CN111521914A - 一种用于确定高压输电直流线路起晕场强的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于确定高压输电直流线路起晕场强的方法及系统，属于高压直流输电技术领域。本发明方法，包括：获取高压输电直流线路不同工况下，分裂导线上电晕电流的测试数据并去除测试数据中的非电晕成分数据；对去除非电晕成分数据的测试数据进行统计，获取不同工况下的统计数据；获取高压输电直流线路不同工况下，分裂导线的表面场强，并确定高压输电线路不同工况下，统计数据与表面场强的相互关系曲线；根据相互关系曲线，确定高压输电直流线路起晕场强。本发明适应性强，符合试验数据的特性规律，可在电晕笼内有步骤地开展大量直流导线的起晕场强试验，更加快速稳定的确定起晕场强。

Description

一种用于确定高压输电直流线路起晕场强的方法及系统
技术领域
本发明涉及高压直流输电技术领域，并且更具体地，涉及一种用于确定高压输电直流线路起晕场强的方法及系统。
背景技术
特高压输电线路的电磁环境问题是特高压交直流输电线路设计、建设和运行中必须考虑的重大技术问题,它与输电线路的电晕特性直接相关。考虑到经济性，输电线路通常设计成在正常运行电压下允许有一定程度的电晕放电。电晕放电将产生可听噪声、无线电干扰和电晕损耗等，对环境和运行会造成一定的影响。从建设和运行成本以及环境保护等多方面考虑，合理设计导线，适度控制电晕效应，对发展特高压输电非常重要。
电晕引起的这些问题是输电工程设计、建设和运行中必需考虑的重大技术问题。此外，随着经济的不断发展和民众环境意识的增强，其环境影响问题越来越受到人们的关注，受到环保的严格制约，成为决定输电线路结构，影响建设费用等的重要因素。因此，要加强特高压输电技术的研究，减小和避免电晕的发生以及电晕效应，必须分析导线的电晕特性及其带来的一系列问题。
电晕笼是一种用来模拟实际输电线路电磁环境的经济、有效的工具。在电晕笼内可以较方便地开展真型导线在较大范围电压下的电晕效应试验。但在电晕笼内开展真型导线的起晕电压试验方法尚不成熟，因而有必要先在电晕笼内开展基于电晕电流起晕电压判定方法研究。
发明内容
针对上述问题本发明提出了一种用于确定高压输电直流线路起晕场强的方法，包括：
获取高压输电直流线路不同工况下，分裂导线上电晕电流的测试数据并去除测试数据中的非电晕成分数据；
对去除非电晕成分数据的测试数据进行统计，获取不同工况下的统计数据；
获取高压输电直流线路不同工况下，分裂导线的表面场强，并确定高压输电线路不同工况下，统计数据与表面场强的相互关系曲线；
根据相互关系曲线，确定高压输电直流线路起晕场强。
可选的，测试数据为，采集的高压输电线路高压侧电晕电流的样本数据，样本数据经光电转换后传输至高压输电线路低压侧，后经光电逆变生成的电晕电流信号。
可选的，去除测试数据中的非电晕成分数据，是针对测试数据进行降噪处理；所述降噪处理，包括：
使用数字多频陷波滤波器对测试数据中的工频及其倍频谐波进行剔除；
窄带干扰信号剔除；
抑制白噪声。
可选的，非电晕成分数据，包括：工频及倍频谐波、窄带干扰信号和白噪声。
可选的，统计数据为统计的平均值或50％值。
可选的，统计数据与表面场强的相互关系曲线的确定，包括：
确定高压直流线路的分裂导线每个表面场强测量点处的电晕效应梯度，并确定梯度最大的测量点和起晕点；
根据测量点和起晕点，确定起晕场强。
可选的，电晕效应梯度公式的确定公式为：
Figure BDA0002423098010000031
其中，Ti为第i个测量点的电晕电流梯度、Ii为第i个测量点的电晕电流和Ei为第i的测量点的电场强度，i的范围为1-n。
可选的，起晕场强的确定公式为：
Figure BDA0002423098010000032
其中，其中，E0为起晕场强、Ed为起晕点，，Ed+1为第d+1个测量点对应的表面场强，Id为起晕点处对应的电晕电流Id+1为第d+1个测量点处对应的起晕电流和d为测量点。
本发明还提出了一种用于确定高压输电直流线路起晕场强的系统，包括：
采集模块，获取高压输电直流线路不同工况下，分裂导线上电晕电流的测试数据并去除测试数据中的非电晕成分数据；
处理模块，对去除非电晕成分数据的测试数据进行统计，获取不同工况下的统计数据；
对比模块，获取高压输电直流线路不同工况下，分裂导线的表面场强，并确定高压输电线路不同工况下，统计数据与表面场强的相互关系曲线；
判定模块，根据相互关系曲线，确定高压输电直流线路起晕场强。
可选的，测试数据为，采集的高压输电线路高压侧电晕电流的样本数据，样本数据经光电转换后传输至高压输电线路低压侧，后经光电逆变生成的电晕电流信号。
可选的，去除测试数据中的非电晕成分数据，是针对测试数据进行降噪处理；所述降噪处理，包括：
使用数字多频陷波滤波器对测试数据中的工频及其倍频谐波进行剔除；
窄带干扰信号剔除；
抑制白噪声。
可选的，非电晕成分数据，包括：工频及倍频谐波、窄带干扰信号和白噪声。
可选的，统计数据为统计的平均值或50％值。
可选的，统计数据与表面场强的相互关系曲线的确定，包括：
确定高压直流线路的分裂导线每个表面场强测量点处的电晕效应梯度，并确定梯度最大的测量点和起晕点；
根据测量点和起晕点，确定起晕场强。
可选的，电晕效应梯度公式的确定公式为：
Figure BDA0002423098010000041
其中，Ti为第i个测量点的电晕电流梯度、Ii为第i个测量点的电晕电流和Ei为第i的测量点的电场强度，i的范围为1-n。
可选的，起晕场强的确定公式为：
Figure BDA0002423098010000042
其中，其中，E0为起晕场强、Ed为起晕点，，Ed+1为第d+1个测量点对应的表面场强，Id为起晕点处对应的电晕电流Id+1为第d+1个测量点处对应的起晕电流和d为测量点。
本发明适应性强，符合试验数据的特性规律，可在电晕笼内有步骤地开展大量直流导线的起晕场强试验，更加快速稳定的确定起晕场强。
附图说明
图1为本发明一种用于确定高压输电直流线路起晕的方法流程图；
图2为本发明一种用于确定高压输电直流线路起晕的方法实施例分裂导线电晕电流曲线图；
图3为本发明一种用于确定高压输电直流线路起晕的方法实施例电晕电流梯度与分裂导线表面场强的关系曲线图；
图4为本发明一种用于确定高压输电直流线路起晕的方法实施例电晕电流梯度的梯度与分裂导线表面场强的关系曲线图；
图5为本发明一种用于确定高压输电直流线路起晕的方法实施例起晕场强判定结果图；
图6为本发明一种用于确定高压输电直流线路起晕的系统结构图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
本发明提出了一种用于确定高压输电直流线路起晕场强的方法，如图1所示，包括：
获取高压输电直流线路不同工况下，分裂导线上电晕电流的测试数据并去除测试数据中的非电晕成分数据；
对去除非电晕成分数据的测试数据进行统计，获取不同工况下的统计数据；
获取高压输电直流线路不同工况下，分裂导线的表面场强，并确定高压输电线路不同工况下，统计数据与表面场强的相互关系曲线；
根据相互关系曲线，确定高压输电直流线路起晕场强。
其中，测试数据为，采集的高压输电线路高压侧电晕电流的样本数据，样本数据经光电转换后传输至高压输电线路低压侧，后经光电逆变生成的电晕电流信号。
去除测试数据中的非电晕成分数据，是针对测试数据进行降噪处理；所述降噪处理，包括：
使用数字多频陷波滤波器对测试数据中的工频及其倍频谐波进行剔除；
窄带干扰信号剔除；
抑制白噪声。
非电晕成分数据，包括：工频及倍频谐波、窄带干扰信号和白噪声。
统计数据为统计的平均值或50％值。
统计数据与表面场强的相互关系曲线的确定，包括：
确定高压直流线路的分裂导线每个表面场强测量点处的电晕效应梯度，并确定梯度最大的测量点和起晕点；
根据测量点和起晕点，确定起晕场强。
电晕效应梯度公式的确定公式为：
Figure BDA0002423098010000061
其中，Ti为第i个测量点的电晕电流梯度、Ii为第i个测量点的电晕电流和Ei为第i的测量点的电场强度，i的范围为1-n。
可选的，起晕场强的确定公式为：
Figure BDA0002423098010000062
其中，其中，E0为起晕场强、Ed为起晕点，，Ed+1为第d+1个测量点对应的表面场强，Id为起晕点处对应的电晕电流Id+1为第d+1个测量点处对应的起晕电流和d为测量点。
下面结合本发明实施例对本发明进行进一步说明：
使用宽频域电晕电流测量系统获取不同电晕放电程度下的分裂导线上电晕电流测试结果。
宽频域电晕电流测量系统测量带宽为30MHz，采样频率最高为500MHz，采样深度为128MB。
利用电晕电流测量系统在高压侧完成电晕电流的取样，然后经采集、光电转换等模块，最后经光纤绝缘子由高压端传输到低压端，光纤直接到达测量室内，经过光电逆变换最终得到要采集的电晕电流信号。
对电晕电流测试数据进行降噪处理，去除电晕电流测试数据中的非电晕成分。
在特高压直流试验基地，以户外大型电晕笼和试验线段为依托获得的电晕电流数据中，除电晕信号之外，还包含多种干扰成分及噪声，数据构成复杂，使得针对电晕本身的分析工作很难进行。
数据预处理，利用数字多频陷波滤波器对数据中存在的工频及其倍频谐波进行处理。
窄带干扰信号处理，利用背景数据与加压数据的频域特性，在频域内做互相关运算，并根据运算结果确定相应阈值处理原加压数据，达到同步抑制窄带型干扰的目的。
其中，输入特高压直流电晕电流背景数据与经预处理之后的加压数据，若二者采样率相同，则分别进行离散傅里叶变换，并在频域范围内做互相关运算，然后，根据互相关的运算结果计算阈值，处理原加压数据频谱，最后，将处理过的频谱进行离散傅里叶逆变换，得到去除窄带干扰信号之后的电晕电流时域波形。
噪声处理，主要利用小波的自适应分频特性，运用小波阈值降噪方法抑制数据中的白噪声。
信号在降噪的过程中，有两个主要准则，即光滑性与相似性，在数学上的常用标准就是在最坏情况下方差最小的约束下的样本估计，基于样本估计的阈值求取方法分别有：通用阈值法(sqtwolog准则)、stein无偏风险阈值法(rigrsure准则)、启发式stein无偏风险阈值法(heursure准则)和最大最小准则阈值法(minimaxi准则)。
各阈值对噪声的去除效果均较好，然而对放电脉冲的保留各有不同，rigrsure准则在能量保留方面较其他有较明显的优势，因此，选择rigrsure准则处理正、负极电晕电流数据。
对每种工况下电晕电流测试结果进行统计分析。
统计平均，一直取统计平均值或50％值。
获取得出每种工况下导线的表面场强。
表面场强获取方法可采用有限元法，模拟电荷法、公式法等。
得出电晕电流与导线表面场强的相互关系。
4×300mm2导线正极导线电晕电流测量结果中，在导线表面场强接近20kV/cm附近时导线开始起晕，随后电晕电流随着导线表面场强的增加急剧增大，而当导线表面场强达到50kV/cm以上时，电晕电流随导线表面场强增加的趋势放缓并逐渐饱和。
电晕电流与导线表面场强的相互关系是随着导线表面场强的增加，电晕电流随导线表面场强的函数关系大致先呈指数规律增大，经过一个短暂的线性区域过渡后，最后又呈现对数规律增大。
基于电晕电流-导线表面场强曲线的最大梯度推导法判定起晕场强。
计算每个表面场强测量点处的电晕效应梯度，并在所有测量点中找出梯度最大的表面场强。
由梯度最大的表面场强测量点处往前倒退，直到电晕效应梯度达到某个足够小的值，此处即达到了起晕点Ed附近。
确定表面场强点处做切线，该切线与横轴或环境干扰水平的交点即为起晕场强。
表面场强测量点处的电晕效应梯度的计算公式为：
Figure BDA0002423098010000081
其中第1个点的梯度计算公式为：
Figure BDA0002423098010000082
最后1点的梯度计算公式为：
Figure BDA0002423098010000083
梯度达到足够小的值一般取最大梯度的1/10。
起晕场强计算公式为：
Figure BDA0002423098010000084
如图2所示，图2为4×300mm2分裂导线电晕电流曲线，使用最大梯度倒推法时，获取每个测点处的梯度，梯度如图3所示，图3中，横坐标为导线表面场强，纵坐标为电晕电流梯度。
如图3所示，在分裂导线表面场强为46.2kV/cm时，电晕电流的增长速度最快，由此点往前倒推时，其梯度越来越小，倒推至表面场强为25kV/cm时，其梯度已降低至最大值的约10％。
再往前倒推时可以再画出电晕电流梯度的梯度，如图4所示，图4给出了图3所示的电晕电流梯度的梯度与导线表面场强的关系，图中横坐标为导线表面场强，纵坐标为电晕电流梯度的梯度。
如图4所示，在导线表面场强为19.55kV/cm时，电晕电流梯度的梯度达到极小值，在此点前后电晕电流随表面场强的增加关系由较慢变为较快，可在此点附近做电晕电流的切线，由此得出4×300mm2导线的起晕场强为18.65kV/cm。同样在电晕笼中开展了6×720mm2导线的电晕电流试验。
判定起晕场强结果如图5所示，其起晕场强为15.09kV/cm。
本发明还提出了一种用于确定高压输电直流线路起晕场强的系统200，如图6所示，包括：
采集模块201，获取高压输电直流线路不同工况下，分裂导线上电晕电流的测试数据并去除测试数据中的非电晕成分数据；
处理模块202，对去除非电晕成分数据的测试数据进行统计，获取不同工况下的统计数据；
对比模块203，获取高压输电直流线路不同工况下，分裂导线的表面场强，并确定高压输电线路不同工况下，统计数据与表面场强的相互关系曲线；
判定模块204，根据相互关系曲线，确定高压输电直流线路起晕场强。
其中，测试数据为，采集的高压输电线路高压侧电晕电流的样本数据，样本数据经光电转换后传输至高压输电线路低压侧，后经光电逆变生成的电晕电流信号。
去除测试数据中的非电晕成分数据，是针对测试数据进行降噪处理；所述降噪处理，包括：
使用数字多频陷波滤波器对测试数据中的工频及其倍频谐波进行剔除；
窄带干扰信号剔除；
抑制白噪声。
非电晕成分数据，包括：工频及倍频谐波、窄带干扰信号和白噪声。
统计数据为统计的平均值或50％值。
统计数据与表面场强的相互关系曲线的确定，包括：
确定高压直流线路的分裂导线每个表面场强测量点处的电晕效应梯度，并确定梯度最大的测量点和起晕点；
根据测量点和起晕点，确定起晕场强。
电晕效应梯度公式的确定公式为：
Figure BDA0002423098010000101
其中，Ti为第i个测量点的电晕电流梯度、Ii为第i个测量点的电晕电流和Ei为第i的测量点的电场强度，i的范围为1-n。
起晕场强的确定公式为：
Figure BDA0002423098010000102
其中，其中，E0为起晕场强、Ed为起晕点，，Ed+1为第d+1个测量点对应的表面场强，Id为起晕点处对应的电晕电流Id+1为第d+1个测量点处对应的起晕电流和d为测量点。
本发明适应性强，符合试验数据的特性规律，可在电晕笼内有步骤地开展大量直流导线的起晕场强试验，更加快速稳定的确定起晕场强。
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。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
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。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (16)

1.一种用于确定高压输电直流线路起晕场强的方法，所述方法包括：
获取高压输电直流线路不同工况下，分裂导线上电晕电流的测试数据并去除测试数据中的非电晕成分数据；
对去除非电晕成分数据的测试数据进行统计，获取不同工况下的统计数据；
获取高压输电直流线路不同工况下，分裂导线的表面场强，并确定高压输电线路不同工况下，统计数据与表面场强的相互关系曲线；
根据相互关系曲线，确定高压输电直流线路起晕场强。
2.根据权利要求1所述的方法，所述测试数据为，采集的高压输电线路高压侧电晕电流的样本数据，样本数据经光电转换后传输至高压输电线路低压侧，后经光电逆变生成的电晕电流信号。
3.根据权利要求1所述的方法，所述去除测试数据中的非电晕成分数据，是针对测试数据进行降噪处理；所述降噪处理，包括：
使用数字多频陷波滤波器对测试数据中的工频及其倍频谐波进行剔除；
窄带干扰信号剔除；
抑制白噪声。
4.根据权利要求1所述的方法，所述非电晕成分数据，包括：工频及倍频谐波、窄带干扰信号和白噪声。
5.根据权利要求1所述的方法，所述统计数据为统计的平均值或50％值。
6.根据权利要求1所述的方法，所述统计数据与表面场强的相互关系曲线的确定，包括：
确定高压直流线路的分裂导线每个表面场强测量点处的电晕效应梯度，并确定梯度最大的测量点和起晕点；
根据测量点和起晕点，确定起晕场强。
7.根据权利要求6所述的方法，所述电晕效应梯度公式的确定公式为：
Figure FDA0002423095000000021
其中，Ti为第i个测量点的电晕电流梯度、Ii为第i个测量点的电晕电流，Ei为第i的测量点的电场强度，i的范围为1-n。
8.根据权利要求6所述的方法，所述起晕场强的确定公式为：
Figure FDA0002423095000000022
其中，E0为起晕场强、Ed为起晕点，，Ed+1为第d+1个测量点对应的表面场强，Id为起晕点处对应的电晕电流Id+1为第d+1个测量点处对应的起晕电流和d为测量点。
9.一种用于确定高压输电直流线路起晕场强的系统，所述系统包括：
采集模块，获取高压输电直流线路不同工况下，分裂导线上电晕电流的测试数据并去除测试数据中的非电晕成分数据；
处理模块，对去除非电晕成分数据的测试数据进行统计，获取不同工况下的统计数据；
对比模块，获取高压输电直流线路不同工况下，分裂导线的表面场强，并确定高压输电线路不同工况下，统计数据与表面场强的相互关系曲线；
判定模块，根据相互关系曲线，确定高压输电直流线路起晕场强。
10.根据权利要求1所述的方法，所述测试数据为，采集的高压输电线路高压侧电晕电流的样本数据，样本数据经光电转换后传输至高压输电线路低压侧，后经光电逆变生成的电晕电流信号。
11.根据权利要求1所述的方法，所述去除测试数据中的非电晕成分数据，是针对测试数据进行降噪处理；所述降噪处理，包括：
使用数字多频陷波滤波器对测试数据中的工频及其倍频谐波进行剔除；
窄带干扰信号剔除；
抑制白噪声。
12.根据权利要求1所述的方法，所述非电晕成分数据，包括：工频及倍频谐波、窄带干扰信号和白噪声。
13.根据权利要求1所述的方法，所述统计数据为统计的平均值或50％值。
14.根据权利要求1所述的方法，所述统计数据与表面场强的相互关系曲线的确定，包括：
确定高压直流线路的分裂导线每个表面场强测量点处的电晕效应梯度，并确定梯度最大的测量点和起晕点；
根据测量点和起晕点，确定起晕场强。
15.根据权利要求14所述的系统，所述电晕效应梯度公式的确定公式为：
Figure FDA0002423095000000031
其中，Ti为第i个测量点的电晕电流梯度、Ii为第i个测量点的电晕电流和Ei为第i的测量点的电场强度，i的范围为1-n。
16.根据权利要求14所述的系统，所述起晕场强的确定公式为：
Figure FDA0002423095000000032
其中，其中，E0为起晕场强、Ed为起晕点，，Ed+1为第d+1个测量点对应的表面场强，Id为起晕点处对应的电晕电流Id+1为第d+1个测量点处对应的起晕电流和d为测量点。
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