基于感應(yīng)電的線路工頻參數(shù)測(cè)量方法研究

付 慧 ，陶風(fēng)波 ，周志成 ，魏 旭

(1.華北電力大學(xué)，北京102206；2.江蘇省電力公司，江蘇南京210024；3.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103)

輸電線路作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其工頻參數(shù)是系統(tǒng)潮流、保護(hù)整定值及運(yùn)行方式的計(jì)算依據(jù)，因此輸電線路工頻線路參數(shù)對(duì)合理安排電網(wǎng)運(yùn)行方式，提高繼電保護(hù)動(dòng)作的可靠性、靈敏性至關(guān)重要[1，2]。在線路參數(shù)測(cè)試中，目前主要包含傳統(tǒng)儀表測(cè)量法和移頻測(cè)量法。傳統(tǒng)儀表測(cè)量法具有方法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但在同桿多回線路的情況下，其容易受到感應(yīng)電壓的干擾，從而使得參數(shù)測(cè)量產(chǎn)生誤差。在傳統(tǒng)儀表測(cè)量方法基礎(chǔ)上的倒相法雖可提高測(cè)量精度[3-5]，但是測(cè)量繁瑣，且設(shè)備體積大，質(zhì)量重。移頻測(cè)量法相對(duì)傳統(tǒng)儀表測(cè)量法來說抗干擾能力較強(qiáng)，但是感應(yīng)電壓中存在非工頻成分，仍將對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響[6-8]。

從傳統(tǒng)儀表測(cè)量方法來看，在現(xiàn)場(chǎng)沒有干擾的情況下，外施電壓達(dá)到幾十伏即可對(duì)線路參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。而在同桿多回線路情況下，被測(cè)線路感應(yīng)電壓往往達(dá)到了幾百甚至上千伏[9-11]，可以滿足線路參數(shù)測(cè)量要求。文中利用線路感應(yīng)電壓、電流對(duì)線路參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，該方法可省略裝置的試驗(yàn)電源，減小設(shè)備質(zhì)量與體積。

1理論分析

對(duì)于三相參數(shù)對(duì)稱的線性輸電線路，各序?qū)ΨQ分量具有獨(dú)立性。當(dāng)電路通過某序?qū)ΨQ分量的電流時(shí)，只產(chǎn)生同一序?qū)ΨQ分量的電壓降，反之亦然。因此，通過測(cè)量線路感應(yīng)電壓與感應(yīng)電流，并將電壓信號(hào)與電流信號(hào)分解為正序、負(fù)序及零序參數(shù)，即可對(duì)線路正序及零序參數(shù)進(jìn)行求解。

集中線路參數(shù)模型如圖1所示，通過單相變壓器向線路施加電壓來模擬感應(yīng)電壓，利用PSCAD在一端三相短接接地的情況下，分別測(cè)試模擬線路的開路電壓和短路電流的幅值和相位，在不同線路模型下，利用序分解算法計(jì)算得出正序阻抗及零序阻抗值。同時(shí)，在PSCAD中，采用外加電源直接對(duì)模擬線路加壓，再通過測(cè)量線路電壓和電流相量，利用傳統(tǒng)儀表法計(jì)算得出正序、零序阻抗。2種方法計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖1集中線路參數(shù)計(jì)算模型

從表1可以看出，當(dāng)線路采用集中參數(shù)表示的情況下，基于感應(yīng)電的線路參數(shù)測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)儀表法測(cè)量結(jié)果相差較小。

某同塔四回線路接線如圖2所示，A、B、C為3個(gè)變電站，01線與02線同塔部分為54.6 km，05線與06線同塔部分為19.7 km，四回同塔部分長(zhǎng)11.65 km。利用傳統(tǒng)儀表法對(duì)該線路進(jìn)行了正序阻抗和零序阻抗的測(cè)量，結(jié)果示于表2。

在相同的運(yùn)行條件下，利用感應(yīng)電法對(duì)圖2所示線路進(jìn)行了建模計(jì)算，其正序阻抗、零序阻抗計(jì)算值示于表3。

表1感應(yīng)法和傳統(tǒng)儀表法計(jì)算結(jié)果

圖2同塔四回線路接線示意圖

表2傳統(tǒng)儀表法測(cè)量同塔四回線路參數(shù)值 Ω

表3感應(yīng)電法計(jì)算同塔四回線路參數(shù)值 Ω

可見，利用感應(yīng)電法計(jì)算所得的線路參數(shù)值與傳統(tǒng)儀表法測(cè)量的線路參數(shù)值相差不大，可以用于線路參數(shù)的測(cè)量。表2與表3中結(jié)果誤差主要來源于：（1）現(xiàn)場(chǎng)干擾、儀表讀數(shù)誤差對(duì)傳統(tǒng)儀表測(cè)量法產(chǎn)生誤差，從而影響結(jié)果精度；（2）線路參數(shù)仿真計(jì)算時(shí)，線路高度、間距、土壤電阻率等參數(shù)很難做到與實(shí)際情況一致，從而使得結(jié)果產(chǎn)生誤差。

2試驗(yàn)結(jié)果及討論

根據(jù)序分解方法，并基于嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，研制了感應(yīng)電線路參數(shù)測(cè)試儀，其主要原理是利用測(cè)控裝置準(zhǔn)確測(cè)量出線路開路電壓和短路電流的幅值和相位，利用序分量分解法計(jì)算出正序、零序阻抗。感應(yīng)電線路參數(shù)測(cè)量?jī)x主要包括分壓裝置、電流檢測(cè)器、自動(dòng)切換電路、信號(hào)處理電路、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。

圖3模擬試驗(yàn)接線示意圖

利用感應(yīng)電線路參數(shù)測(cè)試儀，對(duì)集中元件搭建模擬線路進(jìn)行了參數(shù)測(cè)量。模擬試驗(yàn)線路圖如圖4所示，線路為三相對(duì)稱電路，且三相末端短接并接地，在各相線路串聯(lián)可調(diào)電阻R及可調(diào)電感L，并聯(lián)可調(diào)電容C。為在線路上模擬感應(yīng)電壓，將隔離變壓器的一側(cè)串聯(lián)接入線路，另一側(cè)連接調(diào)壓器的輸出端，從而使得線路感應(yīng)電壓幅值可調(diào)。由于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中干擾較小，且模擬線路上感應(yīng)電壓較低，移頻法測(cè)試線路參數(shù)的準(zhǔn)確度較高，作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)中，通過改變R，L，C的值，利用移頻測(cè)量法和感應(yīng)電測(cè)量法分別測(cè)量了線路的正序阻抗和零序阻抗，其結(jié)果示于表4。從表4可以看出，2種測(cè)量方法下的正序阻抗值基本一致，而零序阻抗值也較為接近，其誤差不超過5%。

試驗(yàn)比較了不同外施電壓幅值分散性對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響，其示于圖4。圖中De為電壓幅值分散性，其定義為：

式中：UA，UB，UC分別為 A、B、C三相的感應(yīng)電壓幅值；σ為序電阻或者序電抗相對(duì)誤差，其表達(dá)式為：

或：

式中：Rg為感應(yīng)電測(cè)量法中序電阻；Ry為移頻測(cè)量法中序電阻；Xg為感應(yīng)電測(cè)量法中序電抗；Xy為移頻測(cè)量法中序電抗。

從圖4可以看出，感應(yīng)電線路參數(shù)測(cè)量法得到的正序阻抗與移頻法得到的正序阻抗較為吻合，除有一組正序電阻的相對(duì)誤差達(dá)到7.6%外，其他正序阻抗的相對(duì)誤差均小于5%；對(duì)于零序阻抗，當(dāng)各相感應(yīng)電壓幅值相差較小時(shí)，零序電阻最大相對(duì)誤差達(dá)59%，零序電抗最大相對(duì)誤差達(dá)44%，這是由于在三相電壓幅值較為接近的情況下，線路零序電流非常小，在采樣或者計(jì)算過程中任何小的誤差都可能對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。在實(shí)際線路中，由于三相線路位置不同，因此出現(xiàn)三相感應(yīng)電壓幅值相同或接近可能性較小，不會(huì)影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；在三相感應(yīng)電壓幅值相差較大的情況下，正序和零序阻抗在兩種測(cè)量方法下的相對(duì)誤差均小于10%，但相對(duì)于正序阻抗來說，零序阻抗相對(duì)誤差稍大，這是由于在信號(hào)的采集過程中，外界某些干擾同時(shí)耦合到各相信號(hào)中，產(chǎn)生一共模信號(hào)，在零序參數(shù)的計(jì)算過程中，線路中的共模信號(hào)是相互疊加的，因此將對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。但是隨著感應(yīng)電壓幅值的增加，共模信號(hào)所占比例減小，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度將得到進(jìn)一步提高。

表4不同測(cè)量方法下線路參數(shù)測(cè)量結(jié)果比較

圖4電壓幅值分散性對(duì)線路參數(shù)的影響

文中對(duì)圖2所示的同塔四回線路中的02線路參數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，測(cè)量方法包括傳統(tǒng)儀表法、移頻法、感應(yīng)電線路參數(shù)測(cè)試法等，其正序、零序阻抗值如表5所示。從表5可以看出，正序阻抗和零序阻抗的計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值差別均較大，這是由于計(jì)算時(shí)各參數(shù)取值難以做到與現(xiàn)場(chǎng)一致。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果來看，感應(yīng)電線路參數(shù)測(cè)試方法與傳統(tǒng)儀表法和移頻法測(cè)量結(jié)果較為一致，能滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度要求。由于現(xiàn)場(chǎng)干擾較大，移頻測(cè)量?jī)x器未能正常工作，而感應(yīng)電測(cè)量?jī)x器能較好克服這一缺點(diǎn)，與移頻測(cè)量?jī)x器互為補(bǔ)充。

表5不同測(cè)量方法下線路參數(shù)測(cè)量結(jié)果

3結(jié)束語

以測(cè)量感應(yīng)電壓電流為手段，并通過對(duì)電壓電流進(jìn)行序分解，提出了基于感應(yīng)電的線路參數(shù)測(cè)量方法。分別對(duì)集中參數(shù)線路模型和分布參數(shù)線路模型的正序阻抗、零序阻抗進(jìn)行了仿真計(jì)算，表明該方法可用于線路參數(shù)的測(cè)量。研制了基于感應(yīng)電的線路參數(shù)測(cè)試儀，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室集中參數(shù)模型和運(yùn)行線路的工頻參數(shù)測(cè)量比較，表明該儀器可滿足現(xiàn)場(chǎng)線路參數(shù)測(cè)量需求。

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