本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于架空線分布式電壓傳感器中的基于并聯(lián)電容的單相架空輸電線路相電壓自校準(zhǔn)方法。
背景技術(shù)：
：隨著我國(guó)電力工業(yè)水平的不斷發(fā)展，建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)的智能電網(wǎng)成為未來(lái)的發(fā)展方向。目前我國(guó)配電網(wǎng)線路量大面廣線長(zhǎng)，所處環(huán)境復(fù)雜、故障率高，開(kāi)發(fā)低成本分布式監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)配網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與故障定位對(duì)實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重大意義。對(duì)配網(wǎng)架空線路相電壓的分布式準(zhǔn)確測(cè)量是一個(gè)難點(diǎn)。目前廣泛使用的電壓傳感器主要有電磁式(pt)、電容式(cvt)電壓互感器、光學(xué)電壓傳感器等。光學(xué)電壓傳感器穩(wěn)定性問(wèn)題尚未很好解決，需要高精度加工工藝和粘接工藝，尚未在電力互感器中得到大規(guī)模應(yīng)用。傳統(tǒng)pt容量較小、成本高、絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存在鐵磁諧振現(xiàn)象、有漏感分布電容等因素的影響，漸漸不適應(yīng)如今電網(wǎng)的需求。cvt主要應(yīng)用于330kv以上電網(wǎng)，體積大，造價(jià)昂貴，不易安裝，無(wú)法滿足低成本分布式裝置的要求。因此建立一種適用于配網(wǎng)分布式裝置的相電壓測(cè)量方法，并能實(shí)現(xiàn)非接觸式自校準(zhǔn)，對(duì)提高分布式裝置的電壓測(cè)量精度具有重大意義。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提出一種新型的適用于小型化分布式裝置的單相架空輸電線路相電壓的自校準(zhǔn)方法，克服現(xiàn)有pt、cvt、光學(xué)電壓傳感器的不足，具有高測(cè)量精度。其利用空間電容分壓原理，將輸電線路與大地視為電壓兩級(jí)，將一具有上下極板的平行板電容器作為采樣電容置于其中，充分考慮兩塊極板對(duì)電壓兩級(jí)的雜散電容，建立集中參數(shù)等效電路。考慮如今架空線路普遍絕緣化，極板對(duì)導(dǎo)線之間也將存在分布電容。在此電容兩端并聯(lián)幾個(gè)已知容值的開(kāi)關(guān)電容，通過(guò)改變其容值從而改變上極板對(duì)導(dǎo)線的雜散電容值，采樣電容上將測(cè)得不同的電壓值，從而可推算出各未知的雜散電容大小及待測(cè)電壓大小。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：一種基于并聯(lián)電容的單相架空輸電線路相電壓自校準(zhǔn)方法，其特點(diǎn)在于，該方法包括如下步驟：1)將分布式電壓傳感器測(cè)量裝置安裝于單相架空線路上，其中采樣電容容值大小選取μf級(jí)別。采樣電容上極板與高壓導(dǎo)線絕緣層表面相連，下極板懸空。其測(cè)得采樣電容兩端電壓值為uc1.輸入計(jì)算機(jī)建立如下方程：其中，ch為上極板到高壓導(dǎo)線的電容，cg為下極板到大地的電容，c為兩極板之間的采樣電容的容值，u為待測(cè)線路電壓值。2)在測(cè)量裝置上極板到高壓導(dǎo)線的電容ch兩端并聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)電容，大小為c1。測(cè)量得到采樣電容兩端電壓值uc2，輸入計(jì)算機(jī)建立如下方程：3)在步驟2)的基礎(chǔ)上，在測(cè)量裝置上極板到高壓導(dǎo)線的電容ch兩端再并聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)電容，即一共并聯(lián)兩個(gè)已知電容，大小為c1。測(cè)量得到采樣電容兩端電壓值uc3，輸入計(jì)算機(jī)建立如下方程：4)根據(jù)步驟1-3得到3條方程，將其轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問(wèn)題，得到如下目標(biāo)函數(shù)：5)通過(guò)優(yōu)化算法求解使得目標(biāo)函數(shù)zmin＝0時(shí)各未知參數(shù)ch、cg、u的數(shù)值，即完成校準(zhǔn)。本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，利用空間電容分壓原理，將線路與大地視為一個(gè)大電容對(duì)其進(jìn)行分壓測(cè)量，以空氣作為絕緣介質(zhì)。采樣電容上極板與高壓導(dǎo)線絕緣層表面相連，下極板懸空，通過(guò)并聯(lián)已知電容從而改變上極板對(duì)導(dǎo)線的雜散電容值，采樣電容上將測(cè)得不同的電壓值，從而可推算出各未知的雜散電容大小及待測(cè)電壓大小，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線電壓的自校準(zhǔn)。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明的等效測(cè)量電路圖圖2是本發(fā)明的添加并聯(lián)電容自校準(zhǔn)等效電路圖圖3是本發(fā)明實(shí)例的電壓傳感器工作框圖圖4是本發(fā)明實(shí)例的架空線路實(shí)驗(yàn)環(huán)境模擬圖具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。請(qǐng)先參閱圖1、圖2，圖1是本發(fā)明的測(cè)量裝置測(cè)量模型等效電路，圖2是本發(fā)明的并聯(lián)開(kāi)關(guān)電容示意圖。由圖可見(jiàn)，該方法包括下列步驟：1)將分布式電壓傳感器測(cè)量裝置安裝于單相架空線路上，其中采樣電容容值大小選取μf級(jí)別。采樣電容上極板與高壓導(dǎo)線絕緣層表面相連，下極板懸空。其測(cè)得采樣電容兩端電壓值為uc1.輸入計(jì)算機(jī)建立如下方程：其中，ch為上極板到高壓導(dǎo)線的電容，cg為下極板到大地的電容，c為兩極板之間的采樣電容的容值，u為待測(cè)線路電壓值。2)在測(cè)量裝置上極板到高壓導(dǎo)線的電容ch兩端并聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)電容，大小為c1。測(cè)量得到采樣電容兩端電壓值uc2，輸入計(jì)算機(jī)建立如下方程：3)在步驟2)的基礎(chǔ)上，在測(cè)量裝置上極板到高壓導(dǎo)線的電容ch兩端再并聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)電容，即一共并聯(lián)兩個(gè)已知電容，大小為c1。測(cè)量得到采樣電容兩端電壓值uc3，輸入計(jì)算機(jī)建立如下方程：4)根據(jù)步驟1-3得到3條方程，將其轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問(wèn)題，得到如下目標(biāo)函數(shù)：5)通過(guò)優(yōu)化算法求解使得目標(biāo)函數(shù)zmin＝0時(shí)各未知參數(shù)ch、cg、u的數(shù)值，即完成校準(zhǔn)。本發(fā)明的原理如下：將分布式電壓傳感器測(cè)量裝置(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為測(cè)量裝置)至于架空線路上，其運(yùn)用空間電容分壓的原理測(cè)量導(dǎo)線對(duì)地相電壓。其核心元件為一個(gè)電容器，將導(dǎo)線視為大電容的一極，大地為另一極。將電容器置入導(dǎo)線與大地之間，考慮如今架空線路普遍絕緣化，極板對(duì)導(dǎo)線之間也將存在因?qū)Ь€絕緣層而形成的分布電容，形成如圖1所示的等效測(cè)量電路。根據(jù)電容分壓原理，采樣電容上分壓值與導(dǎo)線電壓有如下關(guān)系：其中c為采樣電容值，cg為下極板對(duì)地雜散電容值，ch為上極板到導(dǎo)線之間的分布電容，因絕緣層而產(chǎn)生。由于cg為雜散電容，一般都很小，數(shù)量級(jí)為幾個(gè)pf到幾十個(gè)pf級(jí)別，c’g為cg和ch串聯(lián)后電容值，小于cg。而分壓電容c的電容值可以選取的很大，比如達(dá)到μf級(jí)別，那么c？c′g，則c+c′g≈c其中，c’g、u為未知量，其余為已知量。一種基于并聯(lián)電容的單相架空輸電線路相電壓自校準(zhǔn)方法，其特征如下：依據(jù)上述原理，共有三個(gè)未知量。若能通過(guò)在ch兩端并聯(lián)已知開(kāi)關(guān)電容，實(shí)現(xiàn)在某一未知量中疊加一已知量，根據(jù)前后其余已知量的變化增加多條有效方程，既能求出所有未知量，實(shí)現(xiàn)單相架空輸電線路相電壓的自校準(zhǔn)。其校準(zhǔn)電路如圖2所示。具體可按如下步驟實(shí)現(xiàn)：步驟1，選取μf級(jí)別的采樣電容，采樣電容上極板與高壓導(dǎo)線絕緣層表面相連，下極板懸空。其測(cè)得分壓值為uc1.則其值有如下關(guān)系：步驟2，在ch兩端并聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)電容，其值為已知量，大小為c1。則第二次測(cè)得分壓值uc2，其值有如下關(guān)系：步驟3，在ch兩端再并聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)電容，其值為已知量，大小為c1。則一共并聯(lián)兩個(gè)電容，第二次測(cè)得分壓值uc3，其值有如下關(guān)系：步驟4，根據(jù)步驟1-3得到3條方程，將其轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問(wèn)題，得到如下目標(biāo)函數(shù)：步驟5，通過(guò)優(yōu)化算法求解使得目標(biāo)函數(shù)zmin＝0時(shí)各未知參數(shù)ch、cg、u的數(shù)值，即完成校準(zhǔn)。為驗(yàn)證本發(fā)明的有效性，依據(jù)此發(fā)明設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用于配網(wǎng)線路的智能電壓傳感器，將分壓電容c直接焊于pcb板，高壓線路絕緣層通過(guò)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)直接與c上極板接觸，并在其上并聯(lián)不同電容值。c上電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理放大后經(jīng)由采樣轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)cpu進(jìn)行處理交由通信模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸至系統(tǒng)后臺(tái)，便于保存和后續(xù)分析，其簡(jiǎn)化后工作框圖如圖3所示。通過(guò)comsolmultiphysics計(jì)算出裝置對(duì)地雜散分布電容約為0.8pf，因此設(shè)計(jì)分壓電容c＝16nf，比雜散電容大4個(gè)數(shù)量級(jí)，用于分壓后采樣。采用支架來(lái)模擬桿塔，導(dǎo)線平行地面固定，并和高壓發(fā)生器連接。將傳感器懸掛于導(dǎo)線上，高壓發(fā)生器產(chǎn)生有效值為10kv工頻正弦電壓，實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建如圖4。傳感器采集電容兩端電壓差δu，其內(nèi)部工作芯片為msp430f5438a，采樣率為1khz，每次采樣十個(gè)周波。分別將c上極板與高壓導(dǎo)線之間連接關(guān)系設(shè)定為：直接與絕緣層接觸、并一個(gè)電容、并兩個(gè)電容，每個(gè)并聯(lián)電容值均為10pf。測(cè)量c上分壓值，結(jié)果如下：連接方式直接接觸絕緣層并聯(lián)1nf并聯(lián)2nf分壓值(v)0.478230.482990.48559采用前兩組采樣值代入公式可計(jì)算得：ch＝23.12586pf，cg＝0.78103pf，u＝10.12786kv綜上所述，此自校準(zhǔn)方法能準(zhǔn)確的求解單相線路未知電容參數(shù)及線路電壓，實(shí)現(xiàn)基于并聯(lián)電容的單相線路相電壓的自校準(zhǔn)。當(dāng)前第1頁(yè)12