补偿特性（精选7篇）
补偿特性 篇1
1 引言
多媒体通信将是新一代通信系统的典型业务和显著特征,而视频编码技术是多媒体技术的基础和核心。在通信环境中,由于通信系统带宽的限制,传输带宽是有限的。要在有限的带宽条件下传输更好质量的视频,就要求视频的压缩效率足够高。而视频压缩效率的提高很大程度上取决于用于传输运动补偿预测误差的信息量的减少,这就要求有效地编码视频残差图像。而研究残差图像的统计特性对分析和讨论视频残差图像编码有重大的意义。目前已经有很多对传统视频编码框架下的残差图像特性的分析研究。近年来,为了适应可变带宽下的多媒体传输、不同存储容量的媒体存储和不同显示能力的终端,可伸缩视频编码技术[1]得到广泛的关注。笔者主要对基于运动补偿时域滤波(Motion Compensation Temporal Filtering,MCTF)的可伸缩视频编码的残差图像特性进行了研究。
2 基于提升的运动补偿时域滤波
运动补偿时域滤波(MCTF)是时域可伸缩视频编码中的一项关键技术,它能实现视频码流的时间可伸缩性。MCTF将运动预测和时域小波滤波结合起来消除帧间冗余,达到压缩视频序列数据量的目的,它最早是由Ohm提出的[2],后来又有人将5/3小波引入MCTF[3]。图1是以Harr小波为例的MCTF算法的基本原理图。
其提升步骤如下
式中:Fk[n]=Fk[n1,n2]表示原始视频序列的第K帧在位置n=(n1,n2)处的一个样本,Hk[n]=Hk[n1,n2]和Lk[n]=Lk[n1,n2]分别表示对应的高通子带帧和低通子带帧。vi→j[n表示从第i帧到第j帧做运动估计得到的运动矢量,则对于第i帧的位置n,第j帧对应的匹配位置为n-vi→j[n]。从式(1)可以看出,高通子带帧就是传统编码意义下的参差帧,而低通子带帧可看成是I帧。
3 MCTF残差图像统计特性分析
不同类型的图像反映出来的能量分布和统计特性大不相同,可从3个方面对残差图像的特性进行分析:
1)残差图像能量的非平稳特性
残差图像只在运动边界和运动比较剧烈等区域才会出现较大幅值,从能量分布[4]来看,残差图像的能量主要集中在运动物体的边缘上。
2)残差图像的时空相关特性
运动补偿可被认为是图像序列的一种特定的逆向滤波。图像的相关性通常利用信号的相关系数r来衡量,图像的相关系数r是指标准化的协方差函数,即图像的协方差函数与方差的商。相关系数r公式[5]为
式中:F(s,t)表示参考区域;G(s+i,t+j)表示待匹配的区域;(s,t)为匹配区域左上角坐标;i,j表示相对于参照区域的位移量;K表示匹配正方形的边长(像素个数);F軈=
r的值越大,表明图像各个相邻点之间、前后帧对应点之间相似性越大,即图像时间、空间相关性越大。实验统计表明:自然图像相关系数r一般要大于0.9,传统编码框架下的残差图像的相关系数r一般为0.3~0.5。可见,一般情况下残差图像具有较低的时空相关性。
3)残差图像的频率特性
残差图像主要反映前后两帧运动边界的信息,具有较多边缘信息,使得小波变换系数的高频子带具有较多能量,不能像自然图像那样对高频部分采用较大的步长进行量化,如果舍弃高频分量或是对高频信息改变过大,会造成运动模糊和边缘模糊,产生振铃效应。
4 实验结果与分析
测试选取了3组有代表性的视频测试序列Hall,Stefan和Highway序列(CIF:352×288)。这3组视频序列具有完全不同的运动形式(低速、高速运动)和纹理性质,可以对不同应用环境下的视频进行比较性研究。
4.1 残差图像能量的非平稳特性
3组序列都以8帧为一个Go P,基于可伸缩视频压缩方式(实现多层MCTF)研究残差图像能量的非平稳特性。图2~4分别是3组序列经过MCTF后的残差图像的能量分布实验结果图,其中第1幅为低通子带帧,其他为高通子带帧。
从实验结果可以看出,残差图像在运动边界和运动剧烈区域出现了较大的幅值,残差图像的能量也主要集中在运动物体的边缘。3组序列中,Hall序列中背景不变且运动物体较缓慢,实验中所得到的残差图像的能量非常少;Stefan序列中要捕捉运动员的动作,镜头变动较大且背景丰富,出现了较多的边缘信息,能量分布相对多些;Highway序列中虽然帧与帧之间变化较大,但路、山丘和天空相对变化缓慢,而右边的路牌变化相对快速,所以残差图像的能量主要分布在路牌的区域内。
4.2 残差图像的时空相关特性
首先计算各个序列中相邻两自然帧之间的相关系数,其次计算基于MCTF可伸缩视频压缩方式生成的同级高通子带帧之间的相关系数,通过分析数据来研究残差图像的时空相关特性。表1~3分别是3组序列的残差图像时空相关性研究的实验结果。其中(S**&S**)表示某自然帧与某自然帧之间,(H**&H**)表示可伸缩视频压缩方式生成的某高通子带帧与某高通子带帧之间,相关系数用R表示。
分析表中数据可以得出,视频中两相邻自然图像的相关系数较大,即其相似性较强。对运动物体运动速度不高或背景相对变化不强的图像,如Hall和Highway,两相邻自然图像的相关系数一般可以达到r>0.9;对背景复杂、运动体和背景变化都快的图像而言,相邻两自然图像虽然仍呈显著相关,但相关系数值并不能达到r>0.8的强相关程度,相关系数相对小一些,如Stefan。实验结果还表明,相邻残差图像间的相似性非常小,相关系数都处于r<0.2的范围内,因此可以得出运动补偿时域滤波残差图像具有很弱的时空相关性。
4.3 残差图像的频率特性
图5~7所示为3组视频测试序列经过MCTF后的低通子带帧和高通子带帧再经小波二维变换后的图像。
可见,序号为0的低通子带帧LLL的能量集中在低频部分,而序号为2~8的7个高通子带帧的高频部分具有较多能量。低通子带帧记录图像较为平滑的内容,编码量化时可采用较小的量化步长;高通子带帧通常具有较多边缘信息,编码时应注意选取合适的量化步长,以免重构造成边缘模糊。进一步分析可见,Stefan序列中高通子带帧所带能量相对较多,这是因为该序列背景变化大且运动员高速运动使其高通子带帧携带了较多边缘信息。对类似Stefan序列运用MCTF后得到的子带帧进行帧内编码要非常注意高通子带帧的量化步长的选取,尽量使量化步长细化一些。对低通、高通子带帧的频率特性进行分析,有助于编码时选取量化步长。
5 结论
随着计算机网络及网络视频的发展,可伸缩性视频编码技术将得到更深入的研究与运用,帧内残差图像的统计特性研究将更广泛,理论将更完善与成熟。本文对可伸缩视频编码中的运动补偿时域滤波残差图像特性从能量非平稳特性、时空相关特性和频率特性分别进行了研究与讨论,研究结果对残差图像编码有重要意义。
参考文献
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补偿特性 篇2
长庆油田是陕西省电力公司的重要大客户,其供配电系统的安全经济运行直接关系到陕西省电力公司需求侧技术服务的工作质量。针对长庆油田配电网的负荷特性,长庆油田和陕西省电力公司进行了针对性研究和实践,取得了显著效果。
据统计,我国部分油田年耗电量约占油田采油操作成本的30%～40%[1],我国早期的油田配电网多是边生产边建设,缺乏全面规划,导致在无功补偿方面的问题较多。多数老旧油田的配电网无功补偿配置不合理,无功损耗高。所以降低油田配电网损耗,对降低油田生产成本有重要意义。
1 油田配电网存在的问题
目前老旧油田配电网主要存在以下几个问题:
(1)由于边生产边建设,对用电需量预测不准,配电变压器容量选择较大,不能保证变压器运行在经济负荷区内。
(2)配电变压器多为老旧型设备,变压器的运行及空载损耗过大。
(3)抽油机机采系统中,考虑到抽油机平衡机构处于最低位置时需要很大的启动转矩而选用了较大容量的电动机。
(3)无功补偿不合理,变电站集中无功补偿较多,分散就地补偿较少,无功传输损耗很大,没有采取就地补偿措施的配电变压器低压侧无功功率因数很低(0.1～0.3)。
上述问题导致配电网传输无功负荷过大、运行功率因数偏低、网损增加、电压质量下降,电网容量不能得以充分利用。因此,从油田长远发展的角度来看,对配电网进行优化,提高电网运行功率因数,降低无功网损,将是油田配电网改造的重要课题。
2 油田配电网用电负荷
2.1 抽油机负荷特性
抽油机负载是以抽油机冲程为周期的连续变化的周期性负载,图1为油田系统实测的典型抽油机负荷转矩M变化曲线[2]。
为了保证抽油机有足够大的启动转矩,选择的电机功率较大,抽油机正常运行时负荷率很低,一般在20%左右[2]。
假定抽油机转速n保持额定不变,且电机始终处于非饱和状态,则电机的输入有功功率P和无功功率Qs分别为[3]:
式中:U1为电机输入相电压;Xm为电机励磁阻抗。
P与转矩M成正比,波形接近正弦曲线。可见Qs近似为常数,即抽油机的无功功率基本不变。无功功率的大小与电机的设计、材料、制造工艺有关。
不同油井抽油机的负荷曲线不同,但是通过对抽油机负荷特性的大量测试表明,各种抽油机负荷功率变化曲线很相似[4]。图2为1个典型的抽油机负荷功率变化曲线图。
由图2可以看出,在1个上下冲程周期内,抽油机有功功率的变化较大,其曲线近似为正弦波。无功功率的变化相对而言较平稳,波动范围不是太大。在电机处于工作状态时无功功率的变化将和电机负载大小有一定关系,而抽油机的负载很低,所以抽油机上下冲程的无功功率的变化较小。
2.2 油田配电网的负荷特点
表1列出了某油田采油厂主要用电负荷的类别及所占比例。油田配电网的负荷中抽油机、注水泵和油站用电占总用电量的90%以上,这些负荷大多数是以感应异步电动机为动力的泵类负荷,在轻负荷状态下,由于有功功率较小,而无功励磁功率只取决于电机的工作电压,这样就使功率因数更低,将使配电网的功率损耗加大,电压质量降低。
所以油田配电网的无功功率需量很大,完全不同于普通城市配电网,所采取的无功补偿策略与普通城市配电网有本质的区别。
2.3 无功功率网损比重大
对于同一条馈线,输送同样大小的有功功率时,总电流的增大会导致设备及线路损耗增加[3],即:
式中:ΔP为设备及线路总损耗;I为输入电流;U为输入电压;R为总的等效电阻;P为有功功率;Q为无功功率;ΔPP为与有功功率相应的有功电流在设备与线路上产生的功率损耗值;ΔPQ为与无功功率相应的无功电流在设备与线路上产生的功率损耗值。
△P与无功电流的平方成正比,所以无功电流的增加将引起线损的急剧变大。油田配电网具有供电半径长、分支多、配电变压器数量大等特点,配电网的无功损耗占网损的比例(k)很大,如式(4)所示。
油田广泛采用变电站并联电容器实现无功补偿,这种补偿方式可以补偿配用电设备的无功需求,但不能降低配电网线路的无功电流,达不到降低配电网线路无功损耗的作用。配电网线路越长,无功损耗越大。可见无功功率对油田配电网运行具有很大影响。要实现油田配电网优化运行,减少线损,必须采取有针对性的无功补偿方案。
3 油田配电网无功补偿
3.1 油田配电网无功补偿的原则
根据油田配电网的负荷特性,其无功补偿应该遵循如下原则:
(1)油田配电网的无功补偿,必须以配电网综合网损最小为目标,针对不同的负荷类型、不同的供电环节,采取相应的综合措施才能取得最好的效果。
(2)抽油机、注水泵等设备的无功需量大,只有就地补偿才能避免无功传输产生的损耗。
(3)对于主要以抽油机为负荷的配电变压器无功补偿,因为抽油机的有功功率一直在变化,无功功率基本不变,所以功率因数一直在变化,不能采用功率因数作为自动投切的判据。采用固定补偿方式性价比最高,还可以避免自动投切造成的投切开关故障。
(4)无功补偿应该按照“分级补偿、就地平衡”的原则进行。
3.2 油田配电网主要的无功补偿方式
3.2.1 随抽油机分散补偿
随抽油机分散补偿方式即给每台抽油机配备1套无功补偿电容器装置。因为抽油机工作过程中的无功需求是基本固定的,所以补偿电容器的容量大小按式(2)进行计算。补偿电容器随抽油机的启动一同投入运行,随抽油机的停机一同退出,对电容器应加装过压保护装置。
每台随机安装的无功补偿电容器只对本抽油机的无功功率起补偿作用,所以应该对同一配电变压器台区的抽油机统一安装随机补偿电容器,进而对油田1个变电站供电区域的抽油机统一进行分散补偿改造。
这种补偿方式只对抽油机的无功需量实现较为理想的补偿,对配电变压器的其他无功负荷需要考虑另外的补偿措施。
3.2.2 抽油机配电变压器低压侧分组固定补偿
不能采取随抽油机分散补偿的场合,可以在配电变压器低压侧采取分组固定补偿的方式。对于以抽油机为主要负荷的配电变压器,需要按式(2)计算每台抽油机的无功功率Qs。无功补偿电容器的分组数量按抽油机数量加综合需量来配置,电容器组的投切和抽油机运行相对应,人工分组投切。
对配电变压器的其他较大的无功需量及变压器本身的无功需求,专门配置1组电容器,根据需要人工控制投切。
3.2.3 注水泵站配电变压器低压侧补偿方式
以注水泵为主要负荷的注水站配电台区的负荷比较固定,可采用固定补偿方式。补偿容量的大小,按水泵电机无功负荷进行计算,电容器的分组与注水泵相对应,一般采用人工投切的方式较为适宜。
3.2.4 生活、维修区配电变压器的无功补偿
生活、维修区配电变压器的负荷特性与抽油机特性是完全不同的,负荷变化较大。为取得较好的效果,宜采用自动补偿方式。补偿电容器的总容量按配电变压器装建容量的三分之一估算,电容器分4～6组,按非均等方式配备,组成从小到大的补偿组合序列值,满足配电变压器负荷变化较大的需要。
3.2.5 变电站电压无功综合补偿
变电站集中电压无功综合补偿调节装置(VQC)是油田配电网变电站必备的设备,主要是补偿配电网馈线和配电变压器的无功需量,以及配电网其他的无功负荷,满足油田配电网的无功需求,调节电压质量。电容器的补偿容量按所有设备线路无功需量的总和进行计算,其总和一般不超过主变压器容量的60%。无功补偿采用电压无功综合调节方式,具体方式不再赘述。
3.2.6 其他补偿方式
高压馈线无功补偿是根据无功就地补偿的原则,在馈线高压侧对部分配电变压器进行无功补偿,适用于没有采取就地补偿措施的配电网超长馈线。在线路的中下游段或主要的无功负荷处进行集中补偿,可以降低线路无功损耗,提升馈线末端电压水平。
4 油田配电网的无功优化
4.1 油田配电网无功优化方法
油田配电网各种网络参数或控制变量有着自身的特点,抽油机负荷的无功功率基本不变,宜采用固定电容器代替传统的根据功率因数投切电容器进行无功补偿。油田配电网多为树状网络结构、支路R/X较大、一般为单电源供电等。所以配电网的无功优化有其独特的方法。文献[3]给出了1种适用于油田配网特点的简化优化方法。
为抽油机供电的变压器安装了低压侧无功补偿装置后,设配电网的有功功率损耗减少量为ΔPL,则配电网变压器低压侧无功补偿优化规划问题为:寻求1组变压器低压侧无功补偿装置的最佳安装位置,目标函数见式(5)。
约束条件包括:1)电压处在规定范围内;2)未超过总的投资规模(投资规模按总的无功补偿安装个数来体现,不同容量的无功补偿装置价格差别忽略不计)。
对于1个具有L条配电线路、M台配电变压器的配电网,(也即M个“侯选位置”),其投资规模允许安装H台低压侧无功补偿装置,先搜寻第一个ΔPL最大的位置,用潮流计算补偿点负荷,计算是否满足电压条件,依次搜寻下一个,直至搜寻到第H个。在各个侯选位置安装低压侧无功补偿装置后对整个配电网产生的有功损耗功率减少量之和最大为目标进行优化。
按照上述优化原则,设计了无功优化软件,对油田配电网无功补偿进行了优化计算。
4.2 油田配电网无功优化补偿实践
在某油田变电站,选择了1条典型的油田配电网线路,总长14 km,采用LGJ-70钢芯铝绞线,安装有27台配电变压器,为分支型线路,其中4台配电变压器已经采取了无功补偿措施。计划对剩余配电变压器中的6台进行优化补偿,测试补偿效果。采用配电变压器低压侧固定分组无功补偿的方式,首先计算出各配电变压器的无功需量,利用无功优化软件,输入线路参数,进行优化计算,得出了6台补偿配电变压器的位置。所选的6台配电变压器无功需量是最高的,相同无功需量的配电变压器应选择距离较远的,符合优化补偿的原则。对6台配电变压器安装了无功补偿装置,对欠补偿和全额补偿2种不同补偿容量的补偿效果进行了测试。按理论无功负荷需量全额补偿的,配电变压器低压侧功率因数达到0.93以上,可见无功补偿计算是正确的。具体数据见表2[5,6]。
5 油田配电网无功监测实践
5.1 无功优化监测试验系统建设
在某油田采油厂,建设了1套配电网监测试验系统,系统框图见图3。一是为取得配电网无功优化补偿试验区域第一手资料,确切掌握监测区域的无功状况,为进行无功优化补偿打下基础;二是通过补偿前后数据的监测,对补偿效果进行对比分析。本监测系统可以为油田生产提供更多服务。
(1)在采油厂建设配电网监测主站系统1套,配2台计算机,1台为数据采集监测工作站,1台为数据处理服务器。
(2)选取4座35 kV变电站,安装数据采集装置,将智能电能表接入采集器。对主变压器高压侧、低压侧,各10 kV出线的电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、有功电量、无功电量等数据进行监测。数据上传主站,生成各种报表,分析配电网无功状况。
(3)对实施无功补偿的配电网线路进行监测,通过该线路上6台配电变压器补偿装置的监测终端,对配电变压器的工作状况进行监测,包括配电变压器低压侧电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等。通过配电变压器监测终端上传的数据,对无功水平进行统计评估。
(4)各变电站数据和配电变压器数据通过中国移动GPRS无线方式上传到主站。
5.2 监测系统主要功能
本监测系统是1个精干高效的SCADA系统,软件为C/S结构,主要功能有:
(1)数据采集。不仅可以采集变电站、配电变压器的各种数据,通过各种不同终端,还可以采集油田的其他模拟量、开关量、数字量等数据,如压力、流量、温度等。
(2)数据处理。可组态定义模拟量计算公式、开关量逻辑公式,生成虚拟量,供各软件模块及报表调用,数据处理功能灵活。
(3)系统提供实时数据库及服务接口,供各应用模块调用。
(4)系统提供完备历史数据库,满足数据库开发互连ODBC要求,可以配备MS SQL Sever、Oracle等多种数据库管理系统。
(5)画面显示监视。具有用户画面编辑数据组态显示、实时数据显示、告警等功能。
(6)曲线棒图。用户可自定义曲线,多曲线同画面显示等。
(7)报表定义自动生成打印。用户可自定义各种报表,进行数据统计等。
(8)通信。兼容光通信、GPRS/CDMA/3G无线通信、电力载波、微波等多种方式,具备RS232485及以太网等多种接口,可扩展各种通信协议。
5.3 监测系统的优点
本监测系统采用网络结构,规模可扩展,功能可组态,适应性好。软件采用C/S及W/S模式设计,方便功能模块扩充。通信方式多样,接口丰富,不仅适应油田配网电气系统监测,还可以扩展到油井、输油管网等系统的监测及控制。
本监测系统投资低,施工工作量小,现场只需将智能电度表通信线接入采集器即可,易于推广。
5.4 监测数据分析
(1)对监测数据分析发现,以抽油机、注水站为主要负荷且没有实施无功补偿的线路,变电站侧线路功率因数较低,一般为0.3～0.5。在配电变压器低压侧,功率因数更低,一般为0.2～0.4。其原因是油田配电网馈线长,变电站集中补偿效果不好,线损大。
(2)以抽油机为主要负荷且没有实施无功补偿的线路,各配电变压器经过无功补偿后功率因数达到0.95时,经粗略统计,线损降低50%以上[5]。
(3) 6台无功补偿装置的投入,理论计算每年可节电4.82×105 kW·h。分析2个月的实测数据,去除其他因素,平均每月节电大约为3.91×104 kW,h,估计每年节电大约为4.692×105 kW·h,与理论计算基本吻合,经济效益十分显著。
6 结论
(1)油田配电网无功功率需量很大,早期建设未经补偿的配电变压器低压侧功率因数很低,一般在0.2～0.4。
(2)抽油机的有功功率变化较大,接近于正弦曲线,而无功功率相对较平稳,基本为常数,抽油机的配电变压器低压侧补偿不能按功率因数作为投切电容器判据。
(3)随抽油机的分散固定补偿方式和配电变压器低压侧分组固定补偿方式是油田配电网无功补偿的最佳经济技术方案,结合变电站电压无功综合调节,形成油田配电网完整的补偿体系。
(4)无功优化补偿选择的配电变压器位置符合优化原则,实施效果良好,配电变压器低压侧功率因数可提高到0.95,理论节电和实测节电相符,节电效果明显。
(5)油田配电网监测系统规模可扩展,功能可组态,通信灵活,为验证无功补偿效果提供了第一手数据,还可方便地扩展为油田生产检测系统。
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补偿特性 篇3
近年来,静止无功补偿器(SVC)由于其快速的动态响应特性能够有效地提高电能质量以及系统动态电压稳定性而被广泛应用于电力系统[1,2,3,4,5]。目前,SVC已经成为电力系统中应用最多、最为成熟的并联补偿设备,其具有可调、可控功能,是一类较早得到应用的FACTS控制器[6,7,8,9,10]。从外特性看,SVC可被视为并联型可控阻抗,通过控制晶闸管或其他开关器件的开通和关断,向系统输出对应的无功功率,从而实现对电网特性的影响;从电网侧看,SVC的功能和响应特性,在很大程度上还取决于其控制系统[11,12,13]。
SVC应用于电力系统的主要目标是实现对母线电压的控制,其主要特性是U-I特性,CIGRE工作组总结了SVC的U-I特性,见图1[14]。在控制系统指令下SVC始终运行于U-I特性曲线与系统负荷曲线的交点,如图2中与负荷曲线1、2的交点。
从图1中SVC传统U-I特性可以看出,SVC的容性无功与感性无功容量相等。而在实际电网中维持系统正常运行对容性无功的需求与对感性无功的需求往往并不相等,如果SVC控制策略采用传统的U-I特性,取ICMAX=ILMAX时势必会出现感性无功容量或容性无功容量的浪费及相应的经济损失;如果直接取ICMAX>ILMAX或ICMAX
基于以上情况,本文提出了SVC的改进U-I特性,在U-I特性线性控制区域内分别给容性无功部分和感性无功部分定义不同的调差率,使SVC更有效、充分地对系统不同运行情况下进行动态调节。
2 SVC改进U-I特性
在SVC的U-I特性中有3个关键数值。
a.参考电压值Uref:指SVC既不吸收无功也不发出无功时端电压的值。
b.SVC线性控制范围:指SVC端电压随SVC电流或无功功率作线性变化的控制区域,其中电流或无功功率可以在整个容性到感性区域内变化[15]。
c.调差率:指SVC在线性控制区域内U-I特性曲线中的斜率,其取值范围一般为[0.01,0.1],典型值为0.05[15,16]。
图1所示的SVC传统U-I特性可用下列3个方程描述:
a.在控制域内,即-ICMAX≤ISVC≤ILMAX时
b.当U
c.当U>UMAX时,SVC到达感性无功容量极限
其中,U为SVC控制母线电压;Uref为SVC参考电压值;XSL为SVC调差率;ISVC为SVC补偿电流;BC MAX与BLMAX分别为SVC最大容性与感性电纳。
并且有如下等式成立:
当UMIN-Uref=UMAX-Uref时有ICMAX=ILMAX;当ICMAX≠ILMAX时有UMIN-Uref≠UMAX-Uref。
SVC的改进U-I特性如图4所示,给SVC在容性补偿与感性补偿情况下分别定义不同的调差率XSL1与XSL2,当系统对感性无功需求小于容性无功时有XSL1
a.当ICMAX
b.当0
SVC可控域外U-I特性同式(2)和式(3)。
改进U-I特性控制逻辑如图5所示。
3 调差率XSL2的取值
假设已知SVC传统U-I特性,且调差率XSL的取值是根据系统对容性无功的需求选定。则在改进U-I特性中取XSL1=XSL,而XSL2的取值根据系统对感性无功的实际需求进行确定,如图6所示。
a.当系统极限运行状态为L1时,系统对感性无功的需求等于容性无功,此时可直接取XSL2=XSL1=XSL,即SVC传统U-I特性。
b.当系统极限运行状态为L2时,系统对感性无功的需求小于容性无功。取系统负荷曲线L2上3点:(0,U′2)、(I′LMAX2,UMAX)、(I′SVC2,U′SVC2),其中点(0,U′2)与(I′SVC2,U′SVC2)可以分别利用系统在无SVC投切情况下与传统U-I特性SVC投入情况下仿真得到,通过所得2个点的坐标即可计算得出I′LMAX2的值。则XSL2的取值为
c.当系统极限运行状态为L3时,系统对感性无功的需求大于容性无功。取系统负荷曲线L3上3点:(0,U′3)、(I′LMAX3,UMAX)、(I′SVC3,U′SVC3)。XSL2取值为
从图6可看出,当系统极限运行状态为L2时,改进的U-I特性使SVC在保证系统正常运行情况下减小了感性无功容量,降低了经济成本;当系统极限运行状态为L3时,改进的U-I特性虽然增加了SVC感性无功容量但却保证了系统安全稳定运行。
4 实例仿真
现以图7所示简单模型为例对上述结论进行仿真分析。
取SVC可调电压域为系统电压标准取值范围[0.95p.u.,1.05p.u.],即UMIN=0.95 p.u.,UMAX=1.05 p.u.;参考电压值取Uref=1.0 p.u.;调差率取典型值XSL=0.05,则改进特性中有XSL1=0.05;根据式(4)(5)可知ICMAX=-1 p.u.,ILMAX=1 p.u.。
仿真采用24小时负荷曲线,如图8所示,取都市电网典型的双峰负荷变化曲线,并将当日上午9点作为仿真初始运行点取值至次日上午9点(记为33点,下同)。
对下面2种运行方式分别进行仿真:
a.系统无SVC投入;
b.系统投入SVC,且SVC采用传统U-I特性对受控母线进行控制。
图9是系统在上述2种运行方式下受控母线电压24小时变化曲线图。可以看到,SVC的投入明显改善了系统电压质量,并且SVC随着系统负荷变化在可调域内对电压进行了有效调节和控制。图10是投入SVC装置且遵循传统U-I特性情况下SVC注入受控母线的电流变化曲线。当系统负荷到达高峰时,SVC达到下限ISVC=ICMAX=-1 p.u.;当系统负荷到达低谷时,SVC注入电流ISVC=0.81 p.u.,未达到上限ILMAX=1 p.u.。
根据图9、10可以得到图11所示系统运行特性。
a.随着系统负荷的变化,系统运行状态处于系统负荷曲线LMAX与LMIN之间,LMAX代表系统高峰负荷运行状态,LMIN代表系统低谷负荷运行状态。
b.当系统处于低谷负荷时,负荷曲线LMIN与SVC U-I特性曲线交于点(0.81,1.041),与纵轴交于点(0,1.056)。即当系统无SVC作用时,系统运行于点(ISVC,U)=(0,1.056);当系统投入传统U-I特性控制的SVC时,系统运行于点(ISVC,U)=(0.81,1.041)。
c.根据b,已知LMIN上2个点(0,1.056)和(0.81,1.041),可计算得到曲线LMIN上另一点(I′LMAX2,1.05)=(0.34,1.05),即曲线LMIN与曲线U=1.05 p.u.的交点为(0.34,1.05)。
d.根据式(8)可以计算得到SVC改进U-I特性中XSL2=0.146,SVC改进U-I特性如图12所示。
设SVC传统U-I特性时额定电流值为ICC,改进U-I特性时额定电流值为IPC,则有
采用SVC改进U-I特性后的系统仿真结果如图13、14所示。图13是系统投入SVC时分别采用传统U-I特性与改进U-I特性情况下受控母线电压变化曲线,图14是SVC采用传统U-I特性与改进U-I特性时SVC注入电流变化曲线。
上述结果表明,当系统运行于低谷负荷极限时,传统U-I特性下的SVC注入电流为ISVC=0.81 p.u.,受控母线电压被有效调节到标准运行电压范围内,U=1.041 p.u.;而改进U-I特性下的SVC只需注入电流ISVC=0.34 p.u.即可将受控母线电压有效控制在U=1.05 p.u.。根据仿真系统实际运行情况对SVC U-I特性进行改进之后,SVC仍然可以有效控制受控母线电压,但在很大程度上节省了SVC额定容量,有效降低了经济成本。
5 结论
补偿特性 篇4
关键词：高压输电线路,电线路无功补偿,电气的特性,波阻抗与自然功率,传播的系数
从某种意义上说, 国家就是一部大型机器, 而且是一部高速运转的大型机器, 电力系统就好比这部大型机器的核心, 如果离开了这个核心, 机器就将不能运转, 或者出现运转不灵活等情况, 这就是电力系统在国家中所起的作用。电力系统是一个大系统, 是由各个小的系统组织构成的。其中包括:发电系统部分、输电系统部分、配电系统部分。这三个部分是分别独立的, 但有相互交织, 在功能与作用上相辅相承, 缺一不可, 有着内在的和必然的联系。
1 电力系统正常运行的根本要求
系统的运行必然要遵循一定的规律, 这个规律很多时候是以要求的形式出现的。电力系统作为国家的核心系统, 同样有着自身的根本要求, 这些要求都是最其本的, 都是必须要达到的, 如果达不到这些要求, 就不能保障系统的正常运行, 系统会出现各种问题, 影响到其它行业的生产与工作。所以, 对于保障电力系统正常工作的这些要求, 电力工作者一定要透彻了解, 领悟其内涵和外在关联性。根据输电线路电能生产、输送、消费的特殊性, 对电力系统运行提出三点基本的要求。
第一, 保证可靠地持续供电。
中国地域广阔, 人口众多, 各地区人口密度分布不均衡, 由于复杂的历史和社会原因, 电能资源也发展不同步, 有些地区出现电能短缺现象十分严重, 所以节约使用电力资源, 也是需要注意的问题。近年来, 随着经济的发展, 用电量更是有增无减, 如何合理保证各地区用电, 成了摆在电力系统面前的首要任务。中国对于电的供应量和使用量均较大, 而且年复一年居高不下, 保证可靠持续供电, 这一点勿庸置疑, 停电给国民经济造成的损失远远超过电力系统本身的损失。
第二, 保证良好的电能质量。
我国地形复杂, 各地区电能质量有较大差异, 技术水平发展速度各不相同, 在保障各地区、各部门都能正常供电的情况下, 电能质量也是要考虑的问题, 良好的电能质量, 才能保障产业部门生产和需要, 生产才能有序进行。电力系统人员要随时进行检查, 包括设备、技术、测试等各个环节, 如果有问题要及时处理, 做好电能质量的基础工作。电能也是商品, 理所当然有质量的要求。电能质量具体表现为:频率偏移不能超过定值、电压偏移不能超过定值, 另外还有波形质量的要求。
第三, 保证系统运行的经济性。
一个项目是否具有价值, 其经济性和经济价值占有很大的比重, 尤其是经济效益日渐突出的21世纪, 经济性就代表着金钱、代表着利益, 电力系统同样有着其独特的经济性。电力系统只有保证供电的持续正常进行, 电量的高质量, 才能为其它系统行业节约成本, 最大限度提高经济效益。如果哪项工作做不好, 对其它行业就会带来经济损失。对于输电环节就是降低线损率;对于发电厂, 火电厂而言就是降低煤耗率, 水电厂而言就是降低耗水率。
任何一个历史时期的兴盛, 都离不开兴修电力这项工程。所以, 电力系统的重要意义是深远的。随着我国改革开发的进一步深化, 加快“一带一路”的发展建设, 电力事业又要发挥其重要的作用。对于电气性能的论证, 以及输电线路补偿的论证, 在这种国家大环境下是非常有必要的, 也是势在必行的。
2 输电线路电气的基本特性分析
我们认识电力系统, 只有了解其基本特性后, 才能对系统内部结构做更深入的分析。系统构成大部分都是复杂的, 当开始分析的时候, 要能从复杂的构成中看到本质, 这就要找到其最基本的部分。那对于输电线路的分析, 还是要从分析电气特性开始, 因为电气的特性是最能体现其功能的地方, 如果不了解输电线路最基本的特性, 那对于其它方面就更无从谈起了。
2.1 电力线路数学模型
在电力系统稳态分析中, 电力线路数学模型就是以电阻、电抗、电纳、电导来表示的等值电路。电力线路是均匀分布的, 一般情况下, 仅仅分析其两端电压、电流、功率的关系, 而不考虑线路的分布参数特性。输电线路精确的描述是分布参数的输电线路模型。
2.2 输电线路特征量
关于输电线路特征量的问题, 也有几个方面, 分析的时候要从这几个方面来考虑。其中既有波阻抗的问题, 也有自然功率的问题, 还有关于传播系数相关的问题, 几方面问题纵横交错, 有联系又有差异, 需要理清思路, 一个一个地进行分析。
2.2.1 波阻抗和自然功率
波阻抗和自然功率是输电线路的第1个特征参数。波阻抗自然或波阻抗负荷当一条输电线路终止于它的特性阻抗, 它传输的功率称之为自然功率。
2.2.2 传播常数、电气长度和最大传输功率
(1) 传播常数。其中α为衰减系数, β为相位系数。γ只与线路的参数和频率有关, 而与线路的电压和电流无关。
(2) 电气长度。
(3) 最大传输功率。线路的最大传输功率反映的是线路的输电能力, 在一定条件下, 合理的增加线路的最大传输功率可以增加线路的输电能力, 以最小的消耗来满足用户端最大需求。
前面论述了输电线路与补偿的相关知识, 并对其性能进行了深入分析。这其中掌握其基本特点是非常重要的, 然后再根据特性展开分析和对比, 最后才能得出准确的结论, 采取有效的措施, 既是重要的理论依据, 也是首要的论证依据。
结语
以上对电气相关知识进行了分析, 无论是输电线路, 还是无功补偿, 其论证的落角点都是要从基本性能出发, 只有这样才能从根本上为解决问题提供思路。电力系统的运行与稳定, 是其它系统正常运行的有力保障, 包括各部门管理者, 各岗位技术人员, 要意识到肩负的责任, 把电力系统每项基础工作做好、做实。全方位提高业务技能, 加强专业知识学习, 理论联系实际, 从本职工作出发, 做好电力的各项保障工作, 为电力系统的高效快速发展而努力。
参考文献
[1]任煜峰.水轮发电机组值班[M].北京:中国电力出版社, 2002.
[2]程时杰, 等.电力系统分析 (第2版) [M].北京:中国电力出版社, 2011.
补偿特性 篇5
随着特高压交流输电工程的不断建成投运,资源优化配置将为国内工业发展注入动力[1,2]。然而,随着区域电网互联的实现,无功功率的变化更加频繁,给电网安全稳定运行带来隐忧。安装分级可控高抗与串补的混合无功补偿能够克服线路阻抗稳定极限限制及容升效应,是较为理想的解决方案[3,4]。特高压混合无功补偿的应用,使电网进一步复杂化,电磁暂态问题更加突出。当特高压输电线路发生短路故障,尤其是发生近区故障时,断路器可能会出现不能开断的严重故障,需要对安装混合无功补偿装置的特高压电网的断路器开断困难程度进行分析。
混合无功补偿与断路器同时应用于特高压电网时,输电线路发生短路故障,高压断路器由继电保护控制下在电流过零时开断,当断路器两端产生的暂态恢复电压高于介质恢复电压时,电弧复燃。暂态恢复电压的变化主要受电网结构、电网设备等效参数、断路器电弧特性及故障类型等因素影响。由于混合无功补偿的存在,改变了特高压电网的结构参数,从而影响断路器开断成功率。
近年来,国内外学者针对断路器开断性能进行了一些研究。文献[5]对特高压串补工程的断路器暂态恢复电压(transient recovery voltage,TRV)特性及其影响因素进行仿真研究,并对各种TRV抑制措施的效果进行分析。文献[6]对特高压串补线路短路电流的延时过零特性进行分析,并给出有效的解决方法。文献[7]研究了特高压系统回路特性产生的特高压断路器预期TRV。文献[8]针对真空断路器开断过程中的电流零区现象,仿真分析了真空断路器开断短路故障和切除电容器组时TRV和弧后电流的相互作用。虽然上述论文对断路器开断性能的产生机理及影响因素进行了分析,但没有针对安装混合无功补偿的特高压线路接地故障进行研究,缺乏相应的断路器开断特性理论机理研究成果。
本文在特高压接地故障电网简化模型的基础上,通过理论计算方法,研究了接地故障发生而串补装置未被切除时,故障位置、混合无功补偿度及架空线路长度对断路器两端瞬态恢复电压上升率(RRRV)及TRV峰值的影响。仿真分析了接地故障发生时,串补短接时间和混合无功补偿度对断路器开断特性的影响,为混合无功补偿推广建立必备的理论基础和技术支撑。
1 短路故障下混合无功补偿线路
在特高压系统中采用中性点直接接地方式连接,输电线路中三相接地短路故障造成的危害较为严重,可能导致断路器开断失败[9],断路器的RRRV与TRV峰值是判定断路器可靠性与开断特性的重要依据。假定线路均匀对称分布不需要换位,不考虑电阻与电导,可将三相接地故障按单相等效。在接地短路故障发生时,短路电流中一般会含有非周期分量,考虑非周期分量时,其TRV比不考虑非周期分量时要低[10],因此,采用不含非周期分量的故障电流稳态模型进行分析。
为了降低工况下分级可控高抗的工作电压,将可控高抗接在靠近断路器一侧,混合无功补偿分别布置在线路两侧[11]。图1所示为典型的带混合无功补偿的特高压输电线路接地短路故障等效图。图中:C为串联补偿电容;L为分级可控高抗;B为断路器;AC为交流电源。
2 串补电容器组未短接时TRV分析
安装混合无功补偿装置的特高压线路发生接地短路时,若串补本体也发生故障,可能导致串补电容器组无法及时短接[12,13]。断路器开断后,由于电气设备对地电容存在,会在断路器两端产生振荡频率不同的TRV,导致断路器开断困难。针对串补电容器组未短接情况,安装混合无功补偿的特高压线路接地故障等效电路结构如图2所示。图中:LS和LR分别为电源、分级可控高抗的电感;CSG,CRG,CCG分别为电源、分级可控高抗及串联电容补偿装置的对地电容;C0和L0分别为单位长度架空线路电容、电感;CC为串补电容器组电容;U0为断路器过零开断时刻的电源电压幅值。
LR和CC可以表示为:
式中:kR和kC分别为分级可控高抗补偿度和串补补偿度;ω=2πf,f为电源正常工作频率;l为架空线路长度。
假定在距离变电站出口为s处发生接地故障,架空线路的等效电感L1=L0s。断路器未开断前,其稳态短路电流IS可以表示为:
式中:Um=U0cos(ωt+ Φ),不考虑电源内阻, Φ=π/2。
在首开相断路器断开过程中,电弧熄灭之前,断路器两端A和B之间电压差较小,可忽略其电压差。混合无功补偿装置侧断路器电压峰值UB0、串补线路侧电压峰值UC0、串补两侧电压峰值UBC0可表示为:
式中:IS0为t=0时IS的幅值。
当电流过零时断路器开断,A处的电压UA可表示为:
UA将以不同频率发生振荡,求解式(4)得
式中:A1和ω1分别为A点暂态恢复电压中的积分系数和振荡频率,其中,,式(5)中Um的系数近似于1。
当t=0时,UA=UA0,将其代入式(5)并整理可得:
式中:Um0为t=0时Um的幅值。
在混合无功补偿侧,由于架空线路具有分布参数特性,会在架空线路上产生行波,近似于正弦变化,其周期为行波经过故障线路长度所需时间的4倍。行波的振荡角频率ω2可以表示为:
行波在T2/2时刻到达-UC0,在1/2周期内,C点电压UC可以表示为:
除架空线行波外,由于串补和分级可控高抗都是储能元件,在断路器开断后电容中电场能和电感中磁场能将不断相互转换。串补和分级可控高抗等效电容及电感数值较大,从而产生低频振荡,其振荡频率ω3可以表示为:
由式(9)可见,ω3主要与混合无功补偿串补电容器CC以及分级可控高抗LR有关,同时受CCG和CRG的影响。串补两端的暂态恢复电压UBC可以表示为:
断路器两端TRV可以表示为:
RRRV是考核断路器开断性能的重要指标,可表示为:
式中:Urep1为TRV的首个峰值;tp1为到达首个峰值的时间,tp1由TRV各振荡频率确定,tp1=π/ωi,其中ωi为ω1,ω2,ω3的最大值。
除了RRRV之外,TRV峰值也是考量断路器开断性能的组成部分。根据式(11)可得TRV的峰值Urep如下式所示:
参照特高压示范工程,对其发生出线故障时的相关状况进行分析计算,特高压电网接地故障等效模型计算参数如下所示:Um=816.5 kV,L0=0.837mH/km,C0=0.014μF/km,LS=497 mH,CSG=50nF,CRG=CCG=5nF,l=600km。kR=kC=100%,将线路参数代入式(1),可得LR=2.43H,CC=40.7μF。应用上述公式可以得到在变电站出口发生接地故障时串补和断路器两端的TRV,如图3(a)所示;采用相同电路结构和参数的EMTP仿真模型对解析计算的准确性进行验证,如图3(b)所示。
由图3(a)可见,断路器开断后,断路器两端TRV的频率由ω1与ω组成,ω1ω。电容器组TRV会产生低频振荡,其振荡周期约为0.06s,断路器两端TRV即Ure的峰值约为4.48(标幺值),其峰值约出现在工频电压与电容器组低频电压相位相差π/2时。由于断路器源侧与负载侧电压波暂态振荡频率差距大,在解析计算时忽略两端的频率互扰,使计算值与EMTP仿真结果有些许差别,如图3(b)所示,但误差在合理的范围内,仿真结果与理论计算基本一致。
当变电站出口距离为s处发生架空线路接地故障时,断路器B端的振荡频率增加了振荡频率为ω2的架空线路行波电压,使断路器两端TRV表现出不同的特征。通过计算可得,在变电站不同出口距离s处架空线路发生接地故障时,RRRV与断路器两端TRV峰值及各振荡频率对应幅值随s的变化规律,如图4所示。
由图4(a)可知,随着s增大,RRRV从8.34kV/μs下降到2.53kV/μs,其下降速率不断减小。由图4(b)可知,断路器两端TRV峰值Urep及ω1,ω3对应幅值随s的增大而减小,工频ω对应幅值不随s发生变化,ω2对应幅值随s增加而增大。由于接地故障距离s较小时,ω1对应幅值较大,从而使Urep高于3.0(标幺值),可能使断路器发生重击穿,导致开断失败。分析表明在kR=kC=100%且出口发生故障时,断路器可能难以成功断开线路出线故障[7]。针对上述情况,对于l=600km的特高压电网,在发生出口接地故障(s=0)时可以通过改变混合无功补偿度调整串补电容,以减小断路器开断失败的概率。表1给出了混合无功补偿度与RRRV之间的关系。
由表1可知,RRRV随混合无功补偿度在8.41kV/μs与3.68kV/μs之间变化,RRRV随着kR和kC减小而减小,其主要影响因素为kC,RRRV随kR变化不大。表2给出了混合无功补偿度与断路器两端TRV峰值之间的关系。
由表2可知,断路器两端TRV峰值随混合无功补偿度在4.48与2.04(标幺值)之间变化,TRV峰值随着kR和kC减小而减小,TRV峰值主要受kC影响,kR对其影响不大。通过式(1)可知,分级可控高抗的等效电感、串补电容器组的电容除了受补偿度影响之外,还与架空线路的长度l成反比,随l增加负载侧端混合无功补偿与短路架空线的等效容抗增大,可能与源端的感抗回路形成谐振回路,导致断路器开断失败。图5给出了在kR=kC=1.00且谐振发生时,架空线路长度与故障距离,以及谐振未发生时RRRV和TRV峰值与l之间的关系。
当架空线路长度l长于1 100km时,特高压电网发生接地故障,在混合无功处于满补偿状态时会发生谐振,导致谐振发生的s与l基本呈线性关系,s随着l的加长而增大,如图5(a)所示;在未发生谐振的区域,随着l的增加,RRRV与TRV峰值的变化规律几乎一致,两者都非线性不断增加且上升速率不断加大,如图5(b)所示。
3 串补电容器组被短接时暂态恢复电压分析
特高压线路安装混合无功补偿后,当发生接地短路时,保护装置在不同时间动作短接串补电容器组,断路器开断时两端的TRV会发生变化[14,15]。通常在串补两端电压处于峰值时短接电容器组,断路器开断时会产生最严重的TRV,串补两端电压过零时短接几乎不会产生过电压。实际情况中,单相故障发生后约2~3ms串补电容器组会被短接,为了研究串补短接时间对断路器TRV的影响,针对故障发生后1,2,3,4ms保护装置动作短接串补电容器组的情况进行分析。图6给出了当接地故障发生在变电站出口处时,断路器开断后两端TRV的变化曲线。
由图6(a)可知,串补电容器组在不同时间被短接,流过断路器的短路电流会产生不同幅度的漂移,导致断路器在电流过零开断时其源端电压初值不同,使断路器两端的TRV产生不同幅度的振荡,如图6(b)所示。串补电容器组在短路故障发生1 ms时被短接,断路器两端TRV峰值与RRRV最大。串补电容器组在故障发生后2 ms和3 ms时被短接,与在故障发生后1 ms时短接串补电容器组相比,断路器两端TRV峰值和RRRV都有所降低。串补电容器组在故障发生后4ms时被短接,断路器两端TRV峰值和RRRV最小。结果表明,若串补电容器组在不同的时间被短接,串补电容器组短接时的电源工频电压幅值越大,断路器TRV峰值和RRRV越高,串补电容器组短接时间应配合工频电源电压幅值设置在合理的范围内。断路器的TRV峰值和RRRV除了受串补电容器组被短接时间影响之外,还会受到串补和分级可控高抗补偿度的影响,其对断路器TRV峰值和RRRV的影响如图7所示。
特高压电网发生接地短路故障时,针对串补在不同时间被短接的情况,随着kC和kR的增大,断路器TRV峰值和RRRV变化规律几乎一致,TRV峰值变化幅度小于RRRV的变化幅度。由图7(a),(b)可知,随着kC的增大,断路器TRV峰值和RRRV分别在1.37和1.99(标幺值)及1.30kV/μs和3.84kV/μs之间变化。断路器TRV峰值和RRRV随kC的增大而减小,串补电容器组在1 ms时被短接,断路器TRV峰值和RRRV随kC增大下降幅度最小,串补电容器组在2,3,4 ms被短接时,断路器TRV峰值和RRRV随kC增大下降幅度不断增加。由图7(c),(d)可知,断路器TRV峰值和RRRV随kR的增大而小幅减小,串补电容器组在1ms时被短接,断路器TRV峰值和RRRV随kR增大下降幅度最小,串补电容器组在2,3,4ms被短接时,断路器TRV峰值和RRRV随kR增大下降幅度依次增加。结果表明,考虑同一时间短接串补电容器组的情况,kC和kR越大越利于断路器开断,kR对断路器开断的影响小于kC。
4 结论
在特高压电网中安装混合无功补偿,可以有效抑制容升效应,提高有功功率输送容量,但可能会造成断路器开断难度增加。通过理论和仿真分析得到混合无功补偿对断路器开断特性的影响,结论如下。
1)安装混合无功补偿的特高压电网发生接地故障串补电容器组不能及时被短接的情况下,断路器开断将产生低频振荡及频率不等的高频振荡,接地故障发生在变电站出口处,断路器TRV峰值约出现在工频电压与电容器组低频电压相位相差π/2时。
2)在混合无功全补偿及架空线路长600km且接地故障时串补电容器组不能及时短接的工况下,RRRV,TRV峰值和源端振荡频率对应幅值与混合无功低频对应幅值随着s增加而降低,故障线路上行波频率对应幅值随s增加而升高。
3)在变电站出口发生接地故障且串补电容器组不能及时被短接时,串补补偿度kC对RRRV与TRV峰值的影响高于分级可控高抗补偿度kR。l长于1 100km时,相应s处发生接地故障,系统会发生谐振,l未达到谐振长度时,RRRV与TRV峰值皆随l增加而非线性升高。
补偿特性 篇6
An Imaging spectrometer measures the image of ground scene pixels and simultaneously obtains spectra data of each scene pixel in tens to hundreds contiguous spectral bands[1,2].The spectral radiance measured by detector pixels of an imaging spectrometer would be little for observing water or low albedo target.It is anticipated to prolong the integral time of detector to increase the Signal-to-Noise Ratio(SNR)of the imaging spectrometer.Motion Compensation(MC)method is generally used to increase integral time of detector such as COIS[3],Hyperion[4]and HIRIS[5].The principle of MC is shown in fig.1.When the pointing mirror is laid 45ºimaging spectrometer observes nadir point.When the space-borne imaging spectrometer lies in position 1,the pointing mirror turnsα/2 ahead.So the axis of Instantaneous Field Of View(IFOV)is turned aheadαalong flight direction and points to D1 before the nadir point B1.And then the axis of IFOV is turned backwards relative to the imaging spectrometer by controlling pointing mirror.Until position 3,motion compensation is completed.The point mirror is quickly turned ahead again and the axis of IFOV points to B2.Next motion compensation is beginning.If the distance from position 1 to 3 is A1B1=nl and the observed distance is C1D1=l,the integral time of detector will increase n times compared with without MC for observing scene area C1D1.Using MC can increase SNR of an imaging spectrometer.But it makes spatial resolution some loss[5].In addition,the geometrical ubiety of ground scene pixel relative to the entrance pupil of imaging spectrometer and the transmission path of scene radiance would change with the Tilt Angle of the Axis of IFOV(hereafter,TAA for short).Further,the measured scene radiance and atmosphere scatter radiance are varied with TAA.The characteristics of spectral radiance measured by imaging spectrometer with MC will be analyzed concretely in the following sections.
1 Theoretical Discussion
For a spaceborne push-broom imaging spectrometer without MC,the measured radianceΦof the detector pixel is the convolution of the spectral response function f(λ-λ0)with a high-resolution upwelling spectrum L(λ)across the spectral band:
Where,Tint is integral time of detector.L(λ)is upwelling spectral radiance.The spectral response function generally is Gaussion function.τopt is transmittance of optical system.cosi is cosine of the included angle between ground pixel normal and the axis of IFOV.For imaging spectrometer without MC,i=0°,cosi=1.∆S=GSD2nadir is ground pixel area.GSDnadir is Ground Sampling Distance(spatial resolution)corresponding to nadir point∆ω=πD2/4H2is the solid angle of entrance pupil to ground pixel.D is diameter of entrance pupil of imaging spectrometer system.H is the height of space orbit.
The definition of the angle of IFOVθis given by
When the dimension of detector pixel d,focal length of telescopic system f and the height of space orbit H are fixed,the IFOV and GSDnadir also become fixed value.So cosi,∆S and∆ωare invariable for the imaging spectrometer without MC.
For imaging spectrometer with MC,there is just one position where the system observes nadir point,while there is an included angleα(TAA)between the axis of IFOV and nadir direction in other positions.The radiance transmission direction and path are variable.∆S,∆ωand cosi are variable.The relationship of∆S,∆ωand cos withαcan be expressed as
Where:R is the radius of the earth;M=(R+H)/R;GSDx and GSDy are along-track and cross-track spatia resolution.We assume that the observed ground scene surfaces are spherical surface at along-track direction and plane surface at cross-track direction.
The incident spectral radiance of imaging spectrometer with MC is given by
Where:Lg is ground scene spectral radiance.Ls is atmosphere scatter radiance.τ0(λ)is the vertical transmittance of atmosphere corresponding to nadir point.m(α)is the relative atmosphere mass,it can be expressed as[6]
Finally,substitute Eq.(3)～(6)into Eq.(1),the relationship between the measured radianceΦn and TAAαfor the imaging spectrometer with MC is given by
Where,n is MC gain.Whenα=0°and n=1,there is no MC and the system observes nadir point.Eq.(7)is the same as Eq.(1).
According Eq.(7),the equation to compute the signal in electrons per pixel is
Where:h is Planck constant.c is light speed.ηis quantum efficiency of detector.The SNR of the imaging spectrometer with MC also varies with the tilt angle of the axis of IFOVα.The expression of SNR is
2 Calculations and Discussions
In order to analyze the characteristics of spectral radiance measured by imaging spectrometer with MC,the upwelling ground scene spectral radiance,scatter radiance and the total spectral radiance at the top of the atmosphere were modeled in the spectral range of 0.4～1.0µm with conditions of a 30°solar illumination angle,a0.3 reflection horizontal surface at sea level,and the 23 km visibility,standard mid-latitude summer atmosphere model(See Fig.2)[8].The spectral resolution is 10 nm.The height of orbit is H=400 km.The radius of the earth is R=6 378.01 km.The gain of MC is n=2.The ratios of measured radianceΦ2(α)/Φ2(0°)between a certain TAAαand observing nadir point(α=0°)are calculated according Eq.(7)(see Fig.3 to 5).
Fig.3 shows the ratio of measured scene radiance with a certain TAAαto that with observing nadir poin(α=0°).The measured scene radiance decreases along withαincreasing in the process of motion compensation Whenαincreases,the transmission path of scene radiance in the atmosphere becomes longer.The absorption and scatter of atmosphere become stronger.There is more energy loss for scene radiance in transmission.The signa level of target radiance measured by imaging spectrometer also becomes lower.Whenαis less than 30°,the average reduction of measured scene radiance is no more than 10%.Whenα=45°,the average reduction of measured scene radiance is near 20%and more than 20%in short-wave spectral range.
Fig.4 shows the ratio of measured scatter radiance with a certain TAAαto that with observing nadir poin(α=0°).The measured scatter radiance firstly decreases and afterward increases along withαincreasing.This characteristic is determined by the geometrical relationship of observer-target-sun.Whenαis less than 30°the average variation of measured scatter radiance is no more than 5%.Whenα=45°,the average increment of measured scatter radiance is 15%.The disturbance of the scatter radiance to the scene radiance is strengthened obviously.
Fig.5 shows the ratio of measured total radiance with a certain TAAαto that with observing nadir poin(α=0°).The measured total radiance always decreases along withαincreasing in the process of motion compensation.It indicates that the reduction of measured scene radiance is lager than the increment of measured scatter radiance.Although the average reduction of measured total radiance is no more than 8%whenα<45°,the proportion of ground scene radiance in total radiance becomes smaller compared with observing nadir poin(α=0°).The capability to detect the ground scene cannot maintain two times MC gains by design along withαincreasing.So the maximum ofαis better no more than 30°when using MC.Fig.6 shows increase ratio of SNR of imaging spectrometer between with and without MC corresponding to different MC gain andα.The parameters of imaging spectrometer used to calculate SNR are listed in Table 1[5].When using MC,the increase values of SNR corresponding to observing nadir point(α=0°)are approximately proportional with the square root of MC gain n For a certain MC gain,SNR decreases along withαincreasing.Whenα=45ºSNR averagely decrease 15%(Fig.6).
The relationship of MC gain n,observing distance l and the maximum of TAA(αmax)can be expressed as
Eq.(10)indicates that:For a certainαmax,if MC gains n increase,the observing distance l will decrease.If the observing distance l keeps invariable,increasing MC gain n must enlargeαmax.But Whenα>30°,the measured total radiance and the proportion of scene radiance are much smaller than that with observing nadir point(α=0º).The detective capability for the scene target cannot reach n times MC gain by design.Table 2 lists the observing distance in MC with certain MC gain andαmax.
3 Conclusions
Using motion compensation can prolong the integral time of detector and finally increase the SNR of imaging spectrometer.While the geometrical relationship of ground target to imaging spectrometer and the transmission path of spectral radiance are changed because of the swing of the point mirror.the total radiance measured would decrease along with the tilt angle of axis of IFOV increasing in the process of motion compensation.And the proportion of ground scene radiance in total radiance also becomes smaller.Just when observing nadir point(α=0°)the increase of SNR can reach the value by design.In order to make the detective capability of imaging spectrometer to approach the increase value with MC,the tilt angle of the axis of IFOV is better no more than 30°.
摘要：为研究运动补偿下成像光谱仪的辐射能量采集特性,首先推导出系统探测器像元采集到的光谱辐射能量与瞬时视场光轴摆角的关系式。据此,在可见近红外(0.4～1.0μm)光谱范围内,计算不同摆角下系统采集到的光谱辐射能量与观测星下点(对应光轴摆角为0o)时系统采集到的光谱辐射能量的比值。结果表明:与观测星下点相比,运动补偿过程中系统采集到的总光谱辐射能量随光轴摆角的增大而减小,并且其中地面目标辐射所占的比例也随之减小。系统信噪比有类似的特性。要使整个观测过程辐射能量提高的倍率保持或接近预期的补偿倍率,光轴摆角尽量小于30o。
关键词：成像光谱仪,遥感成像,光轴摆角,运动补偿
参考文献
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补偿特性 篇7
电容触摸屏CTP(capacity touch panel)由于其反应速度快、多点触摸、坚固耐用、节省空间、易于交流等诸多优点得到大众的认同,特别是在苹果i Phone的明星作用带动下,触摸屏在手机、电脑等消费电子产品中日益普及。当手指触摸CTP表面时,就会有一定量的电荷转移到人体,为了恢复这些电荷损失,电荷从屏幕的四角补充进来,各方向补充的电荷量和触摸点的距离成比例,由此推算出触摸点的位置,这是CTP的基本原理。其基本结构为在LCD表面贴合一块电容式触摸感应装置[1,2]。
1 原理
液晶分子是一种棒状的有机分子,具有双折射特性。液晶分子因不同的排列方式存在着不同的光学各向异性现象。LCD在正交偏振片之间,液晶层的延迟量是随角度变化的,特别是在垂直方向,导致了LCD具有视角狭窄的特性[3,4,5]。为了改善LCD的视角特性,可以通过在液晶盒以外进行光学补偿。相匹配光学补偿是一种在液晶盒的观察面或背面加贴一定光学延迟量的相位差膜来改善视角特性的方法[6-7]。
延迟膜又叫补偿膜,它采用负双折射率材料,并使其排列方式和表面处恰好相反,这样它们的相位延迟互相抵消,增加了LCD的可视角度。延迟膜可以有效地补偿由斜入射引起的相位延迟,解决斜视角漏光问题,从而改善液晶显示器的视角特性[8,9,10,11,12]。另外,彩色液晶显示技术中每个显示像素由R、G、B三个子像素组成,波长分别为700 nm、546.1 nm、435.8 nm,而液晶对各种波长光的透射率是不同的。彩色液晶显示技术是按照三基色的比例还原每一个像素,从而再现画面,如果液晶对三基色的透射率不同,那么对画面还原时必然会产生某种程度的失真,影响显示质量[14]。对于贴合延迟膜后的电容触摸式LCD,也必须对其进行光谱分析,得到其色散特性,才能进一步研究其对彩色液晶显示的影响。
根据兰伯-比耳定律,用WGD-6型光学多道分析器来测量在不同电压驱动下不同视角的LCD以及触摸屏的三基色光谱特性[15]
其中,A(λ)为吸光度;I0为入射光强;I为透射光强;T(λ)为透射率。
LCD透射光强的变化满足以下关系
式中,I0为入射光强;α为液晶光轴与起偏器透射轴之间的夹角;d为液晶厚度;no为正常光折射率;ne为非常光折射率。
2 测试方法
测试仪器为WGD-6型光学多道分析器,DF1028B低频信号发生器。测试样品为汕头超声显示器公司提供的电容触摸式LCD。
测量条件为室温26℃的暗室里,光源为普通白光,波长调节量为0.1 nm。利用DF1028B低频信号发生器对电容触摸屏进行驱动,频率固定为100 Hz,输出占空比为50%的交流方波信号,在不同电压驱动下利用WGD-6型光学多道分析器测出样品不同角度的视角特性。视角由0°调节到70°(规定入射光线垂直于被测样品时为0°),视角每调节5°记录一次数据,选取R(700 nm),G(546 nm),B(436 nm)这三种波长不同视角下的相对光强,得到三基色相对光强随视角变化关系曲线。结果只能代表相对衍射光强。
3 结果分析
3.1 电容触摸式LCD垂直视角特性
当施加电压为0 V时,如图1所示。当视角由0°变化到55°时,绿基色的相对光强逐渐增大,并在视角为55°时达到最大值,视角由55°变化到70°区间范围内,绿基色的相对光强急速降低,在视角为70°时降低到最低值;当视角由0°变化到45°时,红基色的相对光强基本恒定,在视角大于45°之后,红基色的相对光强有略微上升,随后随着视角的增大而缓慢逐渐降低;蓝基色的相对光强随着视角的变化基本不发生波动,保持恒定。
当施加电压为1 V时,如图2所示。随着视角的度数逐渐增加,蓝基色的相对光强基本维持恒定;当视角由5°变至50°时,绿基色的相对光强逐渐增大,在视角为50°时达到峰值,随后急剧降低;当视角由0°变为5°时,红基色的相对光强有略微降低,随后基本保持恒定,在视角扩大到60°之后,红基色的相对光强随着视角的增大有逐渐降低。
当施加电压为2 V时,如图3所示。在40°之前,绿基色相对光强随着视角度数的增加逐步增大,在视角为45°时达到峰值,45°之后开始急剧回落;红基色相对光强在25°之前随着视角的增加基本保持恒定,视角变为25°之后有略微降低,40°之后基本维持不变;蓝基色的相对光强随着视角的变化基本不发生波动。
当施加电压为3 V时,如图4所示。视角由0°逐渐增大到60°时,绿基色的相对光强逐渐增大,在视角为60°时达到最大值,随后急剧回落;红基色的相对光强在视角由0°变化至45°时基本维持恒定,45°至65°时缓慢上升,之后有微弱回落;蓝基色的相对光强基本维持恒定。
3.2 带延迟膜的电容触摸式LCD垂直视角特性
当施加电压为0 V时,如图5所示。视角由0°变化到30°时,绿基色的相对光强逐步上升,35°之后急剧上升,并在40°时达到峰值,40°之后急剧回落,在视角为70°时绿基色的相对光强下降至与红基色的相对光强接近。红基色的相对光强随着视角的增大温和下降。蓝基色的相对光强随着视角的增大基本维持恒定。
当施加电压为1 V时,如图6所示。视角由0°变到5°时,绿基色的相对光强基本维持恒定,5°之后开始上升,20°至30°区间内基本不变,之后急剧上升,在40°时达到峰值,40°之后急剧降低,50°时有微弱回升,之后维持下降,在视角为70°时下降至与红基色的相对光强相接近;视角由0°变到40°时,红基色的相对光强随着视角的增大基本维持恒定,视角由40°变到70°时,红基色的相对光强随着视角的增大逐渐微弱降低;视角由0°变到10°时,蓝基色的相对光强有微弱降低,之后随着视角的扩大基本维持恒定。
当施加电压为2 V时,如图7所示。视角由0°变到15°时,绿基色的相对光强随着视角的扩大迅速增大,并在15°时达到峰值,随后开始降低,视角扩大到40°之后绿基色的相对光强急剧下降,并在70°时与红基色的相对光强重合;红基色的相对光强在视角0°至30°区间内基本维持不变,30°之后温和降低;蓝基色的相对光强基本维持恒定。
当施加电压为3 V时,如图8所示。视角由0°变到25°时,绿基色的相对光强随着视角的增大急剧上升,在25°时达到最大值,随着视角的继续增大,绿基色的相对光强逐渐降低,向红基色的相对光强靠拢;在视角为0°至20°区间内,红基色的相对光强基本维持不变,20°至35°区间内逐渐降低,随着视角的继续扩大,红基色的相对光强出现小幅震荡波动;蓝基色的相对光强随着视角的变化基本上不发生变化,维持恒定。
4 结语