所述三个电场传感器测得的交流稳态电场波形

与用三相电压稳态幅值U₀归一化后的三相电压波形

之间的关系：

三相交流线路的物理结构对称，实际测得的交流稳态电场参数有近似关系：A≈C，

以A取代C，以0取代

以

取代

以

取代

从而求得解耦矩阵M如下：

步骤4，对解耦矩阵M取逆，得到解耦矩阵M^-1；

步骤5，利用解耦矩阵M^-1和所述三个电场传感器测得的任意电场波形

求解解耦后的暂态电压信号

2.根据权利要求1所述的利用三相交流线路的稳态电压信息解耦暂态电压测量波形的方法，其特征在于，

步骤3中，求解解耦矩阵M时，忽略不相邻两相之间的相互影响，在解耦矩阵M中，令M₃₁＝M₁₃＝0；因所述三相交流线路结构以及所述三个电场传感器摆放位置的对称性：令M₂₁＝M₂₃＝M₁₂＝M₃₂＝M_c，M₁₁＝M₃₃＝M_a，M₂₂＝M_b，则有：

3.一种利用三相交流线路的稳态电压信息解耦暂态电压测量波形的方法，在传感器刻度因数未知的情况下，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将三个电场传感器分别放置在三相交流线路下方的相同高度：设将传感器1、传感器2和传感器3分别放置在三相交流线路A相、B相和C相下方的相同高度，其中三相电压稳态幅值为U₀；

步骤2，在三相交流线路带有交流稳态电压时，传感器1、传感器2和传感器3分别输出交流稳态波形为

和

交流稳态电压下所述三个电场传感器测得的交流稳态电场波形为：

其中，A、B、C分别为传感器1、传感器2和传感器3测得的交流稳态电场幅值，O₁、O₂、O₃分别为传感器1、传感器2和传感器3测得的交流稳态波形幅值，且A＝k₁O₁，B＝k₂O₂，C＝k₃O₃；

分别为传感器1、传感器2和传感器3测得的交流稳态电场相位；三相交流线路的物理结构对称，实际测得的交流稳态电场参数有近似关系：A≈C，

以A取代C，以0取代

以

取代

以

取代

K为传感器刻度因数矩阵

k₁、k₂和M₃分别为传感器1、传感器2和传感器3的刻度因数；

将所述三个电场传感器的响应以其交流稳态电场幅值为基准值分别归一化后的交流稳态电场波形记为如下：

步骤3，求解相对解耦矩阵M′，

根据归一化后的交流稳态电场波形

与用三相电压稳态峰值U₀进行归一化后的三相电压波形

的关系：

从而求得相对解耦矩阵M′如下：

步骤4，对相对解耦矩阵M′取逆，得到相对解耦矩阵(M′)^-1；

步骤5，利用相对解耦矩阵(M′)^-1和归一化后的测得的暂态波形

求得解耦后的相对暂态电压信号

暂态电压信号

4.根据权利要求3所述的利用三相交流线路的稳态电压信息解耦暂态电压测量波形的方法，其特征在于，步骤3中，在求解相对解耦矩阵M′时，先设解耦矩阵M为：

M_jk为k相电压在传感器1、传感器2或传感器3处产生交流稳态电场的耦合系数，j为1、2或3；k为1、2或3，分别相应表示A相、B相或C相；

忽略不相邻两相之间的相互影响，令相邻两相之间的耦合因数相等，即在解耦矩阵M中，令M₃₁＝M₁₃＝0，M₂₁＝M₂₃＝M₁₂＝M₃₂＝M_c，M₁₁＝M₃₃＝M₂₂＝M_a；则有：

所述三个电场传感器的测得的交流稳态电场波形

与归一化后的三相电压波形

之间的关系如下：

得到

其中，

为相对解耦矩阵。

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