电网GIC水平及影响评估软件的设计电力系统及其自动化专业毕业论文pdf.docx
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电网GIC水平及影响评估软件的设计电力系统及其自动化专业毕业论文pdf
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华北电力大学硕士论文
致谢.................................……“..…”...........................................................................……51
在学期间发表的学术论文和参加科研情况.”....……””“.............……“.“....……”..……”“.……52
华北电力大学硕士论文
第一章引言
1.1课题的提出
地磁暴产生的地磁感应电流(Geoma助etieallyIndueedCurrent,简称GIC)可以给电力系统、石油与天然气管道、通信线路等许多现代人工网络带来一系列重大影响[l,2,3,4,5]。
随着我国西电东送、全国联网战略的逐步实施,以及三峡工程、西南水电
基地等大型水电站的建设,大量东西走向的高电压、远距离、大容量输电格局会逐步形成,SOOkV及以上电压等级的线路将成为我国电网的主网架。
全国联网的实现,电网规模不断扩大,电网结构与运行方式逐步呈现多样化,保证电网的安全稳定成为第一要务。
高压输电线路输送功率较大,一旦故障短路将给系统造成非常严重的瞬时冲击,导致系统稳定破坏,甚至系统崩溃,造成大面积停电事故,而磁暴产生的地磁感应电流恰恰能成为特高压电网安全稳定运行的威胁因素,因此研究电网地磁感应电流具有非常重要的现实意义。
在北欧、北美地区,磁暴曾引发过4次大停电,数百起输电线路、变压器和无
功补偿等设备出现跳闸事故。
最严重的是1989年3月13日加拿大魁北克的大停电,导致魁北克系统了瘫痪9小时,600多万居民饱受停电之苦,造成了严重社会影响和巨大经济损失[61。
魁北克事故后,磁暴对电网的影响引起了人们的高度重视。
在我国,由于处于地处中低纬度,对电网GIC重视不够。
但研究表明,在广东
电网、江苏阳淮输电系统中出现过很大的GIC。
最大的GIC峰值为55.8A。
另外,2006年12月14日一16日磁暴在岭澳核电站、广州罗洞变电站和江苏上河变电站
产生的最大GIC分别是16.6A、38A和13A。
由此可见GIC对我国现状电网的影响
也是不容忽视的。
目前,在西北己经建成了兰州东一平凉一乾县75OkV特高压输电网,按我国特高压电网建设规划,20巧年还将建成十几条10O0km~23O0km的交/直流特高压线路,这些规划中长距离、大容量特高压电网产生的地磁感应电流水平会更高,影响会更大。
由此可见,随着我国输电距离越来越长,电压等级越来越高,地磁感应电流无论是对我国现状电网,还是对规划中特高压电网的影响日益凸显,因此开发一个电网地磁感应电流水平及影响评估软件意义就十分重大,评估软件一方面避免实测所带来的复杂工作量,另外一方面可以计算规划电网中的GIC,给规划工作提供参考依据。
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1.2国内外研究现状
对电网GIC的研究始于20世纪60年代,芬兰、加拿大、美国、南非等各国都曾从本国的电网实际情况出发,对可能存在的GIC问题做过多年连续的、大范围的理论研究和实际监测工作。
1977年开始,芬兰IVo(ImatranVoimaoy)电力公司和FMI(FinnishMeteorologicalInstitute)联合针对电力系统的GIC问题开展了大量有意义的研究,主
要是以芬兰400kV高压电网为基础,进行GIC的分析和监测工作,并对电网结构、
变压器等电网设备进行了相应的改造,这也是在历次较大的地磁暴事件中芬兰电力系统依然能够安然无恙的原因。
1991年6月至1992年5月,在第22个太阳活动周期之后不久,IVO和FMI共同对芬兰400KV和220KV电网中多个测点进行监测,并于1991年3月24日在Rauma测得最大GIC值20lA,这是1分钟的平均值,瞬时值要大于此;同一天的不同时刻,在Pirttikoski测到10秒中的平均值为175A[v]。
1989年3月的大磁暴造成了加拿大魁北克大停电,北美部分地区变电设备损毁严重,自此美国EPRI的JohnGKapPenman等人针对电网GIC的监测与防治工作,开发、研制了sunBurst系统[8],它是迄今最为完善的电网Glc监测系统。
1991~1993年间,SunBurst研究人员在20多个变电站安装了网络监测系统,用检测到的数据分析计算GIC对变压器、发电机、继电保护的影响。
就SunBurst而言,它先后经历了分析GIC的可能影响、相关数据收集、实际监测和预报、防治等多个阶段,现已可投入商业运行。
该系统实现了电网GIC在线监测和提供防治策略的基本功能,而且
可以通过INTERNET网络对用户进行GIC预警和提供准实时的地磁暴数据。
同时,SunBurst可根据需要,依据GIC的具体情况,有针对性地对EMS或系统调度运行人员进行预警,自动屏蔽部分可能受影响的继电保护装置,启动SCADA系统以调
整和满足系统的无功需求等。
此外,SunBurst的用户之间可以在全球范围内方便、迅速地沟通电网GIC情况或向SunBurst专家咨询,进而采取相应的运行对策。
1996一2000年,加拿大的L‘onardBolduc、PierreLanglois、navidBoteler等人开展一系列Glc研究,提出电网改造和规划建议[9,‘0];英国的THBrecke而dge、Teumming、JMerron等人在2000年左右实现了电网ole的监测工作〔川;(美国)国家
航空和宇宙航行局(NAsA)1997年发射了ACEtheAdvaneedComposition
ExPlorer(AcE)satellite卫星,根据卫星监测结果,NAsA可在地磁暴发生前数小时
发布预报。
另外,1990年以后,瑞典、南非、日本等国也都先后开始了电网GIC的监测、预警和防治工作,技术日趋成熟。
从国外的研究情况来看,对于电网GIC的监测的工作都开展的很好,但是目前
为止,没有一个软件根据地磁暴数据和相应的电网模型来评估、计算GIC水平。
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在国内,华电电力大学输配电系统研究所张燕秉提出了“改进平面波理论”的
ESP算法,研制了输电线路ESP计算软件。
该软件计算出来的ESP跟实际情况有一
些偏差,对算法缺乏处理,并且没有给出计算电网GIC的方法。
由此可见,目前国外监测软件成熟,但是没有一个工具性质的软件来计算评估电网GIC水平,因此我们基于这一需求,利用平面波、改进平面波、复镜像法理论算法,结合电网GIC计算模型,根据地磁暴数据来评估、计算地磁感应电流。
另外,在我们的研究过程中,结合实际检测装置一起使用,可以做到互为印证,使得评估计算结果和监测的数据具有更高的准确度和可信度。
1.3本论文主要工作及主要内容
本文的主要工作是研究计算地面感应电势的相关算法,电网地磁感应电流的计算模型,完成电网地磁感应电流水平及影响评估软件的总体设计,实现软件的相关算法,最终设计出一个操作简单、界面友好、可扩展的计算软件。
软件的总体设计包括软件的需求分析、总体结构、实施计划、功能模块的设计、相关技术。
目标就是开发一个便捷的计算地磁感应电流的评估、计算工具,给电力运行工作者和规划供着提供依据。
本文主要工作和研究内容包括如下几个方面:
1、研究了计算地面感应电势的理论算法,包括平面波、改进平面波、复镜像
法。
2、研究了电网地磁感应电流的计算模型。
3、完成了软件的总体设计,包括软件的需求分析、总体结构、实施计划、功
能模块的设计、关键技术等。
4、用C#.NET编程语言实现了地面感应电势的计算,包括平面波、改进平面波、
复镜像法的实现。
5、利用平面波理论和电网地磁感应电流计算模型,实现了电网地磁感应电流
的计算。
6、结合2006年江苏50Okv电网具体实例,使用该软件进行分析计算其地磁感应电流水平,然后跟实测地磁感应电流数据进行比较,完成了软件的算例分析。
7、分析了地磁感应电流对变压器、发电机、继电保护装置等的影响,并给出
了相关治理措施。
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第二章电网GIC的产生机理及ESP理论算法
本章介绍了电网地磁感应电流(GIC)产生机理,然后简要阐述计算地面感应电势(EsP)的理论算法,包括平面波、改进平面波、复镜像法理论。
2.1电网地磁感应电流(GIC)产生机理
地磁暴发生时,由于极电流作用所形成的磁场,与受其影响扰动的地磁场形成一个合成磁场,该合成磁场是一个时变的磁场。
而此时将地球看作是一个导电的球
体,根据法拉第电磁感应定律可知:
地磁场中会产生感应电势,如果存在回路的话,还会产生感应电流。
在强磁暴期间,土壤电导率较低的地区可能产生1~IOv/km的地面感应电势(Earth一surfaeePotential,即EsP),在靠近极地地区或高纬地区,EsP可能更高;当ESP作用于许多现代人工网络,诸如电力系统、石油与天然气管道、通信线路等时,就产生了GIC。
输电线产生的地磁感应电流如图2一1所示。
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啥—仁.助Suffa心.内t的倒一.
图2一1输电线路GIC形成原理图
研究表明,地磁感应电流一般具有准直流、方向性、海岸效应三大特点。
第一,地磁感应电流的准直流特点。
地磁感应的频率在0.001一O.IHz之间,相
对于50或6OHz的工频电流而言,可视为一准直流电流。
第二,地磁感应电流具有方向性。
因为太阳风流动的方向较固定(多为东一西向),所以,由其产生的地磁暴和进而出现的ESP、GIC都具有较强的方向性,一般而言,东一西走向的输电线中可能产生较大的EsP或Glc。
第三,地磁感应电流具有海岸效应。
海岸效应的出现是由于水的电导率较高,水中的感应电流与电导率相对很低,岸边陆地上所产生的感应电流在相交处应该连续,因此,在岸边陆地上可能产生很高的EsP或很大的Glc[‘2]。
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2.2地面感应电势理论算法
2.2.1平面波理论
平面波理论出现较早,具有代表性的是R.Pirjola等人做的工作〔’3,’4,‘5]。
它主要是基于在地磁暴发生时,高能粒子流存在于距地表面很远处这一事实,合理地假设其电流为距地面无限远、电流密度恒定、面积无限大的片状电流或线状电流,因此电流诱发的地磁场可视为垂直于地面的平面波。
忽略地面的曲率,建立直角坐标系,x轴指向北,少轴指向东,:
轴垂直向下。
假设电离层电流在大地中所感应的电磁场为沿z轴传播的平面波,并把大地看成电导率均匀的无限大半空间,对于角频率为必的时谐电磁场,电场的x、y分量与磁场的y、二分量之间有如下关系〔’“]:
E(口)二一。
B(必)(2一l)
口__2产._。
‘_十.j夕£_U_l_才_。
。
_
设g=dB/dt,在低频情况下近似有:
(2一2)
“(。
卜添(。
,
通过傅立叶反变换可求得时域内电场与磁场的关系式「’71:
(2一3)
E(t,一肃工黔
式(2一3)中,E(t)为感应电场的x或y分量;巧为真空磁导率;。
为大地电导
率;g(t)为地磁场y或x分量的变化率。
根据此公式可以根据地磁数据计算磁暴时的
地面感应电场。
2.2.2改进平面波
改进平面波,是在平面波的基础上,更加精确的处理大地电导率。
改进平面波的前提和平面波相同,假设地磁暴发生时,高能粒子流存在于距地面无限远、且电流为密度恒定、面积无限大的片状电流或线状电流,因此,由片状电流或线状电流所诱发的磁场可视为垂直于地面的平面波。
改进平面波在对所研究高压线路走廊进行分区后,假设分区内地表为近似平面,且土壤电导率均匀不变,通过对地质资料的处理,根据高压线在相应分区内的长度来估算各分区内所对应土壤电导率的加权权重,最后形成“合理平均化”后的新土壤电导率:
了=rlx仇+儿x几+一+rnx气(2一4)
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口,:
加权后的新土壤电导率;
n:
高压线路走廊进行分区数;
气:
加权后的新土壤电导率函数;rl一汽:
各分区加权权重;
讯一气:
各分区对应土壤电导率。
与平面波理论类似,通过测量磁暴发生时的地磁场水平分量Bx与By,根据
Maxwell方程和Faraday感应定律,可估算出所诱发EsP的水平感应电场Ex与Ey的大小。
其中,片状电流模型对应水平感应电场Ex与Ey的上限值,线状电流模型对应Ex与Ey的下限值[‘8]。
感应电场(即EsP)的计算模型为:
_、1
七(t,一石万(2一5)
(2一5)式中,E(t)为水平感应电场Ex或Ey;
巧b.:
为真空电导率;
:
为加权后的新土壤电导率;
以t)为地磁场水平分量Bx或By的变化率;
注意:
在土壤分区时必须考虑到平面波理论的假设前提,所以,各分区要足够大,且各分区内土壤电导率J要保持基本恒定。
另外,不论在“平面波理论”或者“改进平面波
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