CN104965153A - 基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测系统及方法，包括：一电源模块；一信号发射模块，其与接地网连接，用于产生并向接地网发射高频电磁脉冲信号；一信号接收模块，其与接地网连接，用于接收接地网导体反射回来的高频电磁脉冲信号，对该信号进行滤波、放大；一控制单元模块，其分别与信号发射模块、信号接收模块连接，用于控制发射、接收高频电磁脉冲信号，接收信号接收模块传输的数据与信号；一信号分析显示终端，其与控制单元模块连接，接收控制单元模块传输的数据与信号；一探测小车，用于承载所述的探测系统。与现有技术相比，本发明具有保障变电站安全稳定运行等优点。

Description

基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测系统及方法

技术领域

本发明涉及电力系统故障检测技术领域，尤其是涉及一种基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测系统及方法。

背景技术

接地网是变电站的重要组成部分，它为变电站内各类设备提供一个公共电位参考点，在电力系统发生短路故障或遭受雷击时提供电流泄放通道，并降低变电站的电位升，其工作的可靠性对电力系统的安全稳定运行影响重大。

变电站接地网长期深埋于0.8m的地下，受到土壤的电化学作用而常常发生腐蚀，在酸碱性较强的土壤中接地网遭受的腐蚀作用更为严重。接地网的腐蚀是一个渐变的过程，被腐蚀至一定程度则产生故障，更严重时发生断裂。我国现有接地网多采用镀锌扁钢材料，且大部分变电站接地网已运行5-10年，在不同程度上存在着腐蚀变细甚至断裂等缺陷。同时，在接地网的焊接施工过程中，也可能存在着连接点虚焊、漏焊的问题，在土壤的腐蚀作用下导致多根导体的连接点断开。以上各类缺陷均会造成接地网接地性能的降低，危害设备与人身安全，甚至会引起严重事故的发生。如何准确有效地发现变电站接地网中存在的故障，进而有针对性地采取防护措施已成为电力行业现有接地网运维工作中最为突出的问题。

当前在工程应用中，往往通过大面积挖开接地网对接地网的腐蚀状态进行检测，这种方法较为盲目，既费时费力，又会因长时间停电检修而带来一定的经济损失。根据变电站接地网的散流特性，一些新的接地网故障检测方法也陆续出现，可以分为电网络分析法、电磁场分析法两大类。电网络分析法主要根据接地网拓扑结构与支路电阻数据建立故障诊断方程，结合相应优化算法求解该方程获取导体支路电阻变化情况，实现对故障诊断。但在实际应用中接地网并不是所有节点都有上引导体，因此难以获取每条支路电阻的精确值，从而限制了该方法的应用。电磁场分析法则通过接地引上线，向接地网注入激励电流，测量该电流激发的接地网地表的磁场感应强度，根据其分布特征对接地网存在的腐蚀故障进行诊断。但该方法受到变电站现场复杂电磁环境干扰，且仅能确定故障支路，难以对具体故障位置进行准确判断，对被腐蚀但尚未断裂的导体也难以做出精确诊断。

此外，超声导波技术等无损检测技术也在接地网的腐蚀诊断中得到了一定的应用。超声导波技术利用电磁超声换能器放置于接地网导体上，向接地网导体发射Lamb波、SH波等多种形式的超声波，通过接收回波分析其旅行用时、波幅等参数来确定接地网导体的故障位置与类型。但应用该方法进行检测时，需挖掘出部分导体以放置超声换能器，且检测结果会大大受到换能器布置方式的影响，限制了其在工程中的应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测系统及方法，通过向接地网导体发射高频电磁脉冲，接收处理接地网导体的反射电磁波，实现对变电站接地网腐蚀故障的高效、准确的判断。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测系统，其特征在于，包括：

一电源模块，用于整个检测系统供电；

一信号发射模块，其与接地网连接，用于产生并向接地网发射高频电磁脉冲信号；

一信号接收模块，其与接地网连接，用于接收接地网导体反射回来的高频电磁脉冲信号，对该信号进行滤波、放大；

一控制单元模块，其分别与信号发射模块、信号接收模块连接，用于控制发射、接收高频电磁脉冲信号，接收信号接收模块传输的数据与信号；

一信号分析显示终端，其与控制单元模块连接，接收控制单元模块传输的数据与信号；

一探测小车，用于承载所述的探测系统。

所述的电源模块为蓄电池。

所述的信号发射模块包括：

一发射机电路，其产生1MHz～1GHz的高频电磁脉冲信号；

一发射天线，其分别与接地网和接收发射机电路连接，用于接收发射机电路产生的高频电磁脉冲信号并将其发射至接地网地下导体。

所述的信号接收模块包括：

一接收天线，其与接地网连接，用于接收接地网地下导体反射回的高频电磁脉冲信号；

一接收机电路，其与接收天线连接，用于获取接收天线传输的高频电磁脉冲信号，并对该信号进行滤波、放大处理。

所述的控制单元模块包括：

一微处理器芯片，其分别与信号发射模块、信号接收模块相连，用于控制信号的发射与接收，并暂存信号接收模块传输的高频电磁脉冲信号；

一通信芯片，其与微处理器芯片连接，接收微处理器传输的高频电磁脉冲信号。

所述的控制单元模块与所述的信号分析显示终端之间通过以太网连接。

一种基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将探测小车置于待测接地网导体上方；

(2)信号发射模块产生1MHz～1GHz的高频电磁脉冲信号向地下导体发射信号；信号接收模块接收到地下导体反射的高频电磁脉冲信号，对其进行滤波与放大后，再将这些信号传输至信号分析显示终端；信号分析显示终端分析并获取波形特征参数；

(3)信号分析显示终端通过基于BP神经网络的接地网导体宽度预测模型对地下接地导体的实际形状大小进行预测；

(4)信号分析显示终端在预测得到期望输出量W′后，计算W′与根据导体规格获取的导体实际宽度W的相对误差D，若相对误差大于等于10％，则判断被探测段导体出现腐蚀故障；

(5)完成该段导体的测量后，推动探测小车，继续重复上述过程测量所有的接地网导体，并评估其状态，诊断是否有故障存在。

也就是说，本技术方案是将实测所得信号的波形参数作为输入向量输入到接地网导体宽度预测模型，然后会得到相应的输出向量，该输出即为被测导体宽度的期望输出量(其为预测值，即W′)，然后将根据图纸所得导体宽度(其为标准值，即W)与上述期望输出量进行比较，根据二者的相对误差即可判断出导体是否被腐蚀出现故障。

所述的波形特征参数包括脉冲宽度T_w、脉冲幅度U_max、能量E、斜率K。

所述的基于BP神经网络的接地网导体宽度预测模型的建模过程如下：

3a.以信号分析显示终端计算得到的波形特征参数作为输入参数，从测量信号中任意选取一段数据作为训练样本向量，所述的波形特征参数为：信号脉冲宽度T_w，其中，T_w＝T_i-T₀，T₀与T_i分别为脉冲波形的起始与终止时间；脉冲幅度U_max；能量E，其中，U_i为信号每个采样点所对应的信号值；斜率K，其中，K＝U_max/(T_m-T)，T_m为波峰出现的时间；

3b.将训练样本向量中的上述输入参数构成网络输入矩阵B，该矩阵每一列依次对应输入参数脉冲宽度T_w、脉冲幅度U_max、能量E、上升斜率K，并对上述输入参数做归一化处理；所述归一化处理方法为：将所有输入参数乘以相应系数使之处于同一数量级，然后使用下列公式将输入参数归一化至[0,1]区间内，所述的计算公式为

$B_{\mathrm{ij}}^{\′}=\frac{B_{i,j}}{B_{i,\max }+B_{i,\min }}$

式中：B_ij为初始网络输入矩阵B的元素，B_i,max与B_i,min分别为初始网络输入矩阵B第i行的最大值和最小值；

3c.根据网络输入矩阵与期望误差大小，确定网络的层数与各层神经元数，设定学习规则、训练函数、激活函数、初始权值与学习速率，利用训练样本向量对该神经网络进行训练，其输出量为接地网导体宽度宽度的预测值W′；完成该BP神经网络的训练后，将实测信号作为预测样本向量输入到训练完毕的神经网络中，获取网络输出层各节点的输出结果W′，即为所述的接地网导体宽度预测模型的期望输出量。

所述的BP神经网络是由大量的处理单元(神经元)相互连接而形成的一种复杂非线性模型，其由输入层、至少一个隐含层与输出层三部分组成，每一层由多个神经元构成，只接收前一层神经元的输入。输入信息经各层神经元处理，变成输出层的输出。BP神经网络是本领域内的技术人员所熟知的动态系统，故发明人在本技术方案中对此不再做详细的介绍。

所述的相对误差计算公式为：

$D=\frac{|W-W^{\′}|}{W}\×100\%.$

与现有技术相比，本发明可在变电站不开挖，不停电的前提下，较为快捷、准确的诊断出变电站接地网存在的腐蚀故障，便于运维操作人员及时采取相应措施，保障变电站安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测系统整体结构示意框图；

图2是本发明实施例中的接地网模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

图1所示显示了本发明所述的基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测系统的结构。如图1所示，该系统包括：

一电源模块1，用于整个检测系统供电；

一信号发射模块2，其与接地网7连接，用于产生并向接地网发射高频电磁脉冲信号；

一信号接收模块3，其与接地网7连接，用于接收接地网导体反射回来的高频电磁脉冲信号，对该信号进行滤波、放大；

一控制单元模块4，其分别与信号发射模块2、信号接收模块3连接，用于控制发射、接收高频电磁脉冲信号，接收信号接收模块3传输的数据与信号；

一信号分析显示终端5，其与控制单元模块4连接，接收控制单元模块传输的数据与信号；

一探测小车6，用于承载所述的探测系统。

信号发射模块2产生并向接地网地下导体发射高频电磁脉冲信号；信号接收模块3接收地下导体反射回来的高频电磁脉冲信号，并对该信号进行滤波、放大处理；控制单元模块4分别与信号发射模块2和信号接收模块3连接，以控制信号发射模块2与信号接收模块3，并获取信号接收模块3传输的高频电磁脉冲信号与数据；信号分析显示终端5与控制单元模块4连接，以接收控制单元模块4传输的数据与信号。其中，信号发射模块2包括：发射机电路，以产生1MHz～1GHz的高频电磁脉冲信号；发射天线，以接收发射机电路产生的高频电磁脉冲信号，并将其发射至接地网地下导体。信号接收模块3包括：接收天线，以接收地下导体反射的高频电磁脉冲信号；接收机电路，以获取接收天线传输的高频电磁脉冲信号，并对其进行滤波、放大处理。控制单元模块4包括：微处理器芯片，以控制发射模块与接收模块，并获取接收模块传输的高频电磁脉冲信号；通信芯片，其与微处理器芯片连接，以接收微处理器传输的高频电磁脉冲信号，并通过以太网将其传输至信号分析显示终端。上述系统均放置于一探测小车6上，以便移动整个探测系统。

上述基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测系统按照下列步骤判断该接地网的工作状态：

(1)将探测小车置于待测接地导体上方；

(2)信号发射模块产生1MHz～1GHz的高频电磁脉冲信号向地下导体发射信号；信号接收模块接收到地下导体反射的高频电磁脉冲信号，对其进行滤波与放大后，再将这些信号传输至信号分析显示终端；信号分析显示终端分析并获取波形特征参数，所述的波形特征参数包括脉冲宽度T_w、脉冲幅度U_max、能量E、斜率K；

(3)信号分析显示终端通过基于BP神经网络的接地网导体宽度预测模型对地下接地导体的实际形状大小进行预测；所述的基于BP神经网络的接地网导体形状预测模型的建模过程如下：

3a.以信号分析显示终端计算得到的波形特征参数作为输入参数，从测量信号中任意选取一段数据作为训练样本向量。所述的波形特征参数为：信号脉冲宽度T_w，其中，T_w＝T_i-T₀，T₀与T_i分别为脉冲波形的起始与终止时

3b.将训练样本向量中的上述输入参数构成网络输入矩阵B，该矩阵每一列依次对应输入参数脉冲宽度T_w、脉冲幅度U_max、能量E、上升斜率K，并对上述输入参数做归一化处理。所述归一化处理方法为：将所有输入参数乘以相应系数使之处于同一数量级，然后使用下列公式将输入参数归一化至[0,1]区间内，所述的计算公式为

$B_{\mathrm{ij}}^{\′}=\frac{B_{i,j}}{B_{i,\max }+B_{i,\min }}$

式中：B_ij为初始网络输入矩阵B的元素，B_i,max与B_i,min分别为初始网络输入矩阵B第i行的最大值和最小值。

3c.根据网络输入矩阵与期望误差大小，确定网络的层数与各层神经元数，设定学习规则、训练函数、激活函数、初始权值与学习速率等，利用训练样本向量对该神经网络进行训练，其输出量为接地网导体宽度宽度的预测值W′。完成该BP神经网络的训练后，将实测信号作为预测样本向量输入到训练完毕的神经网络中，获取网络输出层各节点的输出结果W′，即为所述的接地网导体宽度预测模型的期望输出量。

3d.所述的BP神经网络是由大量的处理单元(神经元)相互连接而形成的一种复杂非线性模型，其由输入层、至少一个隐含层与输出层三部分组成，每一层由多个神经元构成，只接收前一层神经元的输入。输入信息经各层神经元处理，变成输出层的输出。BP神经网络是本领域内的技术人员所熟知的动态系统，故发明人在本技术方案中对此不再做详细的介绍。

(4)信号分析显示终端在预测得到期望输出量W′后，计算W′与根据导体规格获取的导体实际宽度W的相对误差D，若相对误差大于等于30％，则判断被探测段导体出现腐蚀故障。所述的相对误差计算公式为：

$D=\frac{|W-W^{\′}|}{W}\×100\%$

(5)完成该段导体的测量后，推动探测小车，继续重复上述过程测量所有的接地网导体，并评估其状态，诊断是否有故障存在。

在上述的一种基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测系统中，信号发射模块包括：

一发射机电路，其产生高频电磁脉冲信号；

一发射天线，其与发射机电路连接，将发射机电路传输的高频电磁脉冲信号发射至地下接地网导体；

在上述的一种基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测系统中，信号接收模块包括：

一接收天线，其接收地下导体反射回的高频电磁脉冲信号；

一接收机电路，其与接收天线连接，获取接收天线传输的高频电磁脉冲信号，并将该信号进行滤波、放大处理。

在上述的一种基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测系统中，控制单元模块包括：

一微处理器芯片，其分别与发射模块和接收模块连接，实现对信号发射模块和信号接收模块的控制，并暂存信号接收模块传输的高频电磁脉冲信号与数据；

一通信芯片，其与微处理器芯片连接，以接收微处理器芯片传输的高频电磁脉冲信号数据，并将其传输至信号分析显示终端。

在上述的一种基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测系统中，控制单元模块与信号分析显示终端通过以太网连接。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测系统，其特征在于，包括：

一电源模块，用于整个检测系统供电；

一信号发射模块，其与接地网连接，用于产生并向接地网发射高频电磁脉冲信号；

一信号接收模块，其与接地网连接，用于接收接地网导体反射回来的高频电磁脉冲信号，对该信号进行滤波、放大；

一控制单元模块，其分别与信号发射模块、信号接收模块连接，用于控制发射、接收高频电磁脉冲信号，接收信号接收模块传输的数据与信号；

一信号分析显示终端，其与控制单元模块连接，接收控制单元模块传输的数据与信号；

一探测小车，用于承载所述的探测系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测系统，其特征在于，所述的电源模块为蓄电池。

3.根据权利要求1所述的一种基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测系统，其特征在于，所述的信号发射模块包括：

一发射机电路，其产生1MHz～1GHz的高频电磁脉冲信号；

一发射天线，其分别与接地网和接收发射机电路连接，用于接收发射机电路产生的高频电磁脉冲信号并将其发射至接地网地下导体。

4.根据权利要求1所述的一种基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测系统，其特征在于，所述的信号接收模块包括：

一接收天线，其与接地网连接，用于接收接地网地下导体反射回的高频电磁脉冲信号；

一接收机电路，其与接收天线连接，用于获取接收天线传输的高频电磁脉冲信号，并对该信号进行滤波、放大处理。

5.根据权利要求1所述的一种基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测系统，其特征在于，所述的控制单元模块包括：

一微处理器芯片，其分别与信号发射模块、信号接收模块相连，用于控制信号的发射与接收，并暂存信号接收模块传输的高频电磁脉冲信号；

一通信芯片，其与微处理器芯片连接，接收微处理器传输的高频电磁脉冲信号。

6.根据权利要求1所述的一种基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测系统，其特征在于，所述的控制单元模块与所述的信号分析显示终端之间通过以太网连接。

7.一种如权利要求1所述的基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将探测小车置于待测接地网导体上方；

(2)信号发射模块产生1MHz～1GHz的高频电磁脉冲信号向地下导体发射信号；信号接收模块接收到地下导体反射的高频电磁脉冲信号，对其进行滤波与放大后，再将这些信号传输至信号分析显示终端；信号分析显示终端分析并获取波形特征参数；

(3)信号分析显示终端通过基于BP神经网络的接地网导体宽度预测模型对地下接地导体的实际形状大小进行预测；

(4)信号分析显示终端在预测得到期望输出量W′后，计算W′与根据导体规格获取的导体实际宽度W的相对误差D，若相对误差大于等于10％，则判断被探测段导体出现腐蚀故障；

(5)完成该段导体的测量后，推动探测小车，继续重复上述过程测量所有的接地网导体，并评估其状态，诊断是否有故障存在。

8.根据权利要求7所述的基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测方法，其特征在于，所述的波形特征参数包括脉冲宽度T_w、脉冲幅度U_max、能量E、斜率K。

9.根据权利要求7所述的基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测方法，其特征在于，所述的基于BP神经网络的接地网导体宽度预测模型的建模过程如下：

3a.以信号分析显示终端计算得到的波形特征参数作为输入参数，从测量信号中任意选取一段数据作为训练样本向量，所述的波形特征参数为：信号脉冲宽度T_w，其中，T_w＝T_i-T₀，T₀与T_i分别为脉冲波形的起始与终止时间；脉冲幅度U_max；能量E，其中，U_i为信号每个采样点所对应的信号值；斜率K，其中，K＝U_max/(T_m-T)，T_m为波峰出现的时间；

3b.将训练样本向量中的上述输入参数构成网络输入矩阵B，该矩阵每一列依次对应输入参数脉冲宽度T_w、脉冲幅度U_max、能量E、上升斜率K，并对上述输入参数做归一化处理；所述归一化处理方法为：将所有输入参数乘以相应系数使之处于同一数量级，然后使用下列公式将输入参数归一化至[0,1]区间内，所述的计算公式为

$B_{\mathrm{ij}}^{\′}=\frac{B_{i,j}}{B_{i,\max }+B_{i,\min }}$

式中：B_ij为初始网络输入矩阵B的元素，B_i,max与B_i,min分别为初始网络输入矩阵B第i行的最大值和最小值；

3c.根据网络输入矩阵与期望误差大小，确定网络的层数与各层神经元数，设定学习规则、训练函数、激活函数、初始权值与学习速率，利用训练样本向量对该神经网络进行训练，其输出量为接地网导体宽度宽度的预测值W′；完成该BP神经网络的训练后，将实测信号作为预测样本向量输入到训练完毕的神经网络中，获取网络输出层各节点的输出结果W′，即为所述的接地网导体宽度预测模型的期望输出量。

10.根据权利要求7所述的基于高频电磁脉冲的变电站接地网腐蚀检测方法，其特征在于，所述的相对误差计算公式为：

$D=\frac{|W-W^{\′}|}{W}\×100\%.$