CN108548989A - 采用线性离散模型参数的接地网健康状态评估***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用线性离散模型参数的接地网健康状态评估***及方法，该***包括参数可调的阶跃电流信号源模块(1)、接地网模块(2)、输入电流和响应输出电压波形采集存储模块(3)、线性离散模型参数识别模块(4)和接地网健康状态评估模块(5)。与现有技术相比，本发明具有简单、准确和不受现场运行条件的限制的优点。

Description

采用线性离散模型参数的接地网健康状态评估***及方法

技术领域

本发明涉及变电站接地网健康状态评估领域，尤其是涉及一种采用线性离散模型参数的变电站接地网健康状态评估***及方法。

背景技术

变电站的接地是保证电力***安全可靠运行的重要措施，一般的方法是敷设接地网，接地网不仅为各种电气设备提供一个公共参考地，而且在电力***故障时能迅速***故障电流，并降低地电位的升高。因而接地网接地性能的优劣直接关系到电力***工作人员的人身安全和各种电气设备的安全及正常运行。近年来，随着用电需求的快速增长，电力***规模和容量迅速扩大，接地短路电流越来越大，对接地网的安全可靠性提出了更高的要求。敷设接地网所用的材料主要扁钢，施工时焊接不良、土壤腐蚀、接地短路电流的电动力作用等原因，导致扁钢及接地扁钢的腐蚀、断裂，使接地性能下降。当***发生接地短路时，可能造成地电位异常或分布不均，电力***中性点的偏移以及电力设备机壳上的危险电压。因此，发展接地网故障诊断技术，特别是通过现场试验方法和技术进行应用评估，及时了解接地网的“健康”状态，避免事故的发生，大大减少了停役时间和开挖维修的工作量，节约开挖维修的费用，具有重要的经济意义和社会意义。

经过检索，中国专利公开号为CN107561407A公开了一种分布式的变电站接地网检测和评估方法，是根据变电站接地网设计文件，反演变电站内的土壤模型，以及变电站接地网的工频接地阻抗值；计算接地故障发生时变电站内的地电位升高、跨步电压和接触电压特征参数；计算不同地点发生故障的情况下变电站的地电位升，跨步电压和接触电压特征参数；结合分布式接地网状态评估装置，对接地网的接地导体运行状态进行检测，并对不同故障地点时，接地导体当前状态下接地网特征参数进行计算；对导体的当前状态进行比较识别，得出当前变电站内接地装置的整体性评估结果。本发明能够实现对接地网接地导体运行状态的跟踪，及时采取措施，排除影响设备和人员安全的事故。但该发明是通过模拟不同地点发生故障时，测量变电站内的地电位升、跨步电压、接触电压等特征参数，操作繁琐复杂，影响现场运行状况。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种采用线性离散模型参数的变电站接地网健康状态评估***及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种采用线性离散模型参数的接地网健康状态评估***，其特征在于，该***包括参数可调的阶跃电流信号源模块、接地网模块、输入电流和响应输出电压波形采集存储模块、线性离散模型参数识别模块和接地网健康状态评估模块；

所述的参数可调的阶跃电流信号源模块产生不同信号电流注入在接地网模块上，所述的输入电流和响应输出电压波形采集存储模块采集和存储参数可调的阶跃电流信号源模块产生的输入电流信号波形和接地网模块接地引下线的响应输出电压信号波形，所述的线性离散模型参数识别模块对输入电流和响应输出电压波形采集存储模块提供的电流和电压波形数据进行处理，得到该接地网按线性离散模型参数识别计算分析的等效电阻分量R、等效电感分量L和综合参数X，存储于接地网健康状态评估模块，所述的接地网健康状态评估模块利用当前数据和历史数据，进行变化值分析，从而评估该变电站接地网的运行状态。

优选地，所述的线性离散模型参数识别模块中的线性离散模型定义为：

用e(k)代表过程噪声，用于模型本身的随机干扰，由于它的存在，使的模型输出量y(k)变为：

其中，u(k)是模型的确定性输入量；a₁为待识别的等效电阻分量R；b₁为待识别的等效电感分量L；b₀为待识别的综合参数X；

若输入量的噪声记为s(k)，输入量的实测值记为x(k)，则有：

x(k)＝u(k)+s(k)

另外，输出侧测量噪声ω(k)叠加在y(k)上成为输出量的实测值，记为z(k)：

z(k)＝y(k)+ω(k)

根据上述，得出计算用的模型：

此时，输入量x(k)和输出量z(k)都是实测值。

优选地，所述的模型参数识别采用离线识别方式，即将采集到的数据存储在硬盘中，将数据进行批处理。

优选地，所述的模型参数识别方法包括相关分析法、阶跃响应法、脉冲响应法和频率响应法。

优选地，当采用相关分析法时，数据不需进行去噪处理；当采用阶跃响应法、脉冲响应法和频率响应法时，数据需先进行去噪处理。

优选地，所述的健康状态评估定义为：

当前参数X和历史参数X'相对变化率计算如下：

为等效综合参数的相对变化率；

则，

为等效电阻分量的相对变化率；

为等效电感分量的相对变化率；

根据上述三个相对变化率数值范围，建立如下的评估规则：当其中两个相对变化率均为I级时，变电站接地网健康状态评估为JK；当其中两个相对变化率中一个为I级，一个为II级时，变电站接地网健康状态评估为YJK；其余情况下，变电站接地网健康状态评估为DB；

其中定义：I级为BHL≤10％，II级为10％＜BHL≤50％，III级为BHL＞50％，JK为健康状态，YJK为亚健康状态，DB为带病运行状态。

优选地，三个分类级别I、II和III相对变化率BHL的数值范围可变化设定。

优选地，所述的参数可调的阶跃电流信号源模块为阶跃波电流信号发生器；

所述的响应输出电压波形采集存储模块为高速数据采集装置。

优选地，所述的线性离散模型参数识别模块和接地网健康状态评估模块分别为装载有线性离散模型参数识别程序和评估程序的便携式计算机，所述的高速数据采集装置与便携式计算机通过无线网络通讯。

一种采用所述的采用线性离散模型参数的接地网健康状态评估***的方法，包括以下步骤：

步骤1，进入变电站，选定变电站接地网特定接地引下线的接地状态参数测试点即是阶跃波信号电流输入端，并按接地网对角线长度放电压、电流测试线，即布置测试回路用电流极和电压极；

步骤2，连接现场阶跃波信号电流发生装置，布置测试数据线，将输入电流信号和响应输出电压信号连接至高速数据采集装置；

步骤3，利用便携式计算机中线性离散模型参数识别程序对测试输入电流和输出电压数据进行计算分析和处理，得到该模型的三个参数即等效电阻分量R、等效电感分量L和综合参数X；

步骤4，当前数据和历史数据，进行变化值分析，并根据设定的相对变化率数值区域来评估接地网运行状态，判定该接地网处于健康状态、亚健康状态还是带病运行状态。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供了一种不需要对接地网进行大面积开挖，不需要进行接地网接地导体取样以及土壤取样，大大减少了变电站接地网腐蚀取样测量的工作量，大大简便了对接地网运行状态进行评估的一种先进方法。

2、本发明提供了一种变电站接地网等效线性离散模型，可以基于输入和输出信号数据对其模型参数进行识别即计算分析，从而基于参数变化值来评估接地网运行状态。

3、本发明提供了一种能够代表接地网不同位置接地引下线的接地状态测量方法，比传统工频接地阻抗更加能够反映接地网的真实运行状态。

4、本发明提供了一种不受现场运行条件限制，使用一定幅值的电流信号测量，可在不停电下进行，而且为全频段激励源，不受变电站工频电磁场的干扰。

附图说明

图1为本发明的***模块结构示意图；

图2为本发明的变电站接地网的输入和输出的等效线性离散模型；

图3为本发明的注入接地网的阶跃波电流信号波形示例图；

图4为本发明的方法应用流程图；

图5为本发明的***现场测试接线图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明力图从实际应用出发，客服已有技术的不足之处，提出一种采用线性离散模型参数的变电站接地网健康状态评估方法，可在不停电和不对变电站接地网开挖的情况下，按照现场国家和行业标准接地装置特性参数测量导则布置电气回路，基于接地引下线测试获取的输入电流和输出电压信号数据对接地网等效线性离散模型进行参数识别，通过对比历史模型参数和目前实测数据计算参数之间的相对变化值了解接地网的实际运行状态，判断接地网是否发生腐蚀或导体断裂，对其运行状态是否“健康”进行判定，从而保障电力***的安全、可靠运行。该测试方法符合现行大力推行的智能运检体系建设中智能检测技术发展需求，具有简单、准确和不受现场运行条件的限制等优点。

通过本发明所解决的技术问题在于提供一种采用线性离散模型参数的变电站接地网健康状态评估方法，即按照现场国家和行业标准接地装置特性参数测量导则布置电气回路，使用现场阶跃波信号电流发生器输出一定幅值的测试信号电流(>10A,一般选择20A)，施加于被评估的变电站接地网接地引下线上，测量被选定输入接地引下线的测试信号电流(通常用高频罗氏线圈转换为电压信号)，以及同步记录该选定接地引下线的响应输出电压信号，利用便携式计算机中线性离散模型参数识别程序对测试输入电流和输出电压数据进行计算分析和处理，得到接地网等效线性离散模型的两个参数即等效电阻分量R和等效电感分量L，并与历史测量计算分析得到的该变电站接地网同一位置接地引下线的等效电阻分量和等效电感分量进行分析比较，基于相对变化量来评估该变电站接地网是处于健康、亚健康还是带病运行状态。

本发明的具体结果可参照附图，图1是本发明一较佳实施例采用线性离散模型参数的变电站接地网健康状态评估方法主要模块方框图，如图1所示，该变电站接地网腐蚀状态评估方法至少包括：参数可调的阶跃电流信号源模块1、接地网模块2、输入电流和响应输出电压波形采集和存储模块3、线性离散模型参数识别模块4和接地网健康状态评估模块5。

所述的参数可调的阶跃电流信号源模块1产生不同信号电流注入在接地网模块2上，所述的输入电流和响应输出电压波形采集存储模块3采集和存储参数可调的阶跃电流信号源模块1产生的输入电流信号波形和接地网模块2接地引下线的响应输出电压信号波形，所述的线性离散模型参数识别模块4对输入电流和响应输出电压波形采集存储模块3提供的电流和电压波形数据进行处理，得到该接地网按线性离散模型参数识别计算分析的等效电阻分量R、等效电感分量L和综合参数X，存储于接地网健康状态评估模块5，所述的接地网健康状态评估模块5利用当前数据和历史数据，进行变化值分析，从而评估该变电站接地网的运行状态。

本发明提供了一种采用线性离散模型参数的变电站接地网健康状态评估方法，其中基于输入和输出的变电站接地网等效线性离散模型见图2。现场阶跃波电流信号发生器产生一定幅值的阶跃波电流信号，如图3所示，作用在变电站接地网上的输入接地引下线，并记录输入信号电流波形和响应输出接地引下线的响应电压波形，利用便携式计算机中线性离散模型参数识别程序对测试输入和输出数据进行计算分析和处理，得到该模型的两个参数即等效电阻分量R、等效电感分量L和综合参数X，排除了目前单一频率50Hz下阻抗值比较带来的不确定性，可以发现接地网导体由于腐蚀或断裂导致整个接地网运行状态发生的变化，即处于健康状态、亚健康状态还是带病运行状态。

本发明提供了一种不需要对接地网进行大面积开挖，不需要进行接地网接地导体取样以及土壤取样，大大减少了变电站接地网腐蚀取样测量的工作量，大大简便了对接地网运行状态进行评估的一种先进方法。

本发明提供了一种变电站接地网等效线性离散模型，可以基于输入和输出信号数据对其模型参数进行识别即计算分析，从而基于参数变化值来评估接地网运行状态。

本发明提供了一种能够代表接地网不同位置接地引下线的接地状态测量方法，比传统工频接地阻抗更加能够反映接地网的真实运行状态。

本发明提供了一种不受现场运行条件限制，使用一定幅值的电流信号测量，可在不停电下进行，而且为全频段激励源，不受变电站工频电磁场的干扰。

本发明的上述技术问题主要是通过以下技术方案的得以解决的：

如图4所示，一种采用线性离散模型参数的变电站接地网健康状态评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，进入变电站，选定变电站接地网特定接地引下线(通常是主变接地处)的接地状态参数测试点即是阶跃波信号电流输入端，并根据标准或导则按接地网对角线长度放电压、电流测试线，即布置测试回路用电流极和电压极；

步骤2，连接现场阶跃波信号电流发生装置，布置测试数据线，将输入电流信号和响应输出电压信号连接至高速数据采集装置；

步骤3，利用便携式计算机中线性离散模型参数识别程序对测试输入电流和输出电压数据进行计算分析和处理，得到该模型的两个参数即等效电阻分量R、等效电感分量L和综合参数X；

步骤4，当前数据和历史数据，进行变化值分析，并根据设定的相对变化率数值区域来评估接地网运行状态，判定该接地网处于健康状态、亚健康状态还是带病运行状态。

如图5所示，进入220kV变电站，选定该变电站1#主变接地排为接地网接地参数测试点即阶跃波信号电流输入端，根据接地网对角线长度200m依据行业标准DL/T475-2006接地装置特性参数测量导则放电压测试线800m、电流测试线600m，并布置电流极和电压极。连接现场阶跃波信号发生器输出一阶跃电流波形作为输入信号(通过罗氏线圈也转换为电压波形)，同时该接地引下线的响应为输出电压信号，两路信号数据均接入高速数据采集装置(采样率设置为500MS/s)。高速数据采集装置与便携式计算机采用无线网络通讯，进行参数设定和数据传输。利用便携式计算机中线性离散模型参数识别程序对测试输入电流和输出电压数据进行计算分析和处理，得到该模型的两个参数即等效电阻分量R、等效电感分量L和综合参数X。最后，将当前数据和历史数据进行变化值分析，并根据设定的相对变化率数值区域来评估接地网运行状态，判定该接地网处于健康状态、亚健康状态还是带病运行状态。

其中，输入输出过程的线性离散模型、模型参数识别和状态评估计算分别定义如下。

(1)、如图2所示，线性离散模型：

用e(k)代表过程噪声，即作用于模型本身的随机干扰，由于它的存在，使的模型输出量y(k)变为：

其中，u(k)是模型的确定性输入量；a₁为待识别的等效电阻分量R；b₁为待识别的等效电感分量L；b₀为待识别的综合参数X。

若输入量的噪声记为s(k)，输入量的实测值记为x(k)，则有：

x(k)＝u(k)+s(k)

另外，输出侧测量噪声ω(k)叠加在y(k)上成为输出量的实测值，记为z(k)：

z(k)＝y(k)+ω(k)

根据上述，不难写出计算用的模型，

此时，输入量x(k)和输出量z(k)都是实测值。

(2)、模型参数识别：

目前模型参数识别根据计算机与过程模型之间的不同联系分式可以分为离线识别和在线识别两种情形。如图5所示，本发明采用离线识别方式，即将采集到的数据存储在硬盘中，将数据进行批处理即可。

如图2所示，变电站接地网离散线性模型可以使用阶跃响应法、脉冲响应法和频率响应法，但考虑到现场测量时有一定的噪声因素，本发明采用相关分析法对模型的三个等效参数进行计算求解。

(3)、健康状态评估：

以综合参数X为例，当前参数X和历史参数X'相对变化率计算如下：

为等效综合参数的相对变化率；

则，

为等效电阻分量的相对变化率；

为等效电感分量的相对变化率。

根据上述三个参数的相对变化率数值范围，建立如表1所示的评估规则，表中，I——数值≤10％；II——10％＜数值≤50％；III——数值＞50％；JK——健康状态；YJK——亚健康状态；DB——带病运行状态。

表1

本发明的工作原理：

本发明提供了一种采用线性离散模型参数的变电站接地网健康状态评估方法，其中基于输入和输出的变电站接地网等效线性离散模型见图2。现场阶跃波电流信号发生器产生一定幅值的阶跃波电流信号，如图3所示，作用在变电站接地网上的输入接地引下线，并记录输入信号电流波形和响应输出接地引下线的响应电压波形，利用便携式计算机中线性离散模型参数识别程序对测试输入和输出数据进行计算分析和处理，得到该模型的三个参数即等效电阻分量R、等效电感分量L和综合参数X，排除了目前单一频率50Hz下阻抗值比较带来的不确定性，可以发现接地网导体由于腐蚀或断裂导致整个接地网运行状态发生的变化，即处于健康状态、亚健康状态还是带病运行状态。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种采用线性离散模型参数的接地网健康状态评估***，其特征在于，该***包括参数可调的阶跃电流信号源模块(1)、接地网模块(2)、输入电流和响应输出电压波形采集存储模块(3)、线性离散模型参数识别模块(4)和接地网健康状态评估模块(5)；

所述的参数可调的阶跃电流信号源模块(1)产生不同信号电流注入在接地网模块(2)上，所述的输入电流和响应输出电压波形采集存储模块(3)采集和存储参数可调的阶跃电流信号源模块(1)产生的输入电流信号波形和接地网模块(2)接地引下线的响应输出电压信号波形，所述的线性离散模型参数识别模块(4)对输入电流和响应输出电压波形采集存储模块(3)提供的电流和电压波形数据进行处理，得到该接地网按线性离散模型参数识别计算分析的等效电阻分量R、等效电感分量L和综合参数X，存储于接地网健康状态评估模块(5)，所述的接地网健康状态评估模块(5)利用当前数据和历史数据，进行变化值分析，从而评估该变电站接地网的运行状态。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述的线性离散模型参数识别模块(4)中的线性离散模型定义为：

用e(k)代表过程噪声，用于模型本身的随机干扰，由于它的存在，使的模型输出量y(k)变为：

其中，u(k)是模型的确定性输入量；a₁为待识别的等效电阻分量R；b₁为待识别的等效电感分量L；b₀为待识别的综合参数X；

若输入量的噪声记为s(k)，输入量的实测值记为x(k)，则有：

x(k)＝u(k)+s(k)

另外，输出侧测量噪声ω(k)叠加在y(k)上成为输出量的实测值，记为z(k)：

z(k)＝y(k)+ω(k)

根据上述，得出计算用的模型：

此时，输入量x(k)和输出量z(k)都是实测值。

3.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述的模型参数识别采用离线识别方式，即将采集到的数据存储在硬盘中，将数据进行批处理。

4.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述的模型参数识别方法包括相关分析法、阶跃响应法、脉冲响应法和频率响应法。

5.根据权利要求4所述的***，其特征在于：当采用相关分析法时，数据不需进行去噪处理；当采用阶跃响应法、脉冲响应法和频率响应法时，数据需先进行去噪处理。

6.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述的健康状态评估定义为：

当前参数X和历史参数X'相对变化率计算如下：

为等效综合参数的相对变化率；

则，

为等效电阻分量的相对变化率；

为等效电感分量的相对变化率；

根据上述三个相对变化率数值范围，建立如下的评估规则：当其中两个相对变化率均为I级时，变电站接地网健康状态评估为JK；当其中两个相对变化率中一个为I级，一个为II级时，变电站接地网健康状态评估为YJK；其余情况下，变电站接地网健康状态评估为DB；

其中定义：I级为BHL≤10％，II级为10％＜BHL≤50％，III级为BHL＞50％，JK为健康状态，YJK为亚健康状态，DB为带病运行状态。

7.根据权利要求5所述的***，其特征在于：三个分类级别I、II和III相对变化率BHL的数值范围可变化设定。

8.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述的参数可调的阶跃电流信号源模块(1)为阶跃波电流信号发生器；

所述的响应输出电压波形采集存储模块(3)为高速数据采集装置。

9.根据权利要求8所述的***，其特征在于：所述的线性离散模型参数识别模块(4)和接地网健康状态评估模块(5)分别为装载有线性离散模型参数识别程序和评估程序的便携式计算机，所述的高速数据采集装置与便携式计算机通过无线网络通讯。

10.一种采用权利要求1所述的采用线性离散模型参数的接地网健康状态评估***的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，进入变电站，选定变电站接地网特定接地引下线的接地状态参数测试点即是阶跃波信号电流输入端，并按接地网对角线长度放电压、电流测试线，即布置测试回路用电流极和电压极；

步骤2，连接现场阶跃波信号电流发生装置，布置测试数据线，将输入电流信号和响应输出电压信号连接至高速数据采集装置；

步骤3，利用便携式计算机中线性离散模型参数识别程序对测试输入电流和输出电压数据进行计算分析和处理，得到该模型的三个参数即等效电阻分量R、等效电感分量L和综合参数X；

步骤4，当前数据和历史数据，进行变化值分析，并根据设定的相对变化率数值区域来评估接地网运行状态，判定该接地网处于健康状态、亚健康状态还是带病运行状态。