CN113471965A - 一种确定大区域电网建模边界的方法、装置、设备和介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定大区域电网建模边界的方法、装置、设备和介质，首先构建输电线对管道的持续干扰分析模型，获得饱和平行长度，在饱和平行长度下计算获取干扰电压和输电线路与管道间距间的关系；根据实际管道腐蚀和人身安全需求确定所需考虑的最小持续干扰电压分量阈值，进而获得不同电压等级、导线排列方式下的输电线路干扰范围，即大区域电网对管道持续干扰分析的建模边界。本发明考虑了整个电网对管道的持续干扰；可以定量分析截断边界所带来的误差；误差可控。

Description

一种确定大区域电网建模边界的方法、装置、设备和介质

技术领域

本发明属于电气工程技术领域，具体涉及一种确定大区域电网建模边界的方法、装置、设备和介质。

背景技术

随着经济的迅速发展，对能源的需求日益增加，而能源分布的不均衡，促使输电线路和油气管道的建设迅速推进，电网和油气管网的规模也不断增大。由于土地资源的限制，以及两者在建设路径选择上的相似性，致使二者不可避免的存在长距离小间距并行甚至交叉跨越的情况，导致电网在管道上产生较大的干扰电压，产生较大的泄漏电流密度，造成人身安全和管道腐蚀问题。

管道上的干扰电压是由电网中所有输电线路共同产生的，但组成电网的输电线路极多，在分析大区域电网对埋地金属管道的持续干扰时，对所有输电线路进行详细建模是不现实的，因此已有研究都是以单条或少数几条输电线路对管道的干扰为研究对象，但这将导致分析结果与实际存在较大差异。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对大区域电网对埋地金属管道的持续干扰，提供一种利用阈值确定大区域电网建模边界的方法。

为达到上述目的，本发明所述一种利用阈值确定大区域电网建模边界的方法，首先构建输电线路对埋地管道的持续干扰分析模型，获得饱和平行长度，在饱和平行长度下计算获取干扰电压幅值和输电线路与管道间距间的关系；结合截断误差和由实际管道腐蚀、人身安全限值确定的计算精度需求，计算考虑最小持续干扰电压分量模值的阈值；再结合干扰电压幅值和输电线路与管道间距间的关系求出不同电压等级、导线排列方式下的输电线路建模边界，进而得到整个大区域电网对管道持续干扰分析的建模边界。

进一步的，包括以下步骤：

构建输电线路对埋地管道的持续干扰计算模型，在不同的输电线路和管道并行长度下，计算管道上持续干扰电压幅值的最大值，根据管道持续干扰电压幅值最大时的并行长度确定饱和平行长度；

按电压等级、杆塔结构对输电线路进行分类，并在最严苛条件下，计算各类线路产生的持续干扰电压分量幅值最大值随输电线路与管道间距的变化规律，所述最严苛条件是指：在饱和平行长度下、在最大载流电流下、最大相导线间距以及多回线路相序相同；

根据实际管道腐蚀要求和人身安全需求确定计算精度，结合截断误差确定所需考虑的最小持续干扰电压分量模值的阈值；

根据输电线路与管道间距与干扰电压的变化规律，以及最小持续干扰电压分量模值的阈值，得到整个大区域电网对管道持续干扰分析的建模边界。

进一步的，阈值的确定过程为：

S1、确定初始阈值；

S2、计算初始阈值下的截断误差，所述截断误差为所有干扰电压次要分量的向量和；

S3、评估截断边界所带来的截断误差是否满足计算精度：

若满足，则将当前阈值作为确定的阈值；

若不满足，则根据截断误差调整阈值，并重复S3，直至所述阈值满足计算精度。

进一步的，S3中，若截断误差过大则减小阈值；若所需构建输电线路过多则增大阈值，使阈值所对应的计算精度满足需求且输电线路数量尽可能少。

进一步的，确定建模边界时，将持续干扰电压分量幅值最大值随输电线路与管道间距的变化规律曲线上大于阈值的间距范围定为该类输电线路的建模边界。

一种确定大区域电网建模边界的装置，包括：

干扰特性获取模块：用于计算不同电压等级、导线排列方式下的输电线路干扰特性，得到输电线路与管道间距的变化规律；

阈值确定模块：用于确定所需考虑的最小持续干扰电压分量模值的阈值；

截断边界确定模块：用于根据最小持续干扰电压分量模值阈值和干扰电压和输电线路与管道间距间的关系确定不同类型输电线路的建模边界，得到整个大区域电网对管道持续干扰分析的建模边界。

一种计算机设备，包括电连接的存储器和处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现上述的确定大区域电网建模边界方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的确定大区域电网建模边界的方法的步骤。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

根据理论分析可知，管道上实际的总持续干扰电压可分解为电网中所有输电线路在管道上产生的持续干扰电压分量之和。本发明假设电网中的输电线路均匀分布，且线路载流电流的相位在[-π，π]区间内均匀分布，各持续干扰电压分量的幅值随线路与管道间距的增大而减小，逐渐趋近于零，因此针对某确定的干扰电压阈值M，存在一个确定的间距L，当输电线路与管道间距大于L时，线路在管道上产生的持续干扰电压分量幅值必小于M。本发明将L作为大区域电网的建模边界，同时为确定合理的阈值M，根据数理统计知识构建了间距大于L的所有输电线路在管道上产生的总持续干扰电压幅值分布的概率模型。该概率模型可根据阈值M定量分析截断误差，同时也可根据计算精度的需求，通过迭代确定阈值M，因此截断边界所带来的误差可控。由于定量分析了截断后的分析结果与实际结果间的差异，因此可根据截断模型分析整个电网对管道的持续干扰。

附图说明

图1为本发明的工作流程图；

图2a为ZB型杆塔结构示意图；

图2b为输电线路对埋地管道持续干扰计算模型；

图3为三种工况下的饱和平行长度计算结果；

图4为220kV输电线路干扰范围计算结果；

图5为各输电线路在管道上的持续干扰电压分量合成示意图；

图6a为持续干扰电压次要分量向量和模值概率密度分布示意图；

图6b为持续干扰电压次要分量向量和模值概率分布示意图；

图7为本发明提供的建模装置图；

图8为本发明提供的计算机设备示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明基于矩量法计算输电线路与管道并行长度为饱和平行长度时，不同间距下的干扰电压，根据实际管道腐蚀和人身安全需求确定计算精度，进而确定所需考虑的最小持续干扰电压分量模值的阈值，根据阈值确定不同电压等级、导线排列方式下的输电线路建模边界，再根据各类线路的建模边界确定整个大区域电网的建模边界。

本发明的技术核心是首先构建输电线对管道的持续干扰分析模型，获得饱和平行长度，在饱和平行长度下计算获取干扰电压幅值和输电线路与管道间距间的关系f(d)；结合截断误差评估模型和由实际管道腐蚀、人身安全限值确定的计算精度需求，进而算得所需考虑的最小持续干扰电压分量模值的阈值M，再结合f(d)即可求得不同电压等级、导线排列方式下的输电线路建模边界L，进而可得整个大区域电网对管道持续干扰分析的建模边界。

参照图1，一种利用阈值确定大区域电网建模边界的方法，包括以下步骤：

步骤1、构建输电线路对埋地管道的持续干扰计算模型，在不同的输电线路和管道并行长度下，计算管道上持续干扰电压幅值的最大值，进而根据管道持续干扰电压幅值最大时的并行长度确定饱和平行长度；

步骤2、按电压等级、杆塔结构对输电线路进行分类，并在最严苛条件下计算各类线路产生的持续干扰电压分量幅值最大值随输电线路与管道间距的变化规律f(d)，最严苛条件是指：饱和平行长度、最大载流电流、最大相导线间距、多回线路相序相同；

步骤3、根据实际管道腐蚀要求和人身安全需求确定计算精度，结合截断误差计算所需考虑的最小持续干扰电压分量模值的阈值M；

步骤4、根据最小持续干扰电压分量模值阈值M和干扰电压和输电线路与管道间距间的关系f(d)确定不同类型输电线路的建模边界L，进而可得整个大区域电网对管道持续干扰分析的建模边界。针对各类输电线路，将规律曲线f(d)上大于阈值M的间距范围定为该类输电线路的建模范围L，在构建大区域电网对管道的持续干扰模型时，仅构建所分析管道位于其建模范围L之内的输电线路，进而实现大区域电网建模边界的截断。

步骤3中，将干扰电压次要分量的幅值和相位看作随机变量，再根据中心极限定理将次要分量的实部之和与虚部之和都近似为正态分布，提出干扰电压次要分量向量和的模值服从瑞利分布，在确定阈值后可评估截断边界所带来的截断误差，并根据截断误差调整阈值，使其满足所需计算精度。若误差过大则减小阈值，若所需构建输电线路过多则增大阈值，使阈值所对应的计算精度满足需求且输电线路数量尽可能少。

应用实例

一种利用阈值确定大区域电网建模边界的方法，包括以下步骤：

步骤1、取土壤电阻率100Ω.m，导线按ZB型杆塔排列，线路与管道间距20m，构建输电线路对埋地管道的持续干扰计算模型，如图2a和图2b。在不同输电线路和管道并行长度下计算管道上持续干扰电压，如附图3，分析持续干扰电压幅值最大时的并行长度，即饱和平行长度为24km。

步骤2、考虑最严苛的工况，土壤电阻率取为100Ω.m，输电线路与管道并行长度取为饱和平行长度，针对220kV输电线路，载流电流取为最大可能载流电流3530A，并根据《220kV输电线路典型设计》将相导线排列方式按直线塔结构归纳为ZB、ZM、SZ、SSZ、SSSZ五类，取各类排列方式下相导线间距最大且相同相序排列方式为计算条件，管道参数取为典型管道DN1200的参数。根据以上条件分别构建最严苛工况下，5种相导线排列方式下的持续干扰计算模型，计算不同输电线路与管道间距下的持续干扰电压，如附图4，进而分析持续干扰电压幅值最大值与间距间的函数关系f(d)。取f(d)的形式为式(1)，则通过拟合可得表1。

U＝f(d)＝Cd^-m,m＞0 (1)

式中，U为管道上持续干扰电压幅值最大值，V；d为输电线路与管道间距，km；C和m为拟合参数。

表1持续干扰电压幅值最大值与间距间的函数关系f(d)拟合结果

步骤3、电网在管道上产生的持续干扰电压主要造成加速管道腐蚀和威胁与之接触人员人身安全两方面的问题，因此相关规程中对此做出限值要求。由于埋地管道深埋于地下，普通人员难以与之接触，因此常根据GB6830以针对专业人员的60V作为人身安全限值；管道腐蚀方面常根据GB/T50698以泄漏电流密度进行限值，由于泄漏电流密度同时与管道上持续干扰电压和管道附近土壤电阻率相关，且管道跨度大，土壤电阻率变化范围广，因此本实例在考虑计算精度需求时仅考虑人身安全限值60V，同时以0.4V为阈值M的初始值。

利用阈值的初始值将干扰电压分量分为幅值大于阈值的主要分量和幅值小于阈值的次要分量，如图5，则仅管道两侧较小范围内的少数输电线路能在管道上产生主要分量，而大量距离管道较远、并行长度较短或载流电流较小的输电线路仅会产生次要分量。考虑到管道两侧较小范围内的线路较少，因此本实例将由于距离管道较远而导致干扰电压小于阈值M的次要分量作为一个集合Г₁，而将Г₁之外的所有干扰电压分量记为Г₂，则产生Г₁的输电线路集合即为被截断的电网边界，截断误差即为Г₁中所有干扰电压次要分量的向量和。

针对Г₁中的干扰电压次要分量，将其幅值U和相位θ看作两个独立的随机变量。由于各输电线路与管道空间相对位置、载流电流相位的差异，将导致各线路产生的干扰电压分量的相位存在较大差异，可近似认为其服从均匀分布，即θ～U[-π,π]，则相位的概率密度函数为：

干扰电压幅值U为输电线路与管道间距d的函数，即：

U＝f(d) (3)

当d较大，干扰电压幅值U较小时，U将随d单调下降，因此存在可逆函数，使式(4)成立。

d＝f^-1(U)＝g(U) (4)

对式(4)取微分可得间距对管道上干扰电压的变化率。

其中，Δd为输电线路与管道间距的变化量，ΔU为Δd内持续干扰电压幅值的变化量；

若输电线路分布均匀，则管道两侧一定间距范围内的输电线路数量将与间距变化量Δd成正比，因而可认为干扰电压幅值在[ε，M]内的概率分布为：

式中，A为常数，

M为阈值；ε为任意小正数。

将干扰电压向量表示为随机变量X，则：

X＝a+jb＝Ucos(θ)+jUsin(θ) (7)

于是有：

E(a)＝E(b)＝E(U cos(θ))

＝∫∫U cos(θ)f₁(θ)f₂(U)dUdθ＝0 (8)

其中，E(a)为随机变量a的数学期望，E(b)为随机变量b的数学期望，E(U cos(θ))为U cos(θ)的数学期望，σ²为方差，D(a)为随机变量a的方差，D(b)为随机变量b的方差，D(Ucos(θ))为随机变量U cos(θ)的方差；

将Г₁中第i个干扰电压次要分量表示为X_i，则Г₁中所有次要分量的向量和Z可表示为：

式(10)中，n为产生Г₁中干扰电压次要分量的输电线路数量，a_i为第i条输电线路产生的干扰电压分量实部，b_i为第i条输电线路产生的干扰电压分量虚部，若假设单位间距内输电线路的平均数量为ρ，则n＝2[g(ε)-g(M)]ρ，g(ε)为干扰电压幅值为ε时输电线路与管道的间距，g(M)为干扰电压幅值为M时输电线路与管道的间距。

根据中心极限定理可知：

其中，N(0,1)表示标准正态分布；

因此，在分析大区域电网对埋地金属管道的持续干扰时，可近似认为Г₁中数量众多的干扰电压次要分量的向量和为零，而仅需考虑Г₂中的少数干扰电压分量所对应的输电线路。

为获得Г₁中干扰电压向量和模值的概率密度函数，本实例将式(7)中的实部和虚部近似认为相互独立，则式(10)中的实部和虚部之和相互独立，因而根据积分变换法，由式(12)可知，Г₁中干扰电压次要分量向量和模值的概率密度函数为式(13)。

式(12)中，x、y为实自变量，h(x)为任意函数；式(13)中，z对应式(10)中Z的模值。

本发明假设f(d)为幂函数，则根据表1中的拟合结果可知，保守起见，可将式(1)中的m取为所有拟合结果的下限值2.0，则式(13)中：

因此Г₁中的干扰电压次要分量向量和模值的概率密度函数为式(15)，图6a和图6b。

因此，由式(15)评估此时的截断误差，如在阈值取为0.4V时，若管道附近平均每公里内有5条输电线路，即相邻输电线路间的间距为200m，则干扰电压次要分量向量和模值有95％的概率小于2.23V。若该计算精度满足所需计算精度，则利用该阈值计算截断边界；若该精度不足以满足所需精度(或建模范围过大)，则减小阈值(或增大阈值)，直到计算精度满足需求为止。针对本实例，由于截断误差有95％的概率小于限值的3.72％，因此认为阈值取0.4V可满足对计算精度的要求。

步骤4、将步骤2中获得的输电线路干扰特性f(d)和步骤3中获得的阈值M绘制于同一图中，如附图4，确定f(d)上大于M的输电线路与管道间距区间，即可获得电网中不同导线排列方式下的输电线路截断边界L，进而可得220kV电网的建模边界如表2。

表2 220kV典型输电线路的截断边界

即：在分析大区域电网对管网的持续干扰时，针对220kV的输电线路，仅需考虑管道两侧4.20km范围内导线按ZB型杆塔排列的输电线路，4.10km范围内导线按ZM型杆塔排列的输电线路，10.65km范围内导线按SZ型杆塔排列的输电线路，11.93km范围内导线按SSZ型杆塔排列的输电线路，11.84km范围内导线按SSSZ型杆塔排列的输电线路。使用该建模边界时，截断误差有95％的概率小于2.23V。针对实际输电线路，若一条输电线路中存在不同的导线排列方式，则保守起见，可以其中截断边界最大的导线排列方式为准。

实施例2

如图7所示，本发明提供的一种确定大区域电网建模边界装置，包括：

干扰特性获取模块：用于计算不同电压等级、导线排列方式下的输电线路干扰特性，得到输电线路与管道间距的变化规律f(d)；

阈值确定模块：用于确定所需考虑的最小持续干扰电压分量模值的阈值M；

截断边界确定模块：用于根据最小持续干扰电压分量模值阈值M和干扰电压和输电线路与管道间距间的关系f(d)确定不同类型输电线路的建模边界L，进而可得整个大区域电网对管道持续干扰分析的建模边界。

实施例3

本发明提供的一种计算机设备，如图8所示，包括电连接的存储器和处理器，其中，存储器上存储有可在处理器上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现上述的确定大区域电网建模边界的方法的步骤。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

实施例4

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种确定大区域电网建模边界的方法，其特征在于，首先构建输电线路对埋地管道的持续干扰分析模型，获得饱和平行长度，在饱和平行长度下计算获取干扰电压幅值和输电线路与管道间距间的关系；结合截断误差和由实际管道腐蚀、人身安全限值确定的计算精度需求，计算考虑最小持续干扰电压分量模值的阈值；再结合干扰电压幅值和输电线路与管道间距间的关系求出不同电压等级、导线排列方式下的输电线路建模边界，进而得到整个大区域电网对管道持续干扰分析的建模边界。

2.根据权利要求1所述的一种确定大区域电网建模边界的方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建输电线路对埋地管道的持续干扰计算模型，在不同的输电线路和管道并行长度下，计算管道上持续干扰电压幅值的最大值，根据管道持续干扰电压幅值最大时的并行长度确定饱和平行长度；

按电压等级、杆塔结构对输电线路进行分类，并在最严苛条件下，计算各类线路产生的持续干扰电压分量幅值最大值随输电线路与管道间距的变化规律，所述最严苛条件是指：在饱和平行长度下、在最大载流电流下、最大相导线间距以及多回线路相序相同；

根据实际管道腐蚀要求和人身安全需求确定计算精度，结合截断误差确定所需考虑的最小持续干扰电压分量模值的阈值；

根据输电线路与管道间距与干扰电压的变化规律，以及最小持续干扰电压分量模值的阈值，得到整个大区域电网对管道持续干扰分析的建模边界。

3.根据权利要求2所述的一种确定大区域电网建模边界的方法，其特征在于，所述阈值的确定过程为：

S1、确定初始阈值；

S2、计算初始阈值下的截断误差，所述截断误差为所有干扰电压次要分量的向量和；

S3、评估截断边界所带来的截断误差是否满足计算精度：

若满足，则将当前阈值作为确定的阈值；

若不满足，则根据截断误差调整阈值，并重复S3，直至所述阈值满足计算精度。

4.根据权利要求3所述的一种确定大区域电网建模边界的方法，其特征在于，所述S3中，若截断误差过大则减小阈值；若所需构建输电线路过多则增大阈值，使阈值所对应的计算精度满足需求且输电线路数量尽可能少。

5.根据权利要求2所述的一种确定大区域电网建模边界的方法，其特征在于，确定建模边界时，将持续干扰电压分量幅值最大值随输电线路与管道间距的变化规律曲线上大于阈值的间距范围定为该类输电线路的建模边界。

6.一种确定大区域电网建模边界的装置，其特征在于，包括：

干扰特性获取模块：用于计算不同电压等级、导线排列方式下的输电线路干扰特性，得到输电线路与管道间距的变化规律；

阈值确定模块：用于确定所需考虑的最小持续干扰电压分量模值的阈值；

截断边界确定模块：用于根据最小持续干扰电压分量模值阈值和干扰电压和输电线路与管道间距间的关系确定不同类型输电线路的建模边界，得到整个大区域电网对管道持续干扰分析的建模边界。

7.一种计算机设备，其特征在于，包括电连接的存储器和处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算程序，所述处理器执行所述计算程序时，实现权利要求1-5中任意一项所述的方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的方法的步骤。

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