论文黑龙江500kV电网GIC水平评估及其优化治理的研究.docx
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论文黑龙江500kV电网GIC水平评估及其优化治理的研究
第1章绪论
1.1课题研究的背景和意义
由太阳活动引起的全球性的地球磁场剧烈波动现象称为地磁暴。
在地磁暴的作用下,地表面感应出的电场会在输电线路、中性点接地变压器以及大地构成的回路中产生地磁感应电流GIC(geomagneticallyinducedcurrent)。
GIC会给许多现代人造网络,如石油与天然气管道、通信线路、电力系统等带来一系列严重影响[1-3]。
例如1989年3月发生的地磁暴,其产生的GIC使得加拿大魁北克省电网变压器被烧毁,在不到90秒的时间内整个电网瘫痪,造成了巨大的经济损失[4]。
文献[5]指出电网GIC的水平主要取决于地磁暴强度、地理纬度、电网结构、导线参数和大地电性结构等因素。
由于以前我国电网输电线路距离短并且容量小,因此GIC对电网的影响不是很突出,问题没有得到足够的重视。
近年来,由于电网结构及运行方式的多样化,GIC成为我国超高压电网安全稳定运行的潜在威胁。
江苏、广东等地电网曾多次发生地磁暴侵袭事件并且对电网造成了一定的影响。
随着我国“西电东送”、全国联网战略的逐步实施,我国将建设大量高电压、远距离输电系统,500kV及以上线路将成为我国电网的骨干网架[4]。
因此,研究500kV超高压电网GIC问题具有重要意义。
黑龙江电网是我国纬度最高的省级大电网,并且与加拿大魁北克省在磁纬、土壤电阻率和土壤质地等方面都比较接近。
从地磁暴在电网中产生GIC的机理分析,黑龙江电网在我国最容易受到GIC的潜在威胁,并且在强磁暴作用下可能导致严重后果。
科学研究表明,近半个世纪以来,太阳黑子活动明显增多,导致太阳耀斑几乎以每11年为一个周期频繁的爆发,2013年前后正是太阳活动24周峰年[6]。
因此,随着下一个太阳活动高峰期的来临,结合2011年黑龙江电网的建设,研究其500kV电网的GIC水平及优化治理措施有着非常重要的现实意义。
1.2国内外研究现状
20世纪60年代国外就已经对GIC问题展开了大规模的研究。
位于北美、北欧等地的高纬度国家,针对本国电网实际情况,进行了大范围的理论分析和实际监测工作,并取得了不少成果。
由于我国大部分地区处于中低纬度,且以前输电线路容量小,因此对GIC问题的关注较晚,研究工作始于20世纪90年代后期。
但随着电网规模的不断扩大,现在电网GIC问题已经得到了一定的重视,开展了一系列较深入的研究。
1.2.1监测装置研究现状
电网GIC实际监测方面,美国、加拿大、芬兰、英国等多年来坚持研究地磁暴的监测以及防治工作,其成果代表着这个领域的世界水平[7-8]。
早在1977年,芬兰就以其400kV电网为基础,对电网GIC问题进行了分析和监测,并对电网结构与电网设备进行了相应改造[9];加拿大从1989年对电网GIC进行了监测,并用统计学的方法研究了GIC与地磁活动指数之间的关系,取得了一定的成果;鉴于1989年3月地磁暴造成的严重影响,1992年由美国电科院(EPRI)研制的SUNBURST系统,它可同时监测20多个变电站的GIC,不仅能实现电网GIC在线监测和提供防治策略,而且能对用户进行GIC预警并提供实时的地磁暴数据,对于GIC的研究和治理起到了很大的数据支持作用;英国也在2000年左右实现了对电网GIC的监测;此外,1990年以后,瑞典、南非、加拿大等国也都先后开展了对电网GIC的实际监测、预警工作,且技术日趋成熟。
随着我国电网规模的不断扩大,华北电力大学首先提出研究地磁暴对我国实际电网的影响。
其研发的电网GIC在线监测系统,可靠、经济地实现了对GIC这种准直流、突发性信号的实时监测与数据存储,为掌握电网GIC水平与继续深入研究GIC对电网安全的影响提供了基础数据[10]。
目前,此监测系统已经在多个变电站安装并投入运行。
1.2.2理论分析研究现状
1.地面感应电场算法
电网GIC理论分析的关键在于正确分析地面感应电场。
目前,经过国内外多年的研究总结,在地面感应电场计算领域上,形成了大量的理论模型和方法。
诸如,平面波法(ThePlaneWave)、有限元法(TheFiniteElementMethod)、SECS法(SphericalElementaryCurrentsSystems)、合成镜像法(TheComplexImageMethod)等。
每种方法均有其各自的优缺点,下面分别介绍。
(1)平面波法
平面波法[11-12]主要是假设空间电流在大地中所感应的电场为垂直向下传播的平面波。
这种方法忽略了地表的曲率,假设地面为无限大半空间,且大地电导率均匀不变,通过测量地磁暴发生时的地磁场水平分量Bx与By,根据麦克斯韦方程和法拉第感应定律,估算出地面感应电场的水平分量Ex与Ey的大小。
平面波法出现较早,假设条件较多,所以在描述极地区域的强烈地磁暴时,GIC的计算比较粗糙。
但文献[13]通过实例计算表明,平面波法在中低纬地面感应电场计算中能达到一定的精度,可以满足分析需求。
(2)有限元法
1960年前后出现的有限元法起初是单独作为一种进行数值分析的方法[14]。
在工业领域的应用则可以追溯到1968年,到目前为止,这种方法已经在各领域得到了全面的运用。
在我国,从1970年起,也先后开始推广基于有限元法的应用并开展了三维电磁场的研究,如今已经取得了丰富的研究成果。
可以说,有限元法的引入,对于电力工业的研究和发展起到了很大的推动作用。
本课题中,在计算地面感应电场问题上,可以采用有限元法。
这种理论在计算高压直流输电地表面电势中的能力已经得到了充分证明,只需要根据有限元的理论方法搭建基本的数学模型以及建立相应符合原则的几何模型。
在模型中,单元格式、性能定义及网格划分是主要的几项工作,这里所说的网格划分就是将所研究区域划分为一系列子区域,在这些子区域中构建线性插值函数,再通过离散化方法,以期可以将偏微分方程求解问题转化为代数方程求解问题。
在问题最后,根据约束条件即可以计算出各子区域的地面感应电场。
因为大地电阻率的网络分层分区的详尽要求在有限元法的运用上必须得到充分的考虑,而现有的情况很难实现这样苛刻的要求来进行数据测量和获取,因此这种需要强大的数据支持的有限元法在实际工程中的应用比较困难。
(3)SECS法
FMI(theFinnishMeteorologicalInstituteinHelsinki)的Pulkkinen等人最先提出使用SECS(SphericalElementaryCurrentsSystems)理论计算地磁感应电流的思想。
这种算法虽然地面感应电场能够通过地磁暴数据和本地地表阻抗而得,但是,在利用地磁仪进行内外插值得到地磁暴数据方面有所要求。
这种理论最初是出现在文献[15]中,文献通过SECS方法来计算地磁感应电流,同时对等效电离电子流进行建模。
这种方法现今已得到一定的运用,有了一些应用实例。
在芬兰,Fennoscandia运用SECS算法对高压电网以及天然气管道等进行了计算,并把计算结果与监测数据进行了比较,其结果表明,SECS算法具有非常强的高效性和快速性。
但是由于SECS理论在对等效电离电子流建模方面有很高的要求,因此目前来看只在高纬度地区考虑应用。
(4)合成镜像法
合成镜像法的初始模型来自于在电磁学电场和磁场的计算中的镜像法。
镜像法实质是以边界面外的虚拟量(集中量)来等效边界面上的实际量,以保持边界条件不变作为等效量,所以通常被用于解决电磁场的边界问题。
合成镜像法也称复合镜像法,1975年前后由Pirjola首次提出。
在文献[16]中,他将前面提到的镜像法做适当改进后运用于地面感应电场计算中,以期达到快速近似计算效果。
Pirjola依据源与镜像的对称性基本理论,在已知源所产生的初始场情况下,明确的整理出地面感应电场的表达式。
合成镜像法的优点就是没有回避对土壤分层处理的问题,对于不同土壤特质的地理特征都能够做到有效区分,更精确了土壤电导率最终的取值。
但是这种方法虽然能够较为准确地反映各地区不同地质结构,但由于影响电网GIC的因素有很多,也就限制了这种方法的应用环境(比如在具有海岸效应的地区,这种方法对于土壤分层的考虑就不可使用)。
此外,在与平面波法的比较中可以发现,合成镜像法需要先在频域内进行计算,然后再转化为时域表达式,比较繁琐。
综上所述,目前在国内外研究中,平面波法和合成镜像法的应用最为广泛,而有限元法和SECS理论限于现有条件暂时还没有得到大规模的应用。
2.电网GIC的计算方法
由于GIC具有准直流特性,因此在电网GIC的计算中只需要考虑电阻的作用。
在电网拓扑结构和电气参数已知的情况下,GIC的计算实质上可视为电路问题。
依据具体的电网结构,在建立大地模型的基础上计算出对应的地面感应电场,其对电网的作用可以相当于施加在不同接地点之间的电压源,再按基尔霍夫定律(KCL、KVL)即可以计算出各变电站的GIC值[17-19]。
1.2.3治理措施研究现状
地磁感应电流GIC主要通过中性点直接接地的变压器流入电网,因而对其治理的研究主要从变压器入手。
为了抑制GIC对电力系统的不利影响,经过国内外多年的研究总结,目前常用的治理措施主要有补偿措施、削弱措施和隔离措施3种[20-26]。
多年来,曾受过地磁暴侵袭的国家,如美国、加拿大、日本、芬兰等,针对自己国家电网的具体情况,在GIC治理措施方面所做的尝试,都为电网GIC治理工作贡献了巨大的力量[27-29]。
例如,1989年加拿大魁北克省电网遭遇地磁暴侵袭后,其在1990年采用基于在输电线路上串联电容器的隔离措施进行治理,隔开了GIC在输电线路中的流通路径,有效防止了以后GIC对电力系统产生的重大影响;2005年,R.Pirjola教授针对芬兰电网的具体情况,对其电网GIC的治理措施进行了研究,最终分析了基于中性点串接电阻的削弱措施在芬兰的可行性。
目前,国内也已经有基于注入反向电流的补偿措施成功应用于江苏常州武南变电站的主变上。
终上所述,国内外在GIC监测方面的研究都已经日趋成熟,但在理论分析和治理措施方面,由于国外电网规模小且国内起步较晚,因此针对大规模电网GIC计算和治理的研究工作不多。
所以,本课题在结合前人研究分析的基础上,对黑龙江2011年末500kV规划电网的GIC问题开展分析,评估其GIC水平以及研究具体的治理措施优化方案,对大规模电网的安全稳定运行以及电力系统工程设计都具有重要意义。
1.3本文主要工作
基于以上对课题意义及研究现状的分析,本文阐述了电网GIC的产生机理及其对电力系统的影响,建立了基于地磁暴数据和大地电导率的地面感应电场模型以及电网GIC计算模型,并对黑龙江省2011年末500kV规划电网的GIC水平进行了评估以及优化治理。
主要内容包括以下几个方面:
1.介绍了电网GIC的产生机理及其对电网稳定安全运行的影响,着重分析了由GIC导致的变压器直流偏磁现象的原理,进一步说明了研究黑龙江省500kV电网GIC问题的必要性;
2.基于大地电导率和地磁暴数据,选取适合中低纬度地区的平面波法求解出了地面感应电场;
3.根据GIC的准直流特性,建立了合适的电网GIC计算模型;并且考虑到网络常数的直观性,推导了网络常数a值和b值的求解公式,对黑龙江2011年末500kV规划电网的GIC水平进行了评估并作出了分析;
4.在深入分析和研究目前常用的电网GIC治理措施优缺点的基础上,指出传统的只在某个变电站安装GIC治理装置的方法,并不能从根本上解决GIC问题,并给出合理建议;
5.建立了抑制电网GIC的优化目标函数以及约束条件;基于灵敏度分析法每次都能够快速方便的得到对目标函数影响最大的参数的优点,采用灵敏度分析法对黑龙江500kV电网GIC治理措施进行了优化,并给出了最后的优化结果和方案。
第2章电网GIC产生机理及危害
由地磁暴产生的地磁感应电流GIC在输电线路、中性点
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- 论文 黑龙江 500 kV 电网 GIC 水平 评估 及其 优化 治理 研究