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关键词：中性点电流；直流偏磁；回归分析
高压直流输电在现今电力输送系统中充当着不可或缺的角色。虽然高压直流输电技术给电力能源的调配带来了极大的便利，但其在运行期间也会引发一系列问题，变压器直流偏磁问题为其中之一。当输电系统运行在大地回线方式时，高达几千安培的电流通过直流接地极流入大地，引发周围变压器的直流偏磁现象。变压器的直流偏磁是指变压器在正常运行时，由于某种原因导致绕组内流入直流电流，进而引起变压器磁通饱和、励磁电流畸变等现象。大量文献记载，变压器直流偏磁将会引起一系列的不良后果[1-3]，如：变压器成为谐波源，引起电压波形畸变、电网保护装置误动、变压器过热、噪声增加以及震动加剧、损坏变压器等。
1.1中性点电流数据分析方法
广东电网目前拥有变压器中性点直流监测系统，该系统的跟踪对象为受广东电网多回直流影响的站点。针对广东电网直流输电系统单极大地运行方式频率较高，对广东电网变压器中性点直流监测系统的历史数据进行挖掘，得出变压器中性点电流的影响因素、分布规律和抑制措施的效果。采用数据统计能高效地在庞大的数据里分析出有价值的信息，本文的数据统计挖掘基本思路可归纳为四个步骤。
1.1.1数据搜集与处理
数据采集基于广东电网中性点电流监测系统展开，查询并收集近年来广东电网直流输电系统转单极大地运行时，大地电流的分布情况，对发生直流越限的变压器进行标记，同时记录直流单极大地运行的时间、地点、输送容量，以及电网的接线方式等。为确保数据的可靠性，收集过程均采用多个数据点横向对比的方法，对于奇异数据点进行平均值处理。
实际运行数据难免存在缺失和误差，故数据预处理对提高数据挖掘的效率有积极作用。将每次直流输电系统转单极大地运行时各站点的监测数据进行统计，剔除无效数据或补全缺失数据；将近似的数据进行合理分类，如研究同一条直流故障时，受影响变压器中性点直流数据可分为一类，方便后续研究。此外，为使结果的拟合效果更好，可采用对数据的归一化处理等。
1.1.2关联性分析
建立各个变量之间的联系，结合系统运行经验和相关文献知识，把具有关联可能性的变量归纳。如直流输送容量、大地电阻对中性点电流的影响。据近年来电网（包括直流输电系统）建设以及电容隔直装置的投产情况，研究各站点变压器中性点直流电流大小和分布的特性和规律。
基于实测数据，分析目标为变压器中性点电流，相关联的变量为直流系统输送功率、变压器距离和隔直装置等。为研究各变量对中性点电流的影响，可分别建立变量之间的联系并挖掘潜在关系，如：直流输送功率与中性点电流大小的相关性；变压器距离与中性点电流的关联；以及隔直装置与中性点电流简历关联等等。搜集整理得到的数据可以方便的建立它们之间的关系，具体由下图表示。
图1 数据关联建立示意
1.1.3回归分析处理
经初步研究，确定中性点电流的主要影响因素为：直流输送功率、土壤电阻率、隔直装置的投退、网架结构等。目前对于中性点电流的研究只知道是什么因素导致了直流偏磁，但是确切的影响关系却很少提及。回归分析可从大量数据中计算出难以直观发现的关系，并能计算出各个变量之间的确切关系。本研究利用了广东电网的大数据，从实际数据的角度对影响因素进行分析。下图为某一变压器中性点电流与直流功率之间的回归计算。
图2 回归分析过程
以上数据的挖掘过程适用于每个变电站。对于在不同直流系统的影响下，变压器中性点电流亦不相同，所以分析结果存在多样化的特点。由于数据量非常庞大，想对中性点直流电流的发展趋势和影响因素进行深入研究，行之有效的数据分析技术就成了关键所在。文章采用简单快速的分析方法，能快速得出结果并采取相应措施，对后续研究有指导作用，而前文提到的线性回归分析能满足要求。
1.2广东电网监测数据及其分析
本章数据来源于广东电网变压器中性点直流监测系统，由于部分直流系统投运时间较早（如天广直流），设备较为陈旧，导致监测数据有较多缺失，故下文主要以近十年内投运且输送容量较大的楚穗直流为研究目标，该直流的接地极为鱼龙岭接地极。对于广东地区的变压器，如果以电网内所有站点的中性点电流为研究目标，采集记录工作量和计算量非常大，而且也不实际，所以下文只对受干扰较明显的站点进行分析。对于已经加装了隔直装置的变压器，本文认为其中性点直流为零，不予考虑。
鱼龙岭接地极位于广东省清远市，系±800kV楚穗直流和±500kV兴安直流的公共接地极。其中楚穗直流输电系统输送容量为5000MW，送电端为云南楚雄换流站，受电端为广东穗东换流站；而兴安直流输电系统额定容量为3000MW，送电端为贵州兴仁换流站，受电端为广东宝安换流站。在2013年内，楚穗直流采用单极大地或双极不平衡运行方式时输送功率和相关数据如下表所示。
表1中所示为两回直流运行的部分数据，可见分别在1月22日、6月12日、6月23日、7月14日和9月20日，楚穗直流和兴安直流均在一天内采取了多次单极大地回线运行方式。在2013年内，两回直流在非双极对称运行情况下均以单极大地回线运行方式为主。两回直流运行方式相似，下文以楚穗直流为例进行说明。为了更直观描述输送功率随日期变化的趋势，可作曲线图如下。
图3 楚穗直流及部分变压器运行情况
直流接地极位于清远市鱼龙岭，而选取的变电站：220kV保城站、220kV镇隆站和220kV荷城站分别位于清远、惠州、佛山地区，均为接地极周边城市，其主变中性点电流具有参考意义。
由图3可以发现变电站主变中性点直流的大小与直流输送功率的变化趋势较为一致。由于数据是实测数据，数据误差无法避免，除了人为的记录误差，还有其他不可避免的干扰因素，如：附近地理环境、地磁电流或者其他直流极的入地电流等。保城#1全年的最大电流出现在3月30日，此时也是楚穗直流输送最大功率的时间；镇隆#1全年的最大电流出现在6月11日，此时直流输送功率为2400MW；荷城#2全年的最大电流出现在7月14日，此时直流输送功率为2500MW。此外，在1月21日楚穗直流单极输送功率达到最小值800MW，上述三台变压器中性点电流亦达到全年最小值。
为了让两者的关系更加明确，利用origin软件对楚穗直流输送功率曲线与受影响站点中性点直流曲线进行回归分析，导入楚穗直流输送功率和变压器中性点电流的数据，以中性点电流为纵坐标，直流输送功率为横坐标画散点图，剔除个别奇异数据，计算出拟合曲线如图4所示。计算数据均为实际测量的原始数据。
图4 变压器中性点数据拟合
图中可以发现，在楚穗直流的影响下，各变压器中性点电流的拟合程度均较理想。直流输送功率与变压器中性点电流呈线性正相关，说明直流输送功率是中性点直流的主要因素之一。
1.3数据预测分析
1.3.1中性点电流预测分析
回归分析具有计算简单快速，结果准确性高的特点，利用上一节对多回直流的分析结果，每个变压器均有一个回归方程，可用回归分析的结果对中性点电流进行快速预测。以下以楚穗直流为例进行说明。
工程上通常以10A作为变压器中性点电流的限值，通过该限值可判断变压器直流偏磁是否严重。利用回归方程可知道各变压器中性点电流是否会达到10A，在何种条件下超过该值，如图5所示。
图5 回归方程对中性点电流的预测
以中性点电流10A作为基准线，该直线与各回归曲线相交于多个点，交点对应的功率则为导致电流越限的直流输送功率。当芳村#2中性点电流为10A，直流输送功率约为1300MW；当保城#1中性点电流为10A，直流输送功率约为1400MW；当镇隆#1中性点电流为10A，直流输送功率约为1600MW；当古井#1中性点电流为10A时，直流输送功率约为2300MW。可见以单极输送功率为2500MW的楚穗直流来看，四台变压器均有发生严重直流偏磁的可能，其中芳村#2的可能性最大。可以根据该结果对变压器采取相应措施。
1.3.2接地极电流影响范围分析
结合变压器中性点电流值和距离的数据，可计算表征直流系统影响范围的回归函数，基于该函数，可在知道变压器与直流接地极的距离的基础上，预测出变压器中性点的电流，并且也可以对影响范围有初步的预测，可供新建变压器选址参考。由于变压器中性点电流的影响因素繁多，所以仅仅根据变压器的距离中性点电流进行预测存在无法避免的误差，尤其对个别特殊站点的预测存在较大误差，但该方法对于大多数的变压器是可行的。
目前广东地区共有5个直流接地极，分别是鱼龙岭、天堂、观音阁、莘田和溪洛渡接地极，其中鱼龙岭为楚穗直流与兴安直流的公用接地极，天堂为高肇直流与糯扎渡直流的公用接地极。由于莘田接地极与溪洛渡接地极的数据样本较少，故下文仅对其余3个接地极进行分析比较。对广东电网多个接地极影响范围进行预测分析，运用回归分析将数据点拟合成曲线，如图6所示。
图6 各直流影响范围曲线
从图中曲线易知，当以10A作为中性点限值时，鱼龙岭接地极的影响范围为60km，天堂接地极的影响范围为95km，观音阁接地极的影响范围为100km；以20A作为中性点限值时，鱼龙岭接地极的影响范围为25km，天堂接地极的影响范围为80km，观音阁接地极的影响范围为75km；以30A作为中性点限值时，鱼龙岭接地极的影响范围为15km，天堂接地极的影响范围为75km，观音阁接地极的影响范围为65km；以40A及以上电流作为中性点限值时，三个接地极的影响范围均无明显变化，即越接近直流接地极，相同距离的电位差越明显。
1.4小结
针对广东电网直流偏磁严重的现状，本章以±800kV楚穗直流的运行数据作为研究对象，基于实测数据对中性点电流的影响因素进行分析。通过对广东直流输电系统以及变压器的运行数据分析发现：
（1）如果仅从变压器中性点电流是否越限的角度来考虑，在鱼龙岭接地极电流的影响下，瑶岗#1、荷城#1、鹤山#1和古井#1中性点电流有越限的可能（接近10A），建议保持关注，而保城#1、翁江#1和镇隆#1中性点电流较大（超过10A），建议采取隔直措施。并且通过实测数据分析知中性点电流与质量输送功率呈线性正相关，而与距离呈指数负相关。
（2）通过线性回归计算得出回归方程，可在已知直流系统输送功率的情况下，对站点主变中性点电流大小进行预测，该方法简单方便，对隔直装置的投切计划具有一定的参考意义。
（3）以鱼龙岭、观音阁和天堂接地极为研究对象，对广东电网多回直流的接地极电流影响范围进行预测，可在已知变压器与直流接地极距离的情况下得出中性点电流的预测值，可作为变压器选址的考虑因素之一。
参考文献:
[1]蒯狄正, 万达, 等. 直流输电地中电流对电网设备影响的分析与处理[J]. 电力系统自动化, 2005, 29(2): 81-82.
[2]曾嵘, 张波, 等. HVDC地中直流对交流系统的影响及规律分析[J]. 高电压技术, 2009, 35(3):678-682.
[3]蒯狄正, 万达. 直流偏磁对变压器的影响[J]. 中国电力, 2004, 8:41-43.
论文作者:谢应耿
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/18
标签：电流论文; 变压器论文; 数据论文; 功率论文; 广东论文; 电网论文; 鱼龙论文; 《电力设备》2018年第16期论文;