專利名稱：：一種基于電場測量的特高壓輸電線驗電方法及其系統的制作方法
技術領域：
：本發明涉及超高壓、特高壓輸電線驗電
技術領域：
，特別是特高壓輸電線驗電
技術領域：
。
背景技術：
：高壓輸電線路在進行檢修之前，需要采用驗電儀對輸電線進行驗電，確定線路不帶電之后，才能進行檢修工作，從而確保工作人員安全。目前國內外500kV電壓等級及以下的驗電技術較為成熟，而且使用范圍較廣，最常用的應屬驗電桿與驗電繩。驗電桿與驗電繩的優點是操作簡單、應用方便，但是隨著電壓等級的升高，線路的安全距離要求越大，一般的驗電桿與驗電繩的長度難以滿足要求。這種問題在特高壓線路的驗電中更為突出，傳統的驗電桿的長度和撓度難以滿足要求，操作不方便，甚至會導致安全事故。此外，傳統的長桿上套裝電壓互感器的驗電方法已經難以滿足特高壓驗電的要求。因此，急需一種更加方便、安全、高效的驗電技術，滿足特高壓電網的發展。近幾年來電場測量法在高壓絕緣子的檢測以及電纜的故障檢測中的應用得到了廣泛的研究，即通過測量絕緣子等設備正常工作狀態下，其周圍的電場，并繪制相應的曲線，該曲線標定為絕緣子或其他設備周圍的標準電場分布曲線。當實際測量的分布曲線與標準電場分布曲線不一致時，則表明設備的電壓分布改變，存在故障。但是目前在絕緣子中故障檢測的應用情況還不夠理想，主要是問題在于難以具體判斷一串絕緣子中具體的故障位置。
發明內容本發明的目的是提供一種可以用于特高壓輸電線的非接觸式驗電方法。該發明的依據是輸電線在其額定電壓運行狀態下，即正常運行狀態，其下方距離地面一定高度的測量點的電場分布曲線由輸電線的電壓等級以及輸電線的高度、導線半徑、結構決定，即當輸電線的高度、導線半徑、結構形式、電壓確定時，其下方距離地面一定高度的測量點的電場強度分布曲線是可以唯一確定的。反過來，通過測量輸電線下方距離地面一定高度上的測量點的電場強度，并根據測量得到的電場強度、輸電線的高度、導線半徑、結構形式，我們可以確定輸電線的電壓分布，當輸電導線的電位為低于30V時，則可以判斷其不帶電。本發明的另一目的是提供一種實現上述方法的基于電場測量的基于電場測量的特高壓輸電線驗電系統.為實現上述第一目的而采用的技術方案是這樣的，即一種基于電場測量的特高壓輸電線驗電方法，其特征是包括以下步驟1)建立測量點數量與位置的確定測量點的數量根據輸電線的數量與避雷線的數量進行確定，當輸電導線的數量為N，避雷線的數量為M，則測量點的數量為NX1.4+M;所有的測量點沿著與特高壓輸電線在地面的投影線垂直的同一條直線分布，該直線距離地面的高度相同，4為1.2-2.0米，測量點之間的間距相等；兩端的測量點應分別位于被測特高壓輸電線邊相導線的外側0.5-1.5米；2)電場測量用工頻電場傳感器在每個測量點上獲取工頻電場強度；3)輸電線工頻電場逆問題等效模型的建立根據輸電線工頻電場的軸對稱性以及模擬電荷法的基本原理，采用直線型模擬電荷等效輸電線中的自由電荷，直線型模擬電荷的位置位于對應輸電導線的中心；并建立三維直角坐標系4)根據測量點的電場求輸電線的電壓根據模擬電荷、測量點與輸電線的坐標、，建立輸電線工頻電場逆問題方程數.[Ex]，H,)『式(3)中Em為效并結合公式[fj[q]=[EJ[fv][q]=[Ev]:點的工頻電場強度測量值，q為模擬電荷大小(2)與[p][q]=[U](1)五、[fy]、[fJ分別是x、y、z軸方向的電場系、[Ey]、[EJ為x、y、z軸方向的三個方向的電場分量，E為總的電場強度；U為每相輸電導線的電壓；得到的是每相輸電導線的實際電壓，當輸電導線的電壓低于30V時，則認為該輸電導線不帶電，否則認為其帶電。為實現本發明的第二目的而采用的技術方案是一種基于電場測量的基于電場測量的特高壓輸電線驗電系統，其特征在于由驗電終端和數據處理中心構成；1)、所述驗電終端由工頻電場傳感器、GPS定位模塊、數據信號處理器、中央信息處理器、GSM數據通信模塊、人機接口管理模塊和電源管理模塊構成；其中a)工頻電場傳感器用于現場采集輸電線地面電場信號，固定在測量桿上，其輸出端與數據信號處理器的輸入端連接；b)GPS定位模塊用于測量目標測量點的位置，其輸出端與中央信息處理器輸入端連接；c)數據信號處理器用于將采集到的電場強度模擬信號轉換成數字信號，其輸出端與中央信息處理器的輸入端連接；d)中央信息處理器接收數字信號，并進行存儲，其輸出端與GSM數據通信模塊的輸入端連接；e)GSM數據通信模塊將數據通過GSM網絡發送至中心數據處理服務器，并接收中心數據處理服務器發送來的信息；f)人機接口管理模塊與中央信息處理器相連，用于管理按鍵與液晶顯示的；g)、電源管理模塊分別提供+3.3V，+2.5V,+5.0V電壓為不同模塊供電，其輸出端分別與工頻電場傳感器、GPS定位模塊、數據信號處理器、中央信息處理器和GSM數據通信模塊的電源端連接；2)、所述數據處理中心由GSM通信模塊，分析計算模塊和PC機構成；其中a)GSM通信模塊接收測量終端通過發送的數據，并將數據處理中心的數據發送至測量終端；b)分析計算模塊自動處理檢測分機發來的測量點的數據、包括電場強度與地理位置；并根據輸電線工頻電場的軸對稱性以及模擬電荷法(CSM)的基本原理，根據測量點的電場求輸電線的電壓，包括以下計算根據模擬電荷、測量點與輸電線的坐標、建立輸電線工頻電場逆問題方程F(g)『式中Em為測量點的工頻電場強度測量值，q為模擬電荷大小，并結合公式[fj[q]=[EJ[fy][q]=[Ey]與[p][q]=[U][fj[q]=[EJ五=+計算輸電導線的電壓；式中的[fj、[fy]、[fj分別是x、y、z軸方向的電場系數.[EJ、[Ey]、[EJ為x、y、z軸方向的三個方向的電場分量，E為總的電場強度；U為每相輸電導線的電壓；得到的是每相輸電導線的實際電壓，當輸電導線的電壓低于30V時，則認為該輸電導線不帶電，否則認為其帶電；并將結果發送給測量終端。本發明由于采用上述方法和系統而產生的積極效果是非常顯著的，即通過測量特高壓輸電線下方距離地面一定高度測量點的電場強度，計算出各輸電導線的實際電壓，判斷其是否帶電，實現了非接觸式的特高壓輸電線的驗電，確保工作人員的安全。由于特高壓輸電線的電壓等級高、安全距離大，因此目前國內應用于特高壓電壓的方法還少，本發明為特高壓輸電線驗電提供了新的方法。本發明主要包括以下內容1、輸電線非接觸式驗電系統輸電線非接觸式驗電系統由測量終端與數據處理中心構成。其中驗電終端由工頻電場傳感器、數據信號處理器、中央信息處理器、GSM數據通信模塊、GPS定位模塊、人機接口管理模塊、電源管理模塊構成。在實際的工程應用中，驗電終端的工頻電場傳感器測量出測量點的電場強度，GPS模塊測量出測量點的位置，測量數據通過GSM通信發送至數據處理中心，數據處理中心根據測點的位置，查詢數據庫中相應位置的輸電線，讀取輸電線的參數。從而根據測量點、輸電線的參數建立輸電線逆問題模型，根據測量數據與模型的參數數據建立輸電線工頻電場的逆問題方程，并對該逆問題方程進行求解，得出輸電線的實際相位與電位，判斷輸電線是否帶電，如果某一條線路的電位接近零或者為零則判定該線路不帶電。數據處理中心將測量數據以短信的形式將結果發送給驗電終端。2、基于電場測量與逆問題的驗電方法本方法是高壓輸電線工頻電場的正問題與逆問題的定義與應用提出的。高壓輸電線工頻電場的正問題是指根據輸電線的電位與輸電線的尺寸參數，計算周圍測量點處的工頻電場強度。高壓輸電線的工頻電場逆問題是指根據輸電線周圍測量點的電場強度與輸電線的尺寸參數以及測量點的位置計算輸電線的電位。因此，根據輸電線工頻電場逆問題的定義，通過測量輸電線下方一定數目的測量點的電場強度，結合輸電線的參數，計算出輸電線的實際電位，如果電位為零或近似為零則判定輸電線不帶電。方法的具體原理為根據給定目標輸電線的結構形式，選取一定數量的測量點，測量點的數量根據輸電線與避雷線的數量確定，通常情況下測點的數量為輸電線數量的1.4倍+避雷線的數量，例如以一個750kV同塔雙回的輸電線為例，其線路上方的避雷線的數量為2，因此，其驗電時需要的測量點的數量為6X1.4+2=10.4，實際測量中測量點的數量可以取IO或ll，所有的測量點沿著與輸電線在地面的投影線垂直的同一條直線分布，確定了測量點的數量之后，再確定其高度，通常測量點距離地面的高度可以取1.2m2.Om，在該高度范圍內可以兼顧地面雜物的影響以及測量的操作方便性。測量各個測量點的工頻電場強度與實際位置參數。根據測量點的電場強度、位置以及輸電線的物理尺寸與位置參數，建立輸電線工頻電場的逆問題模型與方程，采用正則化方法處理測量中可能存在的干擾，采用阻尼牛頓法對輸電線工頻電場逆問題進行求解，從而可以得到輸電線的電位，根據輸電線的實際電位判斷是否帶電。圖1是系統結構圖，整個系統由驗電終端、數據處理中心組成。圖2是輸電線工頻電場無線測量裝置結構框圖。圖3是具體實施例中測量點的分布示意圖，其中(a)圖是測量點的三維分布示意圖，(b)圖是測量點所在的切面圖。圖4是本發明的操作流程圖。具體實施例方式以下結合附圖對本發明的技術方案做進一步描述基于電場測量與逆問題的非接觸式特高壓輸電線驗電的原理為根據輸電線的數量與位置，確定測量點的數量與位置，然后測點各測點的工頻電場強度。建立輸電線與測量點的等效模型，根據輸電線的位置參數、測量點的位置以及測量點的電場強度，建立輸電線工頻電場逆問題方程，采用全局正則化以及阻尼_牛頓迭代法對輸電線工頻電場逆問題進行求解，得出輸電線的實際電位與相位，判斷輸電線是否帶電以及其運行狀態。根據輸電線與避雷線的特點，可以采用直線型模擬電荷等效其自由電荷，設模型電荷的大小為[q]，若輸電線的電位已知時，[q]可以根據公式(1)計算出。進而測量點的電場強度可以根據公式(2)計算。該過程是根據輸電線的電位計算出輸電線在給定測量點處產生的電場強度，稱為輸電線工頻電場正問題。反過來，首先根據公式(2)計算出模型電荷的大小[q]，再根據(1)計算出輸電線的電位，該過程稱為高壓輸電線工頻電場逆問題。7根據公式輸電線工頻電場逆問題的定義，如果要計算輸電線的電位根據其效的電場強度，需首先根據電場強度計算出模擬電荷的電占由于￡=^/&2+￡/+&2,所以根據公式(2)無法直接根據測量的電場強度計算出模擬電荷的大小。根據最小二乘法的原理，可以建立方程(3)計算模擬電荷的大小。方程(3)中的F為根據模擬電荷大小計算電場強度E的算子，即E=F(q)(4)根據公式(3)可以計算出模擬電荷的大小，進而根據公式(1)可以計算出輸電線的相位與電位。根據式(4)可知，其過程為根據測量得到的"果"去推知"因"，即根據測量得到的點擦汗那個強度來計算產生該電場分布的輸電線表面電位，由于測量中可能存在各種干擾，這樣的問題往往是病態的、不適定的了，即逆問題解的1)不存在性；2)不唯一性；3)不穩定性。通常情況下很小的擾動就會引起解的極大波動，從而使得推斷的結果失去現實意義。為了消除逆問題解的病態性，在對輸電線工頻電場逆問題進行求解時需要采用正則化技術對其進行處理，本發明中采用全局正則化技術處理測量中可能存在的誤差。所謂的全局就是指將正則化施加在q上，以式(5)所示的線性方程為例，min{||E-F(q)I|2+aI|W(q)I|2}(5)施加全局正則化則方程變為(6)式所示，即mm'五-&5《(6)這樣在進行迭代計算時可以避免步長Sq過小，更好的解決逆問題解的病態性。式(5)所示為一個線性方程，而本發明中所得到的輸電線工頻電場逆問題方程(式(4)所示)為非線性問題，對其施加正則化之前，需要進行線性化。對于式(4)所示的非線性問題，可用到分段線性化迭代算法實現。采用泰勒公式將F(q+Sq)在q處展開，忽略其高階無窮小量，可以得到SE=F(q+Sq)-F(q)與Sq的線性關系M=,+<^r)—F(^)《t(7)設q*=q+Sq是方程(4)的準確解，即F(q*)出關于Sq的線性算子方程E，則在接近于q*的q處，可以得S《(8)對于式(4)所示方程，q為極小解的必要條件是其在q的梯度g(q)為零，令式(4)中的目標函數為O，即O=I|E-F(q)I|2則_rr"、rcv、r，—n(9)g(《)=V^=[F(《)—￡]-式中J為[F(q)-E]對應的雅可比矩陣。方程(9)稱為非線性最小二乘問題的法方程。因此，非線性最小二乘法的求解問題歸結為對法方程的求解，但是法方程仍然是非線性方程，為解決這個問題，再引進8Hessian矩陣H(q)。進而施加全局正則化技術。實施例1基于電場測量的特高壓輸電線驗電方法以下以一實例對本發明的技術方案的應用過程做進一步描述參見圖3所示的三相雙回500kV輸電線，共有輸電導線6根，避雷線2根。1)建立測量點如圖3所示，測量點的數量=6X1.4+2=10.4，這里取11個，因此在垂直輸電線的下方距離地面1.5m處選取11個測量點，等間距排列。2)獲取測量點的工頻電場強度采用驗電終端，測量得到各個測量點的電場強度分別為2.680kV/m、4.718kV/m、7.214kV/m、7.250kV/m、8.954kV/m、10.706kV/m、8.954kV/m、7.250kV/m、7.214kV/m、4.718kV/m、2.680kV/m;3)建立等效模型采用直線型模擬電荷等效輸電線的自由電荷，每個模擬電荷位于其輸電導線的中心。4)根據本申請的方法，計算得到的各相輸電線的電壓與相位如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>因此可以判斷出該線路6根輸電導線電壓低于30V，因而全部帶電。實施例2基于電場測量的特高壓輸電線驗電系統參見附圖1、2，在本發明的另一個實施例中，其特征在于由驗電終端1和數據處理中心2構成；1)、所述驗電終端1由工頻電場傳感器11、GPS定位模塊12、數據信號處理器13、中央信息處理器14、GSM數據通信模塊15、人機接口管理模塊16和電源管理模塊17構成；射a)工頻電場傳感器11用于現場采集輸電線地面電場信號，固定在測量桿上，其輸出端與數據信號處理器13的輸入端連接；b)GPS定位模塊12用于測量目標測量點的位置，其輸出端與中央信息處理器(14)輸入端連接；GPS定位模塊12采用GSTAR公司生產的GSTARGS-82;c)數據信號處理器13用于將采集到的電場強度模擬信號轉換成數字信號，采用TI公司生產的模數轉換器TLV1578IDA，其輸出端與中央信息處理器14的輸入端連接；d)中央信息處理器14接收數字信號，并進行存儲，采用TI公司出產的數字信號處理器TMS320F2812，其輸出端與GSM數據通信模塊14的輸入端連接；e)GSM數據通信模塊15將數據通過GSM網絡發送至中心數據處理服務器，并接收中心數據處理服務器發送來的信息；采用西門子公司生產的TC35i;f)人機接口管理模塊與中央信息處理器14相連，用于管理按鍵與液晶顯示的；g)、電源管理模塊17分別提供+3.3V，+2.5V，+5.OV電壓為不同模塊供電，其輸出端分別與工頻電場傳感器11、GPS定位模塊12、數據信號處理器13、中央信息處理器14和GSM數據通信模塊15的電源端連接；2)、所述數據處理中心2由GSM通信模塊21，分析計算模塊22和PC機23構成；射a)GSM通信模塊21接收測量終端通過發送的數據，并將數據處理中心2的數據發送至測量終端；采用西門子公司生產的TC35i;b)分析計算模塊22自動處理檢測分機發來的測量點的數據、包括電場強度與地理位置；并根據輸電線工頻電場的軸對稱性以及模擬電荷法(CSM)的基本原理，根據測量點的電場求輸電線的電壓，包括以下計算根據模擬電荷、測量點與輸電線的坐標、建立輸電線工頻電場逆問題方程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>式中Em為測量點的工頻電場強度測量值，q為模擬電荷大小，并結合公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>計算輸電導線的電壓；式中的[fj、[fy]、[fj分別是x、y、z軸方向的電場系數.[EJ、[Ey]、[EJ為x、y、z軸方向的三個方向的電場分量，E為總的電場強度；U為每相輸電導線的電壓；得到的是每相輸電導線的實際電壓，當輸電導線的電壓低于30V時，則認為該輸電導線不帶電，否則認為其帶電；并將結果發送給測量終端。本方法能夠應用于1)500kV及以上電壓等級的超高壓、特高壓輸電線的驗電；2)輸電線的運行狀態診斷，判斷是否存在電位異常等故障；3)輸電線的工頻電場逆問題的應用可以延伸到輸電線其他故障檢測中，以及電磁兼容分析中。本發明提供的基于電場測量與逆問題的非接觸式特高壓輸電線驗電方法與系統，可應用到特高壓驗電中，實現了非接觸式檢測。特別是在我國目前特高壓電網快速發展，而驗電技術還不能跟上特高壓建設的發展的情況下，本發明為特高壓驗電提供有效方法。權利要求一種基于電場測量的特高壓輸電線驗電方法，其特征是包括以下步驟1)建立測量點數量與位置的確定測量點的數量根據輸電導線的數量與避雷線的數量進行確定，當輸電導線的數量為N，避雷線的數量為M，則測量點的數量為N×1.4+M；所有的測量點沿著與特高壓輸電線在地面的投影線垂直的同一條直線分布，該直線距離地面的高度相同，為1.2-2.0米，測量點之間的間距相等；兩端的測量點應分別位于被測特高壓輸電線邊相導線的外側0.5-1.5米；2)電場測量用工頻電場傳感器(11)在每個測量點上獲取工頻電場強度；3)輸電線工頻電場逆問題等效模型的建立根據輸電線工頻電場的軸對稱性以及模擬電荷法的基本原理，采用直線型模擬電荷等效輸電線中的自由電荷，直線型模擬電荷的位置位于對應輸電導線的中心，并建立三維直角坐標系。4)根據測量點的電場求輸電線的電壓根據模擬電荷、測量點與輸電線的坐標，建立輸電線工頻電場逆問題方程<mrow><munder><mi>min</mi><msup><mi>q</mi><mo>*</mo></msup></munder><msup><mrow><mo>|</mo><mo>|</mo><msub><mi>E</mi><mi>m</mi></msub><mo>-</mo><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mi>q</mi><mo>)</mo></mrow><mo>|</mo><mo>|</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>式中Em為測量點的工頻電場強度測量值，q為模擬電荷大小，并結合公式[fx][q]＝[Ex][fy][q]＝[Ey]與[p][q]＝[U][fz][q]＝[Ez]<mrow><mi>E</mi><mo>=</mo><msqrt><msup><msub><mi>E</mi><mi>x</mi></msub><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><msub><mi>E</mi><mi>y</mi></msub><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><msub><mi>E</mi><mi>z</mi></msub><mn>2</mn></msup></msqrt></mrow>計算輸電導線的電壓；式中的[fx]、[fy]、[fz]分別是x、y、z軸方向的電場系數.[Ex]、[Ey]、[Ez]為x、y、z軸方向的三個方向的電場分量，E為總的電場強度；U為每相輸電導線的電壓；得到的是每相輸電導線的實際電壓，當輸電導線的電壓低于30V時，則認為該輸電導線不帶電，否則認為其帶電。2.—種基于電場測量的特高壓輸電線驗電系統，其特征在于由驗電終端(1)和數據處理中心(2)構成;1)所述驗電終端(1)由工頻電場傳感器(11)、GPS定位模塊(12)、數據信號處理器(13)、中央信息處理器(14)、GSM數據通信模塊(15)、人機接口管理模塊(16)和電源管理模塊(17)構成；其中a)工頻電場傳感器(11)用于現場采集輸電線地面電場信號，固定在測量桿上，其輸出端與數據信號處理器(13)的輸入端連接；b)GPS定位模塊(12)用于測量目標測量點的位置，其輸出端與中央信息處理器(14)輸入端連接；c)數據信號處理器(13)用于將采集到的電場強度模擬信號轉換成數字信號，其輸出端與中央信息處理器(14)的輸入端連接；d)中央信息處理器(14)接收數字信號，并進行存儲，其輸出端與GSM數據通信模塊(14)的輸入端連接;e)GSM數據通信模塊(15)將數據通過GSM網絡發送至中心數據處理服務器，并接收中心數據處理服務器發送來的信息；f)人機接口管理模塊與中央信息處理器(14)相連，用于管理按鍵與液晶顯示的；g)、電源管理模塊(17)分別提供+3.3V，+2.5V，+5.0V電壓為不同模塊供電，其輸出端分別與工頻電場傳感器(11)、GPS定位模塊(12)、數據信號處理器(13)、中央信息處理器(14)和GSM數據通信模塊(15)的電源端連接；2)、所述數據處理中心(2)由GSM通信模塊(21)，分析計算模塊(22)和PC機(23)構成；其中a)GSM通信模塊(21)接收測量終端通過發送的數據，并將數據處理中心(2)的數據發送至測量終端；b)分析計算模塊(22)自動處理檢測分機發來的測量點的數據、包括電場強度與地理位置；并根據輸電線工頻電場的軸對稱性以及模擬電荷法的基本原理，根據測量點的電場求輸電線的電壓，包括以下計算根據模擬電荷、測量點與輸電線的坐標、建立輸電線工頻電場逆問題方程式中Em為測量點的工頻電場強度測量值，q為模擬電荷大小，并結合公式[fj[q]=[EJ[fy][q]=[Ey]與[P][q]=[U][fJ[q]=[EJ計算輸電導線的電壓；式中的[fj、[fy]、[fJ分別是x、y、z軸方向的電場系數.[EJ、[Ey]、[EJ為x、y、z軸方向的三個方向的電場分量，E為總的電場強度；U為每相輸電導線的電壓；得到的是每相輸電導線的實際電壓，當輸電導線的電壓低于30V時，則認為該輸電導線不帶電，否則認為其帶電；并將結果發送給測量終端(1)。全文摘要本發明涉及基于電場測量的特高壓輸電線驗電方法，包括1、建立測量點；2、電場測量；3、輸電線工頻電場逆問題等效模型的建立；4、根據測量點的電場求輸電線的電壓；得到的是每相輸電導線的實際電壓，當輸電導線的電壓低于30V時，則認為該輸電導線不帶電，否則認為其帶電。本發明還涉及實現所述方法的基于電場測量的特高壓輸電線驗電系統，由驗電終端和數據處理中心構成。本發明實現了非接觸式的特高壓輸電線的驗電，確保工作人員的安全。由于特高壓輸電線的電壓等級高、安全距離大，為特高壓輸輸電線驗電提供了一種安全有效的新的方法。文檔編號G01R31/08GK101696990SQ20091019115公開日2010年4月21日申請日期2009年10月20日優先權日2009年10月20日發明者何為,何傳紅,楊帆,籍勇亮申請人:重慶大學;