摘 要：電磁環(huán)境信息是輸電線路運(yùn)維管理的重要內(nèi)容，研究過程旨在通過優(yōu)化設(shè)計(jì)建立一套面向特高壓交流輸電線路的電磁信息采集系統(tǒng)。首先，該文分析了特高壓輸電的電磁場(chǎng)分布規(guī)律，利用Ansoft Maxwell軟件進(jìn)行仿真分析，掌握重要的電磁場(chǎng)參數(shù)。其次，根據(jù)相關(guān)參數(shù)選擇信息采集系統(tǒng)的硬件設(shè)備，包括傳感器、單片機(jī)等，設(shè)計(jì)開發(fā)軟件系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)、服務(wù)器、前端展示界面以及其他配套功能。最后，對(duì)設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)進(jìn)行性能檢測(cè)，將國(guó)外先進(jìn)的電磁測(cè)量?jī)x器作為對(duì)照組。結(jié)果顯示，電場(chǎng)測(cè)量誤差和磁場(chǎng)測(cè)量誤差均不超過3%，精度和可靠性較高。

關(guān)鍵詞：輸電線路；信息采集系統(tǒng)；網(wǎng)格單元

中圖分類號(hào)：TM 76" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

工頻電場(chǎng)、工頻磁場(chǎng)、噪聲屬于典型的電磁環(huán)境信息，為了滿足輸電線路的設(shè)計(jì)和運(yùn)維管理要求，必須對(duì)電磁信息進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè)，使其符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)一套成本低、精度高、便于擴(kuò)展的輸電線路信息采集系統(tǒng)具有顯著的工程應(yīng)用價(jià)值，因此對(duì)其進(jìn)行研究。

1 輸電線路信息采集問題描述及優(yōu)化目標(biāo)

1.1 輸電線路信息采集背景

電磁環(huán)境影響了輸電線路的選址和設(shè)備運(yùn)維，并且高壓輸電線路在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生一定程度的電磁輻射，嚴(yán)重時(shí)可危害周邊人員的健康。鑒于以上原因，電磁環(huán)境成為輸電線路信息監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括工頻電場(chǎng)和磁場(chǎng)、可聽噪聲以及無線電干擾等[1]。雖然國(guó)內(nèi)科研單位、高等院校以及企業(yè)在電磁監(jiān)測(cè)方面取得了一定的研究成果，成功開發(fā)出一系列電磁環(huán)境檢測(cè)儀器與設(shè)備，但是與國(guó)外的同類先進(jìn)產(chǎn)品相比，仍然存在一定的差距。當(dāng)前主流的電磁測(cè)量?jī)x器來自德國(guó)的nadar公司和美國(guó)的ETS-Lindgren公司，其產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)為測(cè)量精確、性能穩(wěn)定，缺點(diǎn)為價(jià)格昂貴、通信規(guī)約不開放，國(guó)內(nèi)企業(yè)難以對(duì)相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行功能拓展。

1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)

此次的優(yōu)化目的是對(duì)標(biāo)國(guó)外的先進(jìn)電磁測(cè)量?jī)x器，以特高壓交流輸電線路為監(jiān)測(cè)對(duì)象，設(shè)計(jì)一套輸電線路電磁環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)，并且與同類先進(jìn)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)該系統(tǒng)的可靠性和精度。

2 輸電線路電磁信息采集系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 特高壓輸電線路電磁場(chǎng)分布規(guī)律

特高壓輸電線路的電磁場(chǎng)具有邊值，為了便于分析電磁場(chǎng)的分布規(guī)律，可使用一系列子域?qū)ζ溥M(jìn)行離散化處理，通過簡(jiǎn)單插值函數(shù)來表示該未知子域。邊值原本有無限多個(gè)自由度，引入簡(jiǎn)單插值函數(shù)后，可將其轉(zhuǎn)化為有限自由度問題[2]。常用的簡(jiǎn)單插值函數(shù)為三角形線性插值有限元法，利用二維靜磁場(chǎng)闡述其基本原理，如下所述。

2.1.1 二維靜磁場(chǎng)變分方程的基本原理

圖1是一個(gè)閉合區(qū)域，磁場(chǎng)在該區(qū)域內(nèi)沿軸向均勻分布，因此在軸向形成了磁位矢量As和電流密度矢量Js。場(chǎng)域內(nèi)的邊值條件如公式（1）所示。

（1）

式中：μ為材料的磁導(dǎo)率；x為閉合區(qū)域在x軸的空間位置；y為閉合區(qū)域在y軸的空間位置；磁位矢量在AB和CD 2個(gè)方向的矢量和為0[3]。式（1）的變分方程如公式（2）所示。

（2）

式中：W（As）為二維靜磁場(chǎng)的變分方程，其輸入?yún)?shù)為磁位矢量As。

2.1.2 網(wǎng)格單元?jiǎng)澐峙c合成

2.1.2.1 網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?/p>

在三角線性插值有限元法中，劃分網(wǎng)格單元是第一步。對(duì)閉合區(qū)域進(jìn)行離散化處理后，可產(chǎn)生一系列小區(qū)域，這些小區(qū)域可構(gòu)成網(wǎng)格單元。二維小單元常采用矩形或者三角形，研究過程將網(wǎng)格單元設(shè)計(jì)為三角形，可得到單元e的矢量磁位線性插值函數(shù)A，如公式（3）所示。

A=NiAi+NjAj+NmAm " " （3）

式中：i、j、m為三角形單元e的3個(gè)頂點(diǎn)；Ni、Nj、Nm為3個(gè)頂點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的形狀函數(shù)；Ai、Aj、Am為3個(gè)頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的磁位矢量。式（3）分別對(duì)x、y求偏導(dǎo)，結(jié)果如公式（4）所示。

（4）

式中：Δe為三角形網(wǎng)格單元的面積；bi=yi-ym，bj=ym-yi，bm=yi-yj，ci=xm-xj，cj=xi-xm，cm=xj-xi；xi、xj、xm為i、j、m三個(gè)頂點(diǎn)的x軸坐標(biāo)值，yi、yj、ym為3個(gè)頂點(diǎn)在y軸的坐標(biāo)值。

2.1.2.2 網(wǎng)格單元合成

在整個(gè)閉合的求解區(qū)域內(nèi)，共計(jì)形成了E個(gè)三角形的網(wǎng)格單元，對(duì)該區(qū)域內(nèi)所有單元泛函進(jìn)行求和，即可得到求解區(qū)域的能量泛函，再建立能量泛函的極值條件，根據(jù)極值條件解出方程，獲得整個(gè)區(qū)域內(nèi)的磁位矢量。

2.1.3 輸電線路電磁場(chǎng)分布規(guī)律仿真

2.1.3.1 仿真方案

以特高壓輸電線路電磁場(chǎng)分布規(guī)律的理論分析為基礎(chǔ)，利用Ansoft Maxwell軟件對(duì)其分布規(guī)律進(jìn)行仿真模擬。仿真過程將1000kV三相輸電線路作為模擬對(duì)象，導(dǎo)線弧度最低點(diǎn)和地面的距離設(shè)置為15m，架設(shè)方式為分裂導(dǎo)線，分裂間距設(shè)置為0.5m，一共為6根導(dǎo)線，相互之間的水平距離為5.0m，模擬過程將大地的電勢(shì)設(shè)置為0。Ansoft Maxwell軟件的仿真步驟為創(chuàng)建項(xiàng)目→繪制幾何模型→設(shè)置材料屬性→設(shè)置激勵(lì)方式→設(shè)置邊界條件→設(shè)置求解條件→查看求解結(jié)果[4]。例如，當(dāng)設(shè)置邊界條件時(shí)，將工頻電場(chǎng)和磁場(chǎng)分別設(shè)置為Voltage、Current。

2.1.3.2 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果反映了距離地面1.5m處垂直于導(dǎo)線方向的工頻電磁場(chǎng)分布情況，結(jié)果顯示，工頻電場(chǎng)在距離導(dǎo)線中心左右10m位置處出現(xiàn)了2個(gè)峰值，整體呈“馬鞍”形，2個(gè)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)分別為20m、40m，峰谷的橫坐標(biāo)為30m，工頻電場(chǎng)的峰值為8kV/m，工頻電場(chǎng)的谷值為4kV/m[5]。工頻磁場(chǎng)的模擬數(shù)據(jù)顯示，其在導(dǎo)線中心處達(dá)到峰值32μT，從導(dǎo)線中心向兩側(cè)延伸，工頻磁場(chǎng)的強(qiáng)度呈遞減趨勢(shì)，整體為先增大、后變小的趨勢(shì)（見表1）。

表1 輸電線路電磁場(chǎng)分布規(guī)律仿真結(jié)果

距離/m 工頻電場(chǎng)/kV·m-1 工頻磁場(chǎng)/μT

0 32

10 變大

20 8

30 4

40 8

50 變小

分析表1，研究人員可以了解距離地面1.5m處垂直于導(dǎo)線方向的工頻電磁場(chǎng)分布情況。工頻電場(chǎng)的峰值出現(xiàn)在20m和40m處，分別為8kV/m，谷值在30m處為4kV/m。工頻磁場(chǎng)在導(dǎo)線中心處達(dá)到峰值32μT，然后隨著距離增加，呈遞減趨勢(shì)。

2.2 輸電線路電磁信息采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

輸電線路電磁信息采集系統(tǒng)由3個(gè)部分構(gòu)成，分別為采集裝置、數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)和數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)，硬件設(shè)計(jì)方案如下。

2.2.1 信息采集裝置傳感器選型

信息采集裝置由傳感器、微控制器以及配套的電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊組成，傳感器的類型主要有三維電場(chǎng)傳感器、噪聲傳感器、三維磁場(chǎng)傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器。

2.2.1.1 電場(chǎng)傳感器設(shè)計(jì)

工頻電場(chǎng)測(cè)量傳感器類型多樣，包括平板型、懸浮型和光電型等。研究過程選用平板型傳感器，其探頭為2塊平行的長(zhǎng)方形銅板，分別代表2個(gè)極板。將探頭放置在電場(chǎng)中，使電場(chǎng)方向與板面垂直，極板受到電場(chǎng)的作用，通過電荷積累形成感應(yīng)電壓。將待測(cè)電場(chǎng)的強(qiáng)度記為E，如公式（5）所示。

（5）

式中：U為探頭2個(gè)極板之間的電勢(shì)差；d為探頭兩極板之間的距離；ε為介質(zhì)的介電常數(shù)；S為單塊板的面積；q為銅板上積累的電荷量。電勢(shì)差U和距離d均為可測(cè)量，由此可求解出電場(chǎng)強(qiáng)度E的數(shù)值。探頭平板的長(zhǎng)度為l，寬度為a，平板之間的距離d=2b。為了保證探頭使用的便捷性，令a=0.08m，l=0.1m，b=0.02m。計(jì)算過程中將空氣介電常數(shù)ε取值為8.85e-12F/m，通過計(jì)算機(jī)編程，可求出電場(chǎng)傳感器的平行板電容C=4.305pF。

2.2.1.2 磁場(chǎng)傳感器選型

特高壓輸電線路在戶外環(huán)境下運(yùn)行，要求工頻磁場(chǎng)測(cè)量傳感器具備良好的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。根據(jù)電磁場(chǎng)分布規(guī)律的仿真結(jié)果，輸電線路附近的工頻磁場(chǎng)峰值可達(dá)到32μT，研究過程選用霍尼韋爾公司的HMC1001和HMC1002型傳感器，前者用于測(cè)量單軸磁場(chǎng)，后者用于測(cè)量雙軸磁場(chǎng)，通過2種傳感器的配合，實(shí)現(xiàn)3個(gè)方向的工頻磁場(chǎng)測(cè)量[6]。傳感器的測(cè)量范圍為±100μT，量程大于32μT，滿足使用要求（見表2）。

2.2.1.3 環(huán)境傳感器選型

環(huán)境傳感器包括噪聲傳感器、溫濕度傳感器和氣壓傳感器，噪聲傳感器用于監(jiān)測(cè)特高壓輸電線路在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪聲。信息采集裝置中設(shè)計(jì)有單片機(jī)，要求噪聲傳感器具備與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的能力。研究中選用CRY-2110型噪聲傳感器，通過RS-485接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。噪聲傳感器的性能參數(shù)見表3。溫濕度傳感器用于記錄傳輸線路工作環(huán)境內(nèi)的溫度和濕度數(shù)據(jù)，采用瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的SHT15型數(shù)字傳感器，其濕度分辨率為0.03%RH，濕度量程為0～100%RH，溫度分辨率為0.01℃，量程為-40℃～123.8℃。氣壓傳感器的型號(hào)為BMP085，測(cè)量范圍在110hPa～300hPa，分辨率達(dá)到0.06hPa，功耗僅為5μA。

表3 CRY-2110型噪聲傳感器的性能參數(shù)

參數(shù)名稱 參數(shù)取值

測(cè)量范圍 25dB～130dB

頻率范圍 10Hz～20kHz

A/D采集速率 48k/s

分辨率 0.1dB

電源 DC 5V～30V

2.2.2 單片機(jī)選型

單片機(jī)是一種微控制器，根據(jù)實(shí)際情況，單片機(jī)用于實(shí)現(xiàn)信息采集系統(tǒng)的控制與通信，應(yīng)含有多個(gè)ADC通道，支持USB驅(qū)動(dòng)功能。綜合考慮兼容性、功能以及成本控制等因素，研究過程選用STM32F103C8T6型32為單片機(jī)。

2.3 輸電線路電磁信息采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 程序設(shè)計(jì)示例

電磁信息采集系統(tǒng)的程序功能包括主程序、ADC模塊程序、可編程運(yùn)算放大器程序、藍(lán)牙程序以及IIC通信程序，下面介紹部分程序的工作流程。

2.3.1.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序的工作流程為初始化→讀取溫濕度數(shù)據(jù)→讀取氣壓數(shù)據(jù)→采集電磁及環(huán)境參數(shù)→判斷是否達(dá)到多次采樣的預(yù)設(shè)值→如果未達(dá)到預(yù)設(shè)值，則再次進(jìn)行采樣→如果達(dá)到預(yù)設(shè)值，則求出各通道的平均值→數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算→數(shù)據(jù)發(fā)送。

2.3.1.2 ADC模塊程序設(shè)計(jì)

信息采集裝置的單片機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)有ADC數(shù)模轉(zhuǎn)化器，在使用過程中，需要編寫ADC模塊的控制程序，其實(shí)施流程如下：將定時(shí)器設(shè)置為中斷狀態(tài)→起動(dòng)AD轉(zhuǎn)換模塊→讀取ADCO寄存器→保存數(shù)據(jù)→計(jì)算采集次數(shù)Count→如果Countgt;設(shè)定值，則程序結(jié)束。

2.3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

2.3.2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)基本配置

輸電線路電磁信息具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，因此采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle，將其部署在Intel 4核處理器上，主頻為2.6Hz，運(yùn)行內(nèi)存為16GB，硬盤存儲(chǔ)空間為250GB。軟件系統(tǒng)的Web服務(wù)器為Tomcat6.0，操作系統(tǒng)為Windows Server 2008。

2.3.2.2 數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)

根據(jù)電磁信息采集的特點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)一系列數(shù)據(jù)表，具體包括任務(wù)表（T_Task）、任務(wù)狀態(tài)表（T_Task_Status）、測(cè)量類型表（T_Measure_Type）、測(cè)量對(duì)象表（T_Measure_Object）、測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表（T_Measure_Point）、標(biāo)準(zhǔn)表（T_Standard）等。以任務(wù)表為例，其字段類型見表4。

表4 任務(wù)表主要字段示例

字段名稱 字段含義 字段類型

TaskStatusID 任務(wù)狀態(tài)ID BIGINT

MeasureTypeID 測(cè)量類型ID BIGINT

TaskContent 任務(wù)內(nèi)容 VARCHAR（500）

Operate 操作 CHAR（1）

TransferTime 任務(wù)下載時(shí)間 DATE

StartTime 任務(wù)開始時(shí)間 DATE

EndTime 任務(wù)截止時(shí)間 DATE

TaskName 任務(wù)名稱 VARCHAR（255）

3 輸電線路電磁信息采集系統(tǒng)性能測(cè)試

3.1 性能測(cè)試方案

為了檢驗(yàn)電磁信息采集系統(tǒng)的性能，將Narda公司開發(fā)的EFA300型低頻電磁分析儀作為對(duì)照組，該儀表性能先進(jìn)、測(cè)量精確，能夠檢驗(yàn)信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平。

3.1.1 工頻電場(chǎng)測(cè)量

選擇某1000kV特高壓交流輸電線路的一個(gè)檔距，將線路弧垂最大的點(diǎn)在地面上的投影作為監(jiān)測(cè)原點(diǎn)，測(cè)量桿塔走廊方向左右兩側(cè)的電磁場(chǎng)，沿著線路走向，按照1m間距對(duì)稱設(shè)置50個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量距離地面1.5m處的工頻電場(chǎng)。

3.1.2 工頻磁場(chǎng)測(cè)量

工頻磁場(chǎng)的測(cè)點(diǎn)布置方法、測(cè)量范圍、測(cè)量?jī)x器與工頻電場(chǎng)基本相同，此處不再贅述。測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度為10℃，濕度達(dá)到65%RH。

3.2 性能測(cè)試結(jié)果分析

表5和表6分別為工頻電場(chǎng)、工頻磁場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，從中可知，與高精度的EFA300型低頻電磁分析儀相比，這次研究中所建立的輸電線路電磁信息采集系統(tǒng)達(dá)到了較高的穩(wěn)定性和精度。在電場(chǎng)測(cè)量中，50個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差在2.93%～2.99%。在磁場(chǎng)測(cè)量中，50個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差在2.18%～2.29%，誤差整體較小。

4 結(jié)語

從研究?jī)?nèi)容可知，特高壓輸電線路電磁信息采集系統(tǒng)由硬件和軟件部分組成，硬件包括電場(chǎng)傳感器、磁場(chǎng)傳感器、環(huán)境傳感器，軟件部分包括前端管理和展示界面、數(shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)器等。通過輸電線路電磁環(huán)境理論分析和軟件仿真，掌握特定范圍內(nèi)的電場(chǎng)、磁場(chǎng)參數(shù)，為后續(xù)的軟硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在性能檢測(cè)階段，將先進(jìn)的EFA300型低頻電磁分析儀作為對(duì)照，觀察信息采集系統(tǒng)的精確性，結(jié)果顯示，電場(chǎng)、磁場(chǎng)測(cè)量誤差均不超過3%，顯示出優(yōu)秀的測(cè)量精度。

參考文獻(xiàn)

[1]王威，李曉玲，聶凌霄，等.KRT數(shù)據(jù)采集和信息管理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2023，43（2）：126-127.

[2]李杰，高樹功，雷東.基于AR的變電站設(shè)備實(shí)體信息獲取流程優(yōu)化系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2022，45（2）：184-185.