CN104330646A - 基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统及方法，采用压缩感知重构算法的信号采集技术对工频电场信号进行采集、运算，可以对变电站设备运行参数或环境数据等发生的变化进行实时监测，并进行超限预报警，可以把不可见的电磁污染，形象、直观、正确公示于户外，让公众通过变电站周边的LED大屏直观了解当前的电场强度并与国家标准进行对比，形成直观、正确的概念，降低公众的心理恐慌程度，有效消除公众对电磁辐射的误解，促进公司输变电工程的顺利开展，同时，测量结果为变电站作业场所工频电磁场防护提供了数据支持，促使作业人员遵守相关电磁防护原则，并采取相应的防护措施有效抑制职业危害。

Description

基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统及方法

技术领域

    本发明涉及变电站环评信息测量预警技术领域，尤其涉及基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统及方法。

背景技术

随着社会经济的发展、人们生活水平的提高，我国的电力需求持续增长，电网规模也发生了重大变化。我国骨干电网已经由20世纪80年代的220kV发展到目前的500kV，在未来几年我国的超特高压将步入跨越式发展之路。但另一面却导致了周边电磁环境的恶化，引起公众的极大关注。随着城镇规模的快速扩张，越来越多的输电线路和变配电设施或置于人口聚集区，伴随着公众环保意识的提高，人们对高压输变电系统的电磁环境问题和可能引起的生态效应非常担忧，相关研究和媒体报道也给公众造成了巨大的心理压力。集体妨碍和抵制新建电力设施，上访或进行法律诉讼的事件也时有发生，矛盾的激化影响社会的安定和谐，由于公众对电磁污染的错误认识，及工频电磁场本身的不可见性和实时测量公示的缺失，许多变电站周边的居民出现所谓“电磁辐射”等不安全因素担心的心理，对变电站建设进行阻扰，从而造成了变电站进城难落地难。输电电压等级发展到特高压阶段，环境电磁问题已经成为制约电网发展的主要因素之一。

为了扭转原来接到公众投诉后再监测的“救火式”被动局面，对电磁场进行即时有效的测量成为解决这一问题必不可少的手段。对重点变电站及周边电磁环境进行监测，为公众提供开放信息，逐步消除公众对电磁辐射安全焦虑，不仅有利于社会和谐，还彰显了良好、负责任的企业形象。

申请号为201210094056.9的中国专利涉及一种变电站现场暂态电磁环境的测试方法。目前的稳态测试方法不适用于电力系统暂态过程中电磁场强度的测试和评价。本发明在测试中采用非选频式宽带辐射测量仪，在变电站暂态过程发生前测试一个稳态的背景数据，采用稳态测试方法来得到变电站工频和射频电、磁场背景值；变电站暂态过程发生时，通过记录工频、射频电、磁场强度最大值的方法获得暂态数据，从而分析放置在该位置的电子设备的抗干扰性能能否满足要求。本发明能有效测量变电站内暂态过程中工频、射频电磁场变化，对变电站内智能设备就地化安装的电磁环境评估有实用意义。

申请号为201110253480.9的中国专利公开了一种基于压缩感知的电磁逆散射成像方法，涉及微波成像技术，包括：步骤一、微波激励与测量阶段，在目标外用微波对目标进行穿透照射，测量目标的散射回波，从而去感知目标内部结构和材质；步骤二、目标建模阶段，建立目标介电常数和散射回波间的非线性观测模型，建立描述目标内部结构稀疏性的表征模型；步骤三、计算成像阶段，使用目标模型和压缩感知处理方法对目标的介电常数分布成像，由于不同介电常数对应目标的不同组成材料，故成像结果作为目标内部结构的表征。相对于传统微波成像方法，本发明使用压缩感知处理技术，显著降低回波观测数据量，同时显著提高目标内部结构的成像清晰度。

传统的变电站电磁环评测量存在测量仪成本高、测量数据量大的缺点，且不易构建直观准确的信息显示平台，故而，可以考虑将压缩感知理论应用于变电站工频电场计算，从而实现电磁环境数据的分析、上传、显示、存储、查询、集中监控和共享功能，让公众及时了解监测结果，打消疑虑，并且进一步实现智能分析、安全预警等运行智能化检测的管理目标提供可靠依据。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术问题，提供基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统及方法，将压缩感知理论应用于变电站工频电场计算，通过工频数据的采集，系统实现了电磁环境数据分析、上传、显示、存储、查询、集中监控和共享功能，让公众及时了解监测结果，打消疑虑，正确地认识输变电设施，降低公众的恐慌程度，有效消除市民对变电站电磁辐射的误解和疑虑，从而顺利的推进各变电站工程建设。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统，包括检测模块、分析模块与显示模块，所述检测模块包括交变工频传感单元及其连接的处理电路，所述分析模块包括单片机组件及其连接的输出电路，所述显示模块包括报警单元、显示单元及远程接口，所述处理电路连接所述单片机组件，所述输出电路连接所述显示模块。

所述交变工频传感单元包括顺次连接的传感器、采样单元与控制器，所述处理电路包括数据集中器与滤波放大电路，所述控制器连接所述数据集中器。

所述单片机组件包括单片机芯片、模数转换芯片及数据存储器，所述输出电路包括无线传输模块与双向网络通信接口。

所述显示单元上设置光伏阵列，所述光伏阵列连接直流蓄电池。

所述无线传输模块包括GSM数传模块与CDMA数传模块。

基于压缩感知重构算法的变电站环评预警方法，包括如下步骤：

1）构建变电站工频电磁场环境检测模块，即在电场中设置多个导体传感器，并由控制器根据压缩感知重构算法原理对指定传感器进行采样；

2）采样数据经过统一集中及滤波放大，通过无线手段或双向网络通信接口，进入单片机组件中；

3）单片机组件将数据进行分类及模数转换处理，调用数据存储器中的国标值，与测量数据比对，并进行显示数据与超限报警数据的输出；

4）显示数据进入显示单元进行实时显示，超限报警数据的开关量信号进入报警单元中，进行环评预警。

压缩感知理论在信号处理、通信、WSN等领域的应用比较广泛。基于压缩感知的系统特点是：传感器节点直接采集少量数据，同时完成采样、压缩，不需要基于香农乃奎斯特定理进行大量、高速采集，在本发明中，控制器可以选用可编程微处理器，存储基于压缩感知理论的采样算法，通过采样单元对传感器的多个导体传感器进行有序取样，从而形成符合本发明条件的交变工频传感单元，传感器的基本原理是：处于电场中的导体传感器表面会产生感应电荷，根据测量电场的不同频率，由取样电路根据特定算法，将感应电荷转换成与待测电场强度有一定对应关系的电流或电压信号，对信号进行分析，就可测得电场强度。

在具体项目中，变电站交变电场的测量，是在位于交变电场中的导体，其表面感应电荷与带刺电场按同频率随时间变化，对此感应电荷处理，便能得到与待测电场中成比例关系的电压或者电流信号，利用压缩感知算法对信号进行重构，从而实现电场的测量。

项目研制的三维交变电场传感器有三对电场测量单元，其中两对电极测量径向（XY方向）的电场分量EX、EY,，另一对电极轴线与前两对电极构成的平面相垂直，测量轴向（Z方向）的电场分量EZ,待测电场与上述三个矢量的关系为：

       E=                                                。

位于交变电场中的传感器，其电极上的供应电荷随时间周期变化，无需像静电场传感器那样需要外力驱动传感器电极作相对运动，因此其结构简单，易于制作，相比其优点如下：

易于计算其表面电荷与电场的关系；可以估算传感器对被测电场的影响；电场畸变小。

在交变工频传感单元把电场信号与待测电场对应的电压（电流）信号进行感应电荷处理，并采样完成后，其控制器将数据通过处理电路进行统一集中，并对电压（电流）信号进行滤波放大，作为初步处理；滤波放大后的电压（电流）信号被放到单片机，在单片机进行A/D转换，对数据进行综合处理；最后由单片机控制输出电路将待测电场值与国家要求值进行比对，如果超限即进行报警，同时在户外LED显示，正常状态下户外LED同步显示国家有关标准，其中，滤波放大可以采用阻容耦合式放大电路。输出电路可以通过双向网络通信接口，在干扰较小地域也可以采用无线数据传输，如GSM数传网络与CDMA数传网络，报警单元可选用声光报警式，并在显示单元上进行报警警示，显示单元可以选用LED数码管构成的显示屏，显示单元上部设置光伏阵列，光伏阵列连接直流蓄电池，可以通过太阳能供源，从而增加系统的持续性和安全可靠性。

本发明的优势之处在于：（1）基于压缩感知重构算法的交变工频传感单元在位于交变电场中，其表面感应电荷与待测电场按同频率随时间变化，对此感应电荷进行处理，便能得到与待测电场成比例关系的电压或电流信号，从而实现电场的测量；

（2） 后台程序软件完成对单片机适当的配置，完成系统初始化，实现测量数据的分析、上传、显示、存储、查询、预报警功能；

（3）LED户外大屏，由数据计算得出待测点的工频电场强度，进行场强显示并结合有关国家标准、设置实现过限显示和预报警。

本发明首次采用压缩感知重构算法的信号采集技术对工频电场信号进行采集、运算，可以对变电站设备运行参数或环境数据等发生的变化进行实时监测，并进行超限预报警，可以把不可见的电磁污染，形象、直观、正确公示于户外，让公众通过变电站周边的LED大屏直观了解当前的电场强度并与国家标准进行对比，形成直观、正确的概念，降低公众的心理恐慌程度，有效消除公众对电磁辐射的误解，促进公司输变电工程的顺利开展，同时，测量结果为变电站作业场所工频电磁场防护提供了数据支持，促使作业人员遵守相关电磁防护原则，并采取相应的防护措施有效抑制职业危害。

附图说明

图1是本发明系统原理结构示意图。

图2是本发明系统信号处理电路图。

图3是本发明系统场强显示电路图。

图4是本发明主程序流程图。

图5是本发明A/D变换程序及流程图。

具体实施方式

    实施例一

如图1至图5所示，基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统，包括检测模块、分析模块与显示模块，检测模块包括交变工频传感单元1及其连接的处理电路2，分析模块包括单片机组件3及其连接的输出电路4，显示模块包括报警单元5、显示单元6及远程接口7，处理电路2连接单片机组件3，输出电路4连接显示模块6。

交变工频传感单元1包括顺次连接的传感器8、采样单元9与控制器10，处理电路2包括数据集中器11与滤波放大电路12，控制器10连接数据集中器11。

单片机组件3包括单片机芯片13、模数转换芯片14及数据存储器15，输出电路4包括无线传输模块16与双向网络通信接口17。

基于压缩感知重构算法的变电站环评预警方法，包括如下步骤：

1）构建变电站工频电磁场环境检测模块，即在电场中设置多个导体传感器，并由控制器根据压缩感知重构算法原理对指定传感器进行采样；

2）采样数据经过统一集中及滤波放大，通过无线手段或双向网络通信接口，进入单片机组件中；

3）单片机组件将数据进行分类及模数转换处理，调用数据存储器中的国标值，与测量数据比对，并进行显示数据与超限报警数据的输出；

4）显示数据进入显示单元进行实时显示，超限报警数据的开关量信号进入报警单元中，进行环评预警。

在实际应用中，交变工频传感单元中的多个导体传感器存在固有电容，可以通过限定，消除固有电容影响，在应用设置时，可以初步限定处理电路的输出电压小于0.5V，以电场传感器的固有电容为10PF为例, 待测工频电场强度最大为100KV/M,,球型传感器的直径为10CM，根据公式计算可测电容大于40NF,因此可以看出近似忽略传感器固有电容对取样电压的影响，从而保证后续处理分析电路的正常工作。

图2为系统信号处理滤波放大电路图，电路位于数据集中器之后，本发明中的传感器主要针对高压工频电场进行测量，系统的工作频率初步选择为0^2000HZ,放大倍数为4，信号处理的运算放大器芯片采用LM358，因为LM358内部有两个独立的运算放大器，既适用于单电源使用，也可采用双电源的工作模式。在双电源的工作模式下的电源电压工作范围为±1.5至±15V，项目采用±5V，其运算放大器有较好的工作性能，其差摸输入电压范围为电源电压的范围。

系统的核心处理单元为单片机芯片，实施例选用的是C8051F单片机系列中的性价比较高的C8051F410。它集成了丰富的模拟和数字资源，是完全意义上的低功耗系统级的微控制器，主要有以下特征：速度提高：使用SiliconLabs的专利CIP-51微控制器核。CIP-51完全兼容 典型51单片机指令集，采用标准结构的51单片机相比，使用CIP-51内核的单片 机采用流水线结构，大大提高了指令执行速度；硬件资源丰富：具备上电复位及电压监视等功能；自带24.5MHz高精度可 编程的内部振荡器；拥有32KB的片内FLASH存储器，2304字节片内RAM; 4 个16位通用定时器、看门狗定时器、12位可编程DAC、24个I/O 口；内置AD转换器：自带12位逐次逼近寄存器型(SAR)ADC,采样率最高可 到200ksps ；单片机24个外部端口都可以通过一个27通道的多路模拟开关选择 器配置为ADC的输入；ADC的基准电压可根据需要由编程选择内部基准或外部基准；低功耗、完善的时钟系统、先进的非侵入式系统调试技术，图3所示的场强数值显示及预报警电路，依据测量数据和标准进行比对，对测量数据进行分级、显示、报警；图4、图5分别为主程序流程图及A/D变换程序及流程图，实现系统的运行流程。

本发明运用可编程微处理器，存储基于压缩感知理论的采样算法，通过采样单元对传感器的多个导体传感器进行有序取样，从而形成符合本发明条件的交变工频传感单元，并通过单片机组件进行分析、处理、显示、预警，这样就将最新的信号采集技术压缩感知重构算法运用到电场强度监测中，利用户外LED大屏把不可见的电磁污染，形象、直观、正确公示于户外，让公众通过变电站周边的LED大屏直观了解当前的电场强度并与国家标准进行对比，形成直观、正确的概念，降低公众的心理恐慌程度，有效消除公众对电磁辐射的误解，促进公司输变电工程的顺利开展。该系统还可以实现数据分析、上传、显示、存储、查询和集中监控和共享功能，并对异常数据进行报警。本项目设计合理、可靠性高、操作简单、扩展性强，有着较为广阔的推广价值。

    实施例二

基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统及方法，与实施例一的不同之处在于,无线传输模块16包括GSM数传模块20与CDMA数传模块21。

输出电路可以通过双向网络接口传输，双向网络通信接口具备连接数据源，实现导入、导出功能，安全认证功能、加密解密功能、数据传输功能，作为数据收发/转发的网关，专门负责整个网络环境下的数据传递，还可以通过无线传输模块传输，包括GSM数传模块与CDMA数传模块，CDMA和GSM均是目前已经应用成熟与稳定的2G通信的主流制式，在通信质量上，CDMA的通信质量要高于GSM，在相同环境下语音通信，CDMA的杂音要比GSM小很多，在手机辐射上，CDMA采用了出色的功率控制技术，也要比GSM小；然而，GSM在信号传输的稳定性上，采用时分多址的数字移动通信模式，在应用范围以及简单的短信传输上，在成本与应用范围上均具有优势，所以在本发明中应根据具体情况，择优选取。

    实施例三

基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统及方法，与实施例一的不同之处在于,显示单元上设置光伏阵列18，光伏阵列连接直流蓄电池19,可以通过太阳能供源，从而增加系统的持续性和安全可靠性。

本发明提供了一种基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统及方法，采用压缩感知重构算法的信号采集技术对工频电场信号进行采集、运算，可以对变电站设备运行参数或环境数据等发生的变化进行实时监测，并进行超限预报警，可以把不可见的电磁污染，形象、直观、正确公示于户外，让公众通过变电站周边的LED大屏直观了解当前的电场强度并与国家标准进行对比，形成直观、正确的概念，降低公众的心理恐慌程度，有效消除公众对电磁辐射的误解，促进公司输变电工程的顺利开展，同时，测量结果为变电站作业场所工频电磁场防护提供了数据支持，促使作业人员遵守相关电磁防护原则，并采取相应的防护措施有效抑制职业危害。

Claims (6)

1.基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统，其特征在于：包括检测模块、分析模块与显示模块，所述检测模块包括交变工频传感单元及其连接的处理电路，所述分析模块包括单片机组件及其连接的输出电路，所述显示模块包括报警单元、显示单元及远程接口，所述处理电路连接所述单片机组件，所述输出电路连接所述显示模块。

2.如权利要求1所述的基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统，其特征在于：所述交变工频传感单元包括顺次连接的传感器、采样单元与控制器，所述处理电路包括数据集中器与滤波放大电路，所述控制器连接所述数据集中器。

3.如权利要求1所述的基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统，其特征在于：所述单片机组件包括单片机芯片、模数转换芯片及数据存储器，所述输出电路包括无线传输模块与双向网络通信接口。

4.如权利要求1所述的基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统，其特征在于：所述显示单元上设置光伏阵列，所述光伏阵列连接直流蓄电池。

5.如权利要求3所述的基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统，其特征在于：所述无线传输模块包括GSM数传模块与CDMA数传模块。

6.基于压缩感知重构算法的变电站环评预警方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）构建变电站工频电磁场环境检测模块，即在电场中设置多个导体传感器，并由控制器根据压缩感知重构算法原理对指定传感器进行采样；

2）采样数据经过统一集中及滤波放大，通过无线手段或双向网络通信接口，进入单片机组件中；

3）单片机组件将数据进行分类及模数转换处理，调用数据存储器中的国标值，与测量数据比对，并进行显示数据与超限报警数据的输出；

4）显示数据进入显示单元进行实时显示，超限报警数据的开关量信号进入报警单元中，进行环评预警。