CN115078900A - 适用于架空线路的非接触式电压测量方法 - Google Patents

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CN115078900A CN202210602198.5A CN202210602198A CN115078900A CN 115078900 A CN115078900 A CN 115078900A CN 202210602198 A CN202210602198 A CN 202210602198A CN 115078900 A CN115078900 A CN 115078900A
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李嘉贤
刘灏
刘海涛
吴建云
牛健
栗磊
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North China Electric Power University
Electric Power Research Institute of State Grid Ningxia Electric Power Co Ltd
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North China Electric Power University
Electric Power Research Institute of State Grid Ningxia Electric Power Co Ltd
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Abstract

本发明公开了一种适用于架空线路的非接触式电压测量方法，包括：对架空线电场进行建模分析；在地面布设传感器阵列；利用布设的传感器各自测量电场强度，利用所有传感器测量的电场强度结合建模分析结果，构建传感器测量方程组，获得每一传感器测量的电场强度；求解测量方程组，获得架空线高度、瞬时电压与相对位置参数的估计值；利用架空线高度、瞬时电压与相对位置参数的估计值构建比例系数矩阵，在后续的测量阶段，利用传感器测量的场强强度结合比例系数矩阵获得各架空线电压。上述测量方案无需接触架空线，具有安全、便捷的优点。

Description

适用于架空线路的非接触式电压测量方法
技术领域
本发明涉及电压测量技术领域，尤其涉及一种适用于架空线路的非接触式电压测量方法。
背景技术
电压是电力系统中的重要参数，电压测量具有重要意义，传统高电压测量主要采用电压互感器与待测导体进行直接的电气连接，通过测量互感器二次侧的低压信号乘以变比来计算待测电压。电压互感器体积较大，生产、运输、安装成本高，且绝缘难度随电压等级提高而提高。
随着传感技术的发展，电场传感器性能不断提高，使得利用导体周围空间电场分布来测量导体电压成为可能，但是，目前还没有较为快捷、有效的测量方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于架空线路的非接触式电压测量方法，无需接触架空线，具有安全、便捷的优点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种适用于架空线路的非接触式电压测量方法，包括：
对架空线电场进行建模分析；
在地面布设传感器阵列；
利用传感器阵列测量的电场强度结合架空线电场的建模分析结果，构建电场测量方程组；
求解电场测量方程组，获得各架空线高度、各架空线电压以及各架空线与传感器相对位置参数的估计值；
利用求解获得的各架空线高度以及各架空线与传感器相对位置参数的估计值构建比例系数矩阵，在后续的测量阶段，利用传感器测量的电场强度结合比例系数矩阵获得各架空线电压。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过测量架空线下方地面电场，间接计算架空线电压与位置，只要架空线和传感器没有发生相对位移，可以直接利用传感器输出进行架空线电压计算，降低了计算负担，而且，无需接触架空线，具有安全、便捷的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种适用于架空线路的非接触式电压测量方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的架空线截面分析示意图；
图3为本发明实施例提供的架空线下方地面电场分析图；
图4为本发明实施例提供的多架空线电压测量示意图；
图5为本发明实施例提供的9个电场传感器20毫秒内的电场测量值曲线图；
图6为本发明实施例提供的利用比例系数矩阵计算出的三根架空线电压值曲线图；
图7为本发明实施例提供的三根架空线电压计算值与真实值之间的误差曲线图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
下面对本发明所提供的一种适用于架空线路的非接触式电压测量方法进行详细描述。本发明实施例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。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
如图1所示，一种适用于架空线路的非接触式电压测量方法，主要包括如下步骤：
步骤1、对架空线电场进行建模分析。
如图2所示，展示了架空线电场建模示意图，对实际线路做了如下简化：
1)架空线简化为无限长直圆柱，电荷沿架空线长度均匀分布，架空线与地面平行，不考虑架空线弧垂。
2)地面简化为无穷大平面，电位为0。
3)忽略杆塔与临近物体的影响。
本发明实施例中，采用模拟电荷法对架空线截面电场进行建模分析。
如图3所示，架空线半径为r0，高度为h，电压为u，在地面处P点的电场强度为：
Figure BDA0003670103420000031
其中，E为P点处电场强度，d为P点距离架空线正下方的横向距离。
步骤2、在地面布设传感器阵列。
如图4所示，设架空线条数为N，第i条架空线电压为ui，高度为hi，距离第1个传感器的横向距离为di；传感器数量为n＝3N，构建直线阵列放置于地面，方向垂直于架空线，第j个传感器与第1个传感器间距为mj，显然，m1＝0。
步骤3、利用传感器阵列测量的电场强度结合步骤1中的地面电场表达式构建电场测量方程组如下：
Figure BDA0003670103420000032
其中，Ej(j＝1,2,…,n)为第j个传感器测得的电场强度(已知)，N为架空线条数(已知)，ui(i＝1,2,…,N)为第i条架空线电压(待求)，r0表示架空线半径(已知)，hi(i＝1,2,…,N)为第i条架空线高度(未知)，mj(j＝1,2,…,n)表示第j个传感器与第1个传感器间距(已知且m1＝0)，di(i＝2,3,…,N)表示第i条架空线与第1个传感器的横向距离(未知)。
步骤4、求解测量方程组(3N个方程)，获得架空线高度hi、架空线电压ui(瞬时电压)与相对位置参数di的估计值(3N个未知量)。
本发明实施例中，使用针对多元非线性方程组的求解方法求解测量方程组。
需要说明的是，求解测量方程组为本发明不可缺少的步骤，但本发明并不限定某种求解方法。求解该类多元非线性方程组方法有很多，例如，梯度法、牛顿法、拟牛顿法、罚函数法、蚁群算法、粒子群算法等，上述数学算法本身并非本发明的创新内容，可根据具体方程体量、收敛速度需求以及硬件计算能力条件等因素，平衡各方面矛盾选择合适的方法进行求解。
此时获得的架空线电压ui可以理解为利用当前时刻传感器测得的电场强度Ej计算出的当前时刻的第i条架空线电压，为了为便于计算后续时刻的架空线电压，通过构建比例系数矩阵简化测量过程，详见后续步骤5提供的方案。
步骤5、利用架空线高度与相对位置参数的估计值构建比例系数矩阵，在后续的测量阶段，利用传感器测量的场强强度结合比例系数矩阵获得各架空线电压。
本发明实施例中，构建的比例系数矩阵表示为：K＝[kji]n×N；K表示架空线和电场传感器之间的相对位置关系，其中，
Figure BDA0003670103420000041
上式中，kji表示利用架空线高度以及相对位置参数的估计值计算出的第i条架空线与第j个传感器的变换关系。
架空线电压向量U＝[u1,u2,…,uN]T与传感器输出电场E＝[E1,E2,…,En]T之间存在如下关系：
E＝KU
其中，ui表示第i条架空线电压，i＝1,2,…,N，N为架空线条数，Ej表示第j个传感器输出电场强度，j＝1,2,…,n，n＝3N为传感器个数，T表示向量转置符号。
只要架空线和传感器没有发生相对位移，比例系数矩阵K就不会发生变化，因此，只需进行一轮迭代获得矩阵比例系数矩阵K，在后续的测量阶段，利用传感器测量的电场强度向量E’和比例系数矩阵获得后续的测量阶段中每一时刻的架空线电压向量U’，表示为：
U’＝K+E’
其中，K+为比例系数矩阵K的广义逆矩阵，U’＝[u1’,u2’,…,uN’]T，ui’表示后续的测量阶段中每一时刻第i条架空线电压，传感器输出电场向量E’＝[E1’,E2’,…,En’]T，Ej’表示后续的测量阶段中每一时刻第j个传感器输出电场强度。
通过发明实施例提供的上述方案，在后续的测量阶段中，利用相应时刻传感器输出电场向量E’，能够快速的计算出相应时刻的架空线电压向量U’。
本发明实施例上述方案，通过测量架空线下方地面电场，间接计算架空线电压与位置，只要架空线和传感器没有发生相对位移，可以直接利用传感器输出进行架空线电压计算，降低了计算负担，而且，无需接触架空线，具有安全、便捷的优点。
为了便于理解，下面结合一个场景示例对本发明上述方案进行仿真测试。
仿真测试选取110kV三相架空线场景，相关参数如下：
架空线数量N＝3，架空线参数：r0＝0.0108，h1＝8.8，h2＝11.7，h3＝8.9，d1＝-1.9，d2＝4.1，d3＝10.2，单位：米。
瞬时电压值：u1＝155563.49，u2＝-77781.75，u3＝-77781.75单位：伏特。
电场传感器数量n＝9，传感器阵列及其相对位置参数：m1＝0，m2＝1，m3＝2，m4＝3，m5＝4，m6＝5，m7＝6，m8＝7，m9＝8，单位：米。
传感器输出电场强度：E1＝2005.66，E2＝1553.76，E3＝1042.22，E4＝506.81，E5＝-21.76，E6＝-519.72，E7＝-969.45，E8＝-1357.26，E9＝-1671.82，单位：伏/米。
此时，测量方程组如下：
Figure BDA0003670103420000061
本示例中，采用牛顿法进行求解，9个未知数估计值如下：
架空线参数：h1＝8.800000006，h2＝11.699999996，h3＝8.899999998，d1＝-1.899999,97，d2＝4.100000001，d3＝10.200000003，单位：米。
瞬时电压值：u1＝155659.24，u2＝-77817.73，u3＝-77829.08单位：伏特。
比例系数矩阵如下：
Figure BDA0003670103420000062
其广义逆矩阵如下：
Figure BDA0003670103420000071
9个传感器后续20毫秒输出如图5所示，利用矩阵K+可以得到三根架空线电压，如图6所示，电压测量值相对真实值的误差如图7所示，可以看出，电压测量绝对误差小于20伏。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)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的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种适用于架空线路的非接触式电压测量方法，其特征在于，包括：
对架空线电场进行建模分析；
在地面布设传感器阵列；
利用传感器阵列测量的电场强度结合架空线电场的建模分析结果，构建电场测量方程组；
求解电场测量方程组，获得各架空线高度、各架空线电压以及各架空线与传感器相对位置参数的估计值；
利用求解获得的各架空线高度以及各架空线与传感器相对位置参数的估计值构建比例系数矩阵，在后续的测量阶段，利用传感器测量的电场强度结合比例系数矩阵获得各架空线电压。
2.根据权利要求1所述的一种适用于架空线路的非接触式电压测量方法，其特征在于，所述对架空线电场进行建模分析包括：
采用模拟电荷法对架空线截面电场进行建模分析；
设置：架空线半径为r0，高度为h，电压为u，则在地面处P点的电场强度为：
Figure FDA0003670103410000011
其中，E为P点处电场强度，d为P点距离架空线正下方的横向距离。
3.根据权利要求1所述的一种适用于架空线路的非接触式电压测量方法，其特征在于，所述在地面布设传感器阵列包括：
设架空线条数为N，第i条架空线电压为ui，高度为hi，距离第1个传感器的横向距离为di；传感器数量为n＝3N，构建直线阵列放置于地面，方向垂直于架空线，第j个传感器与第1个传感器间距为mj。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种适用于架空线路的非接触式电压测量方法，其特征在于，构建的电场测量方程组表示为：
Figure FDA0003670103410000021
其中，Ej表示第j个传感器测得的电场强度，mj表示第j个传感器与第1个传感器间距，j＝1,2,…,n，n表示传感器数量；r0表示架空线半径，ui表示第i条架空线电压，i＝1,2,…,N，N表示架空线条数；hi表示第i条架空线高度，di表示第i条架空线与第1个传感器的横向距离。
5.根据权利要求1所述的一种适用于架空线路的非接触式电压测量方法，其特征在于，所述求解测量方程组包括：使用针对多元非线性方程组的求解方法求解测量方程组。
6.根据权利要求1所述的一种适用于架空线路的非接触式电压测量方法，其特征在于，构建的比例系数矩阵表示为：K＝[kji]n×N；K表示架空线和电场传感器之间的相对位置关系，其中，
Figure FDA0003670103410000022
其中，kji表示利用架空线高度以及相对位置参数的估计值计算出的第i条架空线与第j个传感器的变换关系；mj表示第j个传感器与第1个传感器间距，j＝1,2,…,n，n表示传感器数量；r0表示架空线半径；hi表示第i条架空线高度，di表示第i条架空线与第1个传感器的横向距离，i＝1,2,…,N，N表示架空线条数；
架空线电压向量U＝[u1,u2,…,uN]T与传感器输出电场E＝[E1,E2,…,En]T之间存在如下关系：
E＝KU
其中，ui表示第i条架空线电压，i＝1,2,…,N，Ej表示第j个传感器测得的电场强度，j＝1,2,…,n，n为传感器个数，T表示向量转置符号。
7.根据权利要求1或6所述的一种适用于架空线路的非接触式电压测量方法，其特征在于，所述在后续的测量阶段，利用传感器输出电场E’结合比例系数矩阵获得后续的测量阶段中每一时刻的架空线电压向量U’表示为：
U’＝K+E’
其中，K+为比例系数矩阵K的广义逆矩阵，U’＝[u1’,u2’,…,uN’]T，ui’表示后续的测量阶段中每一时刻第i条架空线电压，i＝1,2,…,N，N为架空线条数，E’＝[E1’,E2’,…,En’]T，Ej表示后续的测量阶段中每一时刻第j个传感器测得的电场强度，j＝1,2,…,n，n为传感器个数，T表示向量转置符号。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117217044A (zh) * 2023-08-25 2023-12-12 合肥工业大学 一种基于粒子群算法的换流站内优化电场测量位置设计方法

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