CN101696990B - 一种基于电场测量的特高压输电线验电方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于电场测量的特高压输电线验电方法，包括：1、建立测量点；2、电场测量；3、输电线工频电场逆问题等效模型的建立：4、根据测量点的电场求输电线的电压；得到的是每相输电导线的实际电压，当输电导线的电压低于30V时，则认为该输电导线不带电，否则认为其带电。本发明还涉及实现所述方法的基于电场测量的特高压输电线验电系统，由验电终端和数据处理中心构成。本发明实现了非接触式的特高压输电线的验电，确保工作人员的安全。由于特高压输电线的电压等级高、安全距离大，为特高压输输电线验电提供了一种安全有效的新的方法。

Description

一种基于电场测量的特高压输电线验电方法及其系统

技术领域

本发明涉及超高压、特高压输电线验电技术领域，特别是特高压输电线验电技术领域。

背景技术

高压输电线路在进行检修之前，需要采用验电仪对输电线进行验电，确定线路不带电之后，才能进行检修工作，从而确保工作人员安全。目前国内外500kV电压等级及以下的验电技术较为成熟，而且使用范围较广，最常用的应属验电杆与验电绳。

验电杆与验电绳的优点是操作简单、应用方便，但是随着电压等级的升高，线路的安全距离要求越大，一般的验电杆与验电绳的长度难以满足要求。这种问题在特高压线路的验电中更为突出，传统的验电杆的长度和挠度难以满足要求，操作不方便，甚至会导致安全事故。此外，传统的长杆上套装电压互感器的验电方法已经难以满足特高压验电的要求。因此，急需一种更加方便、安全、高效的验电技术，满足特高压电网的发展。

近几年来电场测量法在高压绝缘子的检测以及电缆的故障检测中的应用得到了广泛的研究，即通过测量绝缘子等设备正常工作状态下，其周围的电场，并绘制相应的曲线，该曲线标定为绝缘子或其他设备周围的标准电场分布曲线。当实际测量的分布曲线与标准电场分布曲线不一致时，则表明设备的电压分布改变，存在故障。但是目前在绝缘子中故障检测的应用情况还不够理想，主要是问题在于难以具体判断一串绝缘子中具体的故障位置。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以用于特高压输电线的非接触式验电方法。该发明的依据是输电线在其额定电压运行状态下，即正常运行状态，其下方距离地面一定高度的测量点的电场分布曲线由输电线的电压等级以及输电线的高度、导线半径、结构决定，即当输电线的高度、导线半径、结构形式、电压确定时，其下方距离地面一定高度的测量点的电场强度分布曲线是可以唯一确定的。反过来，通过测量输电线下方距离地面一定高度上的测量点的电场强度，并根据测量得到的电场强度、输电线的高度、导线半径、结构形式，我们可以确定输电线的电压分布，当输电导线的电位为低于30V时，则可以判断其不带电。

本发明的另一目的是提供一种实现上述方法的基于电场测量的基于电场测量的特高压输电线验电系统.

为实现上述第一目的而采用的技术方案是这样的，即一种基于电场测量的特高压输电线验电方法，其特征是：包括以下步骤：

1)建立测量点

数量与位置的确定：测量点的数量根据输电线的数量与避雷线的数量进行确定，当输电导线的数量为N，避雷线的数量为M，则测量点的数量为N×1.4+M；所有的测量点沿着与特高压输电线在地面的投影线垂直的同一条直线分布，该直线距离地面的高度相同，为1.2-2.0米，测量点之间的间距相等；两端的测量点应分别位于被测特高压输电线边相导线的外侧0.5-1.5米；

2)电场测量

用工频电场传感器在每个测量点上获取工频电场强度；

3)输电线工频电场逆问题等效模型的建立：

根据输电线工频电场的轴对称性以及模拟电荷法的基本原理，采用直线型模拟电荷等效输电线中的自由电荷，直线型模拟电荷的位置位于对应输电导线的中心；并建立三维直角坐标系

4)根据测量点的电场求输电线的电压

根据模拟电荷、测量点与输电线的坐标、，建立输电线工频电场逆问题方程

$\underset{q^{*}}{\min }{\left|\right|E_m-F\left(q\right)\left|\right|}^2---\left(3\right)$

式(3)中E_m为测量点的工频电场强度测量值，q为模拟电荷大小，

并结合公式

[f_x][q]＝[E_x]

[f_y][q]＝[E_y]

               (2)与[p][q]＝[U](1)

[f_z][q]＝[E_z]

$E=\sqrt{{E_x}^2+{E_y}^2+{E_z}^2}$

计算输电导线的电压；式(2)中的[f_x]、[f_y]、f_z]分别是x、y、z轴方向的电场系数.[E_x]、[E_y]、[E_z]为x、y、z轴方向的三个方向的电场分量，E为总的电场强度；U为每相输电导线的电压；

得到的是每相输电导线的实际电压，当输电导线的电压低于30V时，则认为该输电导线不带电，否则认为其带电。

为实现本发明的第二目的而采用的技术方案是：一种基于电场测量的基于电场测量的特高压输电线验电系统，其特征在于由验电终端和数据处理中心构成；

1)、所述验电终端由工频电场传感器、GPS定位模块、数据信号处理器、中央信息处理器、GSM数据通信模块、人机接口管理模块和电源管理模块构成；

其中

a)工频电场传感器用于现场采集输电线地面电场信号，固定在测量杆上，其输出端与数据信号处理器的输入端连接；

b)GPS定位模块用于测量目标测量点的位置，其输出端与中央信息处理器输入端连接；

c)数据信号处理器用于将采集到的电场强度模拟信号转换成数字信号，其输出端与中央信息处理器的输入端连接；

d)中央信息处理器接收数字信号，并进行存储，其输出端与GSM数据通信模块的输入端连接；

e)GSM数据通信模块将数据通过GSM网络发送至中心数据处理服务器，并接收中心数据处理服务器发送来的信息；

f)人机接口管理模块与中央信息处理器相连，用于管理按键与液晶显示的；

g)、电源管理模块分别提供+3.3V，+2.5V，+5.0V电压为不同模块供电，其输出端分别与工频电场传感器、GPS定位模块、数据信号处理器、中央信息处理器和GSM数据通信模块的电源端连接；

2)、所述数据处理中心由GSM通信模块，分析计算模块和PC机构成；其中

a)GSM通信模块接收测量终端通过发送的数据，并将数据处理中心的数据发送至测量终端；

b)分析计算模块自动处理检测分机发来的测量点的数据、包括电场强度与地理位置；并根据输电线工频电场的轴对称性以及模拟电荷法(CSM)的基本原理，根据测量点的电场求输电线的电压，包括以下计算：

根据模拟电荷、测量点与输电线的坐标、建立输电线工频电场逆问题方程

$\underset{q^{*}}{\min }{\left|\right|E_m-F\left(q\right)\left|\right|}^2$

式中E_m为测量点的工频电场强度测量值，q为模拟电荷大小，

并结合公式

[f_x][q]＝[E_x]

[f_y][q]＝[E_y]

              与[p][q]＝[U]

[f_z][q]＝[E_z]

$E=\sqrt{{E_x}^2+{E_y}^2+{E_z}^2}$

计算输电导线的电压；式中的[f_x]、[f_y]、[f_z]分别是x、y、z轴方向的电场系数.[E_x]、[E_y]、[E_z]为x、y、z轴方向的三个方向的电场分量，E为总的电场强度；U为每相输电导线的电压；

得到的是每相输电导线的实际电压，当输电导线的电压低于30V时，则认为该输电导线不带电，否则认为其带电；并将结果发送给测量终端。

本发明由于采用上述方法和系统而产生的积极效果是非常显著的，即通过测量特高压输电线下方距离地面一定高度测量点的电场强度，计算出各输电导线的实际电压，判断其是否带电，实现了非接触式的特高压输电线的验电，确保工作人员的安全。由于特高压输电线的电压等级高、安全距离大，因此目前国内应用于特高压电压的方法还少，本发明为特高压输电线验电提供了新的方法。

本发明主要包括以下内容：

1、输电线非接触式验电系统

输电线非接触式验电系统由测量终端与数据处理中心构成。其中验电终端由工频电场传感器、数据信号处理器、中央信息处理器、GSM数据通信模块、GPS定位模块、人机接口管理模块、电源管理模块构成。在实际的工程应用中，验电终端的工频电场传感器测量出测量点的电场强度，GPS模块测量出测量点的位置，测量数据通过GSM通信发送至数据处理中心，数据处理中心根据测点的位置，查询数据库中相应位置的输电线，读取输电线的参数。从而根据测量点、输电线的参数建立输电线逆问题模型，根据测量数据与模型的参数数据建立输电线工频电场的逆问题方程，并对该逆问题方程进行求解，得出输电线的实际相位与电位，判断输电线是否带电，如果某一条线路的电位接近零或者为零则判定该线路不带电。数据处理中心将测量数据以短信的形式将结果发送给验电终端。

2、基于电场测量与逆问题的验电方法

本方法是高压输电线工频电场的正问题与逆问题的定义与应用提出的。高压输电线工频电场的正问题是指根据输电线的电位与输电线的尺寸参数，计算周围测量点处的工频电场强度。高压输电线的工频电场逆问题是指根据输电线周围测量点的电场强度与输电线的尺寸参数以及测量点的位置计算输电线的电位。因此，根据输电线工频电场逆问题的定义，通过测量输电线下方一定数目的测量点的电场强度，结合输电线的参数，计算出输电线的实际电位，如果电位为零或近似为零则判定输电线不带电。

方法的具体原理为：根据给定目标输电线的结构形式，选取一定数量的测量点，测量点的数量根据输电线与避雷线的数量确定，通常情况下测点的数量为输电线数量的1.4倍+避雷线的数量，例如以一个750kV同塔双回的输电线为例，其线路上方的避雷线的数量为2，因此，其验电时需要的测量点的数量为6×1.4+2＝10.4，实际测量中测量点的数量可以取10或11，所有的测量点沿着与输电线在地面的投影线垂直的同一条直线分布，确定了测量点的数量之后，再确定其高度，通常测量点距离地面的高度可以取1.2m～2.0m，在该高度范围内可以兼顾地面杂物的影响以及测量的操作方便性。

测量各个测量点的工频电场强度与实际位置参数。根据测量点的电场强度、位置以及输电线的物理尺寸与位置参数，建立输电线工频电场的逆问题模型与方程，采用正则化方法处理测量中可能存在的干扰，采用阻尼牛顿法对输电线工频电场逆问题进行求解，从而可以得到输电线的电位，根据输电线的实际电位判断是否带电。

附图说明

图1是系统结构图，整个系统由验电终端、数据处理中心组成。

图2是输电线工频电场无线测量装置结构框图。

图3是具体实施例中测量点的分布示意图，其中(a)图是测量点的三维分布示意图，(b)图是测量点所在的切面图。

图4是本发明的操作流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步描述：

基于电场测量与逆问题的非接触式特高压输电线验电的原理为：根据输电线的数量与位置，确定测量点的数量与位置，然后测点各测点的工频电场强度。建立输电线与测量点的等效模型，根据输电线的位置参数、测量点的位置以及测量点的电场强度，建立输电线工频电场逆问题方程，采用全局正则化以及阻尼-牛顿迭代法对输电线工频电场逆问题进行求解，得出输电线的实际电位与相位，判断输电线是否带电以及其运行状态。

根据输电线与避雷线的特点，可以采用直线型模拟电荷等效其自由电荷，设模型电荷的大小为[q]，若输电线的电位已知时，[q]可以根据公式(1)计算出。进而测量点的电场强度可以根据公式(2)计算。该过程是根据输电线的电位计算出输电线在给定测量点处产生的电场强度，称为输电线工频电场正问题。反过来，首先根据公式(2)计算出模型电荷的大小[q]，再根据(1)计算出输电线的电位，该过程称为高压输电线工频电场逆问题。

根据公式输电线工频电场逆问题的定义，如果要计算输电线的电位根据其测量点的电场强度，需首先根据电场强度计算出模拟电荷的电量。由于 $E=\sqrt{{E_x}^2+{E_y}^2+{E_z}^2},$ 所以根据公式(2)无法直接根据测量的电场强度计算出模拟电荷的大小。根据最小二乘法的原理，可以建立方程(3)计算模拟电荷的大小。方程(3)中的F为根据模拟电荷大小计算电场强度E的算子，即：

E＝F(q)    (4)

根据公式(3)可以计算出模拟电荷的大小，进而根据公式(1)可以计算出输电线的相位与电位。

根据式(4)可知，其过程为根据测量得到的“果”去推知“因”，即根据测量得到的点擦汗那个强度来计算产生该电场分布的输电线表面电位，由于测量中可能存在各种干扰，这样的问题往往是病态的、不适定的了，即逆问题解的：1)不存在性；2)不唯一性；3)不稳定性。通常情况下很小的扰动就会引起解的极大波动，从而使得推断的结果失去现实意义。

为了消除逆问题解的病态性，在对输电线工频电场逆问题进行求解时需要采用正则化技术对其进行处理，本发明中采用全局正则化技术处理测量中可能存在的误差。所谓的全局就是指将正则化施加在q上，以式(5)所示的线性方程为例，

min{||E-F(q)||²+α||W(q)||²}    (5)

施加全局正则化则方程变为(6)式所示，即：

$\min \{{\left|\right|E-F\left(q^{\left(k\right)}\right)-\frac{\∂F}{\∂q^{\left(k\right)}}\mathrm{\δq}\left|\right|}^2+\mathrm{\α}{\left|\right|W(q^{\left(k\right)}+\mathrm{\δq})\left|\right|}^2\}---\left(6\right)$

这样在进行迭代计算时可以避免步长δq过小，更好的解决逆问题解的病态性。

式(5)所示为一个线性方程，而本发明中所得到的输电线工频电场逆问题方程(式(4)所示)为非线性问题，对其施加正则化之前，需要进行线性化。对于式(4)所示的非线性问题，可用到分段线性化迭代算法实现。采用泰勒公式将F(q+δq)在q处展开，忽略其高阶无穷小量，可以得到δE＝F(q+δq)-F(q)与δq的线性关系：

$\mathrm{\δE}=F(q+\mathrm{\δq})-F\left(q\right)\≈\frac{\∂F}{\∂q}\mathrm{\δq}---\left(7\right)$

设q*＝q+δq是方程(4)的准确解，即F(q*)＝E，则在接近于q*的q处，可以得出关于δq的线性算子方程：

$E-F\left(q\right)\≈\frac{\∂F}{\∂q}\mathrm{\δq}---\left(8\right)$

对于式(4)所示方程，q为极小解的必要条件是其在q的梯度g(q)为零，令式(4)中的目标函数为Φ，即Φ＝||E-F(q)||²，则：

$g\left(q\right)=\▿\mathrm{\φ}=[F\left(q\right)-E]\frac{\∂F\left(q\right)}{\∂q}=J^T\left(q\right)[F\left(q\right)-E]=0---\left(9\right)$

式中：J为[F(q)-E]对应的雅可比矩阵。

方程(9)称为非线性最小二乘问题的法方程。因此，非线性最小二乘法的求解问题归结为对法方程的求解，但是法方程仍然是非线性方程，为解决这个问题，再引进Hessian矩阵H(q)。进而施加全局正则化技术。

实施例1基于电场测量的特高压输电线验电方法

以下以一实例对本发明的技术方案的应用过程做进一步描述：

参见图3所示的三相双回500kV输电线，共有输电导线6根，避雷线2根。

1)建立测量点：如图3所示，测量点的数量＝6×1.4+2＝10.4，这里取11个，因此在垂直输电线的下方距离地面1.5m处选取11个测量点，等间距排列。

2)获取测量点的工频电场强度：采用验电终端，测量得到各个测量点的电场强度分别为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：采用直线型模拟电荷等效输电线的自由电荷，每个模拟电荷位于其输电导线的中心。

4)根据本申请的方法，计算得到的各相输电线的电压与相位如下表所示：

导线编号

A1

B1

C1

A2

B2

C2

电压(kV)

301.6

303.7

303.1

299.7

304.2

302.3

相位角

0.7°

121.0°

240.0°

0°

120.2°

239.7°

因此可以判断出该线路6根输电导线电压低于30V，因而全部带电。

实施例2基于电场测量的特高压输电线验电系统

参见附图1、2，在本发明的另一个实施例中，其特征在于由验电终端1和数据处理中心2构成；

1)、所述验电终端1由工频电场传感器11、GPS定位模块12、数据信号处理器13、中央信息处理器14、GSM数据通信模块15、人机接口管理模块16和电源管理模块17构成；其中

a)工频电场传感器11用于现场采集输电线地面电场信号，固定在测量杆上，其输出端与数据信号处理器13的输入端连接；

b)GPS定位模块12用于测量目标测量点的位置，其输出端与中央信息处理器(14)输入端连接；GPS定位模块12采用GSTAR公司生产的GSTARGS-82；

c)数据信号处理器13用于将采集到的电场强度模拟信号转换成数字信号，采用TI公司生产的模数转换器TLV1578IDA，其输出端与中央信息处理器14的输入端连接；

d)中央信息处理器14接收数字信号，并进行存储，采用TI公司出产的数字信号处理器TMS320F2812，其输出端与GSM数据通信模块14的输入端连接；

e)GSM数据通信模块15将数据通过GSM网络发送至中心数据处理服务器，并接收中心数据处理服务器发送来的信息；采用西门子公司生产的TC35i；

f)人机接口管理模块与中央信息处理器14相连，用于管理按键与液晶显示的；

g)、电源管理模块17分别提供+3.3V，+2.5V，+5.0V电压为不同模块供电，其输出端分别与工频电场传感器11、GPS定位模块12、数据信号处理器13、中央信息处理器14和GSM数据通信模块15的电源端连接；

2)、所述数据处理中心2由GSM通信模块21，分析计算模块22和PC机23构成；其中

a)GSM通信模块21接收测量终端通过发送的数据，并将数据处理中心2的数据发送至测量终端；采用西门子公司生产的TC35i；

b)分析计算模块22自动处理检测分机发来的测量点的数据、包括电场强度与地理位置；并根据输电线工频电场的轴对称性以及模拟电荷法(CSM)的基本原理，根据测量点的电场求输电线的电压，包括以下计算：

根据模拟电荷、测量点与输电线的坐标、建立输电线工频电场逆问题方程

$\underset{q^{*}}{\min }{\left|\right|E_m-F\left(q\right)\left|\right|}^2$

式中E_m为测量点的工频电场强度测量值，q为模拟电荷大小，

并结合公式

[f_x][q]＝[E_x]

[f_y][q]＝[E_y]

              与[p][q]＝[U]

[f_z][q]＝[E_z]

$E=\sqrt{{E_x}^2+{E_y}^2+{E_z}^2}$

计算输电导线的电压；式中的[f_x]、[f_y]、[f_z]分别是x、y、z轴方向的电场系数.[E_x]、[E_y]、[E_z]为x、y、z轴方向的三个方向的电场分量，E为总的电场强度；U为每相输电导线的电压；

得到的是每相输电导线的实际电压，当输电导线的电压低于30V时，则认为该输电导线不带电，否则认为其带电；并将结果发送给测量终端。

本方法能够应用于：

1)500kV及以上电压等级的超高压、特高压输电线的验电；

2)输电线的运行状态诊断，判断是否存在电位异常等故障；

3)输电线的工频电场逆问题的应用可以延伸到输电线其他故障检测中，以及电磁兼容分析中。

本发明提供的基于电场测量与逆问题的非接触式特高压输电线验电方法与系统，可应用到特高压验电中，实现了非接触式检测。特别是在我国目前特高压电网快速发展，而验电技术还不能跟上特高压建设的发展的情况下，本发明为特高压验电提供有效方法。

Claims (2)

1.一种基于电场测量的特高压输电线验电方法，其特征是：包括以下步骤：

1)建立测量点

数量与位置的确定：测量点的数量根据输电导线的数量与避雷线的数量进行确定，当输电导线的数量为N，避雷线的数量为M，则测量点的数量为N×1.4+M；所有的测量点沿着与特高压输电线在地面的投影线垂直的同一条直线分布，该直线距离地面的高度(H2)相同，为1.2-2.0米，测量点之间的间距相等；两端的测量点应分别位于被测特高压输电线边相导线的外侧0.5-1.5米；

2)电场测量

用工频电场传感器(11)在每个测量点上获取工频电场强度；

3)输电线工频电场逆问题等效模型的建立：

根据输电线工频电场的轴对称性以及模拟电荷法的基本原理，采用直线型模拟电荷等效输电线中的自由电荷，直线型模拟电荷的位置位于对应输电导线的中心，并建立三维直角坐标系；

4)根据测量点的电场求输电线的电压

根据模拟电荷、测量点与输电线的坐标，建立输电线工频电场逆问题方程 

式中E_m为测量点的工频电场强度测量值，q为模拟电荷大小，F为根据模拟电荷的大小计算电场强度的算子，

并结合公式 

[f_x][q]＝[E_x]

[f_y][q]＝[E_y]

与[p][q]＝[U]

[f_z][q]＝[E_z]

计算输电导线的电压；式中的[f_x]、[f_y]、[f_z]分别是x、y、z轴方向的电场系数，[E_x]、[E_y]、[E_z]为x、y、z轴方向的三个方向的电场分量，E为总的电场强度；U为每相输电导线的电压；

得到的是每相输电导线的实际电压，当输电导线的电压低于30V时，则认为该输电导线不带电，否则认为其带电。

2.一种基于电场测量的特高压输电线验电系统，其特征在于由验电终端(1)和数据处理中心(2)构成；

1)所述验电终端(1)由工频电场传感器(11)、GPS定位模块(12)、数据信号处理器(13)、中央信息处理器(14)、GSM数据通信模块(15)、人机接口管理模块(16)和电源管理模块(17)构成；其中

a)工频电场传感器(11)用于现场采集输电线地面电场信号，固定在测量杆上，其输出端与数据信号处理器(13)的输入端连接；

b)GPS定位模块(12)用于测量目标测量点的位置，其输出端与中央信息处理器(14)输入端连接；

c)数据信号处理器(13)用于将采集到的电场强度模拟信号转换成数字信号，其输出端与中央信息处理器(14)的输入端连接；

d)中央信息处理器(14)接收数字信号，并进行存储，其输出端与GSM数据通信模块(14)的输入端连接；

e)GSM数据通信模块(15)将数据通过GSM网络发送至中心数据处理服务器，并接收中心数据处理服务器发送来的信息；

f)人机接口管理模块与中央信息处理器(14)相连，用于管理按键与液 晶显示；

g)、电源管理模块(17)分别提供+3.3V，+2.5V，+5.0V电压为不同模块供电，其输出端分别与工频电场传感器(11)、GPS定位模块(12)、数据信号处理器(13)、中央信息处理器(14)和GSM数据通信模块(15)的电源端连接；

2)、所述数据处理中心(2)由GSM通信模块(21)，分析计算模块(22)和PC机(23)构成；其中

a)GSM通信模块(21)接收验电终端发送的数据，并将数据处理中心(2)的数据发送至验电终端；

b)分析计算模块(22)自动处理检测分机发来的测量点的数据、包括电场强度与地理位置；并根据输电线工频电场的轴对称性以及模拟电荷法的基本原理，根据测量点的电场求输电线的电压，包括以下计算：

根据模拟电荷、测量点与输电线的坐标、建立输电线工频电场逆问题方程

式中E_m为测量点的工频电场强度测量值，q为模拟电荷大小，F为根据模拟电荷的大小计算电场强度的算子，

并结合公式

    [f_x][q]＝[E_x]

    [f_y][q]＝[E_y]

与[p][q]＝[U]

    [f_z][q]＝[E_z]

计算输电导线的电压；式中的[f_x]、[f_y]、[f_z]分别是x、y、z轴方向的电场系数，[E_x]、[E_y]、[E_z]为x、y、z轴方向的三个方向的电场分量，E为总的电场强度；U为每相输电导线的电压；

得到的是每相输电导线的实际电压，当输电导线的电压低于30V时，则认为该输电导线不带电，否则认为其带电；并将结果发送给验电终端。 

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