基于并联电容的三相架空输电线路相电压自校准方法与流程

本发明涉及一种应用于架空线分布式电压传感器中的基于并联电容的三相架空输电线路相电压自校准方法。
背景技术：
：随着我国电力工业水平的不断发展，建设坚强的智能电网成为未来的发展方向。目前我国配电网线路量大面广线长，所处环境复杂、故障率高，开发低成本分布式监测装置，实现对配网运行状态的实时在线监测与故障定位对实现配电网高效经济运行具有重大意义。对配网架空线路相电压的分布式准确测量是一个难点。目前广泛使用的电压传感器主要有电磁式电压互感器(简称为pt)、电容式电压互感器(简称为cvt)、光学电压传感器等。光学电压传感器稳定性问题尚未很好解决，需要高精度加工工艺和粘接工艺，尚未在电力互感器中得到大规模应用。传统电磁式电压互感器的容量较小、成本高、绝缘结构复杂、存在铁磁谐振现象、有漏感分布电容等因素的影响，渐渐不适应如今电网的需求。电容式电压互感器主要应用于330kv以上电网，体积大，造价昂贵，不易安装，无法满足低成本分布式装置的要求。因此建立一种适用于配网分布式装置的相电压测量方法，并能实现三相线路相电压非接触式自校准，对提高分布式装置的电压测量精度具有重大意义。技术实现要素：本发明的目的在于提出一种适用于小型化分布式装置的三相架空输电线路相电压的自校准方法，克服现有pt、cvt、光学电压传感器的不足，具有高测量精度。本发明利用空间电容分压原理，将输电线路与大地视为电压两级，将具有上下极板的平行板电容器作为采样电容置于其中，充分考虑三相线路之间的各类杂散电容，包括绝缘层所引起的电容，相间导线所存在的电容等，建立集中参数等效电路。在上极板侧并联开关电容，通过改变其容值从而改变上极板对导线的杂散电容值，采样电容上将测得不同的电压值，从而可推算出各未知的杂散电容大小及待测电压大小。本发明的技术解决方案如下：一种基于并联电容的三相架空输电线路相电压自校准方法，其特点在于，该方法包括下列步骤：1)将三台分布式电压传感器测量装置同时分别置于三相架空输电线路的a、b、c三相，所述的分布式电压传感器测量装置的输出端与计算机相连，所述的分布式电压传感器测量装置测得到一组电压测量值uca、ucb、ucc，并输入计算机建立对应的校准方程组(6)：其中，c11为采样电容上极板对本相导线的电容；c12为采样电容对邻相导线电容；c13为ac相之间采样电容对导线的电容，cg为采样电容下极板对地的电容，c为采样电容的容值；2)在每相分布式电压传感器测量装置的采样电容上极板对本相导线的电容c11的两端并联一个电容ch，则等效于改变c11为c′11＝c11+ch，测量得一组新的电压测量值u’ca,u’cb,u’cc，输入计算机建立另一组校准方程(7)：其中，c’11为并联电容ch后的等效采样电容上极板对本相导线的电容；3)在每相分布式电压传感器测量装置的采样电容上极板对本相导线的电容c11的两端再并联一个电容ch，即每相装置c11两端并联两个电容ch，c″11＝c11+2ch，并联后测量得到第三组电压测量值u”ca,u”cb,u”cc，并输入计算机建立第三组校准方程(8)：其中，c”11为并联两个电容ch后的等效采样电容上极板对本相导线的电容；4)计算机将(6)(7)(8)三组方程联立求解，得到cg、c11、c12、c13、ua、ub、uc，即完成三相架空输电线路相电压自校准。本发明由于采用了以上技术方案，充分考虑三相线路之间的各类杂散电容，包括绝缘层所引起的电容，相间导线所存在的电容等，建立集中参数等效电路。在上极板侧并联开关电容，通过改变其容值从而改变上极板对导线的杂散电容值，在采样电容上将测得不同的电压值，从而可推算出各未知的杂散电容大小及待测电压大小，实现三相线路相电压的自校准。附图说明图1是本发明的a相装置测量等效电路图2是本发明的b相装置、c相装置测量等效电路图3是本发明的并联开关电容示意图图4是本发明实施例的优化求解收敛过程示意图具体实施方式以下结合附图和实施例对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图1、图2、图3，图1是本发明的a相装置测量等效电路，图2是本发明的b相装置、c相装置测量等效电路，图3是本发明的并联开关电容示意图，由图可见，本发明基于并联电容的三相架空输电线路相电压自校准方法，该方法包括下列步骤：1)将三台分布式电压传感器测量装置同时分别置于三相架空输电线路的a、b、c三相，所述的分布式电压传感器测量装置的输出端与计算机相连，所述的分布式电压传感器测量装置测得到一组电压测量值uca、ucb、ucc，并输入计算机建立对应的校准方程组(6)：其中，c11为采样电容上极板对本相导线的电容；c12为采样电容对邻相导线电容；c13为ac相之间采样电容对导线的电容，cg为采样电容下极板对地的电容，c为采样电容的容值；2)在每相分布式电压传感器测量装置的采样电容上极板对本相导线的电容c11两端并联一个电容ch，则等效于改变c11为c′11＝c11+ch，测量得一组新的电压测量值u’ca,u’cb,u’cc，输入计算机建立另一组校准方程(7)：3)在每相分布式电压传感器测量装置的采样电容上极板对本相导线的电容c11两端再并联一个电容ch，即每相装置c11两端并联两个电容ch，c″11＝c11+2ch，并联后测量得到第三组电压测量值u”ca,u”cb,u”cc，并输入计算机建立第三组校准方程(8)：4)计算机将(6)(7)(8)三组方程联立求解，得到cg、c11、c12、c13、ua、ub、uc，即完成三相架空输电线路相电压自校准。本发明的原理如下：由于架空线路为三相排列，分布式电压传感器测量装置(以下简称为测量装置)为每相分开部署，因此运用空间电容分压测量时每相测量装置将受到其余两相线路影响。以a相为例，其测量等效电路如图1所示。为了简化计算，其中作如下假定：abc三相电压幅值在测量时间内稳定不变，线路导线规格相同，相间距离相同，每相测量装置的采样电容相同，对地分布电容也相同。其中，c11为采样电容上极板对本相导线的电容；c12为采样电容对邻相导线电容；c13为ac相之间采样电容对导线的电容。同理，b、c两相装置测量的等效电路如图2.以图1为例，令节点1电压为u，由电路原理可得：考虑采样电容c可以选取的很大，达到μf级，可以认为cg为采样电容下极板对地的电容，则c+cg≈c，所以则采样电容c上的电压与各相电压的关系为：其中，ua,ub,uc有相位差，假定三相之间相位差恒为120°，则ua＝uasin(ωt)ub＝ubsin(ωt+240°)uc＝ucsin(ωt+120°)代入上式，并进行正弦展开可得：考虑校准只需校准幅值或有效值，则上式中可把正弦量略去，保留幅值，可得：此为校准所依据的基本方程，将其代入图2中bc两相等效电路可得类似方程，因此扩展成三相可得校准方程如下：其中，c11为采样电容上极板对本相导线的电容，主要由绝缘层引起，c12为采样电容对邻相导线电容，c13为ac相之间采样电容对导线的电容，主要由空气和绝缘层引起；ua,ub,uc为三相电压幅值；cg为采样电容对地的分布电容。以上7个量为未知量，需要校准求得。c为采样电容的容值，为已知量。uca、ucb、ucc分别为三相装置采样电容所测量得到电压幅值，为已知量。一种三相架空输电线路相电压自校准方法，其特征如下：校准过程共需求7个未知量数值，因此所需校准方程数应至少7条，根据方程组(6)中所得的校准方程数过少，需增加方程数。通过分析方程组(6)的结构可以得出结论，改变采样电容的容值已知量c的值大小并不能增加新的有效方程数，需改变未知量的大小才能增加新的有效方程。根据以上思路，采用并联电容法，给c11并联一已知开关电容，因而增加新的有效方程。其原理图如图3，图3中，在采样电容的上极板侧并联已知大小的开关电容，从而改变了原有的c11，增加了新的有效方程。具体可按如下步骤实现：步骤1、不并联，得到一组测量值uca,ucb,ucc，此对应校准方程为(6)；步骤2、每相装置c11的两端并联一个电容ch，则等效于改变c11为：c′11＝c11+ch，串联后可得一组新的测量值u’ca,u’cb,u’cc，代入方程(6)中可得新的校准方程(7)：步骤3、每相装置c11的两端并联两个电容ch，c″11＝c11+2ch，并联后可得一组新的测量值u”ca,u”cb,u”cc，代入方程(6)中可得新的校准方程(8)：因此，可得(6)(7)(8)三组共9条方程，其中7个未知量，只需通过数学算法将其解出来即完成校准。为验证本发明的有效性，依据本发明在软件中搭建了仿真模型，三相测量装置安装于水平排列三相线路上，线路电压等级为10kv。将已知参数按如下值设定：uca＝10.11×10-5kvucb＝10.12×10-5kvucc＝10.13×10-5kvu′ca＝10.14×10-5kvu′cb＝10.15×10-5kvu′cc＝10.16×10-5kvu″ca＝10.17×10-5kvu″cb＝10.18×10-5kvu″cc＝10.19×10-5kvc＝100000pf＝0.1μfch＝10pf采用pso粒子群算法求解9条校准方程。添加psot工具箱，调用pso_trelea_vectorized优化函数，参数数量设定为n＝7，最大粒子速度取参数变化范围的10％：max_v＝0.1*(range(:,2)-range(:,1))优化结果如下表：未知参数数值cg0.653719923158255pfc1119.78549600195538pfc1213.147895102110086pfc1311.786300773633149pfua7.885691037742135kvub8.291756019856758kvuc8.138569781222148kv目标函数收敛过程如图4所示，求解过程能快速收敛。综上所述，本发明自校准方法能准确的求解未知电容参数及线路电压，实现三相线路相电压的自校准，有效的提高测量精度。当前第1页12