CN113009207A - 基于gic监测装置的变压器无功扰动计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于GIC监测装置的变压器无功扰动计算方法,GIC监测装置安装在变压器高压进出线的导线上,包括供电电源、电流传感器、DC‑DC转换器、信号处理系统、网关系统、云服务器和显示模块;基于GIC监测装置的变压器无功扰动计算方法应用上述GIC监测装置,具体包括如下步骤:步骤1:设置变压器K值,步骤2:建立基于K值法的变压器GIC‑Q扰动算法,步骤3:多平台应用变压器GIC‑Q扰动数据;本发明可扩展GIC监测装置的监测GIC‑Q扰动的功能;同时,还可为电网的调度自动化系统提供GIC‑Q扰动实测数据,用于实时计算电网的电压波动,并评估GIC‑Q扰动对电压稳定的影响。
Description
技术领域
本发明涉及电力信息监测与量测领域,具体说是一种基于GIC监测装置的变压器无功扰动计算方法。
背景技术
随着电网技术的发展,超特高压电网导线的电阻越来越小,地磁暴在电网产生的地磁感应电流(GIC)越来越大,GIC侵害电网变压器次生温升和谐波、无功增大等有害干扰,威胁变压器和电网的安全运行。针对GIC侵害变压器次生的无功(GIC-Q)扰动,本发明提出了一种基于GIC监测装置的变压器无功(GIC-Q)扰动计算方法,本方法根据变压器GIC监测数据,采用比例系数K值法(K值法)计算变压器的GIC-Q扰动数据,为判断GIC-Q扰动风险提供数据。
发明内容
太阳剧烈活动产生的地磁暴在全球各地几乎同时发生。GIC同时侵害电网大量变压器次生的GIC-Q扰动的量值很大,破坏电网的无功平衡,造成电网电压下降,以致发生电压崩溃事故。为分析GIC-Q扰动的风险,本发明提出了一种基于GIC监测装置的变压器无功扰动算法,计算速度快,GIC监测装置可同时提供GIC-Q数据。
根据变压器设计数据,建立场路模型(简称理论算法)计算变压器GIC-Q扰动的方法非常复杂,不适用于GIC-Q的快速实时计算。针对日益增长的电网GIC及GIC-Q扰动监测的需求,本发明提出了一种基于GIC监测装置的变压器无功扰动的算法,该算法采用比例系数K值法(简称K值法,也称工程算法)计算变压器的GIC-Q扰动数据,为电网安全分析提供实时数据。本发明的主要实现方法如下:
一种基于变压器高压进出线的电网GIC监测装置,所述电网GIC监测装置安装在变压器高压进出线的导线上,所述装置包括:供电电源、电流传感器、DC-DC转换器、信号处理系统、网关系统、云服务器和显示模块;
所述供电电源与电流传感器连接,所述供电电源通过DC-DC转换器与信号处理系统,电流传感器与信号处理系统连接,信号处理系统与网关系统连接,网关系统通过无线与云服务器进行通讯,云服务器与显示模块连接;
所述供电电源包括太阳能板和蓄电池,当处于夜晚或阴天时,所述电网GIC监测装置采用蓄电池供电,当有阳光时,太阳能板一方面给电网GIC监测装置供电,另一方面给蓄电池充电,
所述供电电源用于输出15V电压给电流传感器供电;
所述DC-DC转换器用于将供电电源输出的15V电压转换为5V电压给信号处理系统供电;
所述电流传感器用于采集0.01-0.0001Hz的GIC信号,并将GIC信号发送给信号处理系统;
所述信号处理系统用于接收GIC信号并对GIC信号进行处理,并将处理后的数据通过网关系统发送给云服务器;
所述云服务器用于接收信号处理系统发送的数据并对接收的数据进行存储,同时将接收的数据发送给显示模块;
所述显示模块用于给电网调度或运维人员实时显示数据,实现对电网GIC的实时监测。
在上述方案的基础上,所述显示模块包括PC端和手机端。
在上述方案的基础上,所述电流传感器采用霍尔电流传感器。
一种基于GIC监测装置的变压器无功扰动计算方法应用上述电网GIC监测装置,具体包括如下步骤:
步骤1:设置变压器K值
由于电网中变压器铁芯结构类型各不相同,针对不同类型的变压器,在所述电网GIC监测装置的信号处理系统中,设置基于变压器铁芯结构计算变压器GIC-Q扰动的比例系数K值。
步骤2:建立基于K值法的变压器GIC-Q扰动算法
在信号处理系统中,根据步骤1设置好的K值,建立基于K值法的变压器GIC-Q扰动算法,电流传感器实时采集变压器高压绕组每相绕组中流过的GIC量值,将GIC量值发送给信号处理系统,信号处理系统根据基于K值法的变压器GIC-Q扰动算法实时计算被测变压器的GIC-Q扰动数据;
基于K值的GIC-Q计算公式简单,如图2监测装置CPU的计算速度,K值法计算变压器GIC-Q的时间可忽略不计。
步骤3:多平台应用变压器GIC-Q扰动数据
将步骤2计算得到的GIC-Q扰动数据通过网关系统发送给云服务器,所述云服务器用于接收信号处理系统发送的GIC-Q扰动数据并对接收的GIC-Q扰动数据进行存储,同时将接收的GIC-Q扰动数据发送给显示模块;
所述显示模块一方面供电网运检人员掌握变压器运行状态使用,另一方面供电网调度人员分析GIC-Q扰动风险、制定防御策略使用,实现对电网GIC的实时监测。
因此,所获IC-Q扰动数据向多平台传输、显示数据。
在上述方案的基础上,不同类型变压器K值已有很多研究成果,可直接用于信号处理系统中K值的设定。新型变压器可通过理论计算确定K值。
在上述方案的基础上,所述铁芯结构类型包括:单相壳式、单相四柱、五柱式、三相壳式、三相三柱和三相五柱式。
在上述方案的基础上,所述基于K值法的变压器GIC-Q扰动算法如式(1)所示,电网GIC监测装置按下式计算GIC-Q扰动,
Q=K*IGIC+Q0 (1)
其中,Q为GIC侵害变压器产生的GIC-Q损耗(三相总损耗),Q0为变压器正常时的无功损耗(三相总损耗),IGIC为变压器高压绕组每相绕组的GIC(A、B、C每相绕组的GIC相等),K为计算变压器GIC-Q随GIC变化的比例系数。
本发明的有益效果:
由于变压器GIC-Q扰动理论算法复杂,计算工作量大,目前电网中还没有对变压器GIC-Q扰动的监测方法与手段。本发明的基于GIC监测装置的变压器GIC-Q扰动算法:一方面,可扩展GIC监测装置的监测GIC-Q扰动的功能;另一方面,还可为电网的调度自动化系统提供GIC-Q扰动实测数据,用于实时计算电网的电压波动,并评估GIC-Q扰动对电压稳定的影响。本发明方法的计算公式简单,按监测装置CPU的计算速度,GIC-Q的计算时间可忽略不计。
附图说明
本发明有如下附图:
图1不同类型变压器GIC-Q随GIC变化的对比图
图2基于变压器进出线的电网GIC监测系统构成图
具体实施方式
本发明基于GIC监测的变压器每相GIC,采用K值法计算GIC侵害变压器次生的GIC-Q扰动。具体实施方式如下:
1)变压器K值的设置
GIC侵害变压器次生的GIC-Q扰动非常复杂,国内外对该问题已有大量的研究。首先理论上,可根据变压器铁芯设计参数,采用建立变压器的场路模型和J-A理论等方法计算变压器的GIC-Q扰动数据(简称理论算法),理论算法精细,但计算方法复杂、工作量大,不适用GIC-Q扰动的快速计算,只适用于变压器GIC-Q的精细分析。
为了对电网中大量的变压器做理论计算,评估变压器GIC-Q产生的电网GIC-Q总扰动,进而分析电网GIC-Q扰动引起的电压波动的风险,国内外在大量的理论研究成果的基础上,提出了基于比例系数K值法(简称K值法)计算变压器的GIC-Q扰动算法,与理论算法相比,K值法简单和计算速度快,也称工程算法。
上述理论算法和工程算法,主要用于分别计算变压器和整个电网的GIC-Q扰动。但由于地磁暴电网事故是随着电网规模增大、输电线路导线电阻越来越小出现的问题,目前公众对地磁暴电网事故的认知有限,以及还没有有效的监测变压器GIC-Q扰动方法与手段。由于电网中变压器的种类、数量非常多,本发明提出在变压器GIC监测装置上,通过为被测的变压器设置K值计算GIC-Q扰动。
2)基于GIC监测装置的变压器GIC-Q扰动算法
与高磁纬地区国家相比,我国500kV及以上超特高压电网的GIC相对比较大;也就是说,500kV及以上电网的地磁暴事故风险评估需要计算变压器和电网的GIC-Q扰动。500kV及以上电网变压器铁芯的主要类型包括:单相壳式、单相四柱、五柱式、三相壳式、三相三柱和三相五柱式等。因此,用于500kV及以上等级电网变压器GIC监测装置,监测装置可设置变压器K值来计算GIC-Q扰动。不同结构变压器的GIC-Q随GIC大小变化的规律如附图1所示。
由图1可见,变压器的GIC-Q随GIC呈线性变化。因此,可基于K值法计算变压器的GIC-Q扰动算法。在GIC监测装置方面,基于变压器进出线导线的GIC监测装置的输出是变压器每相绕组的GIC。
因此,可利用GIC监测装置按下式计算GIC-Q扰动。
Q=K*IGIC+Q0 (1)
其中,Q为GIC侵害变压器产生的GIC-Q损耗(三相值),Q0为变压器正常时的无功损耗(三相值),IGIC为变压器高压绕组每相绕组的GIC,K为计算变压器GIC-Q随GIC变化的比例系数。
国内外科学家根据变压器的设计数据与资料,已研究确定了多种变压器的K值。例如,我国自行研制的1000kV单相四柱变压器的无功损耗Q可根据下式计算。
Q=2.44*IGIC+1.23 (2)
即,我国自行研制的1000kV单相四柱变压器的K值为2.44,变压器正常时的无功损耗Q0为1.23(三相值),单位为Mvar;IGIC为变压器高压绕组每相绕组的GIC,单位为A。
按GIC监测装置CPU的计算速度,GIC监测装置按式(2)计算GIC-Q需要的时间可忽略不计,可实时监测GIC-Q。
3)多平台应用变压器GIC-Q扰动数据
电网中大量变压器同时产生的GIC-Q扰动的量值大,可能导致电网的电压崩溃事故,本发明为地磁暴事故分析提供基础数据。监测获得GIC-Q扰动数据,与装置采集的变压器GIC数据一样,可通过GIC监测装置后台的多平台显示,分别提供给电网运行、检修以及电网调度人员,用于分析变压器的状态或电网电压稳定性。
以图2监测系统为例,监测装置的信号处理系统,将根据(1)或(2)式计算的变压器GIC-Q扰动数据,通过网关系统送到监测系统的云服务器,并通过云服务器及时发送到运行、检修人员的手机上,也可以通过云服务器传送给电网调度自动化系统汇总,用于实时计算电网的电压波动,并评估电网地磁暴事故的风险。
4)不同电压等级不同类型变压器K值确定方法
对不同类型变压器K值计算已有大量的研究成果,该步骤的K值确定方法不属于本发明权利要求的范畴。在变压器K值数据上,目前除我国自行研制1000kV单相五柱式的变压器外,我国电网500kV、750kV(采用国外760kV)不同类型变压器,以及1000kV单相四柱变压器已有K值计算数据,可用于监测装置计算GIC-Q。
变压器K值的计算需要变压器铁芯设计数据,并通过理论算法计算得到,由于变压器设计数据为变压器厂家的商业秘密,确定新型变压器的K值需要与变压器生产厂家紧密合作。对1000kV单相五柱式变压器K值,可根据铁芯的设计数据与资料,采用文献(刘等,高电压技术,2017)方法可完成K值计算。
除监测GIC和GIC-Q外,电力变压器次生温升、谐波和振动、噪声等都是需要监测的有害干扰,扩大GIC监测装置的功能,实现温升、谐波和振动、噪声等有害干扰的监测是研究课题。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种基于变压器高压进出线的电网GIC监测装置,其特征在于,所述电网GIC监测装置安装在变压器高压进出线的导线上,所述装置包括:供电电源、电流传感器、DC-DC转换器、信号处理系统、网关系统、云服务器和显示模块;
所述供电电源与电流传感器连接,所述供电电源通过DC-DC转换器与信号处理系统,电流传感器与信号处理系统连接,信号处理系统与网关系统连接,网关系统通过无线与云服务器进行通讯,云服务器与显示模块连接;
所述供电电源包括太阳能板和蓄电池,当处于夜晚或阴天时,所述电网GIC监测装置采用蓄电池供电,当有阳光时,太阳能板一方面给电网GIC监测装置供电,另一方面给蓄电池充电,
所述供电电源用于输出15V电压给电流传感器供电;
所述DC-DC转换器用于将供电电源输出的15V电压转换为5V电压给信号处理系统供电;
所述电流传感器用于采集0.01-0.0001Hz的GIC信号,并将GIC信号发送给信号处理系统;
所述信号处理系统用于接收GIC信号并对GIC信号进行处理,并将处理后的数据通过网关系统发送给云服务器;
所述云服务器用于接收信号处理系统发送的数据并对接收的数据进行存储,同时将接收的数据发送给显示模块;
所述显示模块用于给电网调度或运维人员实时显示数据,实现对电网GIC的实时监测。
2.如权利要求1所述的基于变压器高压进出线的电网GIC监测装置,其特征在于,所述显示模块包括PC端和手机端。
3.如权利要求1所述的基于变压器高压进出线的电网GIC监测装置,其特征在于,所述电流传感器采用霍尔电流传感器。
4.一种基于GIC监测装置的变压器无功扰动计算方法应用如权利要求1~3任一权利要求所述的电网GIC监测装置,其特征在于,具体包括如下步骤:
步骤1:设置变压器K值
由于电网中变压器铁芯结构类型各不相同,针对不同类型的变压器,在所述电网GIC监测装置的信号处理系统中,设置基于变压器铁芯结构计算变压器GIC-Q扰动的比例系数K值;
步骤2:建立基于K值法的变压器GIC-Q扰动算法
在信号处理系统中,根据步骤1设置好的K值,建立基于K值法的变压器GIC-Q扰动算法,电流传感器实时采集变压器高压绕组每相绕组中流过的GIC量值,将GIC量值发送给信号处理系统,信号处理系统根据基于K值法的变压器GIC-Q扰动算法实时计算被测变压器的GIC-Q扰动数据;
步骤3:多平台应用变压器GIC-Q扰动数据
将步骤2计算得到的GIC-Q扰动数据通过网关系统发送给云服务器,所述云服务器用于接收信号处理系统发送的GIC-Q扰动数据并对接收的GIC-Q扰动数据进行存储,同时将接收的GIC-Q扰动数据发送给显示模块;
所述显示模块一方面供电网运检人员掌握变压器运行状态使用,另一方面供电网调度人员分析GIC-Q扰动风险、制定防御策略使用,实现对电网GIC的实时监测。
5.如权利要求4所述的基于GIC监测装置的变压器无功扰动计算方法,其特征在于,不同类型的变压器K值根据已有的研究成果,直接用于信号处理系统中K值的设定。
6.如权利要求4所述的基于GIC监测装置的变压器无功扰动计算方法,其特征在于,所述铁芯结构类型包括:单相壳式、单相四柱、五柱式、三相壳式、三相三柱和三相五柱式。
7.如权利要求4所述的基于GIC监测装置的变压器无功扰动计算方法,其特征在于,所述基于K值法的变压器GIC-Q扰动算法如式(1)所示,电网GIC监测装置按下式计算GIC-Q扰动,
Q=K*IGIC+Q0 (1)
其中,Q为GIC侵害变压器产生的GIC-Q损耗,Q0为变压器正常时的无功损耗,IGIC为变压器高压绕组每相绕组的GIC,K为计算变压器GIC-Q随GIC变化的比例系数。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210622 |