基于D?dot電場傳感器的輸電線路電壓測量方法與流程

本發明涉及一種電壓測量方法，尤其涉及一種基于D-dot電場傳感器的輸電線路電壓測量方法。

背景技術：

在電力系統中，對于輸電線路的電壓測量在繼電保護、過壓保護以及在線監測等控制領域中都是極為重要的參數，其測量的準確性、可靠性是電網安全、穩定運行的保障。

隨著電網的不斷發展，比如傳輸容量逐漸增大、電壓等級的提高等因素，傳統的電壓測量裝置，比如電磁式電壓傳感器、電容式電壓傳感器以及難以滿足精度要求，不能夠為電力系統的工作提供準確的參數指導；隨著技術發展，逐漸提出了非接觸式的D-dot電壓傳感器，這種電壓傳感器雖然在精度上較之與上述電壓傳感器在精度上有所提高，但是存在著如下缺點：數據計算難度大，難以準確求解，而且其測量精度容易受到環境因素的影響，也就是說，當測量環境惡化時，D-dot電壓傳感器則難以進行測量。

因此，需要提出一種新的輸電線路的測量手段以解決上述技術問題。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的是提供一種基于D-dot電場傳感器的輸電線路電壓測量方法，在測量過程中能夠有效減少環境因素的影響，能夠對輸電線路的電壓進行準確測量，為電力系統的安全、穩定運行提供準確的電壓參考參數。

本發明提供的一種基于D-dot電場傳感器的輸電線路電壓測量方法，包括：

在輸電線路周圍環境中選擇參考點，將參考點到輸電線路之間的垂直距離確定為積分路徑；

在積分路徑上布置多個D-dot電場傳感器并偵測積分路徑上的電場值；

由計算輸電線路的電壓。

進一步，選擇輸電線路下方的大地為參考點，且輸電線路下方垂直于大地的路徑為積分路徑；且D-dot電場傳感器按照如下方式布置：

由輸電線路到大地方向，D-dot電場傳感器的布置密度逐漸增大。

進一步，在計算輸電線路電壓時，調整D-dot電場傳感器的測量角度進行測量；

判斷各D-dot電場傳感器所測電場值的標準差是否均小于設定值，如是，在當前D-dot電場傳感器的測量條件下，記錄多組電場值數據作為積分依據；

將每一組的電場值通過數值積分迭代運算，調整數值積分公式的迭代次數以及步長，確定誤差最小的一組電場值，由誤差最小的電場值計算輸電線路電壓。

進一步，所述D-dot電場傳感器采用如下方法制造獲得的電場傳感器：

S1.獲取輸電線路的參數，建立輸電線電場分布模型，得到輸電線周圍電場的分布狀況；

S2.獲取設計目標D-dot電場傳感器的設計參數，建立電場傳感器模型，將電場傳感器模型代入到輸電線電場分布模型中；

S3.建立設計目標D-dot電場傳感器與輸電線路的場路耦合模型及等效電路，并對場路耦合等效電路的傳遞函數進行仿真分析計算，得出設計目標D-dot電場傳感器的輸出參數；

S4.判斷設計目標D-dot電場傳感器的輸出結果與理論計算的輸出結果的誤差，如誤差在設定范圍內，當前的電場傳感器模型符合設計要求；如果誤差在設定范圍之外，則對設計參數進行優化調整，返回到S2中。

進一步，所述場路耦合等效電路的傳遞函數為：

其中：

$C_1=\frac{C_{m1}{C}_{s2}-C_{m2}{C}_{s1}}{C_{m1}+C_{m2}+C_{s1}+C_{s1}};$

C_s1和C_s2分別D-dot電場傳感器的上電極和下電極對地雜散電容，C_m1、C_m2分別為被測輸電導線與D-dot電場的上電極與下電極的互電容；R_m為D-dot電場傳感器的差分放大器的輸入阻抗；C_m0為上電極和下電極之間的互電容，為輸電線路的實時電壓，U_O(s)為D-dot電場傳感器的輸出電壓，即輸入阻抗R_m兩端的電壓。

進一步，輸電線的電場分布模型如下：

將輸電線路的空間區域以及D-dot電場傳感器在該空間區域內進行邊界劃分：劃分為輸電線路的空間場域、D-dot電場傳感器內部以及D-dot電場傳感器與空間場域的分界面，其中：

輸電線路的空間場域電場分布：

D-dot電場傳感器內部電場分布：

$\▿\×v\▿\×A-\▿(\mathrm{\υ}\▿\·A)=J$

J＝γE；

D-dot電場傳感器與空間場域的分界面電場分布：

${\mathrm{\υ}}_1\▿\·A_1={\mathrm{\υ}}_2\▿\·A_2$

$v_1\▿\×A_1\×n_{12}=v_2\▿\×A_2\×n_{12}$

A₁＝A₂；

其中：ν為磁阻率，σ為傳感器電極的電導率，υ為罰因子，n₂₁為輸電線路與電場傳感器的分界面的法向量；n12為填充介質分界面上的法向量；A為輸電線路的空間場域的矢量磁位，A1和A2分別為輸電線路與D-dot電場傳感器的分界面之間的矢量磁位，J為電流密度，γ為D-dot電場傳感器的填充介質的電導率；為電場傳感器的標量電位；E為電場強度。

進一步，場路耦合模型為：

其中，為電場傳感器的積分電路的積分系數；V(t)電場傳感器的輸出電壓，U(t)為電場傳感器的積分電路輸出電壓；E為電場場強；為電場傳感器的標量電位，A為矢量磁位，Rm為電場傳感器的差分電路的輸入阻抗；A_εq為電場傳感器的電極的等效面積。

本發明的有益效果：本發明的基于D-dot電場傳感器的輸電線路電壓測量方法，在測量過程中能夠有效減少環境因素的影響，能夠對輸電線路的電壓進行準確測量，為電力系統的安全、穩定運行提供準確的電壓參考參數。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述：

圖1為本發明的流程圖。

圖2為本發明的測量原理圖。

圖3為本發明的邊界劃分示意圖。

圖4為本發明的電場傳感器輸出等效電路。

圖5為本發明的積分電路等效電路。

圖6為本發明的電場傳感器與輸電線路電場耦合的等效電路圖。

圖7為本發明的D-dot電場傳感器的布置示意圖。

圖8為本發明不同的路徑測量結果示意圖。

具體實施方式

以下對本發明進行進一步的闡述和說明：

本發明提供的一種基于D-dot電場傳感器的輸電線路電壓測量方法，包括：

在輸電線路周圍環境中選擇參考點，將參考點到輸電線路之間的垂直距離確定為積分路徑；

在積分路徑上布置多個D-dot電場傳感器并偵測積分路徑上的電場值；

由計算輸電線路的電壓；通過這種方法，在測量過程中能夠有效減少環境因素的影響，能夠對輸電線路的電壓進行準確測量，為電力系統的安全、穩定運行提供準確的電壓參考參數。

本實施例中，選擇輸電線路下方的大地為參考點，且輸電線路下方垂直于大地的路徑為積分路徑，圖2為三相輸電線路的空間電場為，以B相輸電線路的電壓測量為例，圖中的虛線表示電場分布區域，圖8表示B相輸電線路在不同的積分路徑的條件下B相輸電線路的電位從圖8中可以看出，無論選取何種路徑，電場強度沿積分路徑的分布曲線與X軸、Y軸圍成面積均相等，也就是說，計算結果與積分路徑無關，但是，為了簡化計算過程，因此，選取輸電線路下方垂直于大地的路徑為積分路徑；且D-dot電場傳感器按照如下方式布置：

由輸電線路到大地方向，D-dot電場傳感器的布置密度逐漸增大，如圖7所示的D-dot電場傳感器的布置示意圖，由于越遠離輸電線路的位置電場越小，且容易受到外界干擾，因此，通過上述方式，既能夠對所選取的積分路徑的電場強度的準確測量，又降低了測量成本，為了保證測量的安全性，在輸電線路的下方1.8-2.8米處開始防止電場傳感器，相鄰電場傳感器之間的距離為30-50cm，以保證測量精度。

本實施例中，在計算輸電線路電壓時，調整D-dot電場傳感器的測量角度進行測量；

判斷各D-dot電場傳感器所測電場值的標準差是否均小于設定值，如是，在當前D-dot電場傳感器的測量條件下，記錄多組電場值數據作為積分依據；

將每一組的電場值通過數值積分迭代運算，調整數值積分公式的迭代次數以及步長，確定誤差最小的一組電場值，由誤差最小的電場值計算輸電線路電壓，通過這種方法，能夠有效提高電壓測量的精確性，從而準確指導電力系統的工作，確保電力系統安全、穩定運行，其中，數值積分迭代運算為現有的算法，在此不加以贅述。

本實施例中，所述D-dot電場傳感器采用如下方法制造獲得的電場傳感器：

S1.獲取輸電線路的參數，建立輸電線電場分布模型，得到輸電線周圍電場的分布狀況；其中，輸電線路的參數包括：輸電線路的參數包括輸電線路電壓等級、輸電電流以及各相的相電壓；本發明通過有限元分析軟件Ansoft Maxwell進行輸電線電場分布模型的建立，提高計算效率；在制造D-dot電場傳感器的過程中，輸電線路與電壓測量的輸電線路是不同的；

S2.獲取設計目標D-dot電場傳感器的設計參數，建立電場傳感器模型，將電場傳感器模型代入到輸電線電場分布模型中；

S3.建立設計目標D-dot電場傳感器與輸電線路的場路耦合模型及等效電路，并對場路耦合等效電路的傳遞函數進行仿真分析計算，得出設計目標D-dot電場傳感器的輸出參數；目標D-dot電場傳感器的設計參數包括電場傳感器的電極形狀、電極尺寸、電極材料、絕緣介質材料、電極間距以及電極感應面積。

S4.判斷設計目標D-dot電場傳感器的輸出結果與理論計算的輸出結果的誤差，如誤差在設定范圍內，當前的電場傳感器模型符合設計要求，按照當前參數制造電場傳感器；如果誤差在設定范圍之外，則對設計參數進行優化調整，返回到S2中；通過這種方式制造的電場傳感器，測量精度高，能夠保證在輸電線路的電壓測量計算中的精度。

本實施例中，所述場路耦合等效電路的傳遞函數為：

其中：

$C_1=\frac{C_{m1}{C}_{s2}-C_{m2}{C}_{s1}}{C_{m1}+C_{m2}+C_{s1}+C_{s1}};$

C_s1和C_s2分別D-dot電場傳感器的上電極和下電極對地雜散電容，C_m1、C_m2分別為被測輸電導線與D-dot電場的上電極與下電極的互電容；R_m為D-dot電場傳感器的差分放大器的輸入阻抗；C_m0為上電極和下電極之間的互電容，為輸電線路的實時電壓，U_O(s)為D-dot電場傳感器的輸出電壓，即輸入阻抗R_m兩端的電壓。

本實施例中，輸電線的電場分布模型如下：

將輸電線路的空間區域以及D-dot電場傳感器在該空間區域內進行邊界劃分：劃分為輸電線路的空間場域、D-dot電場傳感器內部以及D-dot電場傳感器與空間場域的分界面，其中：

輸電線路的空間場域電場分布：

D-dot電場傳感器內部電場分布：

$\▿\×v\▿\×A-\▿(\mathrm{\υ}\▿\·A)=J$

J＝γE；

D-dot電場傳感器與空間場域的分界面電場分布：

${\mathrm{\υ}}_1\▿\·A_1={\mathrm{\υ}}_2\▿\·A_2$

$v_1\▿\×A_1\×n_{12}=v_2\▿\×A_2\×n_{12}$

A₁＝A₂；

其中：ν為磁阻率，σ為傳感器電極的電導率，υ為罰因子，n₂₁為輸電線路與電場傳感器的分界面的法向量；n12為填充介質分界面上的法向量；A為輸電線路的空間場域的矢量磁位，A1和A2分別為輸電線路與D-dot電場傳感器的分界面之間的矢量磁位，J為電流密度，γ為D-dot電場傳感器的填充介質的電導率；為電場傳感器的標量電位；E為電場強度。

本實施例中，場路耦合模型為：

其中，為電場傳感器的積分電路的積分系數；V(t)電場傳感器的輸出電壓，U(t)為電場傳感器的積分電路輸出電壓；E為電場場強；為電場傳感器的標量電位，A為矢量磁位，Rm為電場傳感器的差分電路的輸入阻抗；A_εq為電場傳感器的電極的等效面積。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。