基于D‑dot电场传感器的输电线路电压测量方法与流程

本发明涉及一种电压测量方法，尤其涉及一种基于D-dot电场传感器的输电线路电压测量方法。

背景技术：

在电力系统中，对于输电线路的电压测量在继电保护、过压保护以及在线监测等控制领域中都是极为重要的参数，其测量的准确性、可靠性是电网安全、稳定运行的保障。

随着电网的不断发展，比如传输容量逐渐增大、电压等级的提高等因素，传统的电压测量装置，比如电磁式电压传感器、电容式电压传感器以及难以满足精度要求，不能够为电力系统的工作提供准确的参数指导；随着技术发展，逐渐提出了非接触式的D-dot电压传感器，这种电压传感器虽然在精度上较之与上述电压传感器在精度上有所提高，但是存在着如下缺点：数据计算难度大，难以准确求解，而且其测量精度容易受到环境因素的影响，也就是说，当测量环境恶化时，D-dot电压传感器则难以进行测量。

因此，需要提出一种新的输电线路的测量手段以解决上述技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于D-dot电场传感器的输电线路电压测量方法，在测量过程中能够有效减少环境因素的影响，能够对输电线路的电压进行准确测量，为电力系统的安全、稳定运行提供准确的电压参考参数。

本发明提供的一种基于D-dot电场传感器的输电线路电压测量方法，包括：

在输电线路周围环境中选择参考点，将参考点到输电线路之间的垂直距离确定为积分路径；

在积分路径上布置多个D-dot电场传感器并侦测积分路径上的电场值；

由计算输电线路的电压。

进一步，选择输电线路下方的大地为参考点，且输电线路下方垂直于大地的路径为积分路径；且D-dot电场传感器按照如下方式布置：

由输电线路到大地方向，D-dot电场传感器的布置密度逐渐增大。

进一步，在计算输电线路电压时，调整D-dot电场传感器的测量角度进行测量；

判断各D-dot电场传感器所测电场值的标准差是否均小于设定值，如是，在当前D-dot电场传感器的测量条件下，记录多组电场值数据作为积分依据；

将每一组的电场值通过数值积分迭代运算，调整数值积分公式的迭代次数以及步长，确定误差最小的一组电场值，由误差最小的电场值计算输电线路电压。

进一步，所述D-dot电场传感器采用如下方法制造获得的电场传感器：

S1.获取输电线路的参数，建立输电线电场分布模型，得到输电线周围电场的分布状况；

S2.获取设计目标D-dot电场传感器的设计参数，建立电场传感器模型，将电场传感器模型代入到输电线电场分布模型中；

S3.建立设计目标D-dot电场传感器与输电线路的场路耦合模型及等效电路，并对场路耦合等效电路的传递函数进行仿真分析计算，得出设计目标D-dot电场传感器的输出参数；

S4.判断设计目标D-dot电场传感器的输出结果与理论计算的输出结果的误差，如误差在设定范围内，当前的电场传感器模型符合设计要求；如果误差在设定范围之外，则对设计参数进行优化调整，返回到S2中。

进一步，所述场路耦合等效电路的传递函数为：

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分别D-dot电场传感器的上电极和下电极对地杂散电容，C_m1、C_m2分别为被测输电导线与D-dot电场的上电极与下电极的互电容；R_m为D-dot电场传感器的差分放大器的输入阻抗；C_m0为上电极和下电极之间的互电容，为输电线路的实时电压，U_O(s)为D-dot电场传感器的输出电压，即输入阻抗R_m两端的电压。

进一步，输电线的电场分布模型如下：

将输电线路的空间区域以及D-dot电场传感器在该空间区域内进行边界划分：划分为输电线路的空间场域、D-dot电场传感器内部以及D-dot电场传感器与空间场域的分界面，其中：

输电线路的空间场域电场分布：

D-dot电场传感器内部电场分布：

$\▿\×v\▿\×A-\▿(\mathrm{\υ}\▿\·A)=J$

J＝γE；

D-dot电场传感器与空间场域的分界面电场分布：

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

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

A₁＝A₂；

其中：ν为磁阻率，σ为传感器电极的电导率，υ为罚因子，n₂₁为输电线路与电场传感器的分界面的法向量；n12为填充介质分界面上的法向量；A为输电线路的空间场域的矢量磁位，A1和A2分别为输电线路与D-dot电场传感器的分界面之间的矢量磁位，J为电流密度，γ为D-dot电场传感器的填充介质的电导率；为电场传感器的标量电位；E为电场强度。

进一步，场路耦合模型为：

其中，为电场传感器的积分电路的积分系数；V(t)电场传感器的输出电压，U(t)为电场传感器的积分电路输出电压；E为电场场强；为电场传感器的标量电位，A为矢量磁位，Rm为电场传感器的差分电路的输入阻抗；A_εq为电场传感器的电极的等效面积。

本发明的有益效果：本发明的基于D-dot电场传感器的输电线路电压测量方法，在测量过程中能够有效减少环境因素的影响，能够对输电线路的电压进行准确测量，为电力系统的安全、稳定运行提供准确的电压参考参数。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的测量原理图。

图3为本发明的边界划分示意图。

图4为本发明的电场传感器输出等效电路。

图5为本发明的积分电路等效电路。

图6为本发明的电场传感器与输电线路电场耦合的等效电路图。

图7为本发明的D-dot电场传感器的布置示意图。

图8为本发明不同的路径测量结果示意图。

具体实施方式

以下对本发明进行进一步的阐述和说明：

本发明提供的一种基于D-dot电场传感器的输电线路电压测量方法，包括：

在输电线路周围环境中选择参考点，将参考点到输电线路之间的垂直距离确定为积分路径；

在积分路径上布置多个D-dot电场传感器并侦测积分路径上的电场值；

由计算输电线路的电压；通过这种方法，在测量过程中能够有效减少环境因素的影响，能够对输电线路的电压进行准确测量，为电力系统的安全、稳定运行提供准确的电压参考参数。

本实施例中，选择输电线路下方的大地为参考点，且输电线路下方垂直于大地的路径为积分路径，图2为三相输电线路的空间电场为，以B相输电线路的电压测量为例，图中的虚线表示电场分布区域，图8表示B相输电线路在不同的积分路径的条件下B相输电线路的电位从图8中可以看出，无论选取何种路径，电场强度沿积分路径的分布曲线与X轴、Y轴围成面积均相等，也就是说，计算结果与积分路径无关，但是，为了简化计算过程，因此，选取输电线路下方垂直于大地的路径为积分路径；且D-dot电场传感器按照如下方式布置：

由输电线路到大地方向，D-dot电场传感器的布置密度逐渐增大，如图7所示的D-dot电场传感器的布置示意图，由于越远离输电线路的位置电场越小，且容易受到外界干扰，因此，通过上述方式，既能够对所选取的积分路径的电场强度的准确测量，又降低了测量成本，为了保证测量的安全性，在输电线路的下方1.8-2.8米处开始防止电场传感器，相邻电场传感器之间的距离为30-50cm，以保证测量精度。

本实施例中，在计算输电线路电压时，调整D-dot电场传感器的测量角度进行测量；

判断各D-dot电场传感器所测电场值的标准差是否均小于设定值，如是，在当前D-dot电场传感器的测量条件下，记录多组电场值数据作为积分依据；

将每一组的电场值通过数值积分迭代运算，调整数值积分公式的迭代次数以及步长，确定误差最小的一组电场值，由误差最小的电场值计算输电线路电压，通过这种方法，能够有效提高电压测量的精确性，从而准确指导电力系统的工作，确保电力系统安全、稳定运行，其中，数值积分迭代运算为现有的算法，在此不加以赘述。

本实施例中，所述D-dot电场传感器采用如下方法制造获得的电场传感器：

S1.获取输电线路的参数，建立输电线电场分布模型，得到输电线周围电场的分布状况；其中，输电线路的参数包括：输电线路的参数包括输电线路电压等级、输电电流以及各相的相电压；本发明通过有限元分析软件Ansoft Maxwell进行输电线电场分布模型的建立，提高计算效率；在制造D-dot电场传感器的过程中，输电线路与电压测量的输电线路是不同的；

S2.获取设计目标D-dot电场传感器的设计参数，建立电场传感器模型，将电场传感器模型代入到输电线电场分布模型中；

S3.建立设计目标D-dot电场传感器与输电线路的场路耦合模型及等效电路，并对场路耦合等效电路的传递函数进行仿真分析计算，得出设计目标D-dot电场传感器的输出参数；目标D-dot电场传感器的设计参数包括电场传感器的电极形状、电极尺寸、电极材料、绝缘介质材料、电极间距以及电极感应面积。

S4.判断设计目标D-dot电场传感器的输出结果与理论计算的输出结果的误差，如误差在设定范围内，当前的电场传感器模型符合设计要求，按照当前参数制造电场传感器；如果误差在设定范围之外，则对设计参数进行优化调整，返回到S2中；通过这种方式制造的电场传感器，测量精度高，能够保证在输电线路的电压测量计算中的精度。

本实施例中，所述场路耦合等效电路的传递函数为：

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分别D-dot电场传感器的上电极和下电极对地杂散电容，C_m1、C_m2分别为被测输电导线与D-dot电场的上电极与下电极的互电容；R_m为D-dot电场传感器的差分放大器的输入阻抗；C_m0为上电极和下电极之间的互电容，为输电线路的实时电压，U_O(s)为D-dot电场传感器的输出电压，即输入阻抗R_m两端的电压。

本实施例中，输电线的电场分布模型如下：

将输电线路的空间区域以及D-dot电场传感器在该空间区域内进行边界划分：划分为输电线路的空间场域、D-dot电场传感器内部以及D-dot电场传感器与空间场域的分界面，其中：

输电线路的空间场域电场分布：

D-dot电场传感器内部电场分布：

$\▿\×v\▿\×A-\▿(\mathrm{\υ}\▿\·A)=J$

J＝γE；

D-dot电场传感器与空间场域的分界面电场分布：

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

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

A₁＝A₂；

其中：ν为磁阻率，σ为传感器电极的电导率，υ为罚因子，n₂₁为输电线路与电场传感器的分界面的法向量；n12为填充介质分界面上的法向量；A为输电线路的空间场域的矢量磁位，A1和A2分别为输电线路与D-dot电场传感器的分界面之间的矢量磁位，J为电流密度，γ为D-dot电场传感器的填充介质的电导率；为电场传感器的标量电位；E为电场强度。

本实施例中，场路耦合模型为：

其中，为电场传感器的积分电路的积分系数；V(t)电场传感器的输出电压，U(t)为电场传感器的积分电路输出电压；E为电场场强；为电场传感器的标量电位，A为矢量磁位，Rm为电场传感器的差分电路的输入阻抗；A_εq为电场传感器的电极的等效面积。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。