CN111262246A - 一种变电站接地网快速模型建立与腐蚀准确诊断方法 - Google Patents

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CN111262246A CN202010181994.7A CN202010181994A CN111262246A CN 111262246 A CN111262246 A CN 111262246A CN 202010181994 A CN202010181994 A CN 202010181994A CN 111262246 A CN111262246 A CN 111262246A
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李松原
郗晓光
张弛
张应田
贺欣
赵聪
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Abstract

本发明涉及一种变电站接地网快速模型建立与腐蚀准确诊断方法，其技术特点包括步骤：根据变电站电气完整性测试情况，获取变电站接地网图纸；根据变电站接地网图纸建立基于VISIO的变电站接地网快速模型；根据建立的模型对腐蚀进行精确诊断。本发明使用VISIO软件对接地网进行快速高效建模，使用特勒根定理处理模型并构造ε维的故障诊断方程组，最后使用最小二乘法进行局部调优的粒子群算法对欠定方程组进行求解，能够准确快速的对接地网进行建模，通过计算能够准确定位和判断接地网腐蚀故障位置与腐蚀故障的程度。

Description

一种变电站接地网快速模型建立与腐蚀准确诊断方法
技术领域
本发明属于电力接地网故障诊断算法领域，尤其是一种变电站接地网快速模型建立与腐蚀准确诊断方法。
背景技术
接地网按照标准要求埋设深度应超过0.8m，大型变电站每年要对接地网的电气完整性进行测量，据此间接判断接地网接地性能的好坏。但是接地网电气完整性即使在一部分接地体发生严重腐蚀甚至断裂的情况下，仍可以比较容易满足标准要求。当接地网电气完整性显示异常时，也无法得知故障的具体位置，而需要大规模开挖查找故障点，工作量巨大且成本高昂，还影响电力系统的运行。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种变电站接地网快速模型建立与腐蚀准确诊断方法，能够精确快速的对接地网建模，并准确定位和判断接地网腐蚀故障位置和腐蚀故障程度。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种变电站接地网快速模型建立与腐蚀准确诊断方法，包括以下步骤：
步骤1、根据变电站电气完整性测试情况，获取变电站接地网图纸；
步骤2、根据变电站接地网图纸建立基于VISIO的变电站接地网快速模型；
步骤3、根据建立的模型对腐蚀进行精确诊断。
而且，所述步骤2的具体实现步骤为：
⑴、根据变电站接地网图纸，在VISIO软件上绘制接地网节点，并按顺序依次编号；
⑵、对节点进行连接，按照节点之间的距离长度制定连线数值，并去掉图形样式；
⑶、按照接地网图纸完成地网结构模型。
而且，所述步骤3的具体实现方法：
⑴、将建立的模型简化等效为电阻网络；
⑵、根据特勒根定理计算腐蚀前后端口电阻及支路电阻；
⑶、将腐蚀前后的端口电阻及支路电阻做差值处理，得到端口电阻增量及支路电阻增量；
⑷、根据端口电阻增量及支路电阻增量构造多维的故障诊断方程组；
⑸、使用最小二乘法进行局部调优的粒子群算法对欠定方程组求解得到腐蚀后各部分电阻以判断其腐蚀情况。
而且，所述步骤⑵的原始网络为：
Figure BDA0002412884880000011
其中，Ik、Uk分别为电网络N的支路电流和支路电压，I’k、U’k分别为电网络N’的支路电流和支路电压；将腐蚀前的接地网视为具有b+1个分支和n个节点的网络N，第b+1支路为连接到接地网络的i、j节点的恒定电流源支路，电流值为I0；通过测量i、j节点之间的电压，获得端口电阻值Rij，对腐蚀后的网络N’中相应的i、j节点施加同样的恒定电流源I0，获得腐蚀后的端口电阻R’ij，并得到：
Figure BDA0002412884880000021
设i，j节点的第b+1条支路的电流两个网络都为i0，得到：
Figure BDA0002412884880000022
而且，所述步骤⑶的计算方法为，将原始网络带入b+1分支网络，并相减得到支路电阻变化量和端口电阻变化量之间的关系，
Figure BDA0002412884880000023
其中，ΔRij＝R’ij-Rij为端口电阻增量，ΔRk＝R’k-Rk为支路电阻增量，Ik为腐蚀前的支路电流，I'k为腐蚀后的支路电流，I0为恒定电流源的电流。
而且，所述步骤⑷的计算方法为：设网络有m个可及节点，最多获得ε个端口电阻值，并构造ε维的故障诊断方程组：
Figure BDA0002412884880000024
其中，
Figure BDA0002412884880000025
ΔRij(ε)分别为实际的测量值、端口电阻增量，端口电阻增量等于端口i和端口j之间的测量电阻值，减去计算得出的腐蚀前的理论端口电阻值；ΔRk为支路电阻增量，等于腐蚀后的支路电阻与初始支路电阻之间的差值；Ik为腐蚀前的支路电流，I'k为腐蚀后的支路电流，I0为恒定电流源的电流。
而且，根据权利要求3或4或5或6所述的一种变电站接地网快速模型建立与腐蚀准确诊断方法，其特征在于：所述步骤⑸的计算步骤为：
⑴、测量端口电阻R′ij(s)；
⑵、初始化，将I′k(0)＝Ik带入方程组；
⑶、通过粒子群算法求解欠定方程组，得出
Figure BDA0002412884880000031
⑷、若
Figure BDA0002412884880000032
即随着算法迭代次数的增加，
Figure BDA0002412884880000033
的值和上次迭代的计算结果相比不在增加，算法结束，
Figure BDA0002412884880000034
为最终的支路电阻增量，否则，进行步骤⑸；
⑸、用
Figure BDA0002412884880000035
计算
Figure BDA0002412884880000036
即更新I'k后进行步骤⑶。
本发明的优点和积极效果是：
本发明使用VISIO软件对接地网进行快速高效建模，使用特勒根定理处理模型并构造ε维的故障诊断方程组，最后使用最小二乘法进行局部调优的粒子群算法对欠定方程组进行求解，能够准确快速的对接地网进行建模，通过计算能够准确定位和判断接地网腐蚀故障位置与腐蚀故障的程度。
附图说明
图1是接地网电阻网络模型；
图2是本发明使用VISIO软件初次编辑后的图形；
图3是本发明使用VISIO软件绘制接地网模型的最终结果图；
图4是本发明接地网模型等效的电阻网络图；
图5是4*4电阻网络示意图；
图6是4*4电阻网络进行第一次迭代后，
Figure BDA0002412884880000037
的参数图；
图7是4*4电阻网络经过多次迭代之后，
Figure BDA0002412884880000038
的参数图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种变电站接地网快速模型建立与腐蚀准确诊断方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、根据变电站电气完整性测试情况，获取变电站接地网图纸；
步骤2、根据变电站接地网图纸建立基于VISIO的变电站接地网快速模型。接地网拓扑建模是接地网故障诊断软件的基础，接地网由各个水平均压导体构成，忽略土壤中其他因素影响，接地网可以视为纯电阻网络。通过接地引线将接地网与设备相连，其中可供测量的接地引线又称为可及节点，这样就可以将整个接地网转换成一个多端口的网络通过提取网络中的m个可及节点，就可以得到如图1所示的网络示意图,其具体实现步骤为：
⑴、根据变电站接地网图纸，在VISIO软件选择使用“基本框图”进行绘图，拖拽“圆形”元素描绘节点，绘制节点即接地网节点，并依据顺序进行初次编号，不准重复编号。
⑵、使用“连接线”对已绘制好的节点进行连接，并指定连线的数值，连线数值即节点之间的距离长度，逐一完成节点绘制选择所有已绘制图形，去掉图形样式，初步编辑结果如图2所示。
⑶、按照接地网图纸完成地网结构模型,最终绘制结果如图3所示。
步骤3、根据建立的模型对腐蚀进行精确诊断。在获得变电站接地网模型后，利用相关算法对接地网模型进行求解和诊断，判断接地网腐蚀状态程度，其具体步骤为：
⑴、将建立的模型简化等效为如图4所示的电阻网络。
⑵、根据特勒根定理计算腐蚀前后端口电阻及支路电阻。接地网腐蚀导致对应支路电阻增大，腐蚀诊断的本质为测量出接地网各个支路的电阻变化量。腐蚀前后接地网的拓扑结构并未发生变化，假定腐蚀前后拓扑结构的电路N和N’，对应的支路和节点取相同的编号，对应支路的参考方向相同，根据特勒根定理得到：
Figure BDA0002412884880000041
其中，Ik、Uk分别为电网络N的支路电流和支路电压，I’k、U’k分别为电网络N’的支路电流和支路电压。对已知网络拓扑结构和分支电阻，根据节点分析方法得到端口电阻。对于腐蚀后的网络，通过测量获得端口电阻，利用端口电阻值反推得到支路电阻。
将腐蚀前的接地网视为具有b+1个分支和n个节点的网络N，第b+1支路为连接到接地网络的i、j节点的恒定电流源支路，电流值为I0；通过测量i、j节点之间的电压，获得端口电阻值Rij，对腐蚀后的网络N’中相应的i、j节点施加同样的恒定电流源I0，获得腐蚀后的端口电阻R’ij。由于两个网络的拓扑结构是相同的，两个网络的差别是分支电阻值不同。根据特勒根定理可得到：
Figure BDA0002412884880000042
设i，j节点的第b+1条支路的电流两个网络都为I0，得到：
Figure BDA0002412884880000043
⑶、将腐蚀前后的端口电阻及支路电阻做差值处理，得到端口电阻增量及支路电阻增量。将原始网络带入b+1分支网络，并相减可得到支路电阻变化量和端口电阻变化量之间的关系：
Figure BDA0002412884880000044
其中，ΔRij＝R’ij-Rij为端口电阻增量，ΔRk＝R’k-Rk为支路电阻增量。
⑷、根据端口电阻增量及支路电阻增量构造ε维的故障诊断方程组。设网络有m个可及节点，最多获得ε个端口电阻值，并构造ε维的故障诊断方程组：
Figure BDA0002412884880000051
其中，
Figure BDA0002412884880000052
ΔRij(ε)为实际的测量值，端口电阻增量，等于端口i和端口j之间的测量电阻值，减去计算得出的未腐蚀前的理论端口电阻值；ΔRk为求解目标，支路电阻增量，等于腐蚀后的支路电阻与初始支路电阻之间的差值；Ik为已知量，初始情况(未腐蚀状态)下的支路电流；I'k为未知量，腐蚀后的支路电流。需要由ΔRk计算得出；I0为已知量，恒定电流源的电流。
⑸、使用最小二乘法进行局部调优的粒子群算法对欠定方程组求解得到腐蚀后各部分电阻以判断其腐蚀情况。由于上述方程组中的I0、Ik是已知的。ΔRk、R’k是待求变量I’k是取决于R’k的未知量，采用最小二乘法进行局部调优的粒子群算法可求得故障后导体的每个部分的电阻值，以判断其腐蚀情况。其具体步骤为：
①、测量端口电阻R′ij(s)；
②、初始化，将I′k(0)＝Ik带入方程组，目的是给未知量I'k一个初始值；
③、通过粒子群算法进行全局搜索，搜索到初步可行解后，再使用SQP序列二次规划或者IPA内点法进行局部搜索，得出
Figure BDA0002412884880000053
④、若
Figure BDA0002412884880000054
即随着算法迭代次数的增加，
Figure BDA0002412884880000055
的值和上次迭代的计算结果相比不在增加，算法结束，
Figure BDA0002412884880000056
为最终的支路电阻增量，否则，进行步骤⑤；
⑤、用
Figure BDA0002412884880000057
计算
Figure BDA0002412884880000058
即更新I'k后进行步骤③。
下面，根据上述一种变电站接地网快速模型建立与腐蚀准确诊断方法对一个4*4共有24个支路电阻的电阻网络进行计算，以验证其准确性。
一个4*4的电阻网络，共有支路电阻b＝24个，如图5所示。其中可及节点为节点2、7、9，初始支路电阻为1Ω。可算出初始的端口电阻，值为0.77、1.08、0.99。在激励电流源的电流＝1A的情况下，算出支路电流，其中每个向量都为包含24个支路电流值的列向量。
现在设定支路9因为腐蚀，电阻从1Ω变为了5Ω，电阻增量为4Ω。经过测量得到的实际端口电阻值发生了变化，测量值变为0.97、1.08、1.20，端口电阻增量为0.20、0、0.21。
根据测量值和特勒根定律得到支路电阻变化量和端口电阻变化量之间的关系：
Figure BDA0002412884880000061
根据得到的支路电阻变化量和端口电阻变化量之间的关系，构造故障诊断方程组：
Figure BDA0002412884880000062
使用最小二乘法进行局部调优的粒子群算法对欠定方程组进行求解。令支路电流I'k等于Ik，可得出第一次迭代结果的
Figure BDA0002412884880000063
如图6所示，能够看出设定的腐蚀支路9电阻增量发生了明显变化，其他支路没有明显改变。
得到
Figure BDA0002412884880000064
之后，更新
Figure BDA0002412884880000065
并计算
Figure BDA0002412884880000066
在经过了多次迭代之后，得到
Figure BDA0002412884880000067
的值，如图7所示，其中支路9的电阻增量为4Ω，其余支路无明显变化，计算结束，证明上述算法能够较为精确的对腐蚀支路进行了诊断。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种变电站接地网快速模型建立与腐蚀准确诊断方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、根据变电站电气完整性测试情况，获取变电站接地网图纸；
步骤2、根据变电站接地网图纸建立基于VISIO的变电站接地网快速模型；
步骤3、根据建立的模型对腐蚀进行精确诊断。
2.根据权利要求1所述的一种变电站接地网快速模型建立与腐蚀准确诊断方法，其特征在于：所述步骤2的具体实现步骤为：
⑴、根据变电站接地网图纸，在VISIO软件上绘制接地网节点，并按顺序依次编号；
⑵、对节点进行连接，按照节点之间的距离长度制定连线数值，并去掉图形样式；
⑶、按照接地网图纸完成地网结构模型。
3.根据权利要求1所述的一种变电站接地网快速模型建立与腐蚀准确诊断方法，其特征在于：所述步骤3的具体实现方法：
⑴、将建立的模型简化等效为电阻网络；
⑵、根据特勒根定理计算腐蚀前后端口电阻及支路电阻；
⑶、将腐蚀前后的端口电阻及支路电阻做差值处理，得到端口电阻增量及支路电阻增量；
⑷、根据端口电阻增量及支路电阻增量构造多维的故障诊断方程组；
⑸、使用最小二乘法进行局部调优的粒子群算法对欠定方程组求解得到腐蚀后各部分电阻以判断其腐蚀情况。
4.根据权利要求3所述的一种变电站接地网快速模型建立与腐蚀准确诊断方法，其特征在于：所述步骤⑵的原始网络为：
Figure FDA0002412884870000011
其中，Ik、Uk分别为电网络N的支路电流和支路电压，I’k、U’k分别为电网络N’的支路电流和支路电压；将腐蚀前的接地网视为具有b+1个分支和n个节点的网络N，第b+1支路为连接到接地网络的i、j节点的恒定电流源支路，电流值为I0；通过测量i、j节点之间的电压，获得端口电阻值Rij，对腐蚀后的网络N’中相应的i、j节点施加同样的恒定电流源I0，获得腐蚀后的端口电阻R’ij，并得到：
Figure FDA0002412884870000012
设i，j节点的第b+1条支路的电流两个网络都为i0，得到：
Figure FDA0002412884870000013
5.根据权利要求3所述的一种变电站接地网快速模型建立与腐蚀准确诊断方法，其特征在于：所述步骤⑶的计算方法为，将原始网络带入b+1分支网络，并相减得到支路电阻变化量和端口电阻变化量之间的关系，
Figure FDA0002412884870000021
其中，ΔRij＝R’ij-Rij为端口电阻增量，ΔRk＝R’k-Rk为支路电阻增量，Ik为腐蚀前的支路电流，I'k为腐蚀后的支路电流，I0为恒定电流源的电流。
6.根据权利要求3所述的一种变电站接地网快速模型建立与腐蚀准确诊断方法，其特征在于：所述步骤⑷的计算方法为：设网络有m个可及节点，最多获得ε个端口电阻值，并构造ε维的故障诊断方程组：
Figure FDA0002412884870000022
其中，
Figure FDA0002412884870000029
ΔRij(ε)分别为实际的测量值、端口电阻增量，端口电阻增量等于端口i和端口j之间的测量电阻值，减去计算得出的腐蚀前的理论端口电阻值；ΔRk为支路电阻增量，等于腐蚀后的支路电阻与初始支路电阻之间的差值；Ik为腐蚀前的支路电流，I'k为腐蚀后的支路电流，I0为恒定电流源的电流。
7.根据权利要求3或4或5或6所述的一种变电站接地网快速模型建立与腐蚀准确诊断方法，其特征在于：所述步骤⑸的计算步骤为：
⑴、测量端口电阻R′ij(s)；
⑵、初始化，将I′k(0)＝Ik带入方程组；
⑶、通过粒子群算法求解欠定方程组，得出
Figure FDA0002412884870000023
⑷、若
Figure FDA0002412884870000024
即随着算法迭代次数的增加，
Figure FDA0002412884870000025
的值和上次迭代的计算结果相比不在增加，算法结束，
Figure FDA0002412884870000026
为最终的支路电阻增量，否则，进行步骤⑸；
⑸、用
Figure FDA0002412884870000027
计算
Figure FDA0002412884870000028
即更新I'k后进行步骤⑶。
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