CN115902477A - 一种基于数字孪生的避雷器运行状态检测方法 - Google Patents

一种基于数字孪生的避雷器运行状态检测方法 Download PDF

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CN115902477A CN202211506181.6A CN202211506181A CN115902477A CN 115902477 A CN115902477 A CN 115902477A CN 202211506181 A CN202211506181 A CN 202211506181A CN 115902477 A CN115902477 A CN 115902477A
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王杰峰
龙玉江
李洵
卫薇
卢仁猛
孙骏
田月炜
甘润东
王策
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Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的避雷器运行状态检测方法，包括获取待建模避雷器的设备参数、运行数据以及外部信息，获取避雷器在电网拓扑中的安装信息；从电学角度对避雷器实体进行特征映射，根据改进的阻性电流算法建立考虑避雷器老化因素的避雷器数字孪生模型；考虑相间杂散电容干扰，对避雷器数字孪生模型进行修正；基于数字孪生模型，考虑谐波影响的避雷器在线检测，利用谐波分析法提出避雷器老化状态评估，根据计算结果将避雷器分为未老化、老化中期和完全老化三个等级；解决了常用的避雷器模型对于泄漏电流的检测虽然简单有效，但随着老化、受潮等影响，误差会逐渐变大，使得在线检测有效性不足等技术问题。

Description

一种基于数字孪生的避雷器运行状态检测方法
技术领域
本发明属于避雷器运行状态检测技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的避雷器运行状态检测方法。
背景技术
避雷器是电力***中抑制过电压、释放冲击大电流和保护电力设备不受雷击损坏的重要保护装置，其运行状态极大影响到电网***的稳定性。然而由于长期受外界环境、供电电压、电网谐波及设备内部受潮、老化现象等因素的影响，避雷器内部阀片的绝缘性能和灵敏度会出现不同程度的偏差，使得传统在线检测方法对避雷器误差较大，如何建立考虑老化、受潮等因素影响的避雷器模型，成为避雷器在线检测的难题。同时现电网站内设备往往排列较为密集，带电导体之间存在的耦合电容容易产生相间及空间干扰电流，会对避雷器泄漏电流等检测带来较大干扰，需要建立考虑相间和空间干扰的相关模型和算法。目前最常用的避雷器模型为仅考虑了正常状态的电阻和电容特性的小电流区模型，该模型对于泄漏电流的检测虽然简单有效，但随着老化、受潮等影响，误差会逐渐变大，使得在线检测有效性不足。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于数字孪生的避雷器运行状态检测方法，以解决常用的避雷器模型为仅考虑了正常状态的电阻和电容特性的小电流区模型，该模型对于泄漏电流的检测虽然简单有效，但随着老化、受潮等影响，误差会逐渐变大，使得在线检测有效性不足等技术问题。
本发明技术方案是：
一种基于数字孪生的避雷器运行状态检测方法，所述方法包括：
步骤1：获取待建模避雷器的设备参数、运行数据以及外部信息，获取避雷器在电网拓扑中的安装信息；
步骤2：从电学角度对避雷器实体进行特征映射，根据改进的阻性电流算法建立考虑避雷器老化因素的避雷器数字孪生模型；
步骤3：考虑相间杂散电容干扰，对避雷器数字孪生模型进行修正；
步骤4：基于数字孪生模型，考虑谐波影响的避雷器在线检测；
步骤5：基于数字孪生模型信息，利用谐波分析法提出避雷器老化状态评估，根据计算结果将避雷器分为未老化、老化中期和完全老化三个等级。
获取待建模避雷器设备参数包括电气参数和结构参数；电气参数包括伏安特性曲线、额定电压、持续运行电压、标称放电电流下残压和最大放电电流，结构参数包括避雷器型号、阀片材质、质量和比热容参数。
电网拓扑中的安装信息的获取方法为：获取电网电压等级，明确避雷器的接入方式与保护范围，得到电网拓扑图和避雷器在电网安装分布图。
步骤2具体包括：
步骤2.1、基于获取的避雷器设备参数，建立避雷器基本数字孪生模型；
根据避雷器伏安特性曲线将避雷器等效为一个电容C支路与一个非线性电阻R支路的并联电路；避雷器的泄漏电流iX分为阻性电流iR和容性电流iC两部分，计算公式如下：
其中u为施加于避雷器两端电压，k为避雷器自身老化程度决定的常数：
Figure BDA0003968205510000021
步骤2.2、基于容性电流补偿法消去容性电流，从而得到阻性电流；考虑谐波对容性电流的影响，容性电流分量根据u计算得到，如下式：
Figure BDA0003968205510000022
iR＝iX-iC
其中ω为交流电频率，n为谐波次数；
步骤2.3、根据改进的阻性电流算法，对非线性等效电阻进行修正，建立考虑避雷器老化对电阻影响的避雷器数字孪生模型；
将非线性电阻R产生基波阻性电流的电阻等效为线性电阻R1，其余部分等效为非线性电阻R2，从而使非线性电阻R等效为R1与R2并联组成；根据基本孪生电路模型，对阻性电流iR进行FFT分解，如下式所示：
Figure BDA0003968205510000031
Figure BDA0003968205510000032
Figure BDA0003968205510000033
其中θx为x次谐波电流的相位；
计算x次谐波在基波处的阻性电流幅值IMX1，如下式所示：
Figure BDA0003968205510000034
计算得到R1线性等效电阻，然后根据R1得到R2，如下式所示，其中θ为基波电流的相位：
Figure BDA0003968205510000035
R2＝tanu/k-R1。
步骤3对避雷器数字孪生模型进行修正具体包括：
步骤3.1、考虑相间杂散电容干扰，对避雷器数字孪生模型进行修正，设相间杂散电容为CAB、CBA、CBC、CBC，当避雷器以一字形方式接入三相电路中时，四个杂散电容参数相等，则通过谐波分析法得到各项阻性电流的真实值修正公式，如下式所示，其中
Figure BDA0003968205510000036
为当前时刻电流与电压夹角，
Figure BDA0003968205510000037
为各相电流与电压的夹角：
Figure BDA0003968205510000038
Figure BDA0003968205510000039
Figure BDA00039682055100000310
步骤3.2、采集避雷器的三相泄漏电流IA、IB、IC以及三相电压信号UA、UB、UC，并计算对应的幅值和相位信息；
步骤3.3、计算三相电流的零序和正序电流分量，计算B相补偿后的全电流幅值和夹角信息；
步骤3.4、计算B相初始运行时刻补偿后的幅值和夹角信息，并计算对应的阻性电流，进而按步骤2计算修正避雷器电容与电阻参数；
步骤3.5、各相均以B相计算的初始值为基准，加上各相幅值及夹角的变化量作为计算结果，并计算对应的阻性电流，进而按步骤2计算修正避雷器电容与电阻参数。
步骤4基于数字孪生模型，考虑谐波影响的避雷器在线检测的具体方法包括：
步骤4.1、泄漏电流包括阻性分量和容性分量，如下式所示，
Figure BDA0003968205510000041
其中αk为各次谐波电流的相角；
步骤4.2、两边同时乘sin(nωt+αn)，并对等式两边做在一周期内的定积分计算，化简得到下式：
IRk＝Ikmcos(βk-αk)
步骤4.3、两边同时乘cos(nωt+αn)，并对等式两边做在一周期内的定积分计算，化简得到下式：
ICk＝Ikmsin(βk-αk)
实时计算各相全电流、阻性电流和容性电流，并根据正常运行和各类故障运行时计算的各电流大小，设定各相全电流、阻性电流和容性电流的告警阈值，从而实现避雷器本体的故障预警。
步骤5具体包括：
步骤5.1、对步骤4中泄漏电流的阻性电流分量计算进行简化，由下式快速计算得到，其中M为中间常数变量，可来利用平均功率定义求解，其中u为避雷器测得的端电压，i为测得的泄漏电流：
ir＝u/M
Figure BDA0003968205510000051
步骤5.2、泄露电流的基波阻性电流ir1可由下式计算得到，
ir1＝u1/M
其中基波电压u1可通过对电压FFT计算得到；
(3)根据步骤2数字孪生模型仿真计算得到k与泄露电流的基波阻性电流ir1关系，并分别按照k＝40,25,12对应的基波阻性电流ir1值作为避雷器未老化、老化中期和完全老化三个等级的判断值。
当测得避雷器ir1小于k＝40对应ir1值时，为未老化状态；当测得避雷器ir1大于k＝40对应ir1值且小于k＝25对应ir1值时，为老化中期状态；当测得避雷器ir1大于k＝12对应ir1值时，为完全老化状态。
本发明的有益效果是：
本发明建立的数字孪生模型考虑了避雷器老化、相间杂散电容等因素，相比传统仿真模型对避雷器运行状态计算更精确，减小了避雷器内部阀片老化导致绝缘性能降低带来的误差，有利于更准确在线检测避雷器运行状态。同时提出基于数字孪生模型的在线检测方法计算速度快，更适用于实际工程应用中，而提出的避雷器老化状态评估方法能够清楚评估避雷器老化状况，有利于安排检修等工作。
解决了常用的避雷器模型为仅考虑了正常状态的电阻和电容特性的小电流区模型，该模型对于泄漏电流的检测虽然简单有效，但随着老化、受潮等影响，误差会逐渐变大，使得在线检测有效性不足等技术问题。
附图说明
图1是本发明所述方法的步骤流程图；
图2是实施例中测得避雷器的泄露电流图。
具体实施方式
本发明一种基于数字孪生的避雷器运行状态检测方法，首先根据避雷器的设备参数、运行数据以及外部信息，并考虑避雷器老化因素影响，建立避雷器数字孪生模型；其次基于避雷器在电网中安装信息，考虑相间杂散电容干扰，对避雷器数字孪生模型进行修正；然后基于数字孪生模型，提出考虑谐波影响的避雷器在线检测方法；最后利用谐波分析法提出避雷器老化状态评估方法
该方法包括以下步骤：
步骤1：获取待建模避雷器的设备参数、运行数据以及外部信息，获取避雷器在电网拓扑中的安装信息；
步骤2：从电学角度对避雷器实体进行特征映射，根据改进的阻性电流算法建立考虑避雷器老化因素的避雷器数字孪生模型；
步骤3：考虑相间杂散电容干扰，对避雷器数字孪生模型进行修正；
步骤4：基于数字孪生模型，提出考虑谐波影响的避雷器在线检测方法；
步骤5：基于数字孪生模型信息，利用谐波分析法提出避雷器老化状态评估方法，根据计算结果将避雷器分为未老化、老化中期和完全老化三个等级。
进一步地，所述步骤1具体为：
获取待建模避雷器设备参数，包括电气参数和结构参数，电气参数包括伏安特性曲线、额定电压、持续运行电压、标称放电电流下残压和最大放电电流，结构参数包括避雷器型号、阀片材质、质量和比热容参数；
获取地区避雷器在电网结构信息包括获取电网电压等级，明确避雷器的接入方式与保护范围，得到电网拓扑图和避雷器在电网安装分布图。
进一步地，所述步骤2具体为：
(1)基于获取的避雷器设备参数，建立避雷器基本数字孪生模型。
根据避雷器伏安特性曲线将避雷器等效为一个电容C支路与一个非线性电阻R支路的并联电路。在该模型下，避雷器的泄漏电流iX可分为阻性电流iR和容性电流iC两部分，计算公式如下，其中u为施加于避雷器两端电压，k为避雷器自身老化程度决定的常数：
Figure BDA0003968205510000071
(2)基于容性电流补偿法消去容性电流，从而得到阻性电流。考虑谐波对容性电流的影响，容性电流分量根据u计算得到，如下式所示，其中ω为交流电频率，n为谐波次数：
Figure BDA0003968205510000072
iR＝iX-iC
(3)根据改进的阻性电流算法，对非线性等效电阻进行修正，建立考虑避雷器老化对电阻影响的避雷器数字孪生模型。
将非线性电阻R产生基波阻性电流的电阻等效为线性电阻R1，其余部分等效为非线性电阻R2，从而使非线性电阻R等效为R1与R2并联组成。根据基本孪生电路模型，对阻性电流iR进行FFT分解，如下式所示，其中θx为x次谐波电流的相位：
Figure BDA0003968205510000073
Figure BDA0003968205510000074
Figure BDA0003968205510000075
计算x次谐波在基波处的阻性电流幅值IMX1，如下式所示：
Figure BDA0003968205510000076
计算得到R1线性等效电阻，然后根据R1得到R2，如下式所示，其中θ为基波电流的相位：
Figure BDA0003968205510000081
R2＝tanu/k-R1
进一步地，所述步骤3具体为：
考虑相间杂散电容干扰，对避雷器数字孪生模型进行修正。设相间杂散电容为CAB、CBA、CBC、CBC，当避雷器以一字形方式接入三相电路中时，四个杂散电容参数相等，则通过谐波分析法得到各项阻性电流的真实值修正公式，如下式所示，其中
Figure BDA0003968205510000082
为当前时刻电流与电压夹角，
Figure BDA0003968205510000083
为各相电流与电压的夹角：
Figure BDA0003968205510000084
Figure BDA0003968205510000085
Figure BDA0003968205510000086
(1)采集避雷器的三相泄漏电流IA、IB、IC以及三相电压信号UA、UB、UC，并计算对应的幅值和相位信息。
(2)计算三相电流的零序和正序电流分量，计算B相补偿后的全电流幅值和夹角信息。
(3)计算B相初始运行时刻补偿后的幅值和夹角信息，并计算对应的阻性电流，进而按步骤2计算修正避雷器电容与电阻参数。
(4)各相均以B相计算的初始值为基准，加上各相幅值及夹角的变化量作为计算结果，并计算对应的阻性电流，进而按步骤2计算修正避雷器电容与电阻参数。
进一步地，所述步骤4具体为：
基于修正后的避雷器数字孪生模型，提出考虑谐波影响的避雷器在线检测方法。
(1)由避雷器的数字孪生模型可知，泄漏电流包括阻性分量和容性分量，如下式所示，其中αk为各次谐波电流的相角：
Figure BDA0003968205510000087
(2)对4.1式两边同时乘sin(nωt+αn)，并对等式两边做在一周期内的定积分计算，化简得到下式：
IRk＝Ikmcos(βk-αk)
(3)对4.1式两边同时乘cos(nωt+αn)，并对等式两边做在一周期内的定积分计算，化简得到下式：
ICk＝Ikmsin(βk-αk)
(4)根据上式实时计算各相全电流、阻性电流和容性电流，并根据正常运行和各类故障运行时计算的各电流大小，设定各相全电流、阻性电流和容性电流的告警阈值，从而实现避雷器本体的故障预警。
进一步地，所述步骤5具体为：
基于数字孪生模型信息，利用谐波分析法提出避雷器老化状态评估，根据计算结果将避雷器分为未老化、老化中期和完全老化三个等级。
在步骤2中反映避雷器自身老化程度的常数k随着老化程度的增加而减小。因此可以根据泄漏电流的基波阻性分量来判断避雷器老化程度，以提高避雷器在线运行状态老化程度判断的科学性。
(1)由于泄漏电流阻性分量的电流和电压相位相同且对老化程度判断的精度要求不高，可对步骤4中泄漏电流的阻性电流分量计算进行简化，由下式快速计算得到，其中M为中间常数变量，可来利用平均功率定义求解，其中u为避雷器测得的端电压，i为测得的泄漏电流：
ir＝u/M
Figure BDA0003968205510000091
(2)泄露电流的基波阻性电流ir1可由下式计算得到，其中基波电压u1可通过对电压FFT计算得到：
ir1＝u1/M
(3)根据步骤2数字孪生模型仿真计算得到k与泄露电流的基波阻性电流ir1关系，并分别按照k＝40,25,12对应的基波阻性电流ir1值作为避雷器未老化、老化中期和完全老化三个等级的判断值。当测得避雷器ir1小于k＝40对应ir1值时，为未老化状态；当测得避雷器ir1大于k＝40对应ir1值且小于k＝25对应ir1值时，为老化中期状态；当测得避雷器ir1大于k＝12对应ir1值时，为完全老化状态。
实施例
本实施例采用某地区电网的避雷器进行数字孪生建模与避雷器老化评估，避雷器为氧化锌避雷器，一字排列接入1kV三相交流电网某节点处，避雷器未老化，由设备试验得k＝49，电容C＝246.3pF，避雷器的泄漏电流iX测得如图2所示。
避雷器等效为一个电容C支路与一个非线性电阻R支路的并联电路。在该模型下。容性电流分量计算得到，如下式所示：
Figure BDA0003968205510000101
iR＝iX-iC
根据基本孪生电路模型，对阻性电流iR进行FFT分解，如下式所示：
Figure BDA0003968205510000102
Figure BDA0003968205510000103
Figure BDA0003968205510000104
计算x次谐波在基波处的阻性电流幅值IMX1，如下式所示：
Figure BDA0003968205510000105
计算得到R1线性等效电阻，如下式所示：
Figure BDA0003968205510000106
对避雷器老化状态进行计算评估，如下：
由量测装置测量得到B相避雷器端电压和泄漏全电流，根据下式计算得到中间参数M：
Figure BDA0003968205510000111
泄露电流的基波阻性电流ir1由下式计算得到：
ir1＝u1/M＝30.7uA
根据k与泄露电流的基波阻性电流ir1关系得到避雷器k＝49.6，避雷器处于未老化状态。

Claims (8)

1.一种基于数字孪生的避雷器运行状态检测方法，其特征在于：所述方法包括：
步骤1：获取待建模避雷器的设备参数、运行数据以及外部信息，获取避雷器在电网拓扑中的安装信息；
步骤2：从电学角度对避雷器实体进行特征映射，根据改进的阻性电流算法建立考虑避雷器老化因素的避雷器数字孪生模型；
步骤3：考虑相间杂散电容干扰，对避雷器数字孪生模型进行修正；
步骤4：基于数字孪生模型，考虑谐波影响的避雷器在线检测；
步骤5：基于数字孪生模型信息，利用谐波分析法提出避雷器老化状态评估，根据计算结果将避雷器分为未老化、老化中期和完全老化三个等级。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的避雷器运行状态检测方法，其特征在于：获取待建模避雷器设备参数包括电气参数和结构参数；电气参数包括伏安特性曲线、额定电压、持续运行电压、标称放电电流下残压和最大放电电流，结构参数包括避雷器型号、阀片材质、质量和比热容参数。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的避雷器运行状态检测方法，其特征在于：电网拓扑中的安装信息的获取方法为：获取电网电压等级，明确避雷器的接入方式与保护范围，得到电网拓扑图和避雷器在电网安装分布图。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的避雷器运行状态检测方法，其特征在于：步骤2具体包括：
步骤2.1、基于获取的避雷器设备参数，建立避雷器基本数字孪生模型；
根据避雷器伏安特性曲线将避雷器等效为一个电容C支路与一个非线性电阻R支路的并联电路；避雷器的泄漏电流iX分为阻性电流iR和容性电流iC两部分，计算公式如下：
其中u为施加于避雷器两端电压，k为避雷器自身老化程度决定的常数：
Figure FDA0003968205500000021
步骤2.2、基于容性电流补偿法消去容性电流，从而得到阻性电流；考虑谐波对容性电流的影响，容性电流分量根据u计算得到，如下式：
Figure FDA0003968205500000022
iR＝iX-iC
其中ω为交流电频率，n为谐波次数；
步骤2.3、根据改进的阻性电流算法，对非线性等效电阻进行修正，建立考虑避雷器老化对电阻影响的避雷器数字孪生模型；
将非线性电阻R产生基波阻性电流的电阻等效为线性电阻R1，其余部分等效为非线性电阻R2，从而使非线性电阻R等效为R1与R2并联组成；根据基本孪生电路模型，对阻性电流iR进行FFT分解，如下式所示：
Figure FDA0003968205500000023
Figure FDA0003968205500000024
Figure FDA0003968205500000025
其中θx为x次谐波电流的相位；
计算x次谐波在基波处的阻性电流幅值IMX1，如下式所示：
Figure FDA0003968205500000026
计算得到R1线性等效电阻，然后根据R1得到R2，如下式所示，其中θ为基波电流的相位：
Figure FDA0003968205500000031
R2＝tanu/k-R1。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的避雷器运行状态检测方法，其特征在于：步骤3对避雷器数字孪生模型进行修正具体包括：
步骤3.1、考虑相间杂散电容干扰，对避雷器数字孪生模型进行修正，设相间杂散电容为CAB、CBA、CBC、CBC，当避雷器以一字形方式接入三相电路中时，四个杂散电容参数相等，则通过谐波分析法得到各项阻性电流的真实值修正公式，如下式所示，其中
Figure FDA0003968205500000032
为当前时刻电流与电压夹角，
Figure FDA0003968205500000033
为各相电流与电压的夹角：
Figure FDA0003968205500000034
Figure FDA0003968205500000035
Figure FDA0003968205500000036
步骤3.2、采集避雷器的三相泄漏电流IA、IB、IC以及三相电压信号UA、UB、UC，并计算对应的幅值和相位信息；
步骤3.3、计算三相电流的零序和正序电流分量，计算B相补偿后的全电流幅值和夹角信息；
步骤3.4、计算B相初始运行时刻补偿后的幅值和夹角信息，并计算对应的阻性电流，进而按步骤2计算修正避雷器电容与电阻参数；
步骤3.5、各相均以B相计算的初始值为基准，加上各相幅值及夹角的变化量作为计算结果，并计算对应的阻性电流，进而按步骤2计算修正避雷器电容与电阻参数。
6.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的避雷器运行状态检测方法，其特征在于：步骤4基于数字孪生模型，考虑谐波影响的避雷器在线检测的具体方法包括：
步骤4.1、泄漏电流包括阻性分量和容性分量，如下式所示，
Figure FDA0003968205500000041
其中αk为各次谐波电流的相角；
步骤4.2、两边同时乘sin(nωt+αn)，并对等式两边做在一周期内的定积分计算，化简得到下式：
IRk＝Ikmcos(βk-αk)
步骤4.3、两边同时乘cos(nωt+αn)，并对等式两边做在一周期内的定积分计算，化简得到下式：
ICk＝Ikmsin(βk-αk)
实时计算各相全电流、阻性电流和容性电流，并根据正常运行和各类故障运行时计算的各电流大小，设定各相全电流、阻性电流和容性电流的告警阈值，从而实现避雷器本体的故障预警。
7.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的避雷器运行状态检测方法，其特征在于：步骤5具体包括：
步骤5.1、对步骤4中泄漏电流的阻性电流分量计算进行简化，由下式快速计算得到，其中M为中间常数变量，可来利用平均功率定义求解，其中u为避雷器测得的端电压，i为测得的泄漏电流：
ir＝u/M
Figure FDA0003968205500000042
步骤5.2、泄露电流的基波阻性电流ir1可由下式计算得到，
ir1＝u1/M
其中基波电压u1可通过对电压FFT计算得到；
(3)根据步骤2数字孪生模型仿真计算得到k与泄露电流的基波阻性电流ir1关系，并分别按照k＝40,25,12对应的基波阻性电流ir1值作为避雷器未老化、老化中期和完全老化三个等级的判断值。
8.根据权利要求7所述的一种基于数字孪生的避雷器运行状态检测方法，其特征在于：当测得避雷器ir1小于k＝40对应ir1值时，为未老化状态；当测得避雷器ir1大于k＝40对应ir1值且小于k＝25对应ir1值时，为老化中期状态；当测得避雷器ir1大于k＝12对应ir1值时，为完全老化状态。
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