基于瞬态辐射电场信号的电力设备端口电压全波形重建方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于瞬态辐射电场信号的电力设备端口电压全波形重建方法及系统，该方法基于高压直流电力设备动作时所产生的瞬态辐射近电场对设备两端平均电压进行重建计算，得出端口电压的拟合全波形，可用于针对高压直流电力设备开展非接触式在线监测、故障诊断及态势感知等用途。本发明专利技术能够充分克服传统的换流站电磁辐射干扰计算方法占据计算资源大，仿真效率低等缺点；基于电场传感器的监测手段克服了传统电压测量装置体积大、成本高和维护难度大等缺点，本发明专利技术能够丰富针对高压直流换流阀厅内电力设备在线监测的手段，提升直流系统的维护效率。流系统的维护效率。流系统的维护效率。

【技术实现步骤摘要】
基于瞬态辐射电场信号的电力设备端口电压全波形重建方法及系统


[0001]本专利技术属于高压直流换流站阀厅内关键电力设备故障诊断
，具体涉及一种基于瞬态辐射电场信号的电力设备端口电压全波形重建方法及系统。

技术介绍

[0002]直流输电技术和直流电网工程是解决新能源发电、消纳及并网问题所广泛采用的技术手段之一，因此基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的高压直流输电系统(HVDC)在近十年来发展迅速。然而，柔性直流输电网也面临着严峻的挑战，如短路故障导致系统电流在数毫秒内升高至kA级别等，这会使换流站中一些关键电力电子装备承受破坏性电气应力。因此，对换流站内的关键电力设备进行状态监测是确保柔直系统安全的重要手段。
[0003]现有研究表明，通过电力设备动作过程中所产生的瞬态辐射电磁场(Transient Electromagnetic Field,TEMF)，可以准确地判断设备的动作时序及健康状态，但针对阀厅内各种设备所产生的空间电磁场的研究一般侧重于电磁兼容角度，尚未发现有特别针对电力设备的非接触式态势感知技术展开有关空间电磁场的理论研究并对其进行试验验证的相关报道。除此之外，在电网运行过程中不可避免地需要对设备及线路的电压进行测试，稳态及暂态高压信号的传统测量系统往往需要借助大体积的分压器，但其动态特性较差，传统测量系统的采样频率也较低(一般在10kHz以下)，难以实时响应电力设备的瞬态电压变化，还可能遗漏携带重要故障信息的高频分量；现已有大量学者以输电线路为研究对象针对电压的非接触式测量展开研究，并且在理论研究、探测手段和装置以及电压重建算法优化上取得了一定的研究成果，但目前尚未见有针对高压直流电力设备展开非接触式电压重建的理论及计算方法研究的相关报道。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于瞬态辐射电场信号的电力设备端口电压全波形重建方法及系统，以克服电力设备传统电压测量方法的测量设备体积大、动态特性差、监测灵活性低的缺陷性问题。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0006]本专利技术公开了一种基于瞬态辐射电场信号的电力设备端口电压全波形重建方法，包括以下步骤：
[0007]1)根据电磁场理论，获得有限长理想载流直导线辐射近电场在笛卡尔坐标系中的x,y,z三个坐标轴分量的解析表达式；
[0008]2)根据高压直流换流站阀厅内关键电力设备的实际三维几何尺寸及实际通流回路，将高压直流换流站阀厅内关键电力设备简化为由若干段有限长理想载流直导线所组成的辐射近电场简化模型，并针对每一段有限长理想载流直导线都建立一个本地笛卡尔坐标
系；
[0009]3)在高压直流换流站阀厅内关键电力设备所在阀厅内任意空间位置布设若干个瞬态电场探测装置；
[0010]4)基于步骤2)针对关键电力设备建立的若干段有限长理想载流直导线模型，获取步骤3)中若干瞬态电场探测装置在各个本地坐标系中的坐标值；
[0011]5)将步骤4)获取的坐标值代入步骤1)中获得的解析表达式中，重新建立起以关键电力设备的辐射近电场与其端口之间的多元一次方程组，求解该方程组，获取电力设备端口电压解析解。
[0012]优选地，步骤1)中，有限长理想载流直导线为理想导体，忽略整根直导线载流过程中的波过程，其任意点的表面电势均为相等。
[0013]优选地，步骤1)中，x,y,z三个坐标轴分量的解析表达式如下式所示：
[0014][0015]其中，和分别表示直导线辐射近电场在笛卡尔坐标系中的三个坐标轴分量；V
s
为有限长理想载流直导线的表面电势；r为有限长理想载流直导线的线径；C为单位长度导线对地等效电容；ε0为真空介电常数；几何角量φ为场点在xoy平面上的投影点与笛卡尔系原点连线与x轴正方向之间的夹角，即场点的方位角；几何角量α1表示场点与直导线下顶点连线与z轴正方向之间的夹角，即场点相对于直导线下顶点的俯仰角；几何角量α2表示场点与直导线上顶点连线与z轴正方向之间的夹角，即场点相对于直导线上顶点的俯仰角。
[0016]优选地，步骤2)中，计及关键电力设备的实际通流回路的三维几何结构，忽略该关键电力设备本体外侧金属屏蔽装置及各种绝缘设备所产生的极化电场。
[0017]优选地，步骤2)中，依附于辐射近电场简化模型中每一段有限长理想载流直导线所建立的本地坐标系的竖坐标轴应与有限长理想载流直导线中通流电流的参考方向一致。
[0018]优选地，步骤3)中，每个关键电力设备所在阀厅内任意空间位置布设的瞬态电场探测装置的数量至少为2个。
[0019]优选地，步骤3)中，若阀厅中同时存在多个关键电力设备时，针对其中某个关键电力设备进行电压重建时，瞬态电场探测装置靠近该关键电力设备设置，且瞬态电场探测装置的接收天线与待测关键电力设备之间无遮挡物。
[0020]进一步优选地，所述瞬态电场探测装置采用基于棒状电小天线的纳秒级瞬态电场光纤测量设备。
[0021]优选地，所述瞬态电场探测装置的测量带宽为200Hz至680MHz，测量电场幅值范围为
‑
50kV/m至50kV/m。
[0022]优选地，步骤5)中，所述多元一次方程组，如下式：
[0023][0024]其中，E
z
‑1是场点1处在z轴方向上的测量电场，E
z
‑2是场点2处在z轴方向上的测量电场；V
p
‑
av
是正极断路器端口处的平均电压，V
n
‑
av
是负极断路器端口处的平均电压；K
a
‑
b
‑
c
‑
d
(a可取p或n，代表等效导线所在的断路器的极性；b取z，代表z轴方向；c遍历自然数1到10取值，代表等效导线的编号；d可取1或2，代表电场测点的编号)是场点在各段等效导线的本地坐标系中的坐标参数；A
ef
(e可取1，2；f可取1，2)是十段导线K
a
‑
b
‑
c
‑
d
参数的集合系数。
[0025]本专利技术还公开了一种基于上述的基于瞬态辐射电场信号的电力设备端口电压全波形重建方法的系统，包括：
[0026]关键电力设备辐射近电场简化计算模块，用于将关键电力设备简化为由若干段有限长理想载流直导线所组成的辐射近电场简化模型，并针对每一段有限长理想载流直导线都建立一个本地笛卡尔坐标系；
[0027]瞬态辐射近电场测量模块，用于对高压直流换流站阀厅内的关键电力设备进行瞬态电场的监测与记录，并提供电场测点在各段有限长理想载流直导线的本地笛卡尔坐标系中的场点坐标信息；
[0028]电力设备端口平均电压重建计算模块，用于建立起关键电力设备辐射近电场与关键电力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于瞬态辐射电场信号的电力设备端口电压全波形重建方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据电磁场理论，获得有限长理想载流直导线辐射近电场在笛卡尔坐标系中的x,y,z三个坐标轴分量的解析表达式；2)根据高压直流换流站阀厅内关键电力设备的实际三维几何尺寸及实际通流回路，将高压直流换流站阀厅内关键电力设备简化为由若干段有限长理想载流直导线所组成的辐射近电场简化模型，并针对每一段有限长理想载流直导线都建立一个本地笛卡尔坐标系；3)在高压直流换流站阀厅内关键电力设备所在阀厅内任意空间位置布设若干个瞬态电场探测装置；4)基于步骤2)针对关键电力设备建立的若干段有限长理想载流直导线模型，获取步骤3)中若干瞬态电场探测装置在各个本地坐标系中的坐标值；5)将步骤4)获取的坐标值代入步骤1)中获得的解析表达式中，重新建立起以关键电力设备的辐射近电场与其端口之间的多元一次方程组，求解该方程组，获取电力设备端口电压解析解。2.根据权利要求1所述的基于瞬态辐射电场信号的电力设备端口电压全波形重建方法，其特征在于，步骤1)中，有限长理想载流直导线为理想导体，忽略整根直导线载流过程中的波过程，其任意点的表面电势均为相等。3.根据权利要求1所述的基于瞬态辐射电场信号的电力设备端口电压全波形重建方法，其特征在于，步骤1)中，x,y,z三个坐标轴分量的解析表达式如下式所示：其中，和分别表示直导线辐射近电场在笛卡尔坐标系中的三个坐标轴分量；V
s
为有限长理想载流直导线的表面电势；r为有限长理想载流直导线的线径；C为单位长度导线对地等效电容；ε0为真空介电常数；几何角量φ为场点在xoy平面上的投影点与笛卡尔系原点连线与x轴正方向之间的夹角，即场点的方位角；几何角量α1表示场点与直导线下顶点连线与z轴正方向之间的夹角，即场点相对于直导线下顶点的俯仰角；几何角量α2表示场点与直导线上顶点连线与z轴正方向之间的夹角，即场点相对于直导线上顶点的俯仰角。4.根据权利要求1所述的基于瞬态辐射电场信号的电力设备端口电压全波形重建方法，其特征在于，步骤2)中，计及关键电力设备的实际通流回路的三维几何结构，忽略该关键电力设备本体外侧金属屏蔽装置及各种绝缘设备所产生的极化电场。5.根据权利要求1所述的基于瞬态辐射电场信号的电力设备端口电压全波形重建方法，其特征在于，步骤2)中，依附于辐射近电场简化模型中每一段有限长理想载流直导线所建立的本地坐标系的竖坐标轴应与有限长理想载流直导线中通流电流的参考方向一致。
6.根据权利要求1所述的基于瞬态辐射电场信号的电力设备端口电压全波形重建方法，其特征在于，步骤3)中，每个关键电力设备所在阀厅内任意空间位置布设的瞬态电场探测装置的数量至少为2...

【专利技术属性】
技术研发人员：和少寅，朱承治，谢彦召，张博皓，倪晓军，裘鹏，陆翌，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：