輸電線路零序阻抗參數(shù)典型抗干擾測(cè)量方法的分析與仿真

胡志堅(jiān), 傅晨宇, 倪識(shí)遠(yuǎn), 羅福玲

(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院, 湖北省武漢市 430072)

0 引言

輸電線路參數(shù)是電力系統(tǒng)重要的參數(shù)[1-2],精確測(cè)量輸電線路參數(shù)對(duì)提高電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平具有重要的意義[3-5]。近年來(lái)受線路走廊的限制,同桿多回路架設(shè)及共走廊的線路越來(lái)越多,因此實(shí)際環(huán)境中待測(cè)輸電線路周邊通常會(huì)存在正常帶電運(yùn)行的輸電線路[6-8]。這些帶電運(yùn)行的線路通過(guò)線路間的電磁耦合在待測(cè)輸電線路上產(chǎn)生很大的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流[9],該感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流不僅嚴(yán)重影響了輸電線路參數(shù)測(cè)量的精度[10],而且威脅測(cè)試人員的人身安全。通常情況下,由于各種原因,不便或難以測(cè)量干擾線路自身的零序電流及被測(cè)量線路與干擾線路之間的零序互參數(shù),因此需要采用抗干擾測(cè)量方法對(duì)輸電線路的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

目前測(cè)量輸電線路零序參數(shù)的抗干擾方法大體上可以分為工頻法[11-15]和異頻法[16-17]兩種。工頻法和異頻法的區(qū)別在于施加測(cè)試電源的頻率不同。工頻法主要包括:①增量法,通過(guò)采用測(cè)量信號(hào)增量的方式來(lái)抑制干擾[18-20];②倒相法,通過(guò)反接電源極性方式抑制干擾[21-22];③大電流法,通過(guò)提高測(cè)試電源容量,提高信噪比降低干擾的影響[23];④干擾法,直接以工頻干擾信號(hào)為測(cè)量源[24-25]。工頻法實(shí)現(xiàn)的前提是干擾短時(shí)間不變[26];異頻法向被測(cè)線路施加異頻電源,由于測(cè)試信號(hào)的頻率與工頻干擾信號(hào)頻率不同,很容易實(shí)現(xiàn)工頻干擾的濾除[11,17]。阻抗參數(shù)受集膚效應(yīng)影響較大,一般情況下,異頻法施加測(cè)試信號(hào)的頻率與工頻相差3～5 Hz。電容參數(shù)的集膚效應(yīng)影響較小,文獻(xiàn)[27]提出了一種基于三次諧波分量的輸電線路電容參數(shù)抗干擾測(cè)量方法。

在現(xiàn)有的抗干擾方法研究中,通常只討論一種方法消除干擾,各抗干擾方法之間未進(jìn)行比較;此外現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)各抗干擾方法的研究偏理想化,考慮的因素較少。例如,異頻法[17]未考慮運(yùn)行線路上變壓器的零序阻抗大小對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響;增量法[25]未考慮增量的大小對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。另外現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)以上各種抗干擾方法的優(yōu)缺點(diǎn)也只有定性描述,未進(jìn)行仿真驗(yàn)證與定量分析。

本文通過(guò)研究5種典型輸電線路零序阻抗參數(shù)抗干擾方法的測(cè)量方法和測(cè)量過(guò)程,從原理上分析了這些典型的抗干擾測(cè)量方法的測(cè)量誤差來(lái)源,并利用PSCAD軟件建立測(cè)量模型進(jìn)行仿真分析。另外,還分析了測(cè)量?jī)x器分辨率對(duì)各抗干擾測(cè)量方法的影響。隨后,本文通過(guò)設(shè)定兩種典型的干擾測(cè)量環(huán)境,通過(guò)仿真得到兩種情形下5種典型抗干擾方法的誤差大小排序。本文研究結(jié)果可為實(shí)際線路零序阻抗參數(shù)測(cè)量中抗干擾測(cè)量方法的選取提供依據(jù)和參考。

1 零序阻抗參數(shù)測(cè)量原理

圖1 輸電線路零序參數(shù)模型Fig.1 Model for zero sequence parameters of transmission lines

穩(wěn)態(tài)時(shí),圖1所示的互感線路的伏安特性可用如下代數(shù)方程組描述[10]。

(1)

ZI=U

(2)

因此需要對(duì)n條互感線路進(jìn)行p(p≥n(n+1)/2)次獨(dú)立方式下的測(cè)量,獲得p個(gè)獨(dú)立方程,最后利用最小二乘法求解,便可求出這些未知的阻抗參數(shù)[9]。

2 抗干擾方法原理簡(jiǎn)介

由于帶電運(yùn)行線路(本文稱為干擾線路)與被測(cè)線路存在電磁耦合,因此會(huì)在被測(cè)線路上感應(yīng)出零序電壓與零序電流,可用如附錄A圖A1所示的干擾線路模型表示。

附錄A圖A1中,干擾線路為正常帶電運(yùn)行的線路3,可視為多回帶電運(yùn)行線路的等值線路,線路1和線路2為被測(cè)線路。

考慮有干擾的情況下,根據(jù)圖1和式(1)可列出附錄A圖A1所示的有互感耦合線路的伏安特性為:

(3)

由上述測(cè)量誤差來(lái)源的分析可知,如果不在測(cè)量過(guò)程中消除或者減小干擾,將會(huì)極大地影響線路參數(shù)測(cè)量結(jié)果的精度,因此現(xiàn)有研究提出了多種輸電線路零序參數(shù)抗干擾測(cè)量方法。下面簡(jiǎn)要介紹5種典型的輸電線路零序阻抗參數(shù)抗干擾測(cè)量方法的原理。

2.1 增量法

由于運(yùn)行線路的負(fù)荷處于動(dòng)態(tài)變化中,因此線路間的互感耦合導(dǎo)致的感應(yīng)電壓也會(huì)隨之變化,但在較短時(shí)間內(nèi),該感應(yīng)電壓可以被認(rèn)為是不變的,即干擾短時(shí)不變。

增量法是一種采取測(cè)量線路電壓增量和電流增量從而得到被測(cè)線路零序阻抗參數(shù)的方法[18],該方法簡(jiǎn)述如下。

(4)

(5)

式(4)與式(5)相減得到：

(6)

(7)

重復(fù)上述測(cè)量過(guò)程,得到另一個(gè)測(cè)量方程為:

(8)

聯(lián)立求解式(7)和式(8),便可求出線路的零序阻抗參數(shù)Z11和Z12。

2.2 異頻法

異頻法[17]采用異頻電源代替工頻電源作為測(cè)試電源,以避開(kāi)測(cè)量過(guò)程中的工頻干擾,通過(guò)提取測(cè)量信號(hào)中的異頻零序電壓與異頻零序電流,然后進(jìn)行計(jì)算得到異頻零序阻抗,再進(jìn)行頻率折算后得到線路的工頻零序阻抗。

異頻法的測(cè)試信號(hào)的頻率是f1=f0-Δf,f2=f0+Δf。其中,f0=50 Hz;Δf通常為3 Hz或5 Hz。由式(1)可以得到異頻測(cè)量時(shí)穩(wěn)態(tài)情況下互感線路的伏安特性為:

(9)

兩種頻率下的異頻電阻Rij(·)和電感Xij(·)分別為:

(10)

最后根據(jù)測(cè)量頻率對(duì)電阻參數(shù)和電抗參數(shù)進(jìn)行頻率折算,可得出各線路在工頻下的零序自阻抗和線路間的零序互阻抗[13],折算公式為:

(11)

傳統(tǒng)異頻法[16]只消除了工頻干擾但未考慮被測(cè)線路上的異頻干擾,因此在測(cè)量原理存在缺陷。文獻(xiàn)[17]提出了將附近運(yùn)行線路納入整體測(cè)量的新型異頻測(cè)量方法。由于該方法在測(cè)量模型上沒(méi)有考慮干擾線路上變壓器的零序阻抗對(duì)異頻電流的影響,測(cè)量模型不夠全面,因此仍然存在測(cè)量誤差。

2.3 倒相法

得到上述測(cè)量數(shù)據(jù)后,代入式(12)至式(14),得到被測(cè)線路零序自阻抗Z0和自阻抗角θ為:

(12)

(13)

Z0=|Z0|∠θ

(14)

倒相法的測(cè)量誤差主要來(lái)源于在倒相法操作過(guò)程中,即便可以做到使倒相前后電流的幅值相等,但難以保證倒相前后電流的相角也相等;另外干擾也不是不變的。

2.4 干擾法

干擾法是利用被測(cè)線路上的工頻干擾對(duì)線路零序參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的方法[24]。其測(cè)量原理簡(jiǎn)述如下。

設(shè)有n條互感線路,編號(hào)分別為1,2,…,n。當(dāng)被測(cè)線路退出運(yùn)行時(shí),受周圍正常運(yùn)行線路電磁感應(yīng)影響,被測(cè)線路上會(huì)耦合出零序干擾電壓。干擾法的核心是利用該干擾信號(hào)當(dāng)作測(cè)試電源。

依次將n條互感線路中的某一線路停電,測(cè)量停電線路上的零序感應(yīng)電壓,同時(shí)測(cè)量其他運(yùn)行線路上的零序電壓和零序電流,得到n個(gè)代數(shù)方程組為:

ZIint=Uint

(15)

測(cè)量多種獨(dú)立方式下的數(shù)據(jù)后,代入式(15),利用最小二乘方法解式(15),就可得到線路的零序阻抗參數(shù)矩陣Z。

2.5 大電流法

提高信噪比是一種常用的抗干擾測(cè)量方法[23],其核心在于通過(guò)增加測(cè)量電源的大小,從而減小干擾分量所占比例,達(dá)到減小測(cè)量誤差的效果,信噪比RSN的定義為:

(16)

式中:Vs和Vg分別為測(cè)量電源電壓和干擾電壓的有效值,線路零序阻抗計(jì)算公式同式(1),其計(jì)算過(guò)程不再贅述。

3 仿真分析

3.1 仿真模型

利用PSCAD軟件建立仿真模型如附錄A圖A3所示。線路A和線路B零序參數(shù)相同,為同塔雙回線路,線路長(zhǎng)度為100 km,另外在線路A,B附近有一條電壓等級(jí)為110 kV的線路C與待測(cè)線路平行架設(shè),用于模擬周邊運(yùn)行輸電線路對(duì)測(cè)試線路產(chǎn)生的干擾,干擾線路C上變壓器的零序阻抗為30 Ω,待測(cè)線路參數(shù)如附錄A表A1所示,干擾線路C與被測(cè)線路A,B的零序互阻抗參數(shù)如附錄A表A2所示。經(jīng)測(cè)量,被測(cè)線路末端三相短接接地時(shí),線路上的感應(yīng)電壓為100 V。

測(cè)量相對(duì)誤差re定義為:

(17)

式中:Xm為測(cè)量值模值;Xt為理論值模值。

3.2 增量法仿真結(jié)果

設(shè)定干擾線路與被測(cè)線路平行架設(shè)部分的長(zhǎng)度為30 km,通過(guò)改變前后兩次施加的電壓幅值差(增量大小),得到被測(cè)線路的零序阻抗測(cè)量結(jié)果及誤差如表1所示。表中,R0為線路零序自電阻測(cè)量值;Rm為被測(cè)線路之間的零序互電阻測(cè)量值;L0為線路零序自電感測(cè)量值;Lm為被測(cè)線路之間的零序互電感測(cè)量值。

表1 不同電壓幅值差下零序阻抗測(cè)量結(jié)果及相對(duì)誤差Table 1 Measurement results and relative errors of zero sequence impedance under different voltage amplitudes

設(shè)定干擾線路長(zhǎng)度與被測(cè)線路長(zhǎng)度比例不變,改變被測(cè)線路長(zhǎng)度,得到使被測(cè)線路自電阻測(cè)量誤差小于4%時(shí)的最小增量值如圖2所示。

圖2 合適增量的選取Fig.2 Selection of appropriate increment

在前后兩次測(cè)量電壓增量為200 V的情況下,改變與被測(cè)線路耦合的干擾線路長(zhǎng)度以及干擾線路的電壓等級(jí),得到被測(cè)線路的零序自電阻測(cè)量結(jié)果及誤差如附錄A圖A4所示。

由表1、圖2和附錄A圖A4可以得出如下結(jié)論。

1)隨著被測(cè)線路前后兩次施加的電壓增量的增大,零序阻抗測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差逐漸增加。因此對(duì)于增量法中增量的選取,應(yīng)在滿足設(shè)備分辨率的基礎(chǔ)上盡可能小。而對(duì)于合適增量的選取,可以看到,在干擾條件相同的情況下,當(dāng)被測(cè)線路長(zhǎng)度越長(zhǎng)時(shí),可以選擇的增量越大。這是由于當(dāng)被測(cè)線路長(zhǎng)度越長(zhǎng)時(shí),在相同的加壓條件下,兩次加壓時(shí)被測(cè)線路上的干擾感應(yīng)電壓差值會(huì)越小,由此帶來(lái)的測(cè)量結(jié)果誤差就越小,因此可選取的增量越大。

2)在其他條件保持不變的情況下,隨著干擾線路長(zhǎng)度的增加,被測(cè)線路零序阻抗的誤差逐漸增加。由此可以看出,當(dāng)干擾線路與被測(cè)線路之間的互感較大或者兩次施加的測(cè)量電壓值的增量過(guò)大時(shí),會(huì)導(dǎo)致兩次加壓時(shí)被測(cè)線路上的干擾感應(yīng)電壓值不一致,在計(jì)算增量時(shí)不能完全消除干擾,從而使測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差增大。同樣地,當(dāng)被測(cè)線路周圍的干擾變化時(shí),也會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。

3)當(dāng)干擾線路與被測(cè)線路之間的互感保持不變時(shí),干擾線路自身的電流大小對(duì)測(cè)量結(jié)果影響非常小,因?yàn)橛筛蓴_線路自身的電流產(chǎn)生的干擾量在計(jì)算增量時(shí)基本被消除了,所以對(duì)測(cè)量精度影響很小。因此,影響增量法測(cè)量結(jié)果精度的主要因素是干擾線路與被測(cè)線路之間的互感大小、兩次施加的測(cè)量電壓值的增量值以及測(cè)線路周圍的干擾的穩(wěn)定程度。

3.3 異頻法仿真結(jié)果

傳統(tǒng)異頻法[16]由于只消除了工頻干擾但未考慮被測(cè)線路上的異頻干擾,因此測(cè)量原理是存在缺陷的。文獻(xiàn)[17]提出了將附近運(yùn)行線路納入整體測(cè)量的新型異頻測(cè)量方法,由于該方法在測(cè)量模型上沒(méi)有考慮干擾線路上變壓器的零序阻抗,測(cè)量模型不夠全面,因此仍然存在測(cè)量誤差。

在保持干擾線路長(zhǎng)度不變,并且與被測(cè)線路平行架設(shè)長(zhǎng)度為30 km的情況下,改變運(yùn)行線路上變壓器的零序阻抗大小,采用新型異頻測(cè)量方法得到被測(cè)線路的零序阻抗測(cè)量結(jié)果及誤差見(jiàn)附錄A表A3。

由附錄A表A3中的仿真結(jié)果可以看到,運(yùn)行線路上的變壓器零序阻抗對(duì)異頻法的測(cè)量結(jié)果是有影響的,并且零序阻抗越小,由此產(chǎn)生的誤差越大,當(dāng)變壓器零序阻抗足夠大時(shí),異頻法的測(cè)量結(jié)果很準(zhǔn)確。但實(shí)際上,星形/三角形接線的變壓器零序阻抗通常在30～50 Ω左右[28],因此,異頻法的測(cè)量誤差仍然較大。

當(dāng)線路上變壓器零序阻抗分別為10,30,50,100 Ω時(shí),在保持干擾線路與被測(cè)線路平行架設(shè)長(zhǎng)度為30 km不變的情況下,改變干擾線路自身的長(zhǎng)度,得到被測(cè)線路的零序自電阻測(cè)量誤差變化如圖3所示。

由圖3可以看到, 在干擾線路與被測(cè)線路平行架設(shè)的長(zhǎng)度以及運(yùn)行線路上變壓器零序阻抗保持不變的情況下,隨著干擾線路長(zhǎng)度的增大,測(cè)量誤差減小。這是由于干擾線路長(zhǎng)度較大時(shí),干擾線路自身的零序阻抗也較大,因此變壓器零序阻抗對(duì)運(yùn)行線路的電流影響較小,從而在被測(cè)線路上造成的干擾較小。

圖3 零序自電阻測(cè)量相對(duì)誤差Fig.3 Relative errors of zero sequence self-resistance measurement

3.4 倒相法仿真結(jié)果

由2.3節(jié)所述的倒相法測(cè)量過(guò)程可以看到,倒相法消除干擾的原理是建立在被測(cè)線路上的干擾保持不變的前提下,若測(cè)試電源反相前后干擾電壓發(fā)生改變,倒相法的測(cè)量結(jié)果就會(huì)產(chǎn)生誤差。

通過(guò)改變干擾線路長(zhǎng)度得到被測(cè)線路的零序阻抗測(cè)量結(jié)果及相對(duì)誤差如附錄A表A4所示。

由附錄A表A4可以看出,隨著干擾線路長(zhǎng)度的增加,測(cè)量線路零序阻抗的相對(duì)誤差逐漸變大。這是由于測(cè)試線路上的干擾電壓很大時(shí),使式(13)中的兩個(gè)阻抗相角在相加后無(wú)法抵消其中的干擾,從而使計(jì)算出的零序阻抗角產(chǎn)生誤差。

另外如果被測(cè)線路附近的干擾發(fā)生改變,對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響也很大。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中,上述的反相操作的時(shí)間可能將長(zhǎng)達(dá)數(shù)十秒至數(shù)分鐘,干擾電壓U0的相位和幅值在這段時(shí)間很可能發(fā)生變化,從而產(chǎn)生很大的誤差。

在不改變干擾線路長(zhǎng)度的情況下,改變干擾線路的電壓等級(jí),即改變干擾線路自身的零序電流大小,得到被測(cè)線路的零序自電阻測(cè)量誤差見(jiàn)附錄A圖A5。

由附錄A圖A5可以看出,在其他條件保持不變的情況下,隨著干擾線路自身零序電流的增大,測(cè)量結(jié)果誤差變化很小。由此可以得到,影響倒相法測(cè)量精度的主要因素是干擾線路與被測(cè)線路之間的互感大小以及測(cè)線路周圍的干擾的穩(wěn)定程度。

3.5 干擾法仿真結(jié)果

通過(guò)設(shè)定兩回線路不同的同塔長(zhǎng)度以及改變干擾線路的輸入電壓(即改變干擾大小),利用干擾法測(cè)量得到被測(cè)線路的零序阻抗測(cè)量結(jié)果及誤差如附錄A表A5所示。

由附錄A表A5可以看出,隨著干擾線路的長(zhǎng)度增加,使用干擾法測(cè)得的線路參數(shù)的誤差逐漸增大。這是由于當(dāng)被測(cè)線路與干擾線路的互感較大時(shí),在對(duì)被測(cè)線路測(cè)量開(kāi)路電壓和短接電流后,干擾線路上的電流值變化很大,在前后采集電壓和電流的過(guò)程中,干擾發(fā)生了改變,使得測(cè)量誤差增大。

設(shè)定干擾線路長(zhǎng)度為30 km不變,通過(guò)改變干擾線路的電壓等級(jí),得到測(cè)量結(jié)果誤差如附錄A圖A6所示。

從附錄A圖A6可以看出,當(dāng)改變干擾線路的電壓等級(jí)后,測(cè)量結(jié)果幾乎沒(méi)有變化,說(shuō)明在周圍干擾穩(wěn)定的情況下,干擾本身的大小對(duì)測(cè)量誤差沒(méi)有影響。但是干擾法在測(cè)量過(guò)程中不需要添加外部電源,完全通過(guò)采集被測(cè)線路上的干擾信號(hào)來(lái)計(jì)算得到線路的零序參數(shù),因此在運(yùn)行線路負(fù)荷有較大波動(dòng)的情況下,在電壓和電流采集過(guò)程中干擾量會(huì)發(fā)生急劇波動(dòng)從而帶來(lái)測(cè)量誤差;另外干擾法要求干擾源要足夠大,否則零序電壓和零序電流容易被系統(tǒng)噪聲掩蓋,導(dǎo)致難以準(zhǔn)確檢測(cè)。

3.6 大電流法仿真結(jié)果

設(shè)定干擾線路與被測(cè)線路平行架設(shè)部分的長(zhǎng)度為30 km的情況下,通過(guò)改變被測(cè)線路的信噪比大小以及干擾電壓大小,得到被測(cè)線路的零序阻抗測(cè)量結(jié)果及誤差如表2所示。

表2 不同信噪比下零序阻抗測(cè)量結(jié)果及相對(duì)誤差Table 2 Measurement results and relative errors of zero sequence impedance under different signal-noise ratios

由表2可知,隨著測(cè)試電源信噪比的增大,測(cè)量誤差在逐漸減小。由于通過(guò)提高被測(cè)線路上測(cè)量電源的信噪比只能減小干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,本質(zhì)上并沒(méi)有消除干擾,因此在干擾保持不變時(shí),其測(cè)量誤差主要與測(cè)試電源的信噪比大小有關(guān),并且任何原因?qū)е碌母蓴_增大都會(huì)使測(cè)量精度降低。另外由于施加在被測(cè)線路上的測(cè)量源容量有限,因此大電流法的信噪比一般設(shè)置為20 dB左右,相比于其他抗干擾方法,其抗干擾能力比較有限。

4 各抗干擾方法的分析對(duì)比

在分析了各抗干擾方法誤差產(chǎn)生的原因后,為進(jìn)一步對(duì)比各抗干擾方法的測(cè)量精度,設(shè)立了兩種干擾環(huán)境對(duì)上述5種抗干擾方法進(jìn)行對(duì)比,通過(guò)仿真得到兩種干擾環(huán)境下相對(duì)較好的抗干擾方法。

4.1 干擾線路與被測(cè)線路的耦合由弱變強(qiáng)

線路模型見(jiàn)附錄A圖A3,其理論參數(shù)見(jiàn)附錄A表A1和表A2,干擾線路的電壓等級(jí)是110 kV,干擾線路上的變壓器零序阻抗均為30 Ω。

改變干擾線路的長(zhǎng)度,用上述5種抗干擾方法分別進(jìn)行測(cè)量,其中增量法的增量選取為100 V,大電流法的信噪比設(shè)置為26 dB。

線路零序自阻抗和零序互阻抗的仿真測(cè)量相對(duì)誤差對(duì)比如圖4所示。

圖4 不同干擾線路長(zhǎng)度下零序阻抗測(cè)量相對(duì)誤差Fig.4 Relative errors of zero sequence impedance under different lengths for interference line

由圖4可以看得出如下結(jié)論。

1)隨著干擾線路長(zhǎng)度的增大,即被測(cè)線路與干擾線路的互阻抗逐漸增大時(shí),各抗干擾方法的測(cè)量誤差也逐漸增加。

2)異頻法受線路上變壓器的零序阻抗的影響,因此測(cè)量誤差較大,從圖中可以看到,當(dāng)干擾線路長(zhǎng)度為80 km時(shí)異頻法的自阻抗測(cè)量誤差達(dá)到了11.13%。同樣地,大電流法在測(cè)量時(shí)并未消除干擾信號(hào),因此這兩種方法的測(cè)量結(jié)果較其他三種方法的誤差要大,在干擾線路長(zhǎng)度超過(guò)60 km時(shí),其誤差超過(guò)了20%。

3)從測(cè)量結(jié)果上看,增量法的抗干擾測(cè)量效果最好,其次是干擾法和倒相法,但是在使用增量法時(shí),增量的設(shè)置不能太大。干擾法和倒相法的測(cè)量誤差基本一致,但是由于倒相法的測(cè)量步驟很多,調(diào)試起來(lái)也比較麻煩,因此干擾法要略優(yōu)于倒相法。

綜上,在被測(cè)線路附近存在較多運(yùn)行線路耦合或者耦合較大時(shí),推薦使用增量法測(cè)量輸電線路的零序阻抗參數(shù)。

4.2 干擾信號(hào)時(shí)刻在變化

線路模型見(jiàn)附錄A圖A3,其理論參數(shù)見(jiàn)附錄A表A1和表A2,干擾線路的電壓等級(jí)是110 kV,干擾線路上的變壓器零序阻抗均為30 Ω。

改變干擾線路的輸入電壓來(lái)模擬干擾信號(hào)的變化,即在不同測(cè)量方式下進(jìn)行電壓和電流信號(hào)的采集時(shí),被測(cè)線路上的干擾大小是變化的。同樣地,用上述5種抗干擾方法分別進(jìn)行測(cè)量,線路零序自阻抗和零序互阻抗的仿真測(cè)量相對(duì)誤差對(duì)比如圖5所示。

圖5 不同干擾信號(hào)變化程度下零序阻抗測(cè)量相對(duì)誤差Fig.5 Relative errors of zero sequence impedance under different change levels for interference signal

由圖5可以得出如下結(jié)論。

1)當(dāng)干擾發(fā)生變化時(shí),增量法、倒相法、干擾法以及大電流法的誤差均迅速增大,在干擾改變達(dá)到20%時(shí),以上4種方法的測(cè)量誤差超過(guò)了20%,其中增量法的誤差最大,自阻抗誤差達(dá)到了36.12%,互阻抗誤差達(dá)到了33.53%。這是由于這4種方法都是使用工頻信號(hào)進(jìn)行線路參數(shù)的測(cè)量,而由干擾線路產(chǎn)生的干擾信號(hào)幾乎都是工頻信號(hào)。因此當(dāng)干擾信號(hào)發(fā)生改變時(shí),在被測(cè)線路上采集到的電壓和電流信號(hào)中的干擾分量也相應(yīng)發(fā)生改變,導(dǎo)致在計(jì)算線路的阻抗參數(shù)時(shí),其中的干擾量難以消掉,從而產(chǎn)生很大的誤差。

2)異頻法由于濾除了被測(cè)線路上的工頻信號(hào),因此工頻干擾量發(fā)生改變對(duì)被測(cè)線路上采集到異頻電壓和電流信號(hào)幾乎沒(méi)有影響,因此測(cè)量誤差與干擾信號(hào)不變時(shí)的測(cè)量誤差保持一致,在干擾變化的過(guò)程中零序自阻抗測(cè)量誤差最大為6.1%,互阻抗測(cè)量誤差最大為5.2%,在可接受的范圍內(nèi)。

綜上,在被測(cè)線路上的干擾不穩(wěn)定,變化較大時(shí),推薦使用異頻法測(cè)量輸電線路的零序阻抗參數(shù)。

5 測(cè)量?jī)x器分辨率對(duì)測(cè)量方法的影響

5.1 被測(cè)線路中的部分線路為運(yùn)行線路

對(duì)運(yùn)行中的輸電線路零序參數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí),通常是通過(guò)該線路上的電流互感器和電壓互感器獲得電流和電壓信號(hào)。另外由于需要考慮到電流互感器以及電壓互感器的變比以及測(cè)量?jī)x器分辨率等因素,因此施加在被測(cè)線路上的零序電流需要足夠大,但耦合到運(yùn)行線路上的零序電流不能超過(guò)該線路零序保護(hù)裝置的整定值,以免造成保護(hù)的誤動(dòng)作。

以LVQB-126W2型110 kV SF6 測(cè)試用電流互感器的參數(shù)為參考,對(duì)被測(cè)量線路的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行估算。以同塔雙回線路為例,其模型圖如附錄A圖A7所示,其中線路A停電加壓,線路B帶電運(yùn)行,假定線路A,B每一相的零序自阻抗為1.2 Ω/km;線路A,B的零序互阻抗Zm為0.6 Ω/km,長(zhǎng)度為100 km。

當(dāng)線路A上施加10 A的零序電流時(shí),那么線路A上的零序電壓為UA=IAZA=400 V;在線路B上的互感電壓為Ug=IAZm=200 V;線路B上的互感電流為Ig=Ug/ZB=5 A。

若線路B上的電流互感器使用的變比為600/5時(shí),那么該電流互感器二次側(cè)測(cè)量出的電流Ig′=41.7 mA。

若電流互感器使用的變比為1 200/5時(shí),那么該電流互感器二次側(cè)測(cè)量出的電流為Ig′=20.8 mA。

由以上計(jì)算過(guò)程可以得知,在使用增量法測(cè)量線路零序參數(shù)時(shí),對(duì)于以上線路模型,當(dāng)在線路A前后兩次施加的電壓增量為100 V時(shí),在線路B電流互感器二次側(cè)測(cè)量出的電流增量值為10.4 mA,因此只要測(cè)量?jī)x器的分辨率大于1 mA,那么由測(cè)量?jī)x器精度引起的測(cè)量誤差影響會(huì)很小。

由GB 1208—2006電流互感器標(biāo)準(zhǔn)可知,對(duì)于0.2 s準(zhǔn)確級(jí)的電流互感器,在測(cè)量電流為額定電流的1%時(shí),其測(cè)量誤差為±0.75%。當(dāng)線路B上電流互感器使用的變比為600/5時(shí),若想使線路B上的互感電流大小達(dá)到額定值的1%,即Ig=Ug/ZB=6 A,由此可以算出線路A上施加的電源電壓為480 V。

由以上計(jì)算結(jié)果可以看出,對(duì)于上述線路模型在用各抗干擾方法進(jìn)行參數(shù)測(cè)量時(shí),在被測(cè)線路上施加的測(cè)量信號(hào)應(yīng)大于480 V,從而盡可能地減少儀器測(cè)量分辨率導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

另外對(duì)于異頻法,由于異頻信號(hào)源的容量一般明顯小于其他測(cè)量方法使用的工頻信號(hào)源,因此如果要保證被測(cè)線路上的異頻信號(hào)足夠大,那么異頻信號(hào)源的容量要足夠大,否則會(huì)因測(cè)量信號(hào)過(guò)小,產(chǎn)生由測(cè)量?jī)x器分辨率引起的測(cè)量誤差。

5.2 被測(cè)線路均為停電線路

對(duì)停電的輸電線路進(jìn)行零序參數(shù)測(cè)量時(shí),通常不采用線路上的電壓互感器和電流互感器采集信號(hào),而是通過(guò)測(cè)量?jī)x器自帶的或外加的電壓互感器和電流互感器獲得線路電壓和電流信號(hào)。由于外加的電壓互感器和電流互感器的變比較小,因此輸出的二次側(cè)信號(hào)較大,不需要考慮5.1節(jié)中討論的測(cè)量?jī)x器分辨率影響以及線路保護(hù)裝置整定值對(duì)施加的測(cè)量信號(hào)的大小要求。但需要對(duì)外加的電壓互感器和電流互感器的精度提出要求,需選用0.5級(jí)以上的測(cè)量用互感器。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)現(xiàn)有5種輸電線路零序阻抗參數(shù)抗干擾測(cè)量方法進(jìn)行了誤差來(lái)源分析和仿真,并設(shè)置了兩種典型的干擾測(cè)量環(huán)境對(duì)這5種抗干擾方法進(jìn)行了仿真比較,得到以下結(jié)論。

1)在被測(cè)線路附近存在較多運(yùn)行線路耦合或者耦合較大時(shí),干擾基本不變或變化不大時(shí),增量法的測(cè)量效果最佳,其次是干擾法和倒相法。另外在使用增量法進(jìn)行線路參數(shù)測(cè)量時(shí),對(duì)于增量的選取,應(yīng)在滿足設(shè)備分辨率的基礎(chǔ)上盡可能小。而對(duì)于干擾法,則需要工頻干擾源足夠大,否則被測(cè)線路上的零序電壓和零序電流容易被系統(tǒng)噪聲掩蓋,導(dǎo)致難以檢測(cè)。

2)在被測(cè)線路周圍的干擾變化很大時(shí),推薦使用異頻法進(jìn)行測(cè)量。本文仿真發(fā)現(xiàn)異頻法受干擾線路上的變壓器零序阻抗的影響較大,且變壓器零序阻抗越小,測(cè)量誤差越大。另外異頻法不能測(cè)量長(zhǎng)度較長(zhǎng)的線路,否則會(huì)因測(cè)量信號(hào)過(guò)小,導(dǎo)致因測(cè)量?jī)x器分辨率引起的測(cè)量誤差。

3)除大電流法以外,其他4種抗干擾方法的測(cè)量精度受干擾線路自身電流大小的影響很小,但被測(cè)線路與干擾線路之間的互感大小對(duì)5種方法的測(cè)量結(jié)果的有較大的影響。

本文主要分析了各抗干擾方法對(duì)線路零序阻抗參數(shù)的測(cè)量誤差情況,但是線路的參數(shù)還包括電容參數(shù)以及線路的正序參數(shù),下一步的研究工作會(huì)分析比較各抗干擾方法在線路電容參數(shù)以及線路正序參數(shù)的測(cè)量效果。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。