基于tdcm模型的變電站地表電位計算及選址檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于TDCM模型的變電站地表電位計算及選址檢測方法，根據(jù)高壓直流輸電接地極附近區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)，構(gòu)件三維復(fù)合分層土壤導電模型；應(yīng)用擬合鏡像法根據(jù)TDCM模型構(gòu)建點源格林函數(shù)；根據(jù)TDCM格林函數(shù)推導電位表達式，并通過ESP計算軟件計算變電站地表電位分布圖；進而求得流過變壓器中性點的直流電流量；將直流電流值與變壓器直流偏磁閾值進行比較，判斷變壓器是否受到直流偏磁威脅。本發(fā)明為準確評估流過變壓器中性點直流量提供理論依據(jù)，保證直流接地極附近變電站選址合理性，為發(fā)生直流偏磁變電站治理措施提供支持，對特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)合理規(guī)劃和直流偏磁治理有重要意義。
【專利說明】基于TDCM模型的變電站地表電位計算及選址檢測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及變電站地表電位計算檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及基于TDCM模型的變電 站地表電位計算及選址檢測方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在遠距離、大容量輸電和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)方面，高壓直流輸電具有明顯優(yōu)勢，在我國 能源結(jié)構(gòu)調(diào)整及"西電東送"工程中起著重要作用。然而，當高壓直流輸電采用單極大地回 路運行方式時，強大的入地直流造成地表電位（EarthSurfacepotential,ESP)分布不均 勻，一部分直流電流通過接地的變壓器中性點進入交流輸電系統(tǒng)，引起變壓器直流偏磁，鐵 芯高度飽和，磁化電流嚴重畸變，造成變壓器噪音增大、振動加劇、局部過熱、壽命減少等， 嚴重時甚至威脅交直流混聯(lián)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。隨著我國高壓直流輸電工程的日益增 多，高壓直流輸電單極大地運行總時間越來越長，而且作為故障應(yīng)急方式，大地回路運行方 式基本不可避免。因此，對高壓直流輸電接地極附近變電站的變壓器直流偏磁進行研究具 有重要的理論意義和重大工程實用價值。
[0003] 要評估直流偏磁對高壓直流輸電接地極附近變壓器的影響，首先需要根據(jù)特定土 壤模型計算各變電站ESP，再求得流過變壓器中性點的直流電流量，以評估變壓器是否受到 直流偏磁威脅或采取合理措施治理直流偏磁。
[0004] 申請?zhí)枮?01310720023. 5的發(fā)明專利公開了一種直流輸電單極運行時變壓器中 性線電流的計算方法，包括：建立接地極模型和大地土壤模型，計算接地極周圍地表電位 分布；建立電網(wǎng)的直流電路模型；根據(jù)計算的所述地表電位分布和建立的所述直流電路模 型，計算變壓器中性線電流。本發(fā)明考慮海岸效應(yīng)對大地土壤模型的影響，建立接地極模型 和大地土壤模型計算接地極周圍地表電位分布；建立電網(wǎng)的直流電路模型，根據(jù)求得的中 性點電位計算變壓器中性線電流。本發(fā)明適應(yīng)性強，可以計算內(nèi)陸和沿海地區(qū)變壓器中性 線電流，能顯著提高計算精度，對直流單極大地運行時變壓器乃至整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運 行都具有重要的實際意義。
[0005] 申請?zhí)枮?01110370619. 8的發(fā)明專利公開了一種跨步電壓多點擬合測試方法， 本發(fā)明以跨步電壓測試點為中心，按田字形網(wǎng)格均勻布置指定數(shù)量地表電位測試點；之后， 測量地表電位測試點與跨步電壓測試點之間的電位差；最后，將測得的地表電位測試點和 跨步電壓測試點之間的相對距離和電位差進行數(shù)據(jù)擬合，求出最大的電位差，即為跨步電 壓測試點的跨步電壓值。本發(fā)明能夠保證測量準確度，而且操作簡便、快捷。
[0006] 申請?zhí)枮?3119386. 2的發(fā)明專利公開了一種陰極保護管道的管地電位和地表電 位綜合檢測方法及裝置，屬于對埋地管道的檢測技術(shù)。該方法采用至少各一個檢測管地電 位和地表電位的參比電極同時進行測量，并在測量過程中采用瞬間中斷電流法或外加激勵 電流信號法消除IR降，將記錄儀采集的測試數(shù)據(jù)經(jīng)微機分析，確定真實的管地電位和地表 電位。實現(xiàn)本技術(shù)的裝置包括參比電極組、數(shù)據(jù)采集記錄裝置、信號發(fā)生裝置、電流中斷器、 測距儀以及微機分析系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集記錄裝置與電流中斷器和信號發(fā)生裝置采用GPS進行 同步設(shè)置。本發(fā)明由于同步記錄管地電位和地表電位梯度，獲取更加真實、豐富的信息，檢 測效率高。
[0007] 然而，在地表電位計算機仿真的計算評估領(lǐng)域，上述方法均不適用。要準確計算 變電站地表電位值,取決于點源格林函數(shù)的精確求解。要準確計算點源格林函數(shù)，需基 于合適的土壤模型應(yīng)用物理意義明確、收斂性好的簡便算法。土壤模型越接近實際土壤 結(jié)構(gòu)，計算結(jié)果將越準確。迄今為止，三維復(fù)合分層土壤導電模型（Three-Dimensional Combined-layerSoilModel,TDCM)是最能準確模擬實際土壤結(jié)構(gòu)的模型，模型綜合考慮 了土壤結(jié)構(gòu)在三維方向的變化，但TDCM模型下格林函數(shù)的有效求解是一個尚未有效解決 的難題。由于經(jīng)典鏡像法級數(shù)收斂速度很慢，不具備推導TDCM格林函數(shù)能力；由于復(fù)鏡像 法引入了復(fù)數(shù)距離和角度等概念，大大增加了計算復(fù)雜性，且鏡像的位置和強度均為復(fù)數(shù)， 物理意義不明確，因而應(yīng)用受到相當限制。上述原因使任意多層TDCM格林函數(shù)精確求解受 到限制，導致對流經(jīng)一些變壓器中性點的直流量評估嚴重失真，造成不合理的電網(wǎng)規(guī)劃方 案和直流偏磁治理措施。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提供基于TDCM模型的變電站地表電位計算及選址檢測方法，通 過一種物理意義明確、可靠收斂的計算任意分層TDCM格林函數(shù)的算法，用以準確計算復(fù)雜 地形條件下的ESP值，為高壓直流輸電接地極附近變電站規(guī)劃選址和直流偏磁治理提供支 持。
[0009] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案是：基于TDCM模型的變電站地表電位計算及選址 檢測方法，包括如下步驟： 1) 根據(jù)高壓直流輸電接地極附近區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)，構(gòu)件三維復(fù)合分層土壤導電（TDCM)模 型； 2) 應(yīng)用擬合鏡像法根據(jù)TDCM模型構(gòu)建點源格林函數(shù)，將點源格林函數(shù)表示成有限個 經(jīng)典鏡像與模擬鏡像之和，擬合鏡像的位置和強度均為實數(shù)； 3 )根據(jù)TDCM格林函數(shù)推導電位表達式，并通過ESP計算軟件計算變電站地表電位分布 圖； 4) 根據(jù)已知的交流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)電阻參數(shù)和求得的地表電位分布圖，求得流過變壓器中性 點的直流電流量； 5) 將直流電流值與變壓器直流偏磁閾值進行比較，判斷變壓器是否受到直流偏磁威 脅，如果直流電流值小于變壓器直流偏磁閾值，可以判斷變電站地表電位合適，不予采取治 理方案，反之，需選取變電站新址或采取合理措施治理直流偏磁。
[0010] 所述TDCM格林函數(shù)可分解為水平分層土壤模型下格林函數(shù)與堅直分層土壤模型 下格林函數(shù)。
[0011] 所述ESP計算軟件為⑶EGS仿真軟件。
[0012] 本發(fā)明所介紹的基于TDCM模型的變電站地表電位計算及選址檢測方法，其根本 目的在于變電站的選址檢測，采用手段是通過計算流過變壓器中性點的直流電流量，以評 估變壓器是否受到直流偏磁威脅，其基礎(chǔ)是需要根據(jù)特定土壤模型計算接地極周圍地表電 位分布，進而建立電網(wǎng)的直流電路模型，所以提出了一種基于TDCM模型構(gòu)建點源格林函 數(shù)，推導地表電位模型公式的方法。
[0013] 本發(fā)明在計算TDCM格林函數(shù)時，首次采用了擬合鏡像法。相對于復(fù)鏡像法所存在 的收斂性差、物理意義不明確以及經(jīng)典鏡像法所存在的不具備求解能力的缺點，擬合鏡像 法將點源格林函數(shù)表示成有限個經(jīng)典鏡像與模擬鏡像之和，擬合鏡像的位置和強度均為實 數(shù)，因此其物理意義比復(fù)鏡像法更合理，數(shù)學處理也更簡便，是快速精確計算分層大地媒質(zhì) 中點源格林函數(shù)的一個很好的候選方法。在此基礎(chǔ)上，首次推導了任意多層TDCM格林函數(shù) 算法。根據(jù)本發(fā)明計算得到的格林函數(shù)計算直流接地極附近變電站ESP，為準確評估流過變 壓器中性點直流量提供理論依據(jù)，保證直流接地極附近變電站選址合理性，為發(fā)生直流偏 磁變電站治理措施提供支持，對特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)合理規(guī)劃和直流偏磁治理有重要意 義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明變電站地表電位計算及選址檢測方法流程圖。
[0015] 圖2是任意多層結(jié)構(gòu)的TDCM縱剖面示意圖。
[0016] 圖3是本發(fā)明實施例中特定結(jié)構(gòu)的TDCM縱剖面示意圖。
[0017] 圖4是三維復(fù)合分層土壤模型（TDCM)模型下變電站地表電位分布圖。
[0018] 圖5是水平分層土壤模型（HMSM)下變電站地表電位分布圖。
[0019] 圖6是二維復(fù)合分層土壤模型（HSSM)下變電站地表電位分布圖。

【具體實施方式】
[0020]基于TDCM模型的變電站地表電位計算及選址檢測方法，具體流程如圖1所示，涉 及地表電位計算與變電站選址判斷兩個方面，其核心在于變電站地表電位計算方法，步驟 在于：根據(jù)高壓直流輸電接地極附近區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)，構(gòu)件三維復(fù)合分層土壤導電（TDCM)模 型；應(yīng)用擬合鏡像法根據(jù)TDCM模型構(gòu)建點源格林函數(shù)，將點源格林函數(shù)表示成有限個經(jīng)典 鏡像與模擬鏡像之和，擬合鏡像的位置和強度均為實數(shù)；根據(jù)TDCM格林函數(shù)推導電位表達 式，并通過ESP計算軟件計算變電站地表電位分布圖，其中，TDCM格林函數(shù)可分解為水平分 層土壤模型下格林函數(shù)與堅直分層土壤模型下格林函數(shù)，具體實施步驟根據(jù)圖2作進一步 闡述： 1.水平分層土壤模型下格林函數(shù) 若X%y軸方向土壤不分層，把圖2水平第1層看作是電阻率為Pd的均勻土壤，即Pll=Pi,則TDCM轉(zhuǎn)化為水平分層土壤模型，除點電源f處，點源在其它各空間位置產(chǎn)生的 電位U均滿足拉普拉斯方程：

【權(quán)利要求】
1. 基于TDCM模型的變電站地表電位計算及選址檢測方法，其特征在于：包括如下步 驟： 1) 根據(jù)高壓直流輸電接地極附近區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)，構(gòu)件三維復(fù)合分層土壤導電（TDCM)模 型； 2) 應(yīng)用擬合鏡像法根據(jù)TDCM模型構(gòu)建點源格林函數(shù)，將點源格林函數(shù)表示成有限個 經(jīng)典鏡像與模擬鏡像之和，擬合鏡像的位置和強度均為實數(shù)； 3 )根據(jù)TDCM格林函數(shù)推導電位表達式，并通過ESP計算軟件計算變電站地表電位分布 圖； 4) 根據(jù)已知的交流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)電阻參數(shù)和求得的地表電位分布圖，求得流過變壓器中性 點的直流電流量； 5) 將直流電流值與變壓器直流偏磁閾值進行比較，判斷變壓器是否受到直流偏磁威 脅，如果直流電流值小于變壓器直流偏磁閾值，可以判斷變電站地表電位合適，不予采取治 理方案，反之，需選取變電站新址或采取合理措施治理直流偏磁。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于TDCM模型的變電站地表電位計算及選址檢測方法，其特征 在于：所述TDCM格林函數(shù)可分解為水平分層土壤模型下格林函數(shù)與堅直分層土壤模型下 格林函數(shù)。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于TDCM模型的變電站地表電位計算及選址檢測方法，其特征 在于：所述ESP計算軟件為CDEGS仿真軟件。
【文檔編號】G06F17/50GK104318003SQ201410556872
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月20日
【發(fā)明者】李文峰, 白宏坤, 劉永民, 王江波, 李虎軍, 楊萌 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院