CN102495327A - 一种变电站接地网设计检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种变电站接地网设计的检测方法，包括步骤：建立接地网的边界元模型；获取接地网导体的阻抗特性；根据所述接地网导体的阻抗特性和建立的边界元模型，计算接地网的接地电阻；获取接地网的总故障电流和分流系数；根据所述接地网的总故障电流、所述分流系数和所述接地电阻，确定接地网引起的电位升高量；根据所述接地网引起的电位升高量调节接地网对应的设备参数。本发明还提出一种变电站接地网设计的检测装置，可以提高变电站接地网的接地电阻的正确率，提高接地网引起的电位升高量的正确率，保证工作人员的安全和正常的输电。

Description

一种变电站接地网设计检测方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统的变电站，具体涉及一种变电站接地网设计的检测方法及装置。 

背景技术

接地网在变电站安全运行中起着极为重要的作用，不仅为站内各种电气设备提供一个公共的参考地，还可以在系统发生故障时排泄故障电流并降低变电站的地电位升，从而确保站内工作人员的人身安全及各种电气设备的正常运行。 

接地网设计的一个重要目标是控制接地网的最大电位升高。其中，接地网引起的电位升高：V＝RI；R表示接地电阻，I表示入地故障电流，而I＝Ie×(1-Ke)，Ie为总故障电流，Ke为分流系数。国内采用钢材接地网，钢的电阻率和磁导率较高，接地网不等电位问题较为严重。过往未有相应地质地貌状况的接地网设计计算工具，在工频故障电流下，变电站的地网设计直接套用过往的等电位模型，计算得到的接地电阻误差较大；当电力系统发生接地故障时，入地的交流电流在接地系统上产生的电位，不仅有与电流同相的分量，还有与入地电流正交的分量，即接地参数中的感性部分。等电位接地设计中，忽略了感性分量，可能使计算的接地网最大电位升高偏低较多，威胁工作人员的人生安全、电气设备工作不正常，影响正常的输电。 

发明内容

本发明的目的是提出一种变电站接地网设计的检测方法，可以提高变电站接地网的接地电阻的正确率，提高接地网引起的电位升高量的正确率，保证工作人员的安全和正常的输电。 

基于上述目的，采用的方案： 

一种变电站接地网设计的检测方法，包括步骤： 

建立接地网的边界元模型； 

获取接地网导体的阻抗特性； 

根据所述接地网导体的阻抗特性和建立的边界元模型，计算接地网的接地电阻； 

获取接地网的总故障电流和分流系数； 

根据所述接地网的总故障电流、所述分流系数和所述接地电阻，确定接地网引起的电位升高量； 

根据所述接地网引起的电位升高量调节接地网对应的设备参数。 

本发明先建立接地网的边界元模型，然后获取接地网导体的阻抗特性，利用其阻抗特性和边界元模型进行联立求解，实现接地网不等电位情况下的接地网接地电阻的正确计算；再获取接地网的总故障电流和分流系数，结合计算得到的接地电阻计算得到准确率较高的接地网引起的电位升高量，根据该电位升高量调节接地网对应的设备参数，保障工作人员人生安全，保障正常输电。 

本发明的目的还在于提出一种变电站接地网设计的检测装置，可以提高变电站接地网的接地电阻的正确率，提高接地网引起的电位升高量的正确率，保证工作人员的安全和正常的输电。 

基于上述目的，采用的方案： 

一种变电站接地网设计的检测装置，包括： 

模型建立单元，用于建立接地网的边界元模型； 

第一获取单元，用于获取接地网导体的阻抗特性； 

第一计算单元，用于根据所述接地网导体的阻抗特性和建立的边界元模型，计算接地网的接地电阻； 

第二获取单元，用于获取接地网的总故障电流和分流系数； 

第二计算单元，用于根据所述接地网的总故障电流、所述分流系数和所述接地电阻，确定接地网引起的电位升高量； 

调节单元，用于根据所述接地网引起的电位升高量调节接地网对应的设备参数。 

本发明装置通过模型建立单元建立接地网的边界元模型，然后通过第一获取单元获取接地网导体的阻抗特性；第一计算单元利用其阻抗特性和边界元模型进行联立求解，实现接地网不等电位情况下的接地网接地电阻的正确计算；再通过第二获取单元获取接地网的总故障电流和分流系数；第二计算单元结合计算得到的接地电阻计算得到准确率较高的接地网引起的电位升高量，调节单元根据该电位升高量调节接地网对应的设备参数，保障工作人员人生安全，保障正常输电。 

附图说明

图1是本发明方法的一个流程图； 

图2是尺度系数迭代剖分法原理示意图； 

图3是本发明装置的一个结构示意图。 

具体实施方式

为便于理解本发明，下面将结合附图进行阐述。 

请参考图1，本发明提出一种变电站接地网设计的检测方法，包括步骤： 

101、建立接地网边界模型； 

102、获取接地网导体阻抗特性； 

103、根据边界模型和阻抗特性计算接地电阻； 

根据接地网导体的阻抗特性和建立的边界元模型，计算接地网的接地电阻。 

具体的：边界元电荷密度η_i满足如下条件： 

${\mathrm{\η}}_i=-\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bi}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{fi}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bi}}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{fi}}}[{\mathrm{\η}}_i{\∫}_{s_i}\frac{{\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_i^{\′}}{{|{\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_i^{\′}|}^3}\·{\hat{n}}_i\mathrm{ds}$

$+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_j{\∫}_{s_j}(\frac{{\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_j}{{|{\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_j|}^3}+\frac{{\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_j^{\′}}{{|{\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_j^{\′}|}^3})\·{\hat{n}}_i\mathrm{ds}+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_j{\∫}_{L_j}(\frac{{\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_j}{{|{\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_j|}^3}+\frac{{\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_j^{\′}}{{|{\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_j^{\′}|}^3})\·{\hat{n}}_i\mathrm{dL}]---\left(1\right)$

${\mathrm{\η}}_i=-{\mathrm{\α}}_i[{\mathrm{\η}}_i{\∫}_{s_i}\frac{{\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ii}}^{\′}}{{\left|{\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ii}}^{\′}\right|}^3}\·{\hat{n}}_i\mathrm{ds}+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_j{\∫}_{s_j}(\frac{{\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ij}}}{{\left|{\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ij}}\right|}^3}+\frac{{\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ij}}^{\′}}{{\left|{\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ij}}^{\′}\right|}^3})\·{\hat{n}}_i\mathrm{ds}+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_j{\∫}_{L_j}(\frac{{\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ij}}}{{\left|{\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ij}}\right|}^3}+\frac{{\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ij}}^{\′}}{{\left|r_{\mathrm{ij}}^{\′}\right|}^3})\·{\hat{n}}_i\mathrm{dL}]---\left(2\right)$

其中， ${\mathrm{\α}}_i=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bi}}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{fi}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bi}}+{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{fi}}},$ ${\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ij}}={\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_j,$ ${\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ij}}^{\′}={\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_i^{\′},$ ${\mathrm{\ϵ}}_i=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ρ}}_i{I}_i}{L_i},$ I_i为第i段导体的入地电流，r为电阻，ρ为电阻率，L为导体长度，s为导体横截面积，η为边界元电荷密度，ε为介电常数，n为边界元数目； 

公式(2)写成矩阵形式： 

Aη′+BI＝0                                    (3) 

其中， ${\mathrm{\η}}^{\′}=\frac{\mathrm{\η}}{{\mathrm{\ϵ}}_0},$ $A_{i,i}=1+{\mathrm{\α}}_i{\∫}_{s_i}\frac{{\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_i^{\′}}{{|{\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_i^{\′}|}^3}\·{\hat{n}}_i\mathrm{ds},$ $A_{i,j}={\mathrm{\α}}_i{\∫}_{s_j}(\frac{{\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_j}{{|{\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_j|}^3}+\frac{{\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_j^{\′}}{{|{\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_j^{\′}|}^3})\·{\hat{n}}_i\mathrm{ds}(i\≠j),$ $B_{i,j}={\mathrm{\α}}_i\frac{{\mathrm{\ρ}}_i}{L_i}{\∫}_{L_j}(\frac{{\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_j}{{|{\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_j|}^3}+\frac{{\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_j^{\′}}{{|{\stackrel{\→}{r}}_i-{\stackrel{\→}{r}}_j^{\′}|}^3})\·{\hat{n}}_i\mathrm{dL}.$

导体电位U_i满足如下条件： 

$U_i=\frac{1}{4\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0}[\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_j{\∫}_{s_j}(\frac{1}{\left|{\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ij}}\right|}+\frac{1}{\left|{\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ij}}^{\′}\right|})\mathrm{ds}+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_j{\∫}_{L_j}(\frac{1}{\left|{\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ij}}\right|}+\frac{1}{\left|{\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ij}}^{\′}\right|})\mathrm{dL}]---\left(4\right)$

公式(4)写成矩阵形式： 

U＝Cη′+DI                       (5) 

其中： $C_{i,j}=\frac{1}{4\mathrm{\π}}{\∫}_{s_j}(\frac{1}{\left|{\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ij}}\right|}+\frac{1}{\left|{\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ij}}^{\′}\right|})\mathrm{ds},$ $D_{i,j}=\frac{1}{4\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{\ρ}}_i}{L_i}{\∫}_{L_j}(\frac{1}{\left|{\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ij}}\right|}+\frac{1}{\left|{\stackrel{\→}{r}}_{\mathrm{ij}}^{\′}\right|})\mathrm{dL}.$

由接地理论有： 

U＝KV                             (6) 

F＝K^tI+A^tGAV                      (7) 

解有： 

F＝[K^t(D-CA^-1B)^-1K+A^tGA]V         (8) 

其中，U代表导体电位矩阵；V代表节点电位矩阵；K代表关联矩阵；F代表节点注入电流列向量； 

由上述公式可获得接地电阻值；接地电阻计算值等于最大节点电压除以节点注入电流。 

104、获取总故障电流和分流系数； 

获取接地网的总故障电流和分流系数。 

105、根据总故障电流、分流系数和接地电阻计算电位升高量； 

根据接地网的总故障电流、分流系数和接地电阻，计算接地网引起的电位升高量。 

106、根据电位升高量调节接地网设备参数。 

根据接地网引起的电位升高量调节接地网对应的设备参数。 

本发明先建立接地网的边界元模型，然后获取接地网导体的阻抗特性，利用其阻抗特性和边界元模型进行联立求解，实现接地网不等电位情况下的接地网接地电阻的正确计算；再获取接地网的总故障电流和分流系数，结合计算得到的接地电阻计算得到准确率较高的接地网引起的电位升高量，根据该电位升高量调节接地网对应的设备参数，保障工作人员人生安全，保障正常输电。 

由于输电线路的覆盖的地区，地形复杂，例如沿海丘陵地区；其变电站接地导体数目众多且覆盖区域大，空间分布不规则，加上地质情况十分复杂，造成了边界元剖分十分困难。目前通常采用手动指定边界剖分形式的方法进行，即手动输入每一个具体边界的剖分数和剖分比例以满足导体附近的边界足够稠密的要求。此法缺点十分明显：一方面，通过手动指定边界剖分形式往往依据本人经验进行，通常需要多次调整剖分参数才能得到正确计算结果，因而缺乏理论依据；另外沿海丘陵地区变电站边界众多，手动方法效率低下。为此可对上述实施例作如下改进： 

在建立接地网的边界元模型时，利用接地网导体和边界的空间关系实现接地导体的自适应剖分，根据剖分后的导体(边界元)建立超大规模的接地网地的边界元模型。其具体步骤如下： 

请参考图2，存在一四边形原始边界S和点源P，e₁和e₂为S的两个尺度，取尺度系数k，d为P与S的垂直距离，并作以下约定： 

1.若d≥ke₁，d≥ke₂全为否，则S在两个尺度方向上均细分2份，此时S分成4份； 

2.若d≥ke₁，d≥ke₂有一者为否，为否者在尺度方向上细分2份，此时S 分成2份； 

3.若d≥ke₁，d≥ke₂均为真，则S无需进一步剖分； 

4.若出现S经细分的情况，细分后的S代替原S作迭代，直至所有边界满足d≥ke₁，d≥ke₂。 

采用上述建立的超大规模的边界元模型，大大提升了接地计算中使用的边界元数目。目前应用最广泛的国外软件CDEGS边界元的上限为7500个，而本发明计算软件的上限可达40000个，因而可以考虑复杂的地质情况，求解不规则土壤接地问题，适用于沿海丘陵地区变电站接地计算。 

由于边界元的个数众多，模型求解的速度缓慢，计算模型以矩阵算法的形式求解。 

为了提高速度可以用并行三角(LU)分解法求解；并行LU分解法采用并行杜里特尔分解将满秩方程的系数矩阵A分解为上三角阵U和下三角阵L的乘积，并以紧凑形式存入在原矩阵A中，解方程时以回代的方式进行，具有节约内存，计算速度快，数值稳定性好等优点。 

在变电站分流系数是分析接地系统安全时必须考虑的一个重要参数。我国在以往的设计中，分流系数往往采用简化计算或估算的方法，这样忽略了很多因素的影响，往往造成较大的误差。为了解决此问题，可对分流系数的获取作如下改进： 

在获取接地网的分流系数时，先确定电网中线路的结构参数、变压器的结构参数、变电站接地网的接地参数； 

根据电网的运行方式，把线路、变压器、变电站接地网的结构参数进行相分量的建模； 

根据回路电流法和建立的线路、变压器、变电站接地网的相分量模型，求解电网的故障电流分布，从而由定义得到分流系数。 

下面介绍本发明装置，请参参考图3，一种变电站接地网设计的检测装置： 

模型建立单元T1，用于建立接地网的边界元模型； 

第一获取单元T2，用于获取接地网导体的阻抗特性； 

第一计算单元T3，用于根据接地网导体的阻抗特性和建立的边界元模型，计算接地网的接地电阻； 

第二获取单元T4，用于获取接地网的总故障电流和分流系数； 

第二计算单元T5，用于根据接地网的总故障电流、分流系数和接地电阻，确定接地网引起的电位升高量； 

调节单元T6，用于根据接地网引起的电位升高量调节接地网对应的设备参数。 

本发明装置通过模型建立单元建立接地网的边界元模型，然后通过第一获取单元获取接地网导体的阻抗特性；第一计算单元利用其阻抗特性和边界元模型进行联立求解，实现接地网不等电位情况下的接地网接地电阻的正确计算；再通过第二获取单元获取接地网的总故障电流和分流系数；第二计算单元结合计算得到的接地电阻计算得到准确率较高的接地网引起的电位升高量，调节单元根据该电位升高量调节接地网对应的设备参数，保障工作人员人生安全，保障正常输电。 

由于输电线路的覆盖的地区地形复杂，例如沿海丘陵地区；其变电站接地导体数目众多且覆盖区域大，空间分布不规则，加上地质情况十分复杂，造成了边界元剖分十分困难。目前通常采用手动指定边界剖分形式的方法进行，缺乏理论依据，得到的分流系数不准确，并且手动方法效率低下。为此可对上述实施例作如下改进： 

模型建立单元T1在建立接地网的边界元模型时，利用接地网导体和边界的空间关系实现接地导体的自适应剖分，根据剖分后的边界元建立超大规模的接地网地的边界元模型。 

为了提高运算速度，第一计算单元T3，采用矩阵算法计算接地网的接地电阻；采用并行LU分解算法计算接地电阻。 

在变电站分流系数是分析接地系统安全时必须考虑的一个重要参数。我国在以往的设计中，分流系数往往采用简化计算或估算的方法，这样忽略了很多因素的影响，往往造成较大的误差。为了解决此问题，可对分流系数的获取作如下改进： 

第二获取单元T4在获取接地网的分流系数时，建立接地网的电力元件的结构参数； 

根据电网的运行方式，把线路、变压器、变电站接地网的结构参数进行相分量的建模；根据回路电流法和建立的线路、变压器、变电站接地网的相分量模型，求解电网的故障电流分布，从而由定义得到分流系数。 

利用本发明的方法，还可以检测接地网设计中其他接地参数的检测，例如：地网自身电位分布、地表电位分布、接触电势、跨步电势等。 

以上本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种变电站接地网设计的检测方法，其特征是，包括步骤：

建立接地网的边界元模型；

获取接地网导体的阻抗特性；

根据所述接地网导体的阻抗特性和建立的边界元模型，计算接地网的接地电阻；

获取接地网的总故障电流和分流系数；

根据所述接地网的总故障电流、所述分流系数和所述接地电阻，确定接地网引起的电位升高量；

根据所述接地网引起的电位升高量调节接地网对应的设备参数。

2.根据权利要求1所述的变电站接地网设计的检测方法，其特征是，

在建立接地网的边界元模型时，利用接地网导体和边界的空间关系对接地网边界元进行自适应剖分，根据剖分后的边界元建立超大规模的接地网地的边界元模型。

3.根据权利要求1所述的变电站接地网设计的检测方法，其特征是，

采用矩阵算法计算所述接地网的接地电阻。

4.根据权利要求1所述的变电站接地网设计的检测方法，其特征是，

采用并行LU分解算法计算所述接地电阻。

5.根据权利要求1至4任一项所述的变电站接地网设计的检测方法，其特征是，

在所述获取接地网的分流系数时，先确定电网中线路的结构参数、变压器的结构参数、变电站接地网的接地参数；

根据电网的运行方式，把线路、变压器、变电站接地网的结构参数进行相分量的建模；

根据回路电流法和建立的线路、变压器、变电站接地网的相分量模型，求解电网的故障电流分布，从而得到分流系数。

6.一种变电站接地网设计的检测装置，其特征是，包括：

模型建立单元，用于建立接地网的边界元模型；

第一获取单元，用于获取接地网导体的阻抗特性；

第一计算单元，用于根据所述接地网导体的阻抗特性和建立的边界元模型，计算接地网的接地电阻；

第二获取单元，用于获取接地网的总故障电流和分流系数；

第二计算单元，用于根据所述接地网的总故障电流、所述分流系数和所述接地电阻，确定接地网引起的电位升高量；

调节单元，用于根据所述接地网引起的电位升高量调节接地网对应的设备参数。

7.根据权利要求6所述的变电站接地网设计的检测装置，其特征是，

所述模型建立单元在建立接地网的边界元模型时，利用接地网导体和边界的空间关系对接地网边界元进行自适应剖分，根据剖分后的边界元建立超大规模的接地网地的边界元模型。

8.根据权利要求6所述的变电站接地网设计的检测装置，其特征是，

所述第一计算单元，采用矩阵算法计算所述接地网的接地电阻。

9.根据权利要求6所述的变电站接地网设计的检测装置，其特征是，

所述第一计算单元采用并行LU分解算法计算所述接地电阻。

10.根据权利要求6至9任一项所述的变电站接地网设计的检测装置，其特征是，

所述第二获取单元在所述获取接地网的分流系数时，先确定电网中线路的结构参数、变压器的结构参数、变电站接地网的接地参数；

根据电网的运行方式，把线路、变压器、变电站接地网的结构参数进行相分量的建模；

根据回路电流法和建立的线路、变压器、变电站接地网的相分量模型，求解电网的故障电流分布，从而得到分流系数。

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