CN105572509A - 接地网状态监测用传感器网络优化布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接地网状态监测用传感器网络优化布置方法，包括以下步骤：一、待监测接地网模型的建立；二、待监测接地网模型边界条件的定义与设置；三、对待监测接地网模型中的接地网进行网格剖分；四、设置求解器和最大收敛步数，求解待监测接地网模型；五、接地网表面电位分布数据的获取；六、接地网表面电位分布曲线图的绘制；七、接地网状态监测传感器网络布置区域的确定；八、接地网状态监测用传感器网络的布设。本发明方法步骤简单，设计合理，实现方便，降低了成本，对接地网中关键点位进行了充分采样，监测效果好，实用性强，使用效果好，具有广泛的应用前景和市场价值。

Description

接地网状态监测用传感器网络优化布置方法

技术领域

本发明属于接地网状态监测技术领域，具体涉及一种接地网状态监测用传感器网络优化布置方法。

背景技术

发变电站的接地网对电力系统的正常运行和工作人员的人身安全起着非常重要的作用。但由于接地网长年被埋设在地下，受到复杂的土壤介质及不同气候的影响，常发生腐蚀现象，并因施工时焊接不良等诸多因素，导致接地网碳钢材料截面减小甚至断裂，电气性能恶化，从而影响电网的安全稳定运行并危及人身安全。目前，在我国因接地网腐蚀或发生断裂而引起的电力系统的事故常有发生。因此，对接地网状态进行定期检查，了解接地网的腐蚀情况和电气性能，及早发现问题并采取相应的防护措施，对接地网的维护十分重要。我国埋设于土壤中的接地网接地导体材料多为碳钢，存在腐蚀速率快、可靠性差等问题，长期运行容易发生安全事故，需要及时检测缺陷并采取修复措施。

目前国内外对接地网的检测主要是通过物理方法，测量接地电阻、跨步电压等参数，判断腐蚀和发生断裂的位置。但接地网埋于土壤中，具有很强的隐蔽性，而这些方法都无法了解接地网的具体腐蚀情况和位置，须等到发现接地电阻不合格或事故发生后，再进行大面积开挖来检查接地网的腐蚀和断裂情况，不但费时费力效果差，影响发变电站的正常运行，还影响环境绿化，造成的经济损失甚至超出最初铺设接地网的费用。因此对接地网的腐蚀状态进行实时监测，显得尤为重要。

对接地网腐蚀状态进行实时监测就需要布置传感器网络，由于土壤性质的不均匀性以及各接地电极上流散电流的强度不同，因此，不同位置的接地电极在土壤中被腐蚀的程度亦不同。从理论上来讲，应采用尽可能多的传感器才能真实地、全面地模拟整个接地网的腐蚀过程。但从技术经济性的角度来考虑，埋入土壤中的传感器数量不可过多。因此，如何确定出传感器的数量与分布，即如何选择传感器在土壤中的埋设位置，对于从有限检测点来准确检测整个接地网的腐蚀状态就显得十分重要。目前大多采用均匀布置传感器的方法，这样就会造成大量传感器浪费，而一些关键点位又没有得到采样，耗费的成本高，监测效果欠佳。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种接地网状态监测用传感器网络优化布置方法，其方法步骤简单，设计合理，实现方便，降低了成本，对接地网中关键点位进行了充分采样，监测效果好，实用性强，使用效果好，具有广泛的应用前景和市场价值。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种接地网状态监测用传感器网络优化布置方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、待监测接地网模型的建立：在计算机的有限元分析软件环境下，绘制出土壤和埋设在土壤中的接地网，并设置土壤参数和接地网参数，建立起待监测接地网模型；其中，土壤参数包括土壤面积和土壤电导率，所述接地网参数包括接地网材料、接地网面积、接地网埋深、接地网电导率、可及节点、可及节点电导率和可及节点激励电压；

步骤二、待监测接地网模型边界条件的定义与设置：将接地网区域记为Ω，定义接地网区域Ω的边界为Γ且Γ＝Γ₁+Γ₂+Γ₃，其中，Γ₁为虚设球冠边界且设置Γ₁上施加的激励电压为0V，Γ₂为土壤表面边界且设置Γ₂上施加的激励电压为0V，Γ₃为接地网表面边界；

步骤三、对待监测接地网模型中的接地网进行网格剖分；

步骤四、设置求解器和最大收敛步数，求解待监测接地网模型；

步骤五、接地网表面电位分布数据的获取：查看接地网表面电位分布图，导出接地网表面电位分布图中接地网表面各个点的X轴坐标、Y轴坐标和Z轴坐标数据，即导出了接地网表面电位分布数据，并将接地网表面电位分布数据存储在计算机中；其中，接地网表面电位分布图中的X轴为接地网长度，接地网表面电位分布图中的Y轴为接地网宽度，接地网表面电位分布图中的Z轴为接地网表面电位；

步骤六、接地网表面电位分布曲线图的绘制：在计算机的MATLAB软件环境下，以接地网在水平面上的X方向为X轴，接地网在水平面上的Y方向为Y轴，接地网表面电位为Z轴，建立三维直角坐标系，并将步骤五中的接地网表面电位分布数据绘制到三维直角坐标系中，绘制出接地网表面电位分布曲线图；

步骤七、接地网状态监测传感器网络布置区域的确定：在步骤六中绘制的接地网表面电位分布曲线图中，找出接地网表面电位分布密度最大的区域和密度最小的区域，并将接地网表面电位分布密度最大的区域和密度最小的区域确定为接地网状态监测传感器网络布置区域；

步骤八、接地网状态监测用传感器网络的布设：参照步骤七中找出的接地网状态监测传感器网络布置区域，在土壤中埋设接地网状态监测用传感器，且使传感器的埋设深度与接地网的埋设深度相同，形成接地网状态监测用传感器网络。

上述的接地网状态监测用传感器网络优化布置方法，其特征在于：步骤一中的有限元分析软件为ANSOFTMAXWELL软件。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的方法步骤简单，设计合理，实现方便。

2、本发明采用了有限元计算的方法，确定接地网表面电位分布密度最大的区域和密度最小的区域，使传感器的安放位置保证这些区域接地电极的腐蚀情况都能得以反映，即在接地网表面电位分布密度最大的区域和密度最小的区域均布置有传感器，既减少了传感器数量，降低了成本，又对接地网中关键点位进行了充分采样。

3、采用本发明进行接地网状态监测用传感器网络布置，监测效果好。

4、本发明的实用性强，使用效果好，具有广泛的应用前景和市场价值。

综上所述，本发明方法步骤简单，设计合理，实现方便，降低了成本，对接地网中关键点位进行了充分采样，监测效果好，实用性强，使用效果好，具有广泛的应用前景和市场价值。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的方法流程框图。

图2为待监测接地网模型及其边界条件定义图。

图3为进行网格剖分后的接地网表面示意图。

图4为接地网表面电位分布图。

图5为接地网表面电位分布曲线图。

图6为接地网状态监测用传感器网络布设示意图。

附图标记说明:

1—土壤；2—接地网；3—传感器。

具体实施方式

如图1所示，本发明的接地网状态监测用传感器网络优化布置方法，包括以下步骤：

步骤一、待监测接地网模型的建立：在计算机的有限元分析软件环境下，绘制出土壤1和埋设在土壤1中的接地网2，并设置土壤参数和接地网参数，建立起待监测接地网模型；其中，土壤参数包括土壤面积和土壤电导率，所述接地网参数包括接地网材料、接地网面积、接地网埋深、接地网电导率、可及节点、可及节点电导率和可及节点激励电压；

本实施例中，建立的待监测接地网模型如图2所示，其中，土壤面积为400m×400m，土壤电导率为2.3×10^-6s/m；接地网材料为宽度为60mm、厚度为8mm的镀锌钢，接地网面积为100m×100m，接地网埋深为0.6m，接地网电导率为1.0×10^-7s/m，可及节点为镁材料，可及节点电导率为22.6×10⁶s/m，可及节点激励电压为100V；

本实施例中，步骤一中的有限元分析软件为ANSOFTMAXWELL软件。

步骤二、待监测接地网模型边界条件的定义与设置：将接地网区域记为Ω，定义接地网区域Ω的边界为Γ且Γ＝Γ₁+Γ₂+Γ₃，其中，Γ₁为虚设球冠边界且设置Γ₁上施加的激励电压为0V，Γ₂为土壤1表面边界且设置Γ₂上施加的激励电压为0V，Γ₃为接地网表面边界；

本实施例中，对待监测接地网模型的边界条件的定义如图2所示。

步骤三、对待监测接地网模型中的接地网2进行网格剖分；

本实施例中，通过有限元分析软件，将待监测接地网模型中的接地网2剖分为多个四面体单元，设置四面体单元的棱长为0.05mm。

本实施例中，进行网格剖分后的接地网2表面示意图如图3所示。

步骤四、设置求解器和最大收敛步数，求解待监测接地网模型；

本实施例中，设置求解器为静电场，设置最大收敛步数为10000步，其余的求解设置项均为默认值；接地网2表面电位分布图如图4所示；

步骤五、接地网2表面电位分布数据的获取：查看接地网2表面电位分布图，导出接地网2表面电位分布图中接地网2表面各个点的X轴坐标、Y轴坐标和Z轴坐标数据，即导出了接地网2表面电位分布数据，并将接地网2表面电位分布数据存储在计算机中；其中，接地网2表面电位分布图中的X轴为接地网2长度，接地网2表面电位分布图中的Y轴为接地网2宽度，接地网2表面电位分布图中的Z轴为接地网2表面电位；

步骤六、接地网2表面电位分布曲线图的绘制：在计算机的MATLAB软件环境下，以接地网2在水平面上的X方向为X轴，接地网2在水平面上的Y方向为Y轴，接地网2表面电位为Z轴，建立三维直角坐标系，并将步骤五中的接地网2表面电位分布数据绘制到三维直角坐标系中，绘制出接地网2表面电位分布曲线图；

由于在步骤五中的接地网2表面电位分布图中，只能看到接地网2表面各个点的电位是有区别的，但看不出具体的区别大小，因此要进行步骤六的操作，通过步骤六绘制的接地网2表面电位分布曲线图，能够清楚看出接地网2表面不同点的电位有明显区别。本实施例中，绘制出的接地网2表面电位分布曲线图如图5所示。

步骤七、接地网2状态监测传感器网络布置区域的确定：在步骤六中绘制的接地网2表面电位分布曲线图中，找出接地网2表面电位分布密度最大的区域和密度最小的区域，并将接地网2表面电位分布密度最大的区域和密度最小的区域确定为接地网2状态监测传感器网络布置区域；

本实施例中，从图5可以看出，接地网2边缘中心位置电位分布密度最大，接地网2中心位置电位分布密度最小。

步骤八、接地网2状态监测用传感器网络的布设：参照步骤七中找出的接地网2状态监测传感器网络布置区域，在土壤1中埋设接地网2状态监测用传感器3，且使传感器3的埋设深度与接地网2的埋设深度相同，形成接地网2状态监测用传感器网络。将传感器3的埋设深度与接地网2的埋设深度相同，这样，当传感器处于和接地网接地电极相同性质的土壤中且从接地网接地电极上流散的电流也与通过每个传感器电极的电流接近时，就可用传感器电极的腐蚀过程来模拟接地网接地电极的腐蚀过程。

本实施例中，如图6所示，在接地网2各边缘中心位置和接地网2中心位置的表面上各布设一个传感器3，形成接地网2状态监测用传感器网络。

综上所述，本发明采用了有限元计算的方法，确定接地网表面电位分布密度最大的区域和密度最小的区域，使传感器的安放位置保证这些区域接地电极的腐蚀情况都能得以反映，即在接地网表面电位分布密度最大的区域和密度最小的区域均布置有传感器，既减少了传感器数量，降低了成本，又对接地网中关键点位进行了充分采样。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (2)

1.一种接地网状态监测用传感器网络优化布置方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、待监测接地网模型的建立：在计算机的有限元分析软件环境下，绘制出土壤(1)和埋设在土壤(1)中的接地网(2)，并设置土壤参数和接地网参数，建立起待监测接地网模型；其中，土壤参数包括土壤面积和土壤电导率，所述接地网参数包括接地网材料、接地网面积、接地网埋深、接地网电导率、可及节点、可及节点电导率和可及节点激励电压；

步骤二、待监测接地网模型边界条件的定义与设置：将接地网区域记为Ω，定义接地网区域Ω的边界为Γ且Γ＝Γ₁+Γ₂+Γ₃，其中，Γ₁为虚设球冠边界且设置Γ₁上施加的激励电压为0V，Γ₂为土壤(1)表面边界且设置Γ₂上施加的激励电压为0V，Γ₃为接地网表面边界；

步骤三、对待监测接地网模型中的接地网(2)进行网格剖分；

步骤四、设置求解器和最大收敛步数，求解待监测接地网模型；

步骤五、接地网(2)表面电位分布数据的获取：查看接地网(2)表面电位分布图，导出接地网(2)表面电位分布图中接地网(2)表面各个点的X轴坐标、Y轴坐标和Z轴坐标数据，即导出了接地网(2)表面电位分布数据，并将接地网(2)表面电位分布数据存储在计算机中；其中，接地网(2)表面电位分布图中的X轴为接地网(2)长度，接地网(2)表面电位分布图中的Y轴为接地网(2)宽度，接地网(2)表面电位分布图中的Z轴为接地网(2)表面电位；

步骤六、接地网(2)表面电位分布曲线图的绘制：在计算机的MATLAB软件环境下，以接地网(2)在水平面上的X方向为X轴，接地网(2)在水平面上的Y方向为Y轴，接地网(2)表面电位为Z轴，建立三维直角坐标系，并将步骤五中的接地网(2)表面电位分布数据绘制到三维直角坐标系中，绘制出接地网(2)表面电位分布曲线图；

步骤七、接地网(2)状态监测传感器网络布置区域的确定：在步骤六中绘制的接地网(2)表面电位分布曲线图中，找出接地网(2)表面电位分布密度最大的区域和密度最小的区域，并将接地网(2)表面电位分布密度最大的区域和密度最小的区域确定为接地网(2)状态监测传感器网络布置区域；

步骤八、接地网(2)状态监测用传感器网络的布设：参照步骤七中找出的接地网(2)状态监测传感器网络布置区域，在土壤(1)中埋设接地网(2)状态监测用传感器(3)，且使传感器(3)的埋设深度与接地网(2)的埋设深度相同，形成接地网(2)状态监测用传感器网络。

2.按照权利要求1所述的接地网状态监测用传感器网络优化布置方法，其特征在于：步骤一中的有限元分析软件为ANSOFTMAXWELL软件。