CN111209663B - 一种高压电网的等效超长波天线阵建模分析方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压电网的等效超长波天线阵建模分析方法和系统，属于工频电磁与天线领域。包括：将三相环路等效为逐级耦合的偶极子群，确定偶极子群的空间坐标；计算每个三相偶极子的环路长度，将长度为λ、λ/2、λ/4的长距离高压输电环路等效为长波天线，将多个短距离高压输电环路等效为实现长波天线功能的天线阵；计算输电环路上三相电压和电流；建立空间几何模型；对各天线阵进行仿真计算并进行矢量叠加；分析高压电网在整个仿真域的空间工频电磁场(波)分布的特性。本发明可仿真分析出高压电网产生的更远距离的工频电磁波，不仅解决了现有高压输电环路无法进行远场区电磁波仿真分析的问题，而且还可适用于远距离环境的电磁探测相关研究和分析。
Description
技术领域
本发明属于工频电磁场与天线技术交叉领域，更具体地，涉及一种高压电网的等效超长波天线阵建模分析方法和系统。
背景技术
输电网络会产生周期性变化的工频电磁场(波)，作为电网大动脉的输电/配网络会对其附近空间产生强大的电磁场(波)，形成强大的电磁干扰。输电网络产生的工频电磁场(波)经过介质(如水体、空气、土壤、岩石等)的调制衰减会传播到空间中的某一点，该点处的工频电磁场(波)是不同位置分布的输电网络产生工频电场的矢量和。
输电环路对环境的影响是多方面的，通常我们所说的输电环路电磁环境问题包括以下几问题：工频电磁场(波)的生态效应和工频电磁场(波)带来的电磁干扰等。工频电磁场(波)的生态效应一直是人们关注的焦点，来自国内外的许多流行病学调查报告显示工频电磁场(波)可能对人类免疫功能存在着某种影响，可能与白血病、癌症发病率升高有关系；输电网络带来的电磁干扰主要影响周围居民的无线电广播与电视的收听及收看。
由于科学技术的快速发展，世界各国建立了分布广泛的高压电网，支撑人类创造巨大的物质文明。同时也带来了一个充满人造工频电磁辐射的环境，对生态环境、地球的近地空间包括电离层产生了越来越大的影响。因此需要对高压电网产生的工频电磁场的传播方式及其空间分布规律展开科学研究。
高压电网产生的工频电磁场的波长在5000公里～6000公里的范围，一般认为，在局部区域是近场的电磁辐射，没有电磁波的传播概念。因此其研究局限在近场电磁辐射的效应，对其中远场的电磁辐射效应研究薄弱。
发明内容
本发明针对上述存在的薄弱环节，提出了一种高压电网的等效超长波天线阵的建模和分析方法，在此基础上研究工频超长波天线阵的统一的工频电磁场(波)传播及其影响架构，旨在解决现有高压电网工频电磁场对生态环境、近地空间产生影响的科学研究缺乏有力支撑，特别是针对工频电磁场(波)传播方式、空间分布及其影响方面的研究不足的问题。
本发明提供了一种高压电网的等效超长波天线阵建模分析方法，包括以下步骤：
S1、将高压电网的三相环路等效为逐级耦合的偶极子群，确定偶极子群的空间坐标；
S2、计算每个三相偶极子的环路长度L，将长度L为λ、λ/2、λ/4的长距离高压输电环路等效为长波天线，将多个短距离高压输电环路等效为实现长波天线功能的天线阵，其中λ表示长波天线波长；
S3、计算高压电网中输电环路上的三相电压和电流；
S4、建立陆地-海洋-空气介质几何模型；
S5、对各个天线阵进行仿真计算并进行矢量叠加，计算出高压电网在整个仿真域的空间工频电磁场和电磁波分布；
S6、分析所述高压电网在整个仿真域的空间工频电磁场和电磁波分布的特性。
进一步地，所述步骤S1包括：
将高压电网的三相环路等效为逐级耦合的偶极子群，建立偶极子群的空间坐标矢量群，用集合V表示
V＝(V1，V2，…，Vi，…，Vn)，
其中Vi表示偶极子，n表示整个高压电网中的偶极子个数。
进一步地，所述步骤S2还包括：
对于短距离高压输电环路，多个输电环路等效为实现长波天线功能的天线阵，总长度为每个输电环路长度之和，记作
进一步地，所述步骤S4包括：
S41、确定仿真域的大小，包括
空气模型Mair＝(Lair，Wair，Hair)；
陆地-海洋模型Mocean-island＝(Locean-island，Wocean-island，Hocean-island)；
其中，(Lair，Wair，Hair)和(Locean-island，Wocean-island，Hocean-island)分别表示空气模型和陆地-海洋模型的长、宽、高；
S42、确定仿真域的物理材料参数，包括
空气参数mur＝1，epsilon＝1，sigma＝0S/m；
海洋参数mur＝1，epsilon＝81，sigma＝3S/m；
陆地参数mur＝1，epsilon＝11.7，sigma＝0S/m；
其中mur表示材料的相对磁导率，epsilon表示材料的相对介电常数，sigma表示材料的电导率；
S43、根据仿真域的大小和物理材料参数建立陆地-海洋-空气介质几何模型。
进一步地，所述步骤S5包括：
S51、对仿真域进行网格划分，边界条件设定；
S52、对偶极子群的每个天线阵以其坐标为中心，确定其近场区和远场区；
S53、根据长波天线的传输理论，仿真计算各个天线阵的近场和远场的电磁场矢量分布。
进一步地，所述步骤S53包括：
基于Maxwell方程组，建立边界条件约束下的输电网络工频电磁场和电磁波计算模型，通过有限元仿真来计算出输电网络在整个仿真域的空间工频电磁场和电磁波分布。
本发明还提供了一种高压电网的等效超长波天线阵建模分析系统，包括：
天线阵模型构建单元，用于将高压电网的三相环路等效为逐级耦合的偶极子群，确定偶极子群的空间坐标；计算每个三相偶极子的环路长度L，将长度L为λ、λ/2、λ/4的长距离高压输电环路等效为长波天线，将多个短距离高压输电环路等效为实现长波天线功能的天线阵，其中λ表示长波天线波长；
电压电流计算单元，用于计算高压电网中输电环路上的三相电压和电流；
空间模型构建单元，用于建立陆地-海洋-空气介质几何模型；
电磁场波分布确定单元，用于对各个天线阵进行仿真计算并进行矢量叠加，计算出高压电网在整个仿真域的空间工频电磁场和电磁波分布；
特性分析单元，用于分析所述高压电网在整个仿真域的空间工频电磁场和电磁波分布的特性。
本发明提出的高压电网天线阵等效建模和分析方法，与现有技术相比，通过将长距离高压输电环路等效为长波天线，将多个短距离高压输电环路等效为实现长波天线功能的天线阵，可以仿真分析出高压电网产生的更远距离的工频电磁波，不仅解决了现有技术中高压输电环路无法进行远场区电磁波仿真分析的问题，而且本方法还可适用于远距离环境的电磁探测相关研究和分析。
附图说明
图1是天线环路的变压器耦合结构示意图。
图2是超长波天线示意图。
图3是串联/并联耦合的电力线环天线阵及镜像向远场区传播示意图。
图4为华东高压电网超长波天线阵示意图。
图5为华东、华中、华南高压电网天线阵示意图。
图6为模型网格划分图。
图7为工频磁场流线图。
图8为工频电场流线图。
图9为磁场切面图(观测高度5km)。
图10为电场切面图(观测高度5km)。
图11为磁场等值线图(观测高度5km)。
图12为电场等值线图(观测高度5km)。
图13是俄罗斯微卫星探测结果实例，其中图13(a)、(c)为局部地图，图13(b)、(d)为对应的FFT频谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
我国幅员辽阔，东西相距5200km，输电环路总里程非常大。截至2018年，世界上输送距离最长的特高压交流输电线是我国的榆横～潍坊1000kV双回路2*1048.6km。绵延千里的输电环路会经过变压器升压降压，如图1所示，当变压器初级线圈通有交流电流时，铁芯中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压或电流，这时便产生了电力线环路Cu的激励，该电力线环路可视为发射天线。
超长波天线是指辐射波长为1Mm～10Mm无线电波的天线，天线形式为偶极子。如图2所示，超长波天线要通过两端接地构成电流回路，图中D为电离层，F为发信机，L为磁力线，K为地电流，T为接地点，W为电流环路。其基本单元是一根长数十千米甚至上百千米、中部馈电而两端良好接地的平行于地面的导线，悬挂在离地面10m左右的电线杆上或导线表面经绝缘处理后埋于地下1～2m。高压输电配电网络的输电距离长，构成环路多，与超长波天线原理类似。因此，长距离高压输电环路可以等效为超长波天线。当输电总长度达到
时(λ为天线波长)，均可满足天线的有效辐射范围。
另外，有一些高压输电环路的输送总距离小，其单独的产生的工频电磁传播距离小，但这些短距离的高压输电环路更加密集，这些短距离输电环路组成的输电网络包含若干个子网络，每个子网络包括数量众多的输电子环路和三相偶极子，子环路之间通过变压器进行连接，构成一张巨大的输电网络。一小群的子环路相互叠加可以到达有效的工频电磁波的发射功率。当子网络之间相互叠加，总长度达到
时，也可将短距离高压电网等效为天线阵。
下面简单介绍解释高压输电线等效成天线的传播方式。图3所示为串联/并联耦合的电力线环天线阵及镜像向远场区传播示意图，其中1为直射波，2为反射波，3为折射波，a为电力线地下中性点，Q为远场区，N为地面。超长波天线的基本单元是一个电流环，与导线与地层形成电路，在地面以下形成天线镜像发射电磁波。三相电力线产生的电磁场(波)(波)三相与接地中性点形成回路，电网电力输电线功能等效为串联/并联耦合的电力线天线阵。该天线阵在工作时以工频电磁场(波)的形式存在于近场区，以50/60Hz的电磁波向远场区传播。
本发明在把高压输电线等效成天线的基础上，提供了一种高压电网工频电磁场(波)分析方法，包括以下步骤：
(1)将高压电网的任意一个三相环路等效为一个偶极子，其中三相交变电流等效为磁偶极子，三相交变电压等效为电偶极子；通过变压器耦合的多个三相环路，称之为耦合的多个偶极子。根据真实的电网分布，根据环路的起点和终点，确定各偶极子的空间坐标矢量，建立一个高压电网偶极子群模型。以中国的电力系统为例，全国的电网分为六大电网，包括东北电网、华北电网、华中电网、华东电网、西北电网和华南电网，每个电网下面又包含若干个子网络，每个子网络包括数量众多的偶极子。在本实例中，建立了华东、华中、华南电网模型；
(1.1)将高压电网的三相环路等效为逐级耦合的偶极子群，建立偶极子群的空间坐标矢量群，用集合V来表示，其中
V＝(V1，V2，…，Vi，…，Vn)，
Vi表示偶极子，n表示整个高压电网中的偶极子个数；
(1.2)计算每个三相偶极子的环路长度L，将长度L满足λ、λ/2、λ/4(λ表示长波天线波长)的长距离高压输电环路等效为长波天线，将多个短距离高压输电环路等效为实现长波天线功能的天线阵；例如图4所示为华东电网偶极子群模型，图中圆圈中的输电环路均可视为偶极子；
步骤(1.2)具体包括：
(1.2.1)确定输电环路起始节点Vs(xs，ys，zs)和终止节点Ve(xe，ye，ze)的空间坐标，并据此计算电网输电环路的长度
(1.2.2)将长度L满足λ、λ/2、λ/4(λ表示长波天线波长)的长距离高压输电环路等效为长波天线，将多个短距离高压输电环路等效为实现长波天线功能的天线阵；
(1.2.3)对于短距离高压输电环路，多个输电环路等效为实现长波天线功能的天线阵，总长度为每个输电环路长度之和，记作
例如，在华东电网中存在一条330kv的高压输电环路和220kv的高压输电环路，两个相加的总长度为
两者叠加可以等效为一个天线阵；
(1.3)计算高压电网中输电环路上的三相电压和电流，环路Ek上的电压用ek表示，电流用ik表示，k表示A、B、C三相；例如，武汉和黄冈之间存在一条电压为110kV的A相输电环路EA，那么eA＝110kV，根据华中电网的总装机容量为110MV.A，计算出iA＝1kA，以相同方式计算出电网所有输电环路的电压和电流；
(1.4)建立陆地-海洋-空气介质几何模型；所述步骤(1.4)包括：
(1.4.1)确定仿真域的大小，包括
空气模型Mair＝(Lair，Wair，Hair)；
陆地-海洋模型Macean-island＝(Locean-island，Wocean-island，Hocean-island)；
其中，(Lair，Wair，Hair)和Locean-island，Wocean-island，Hocean-island)分别表示空气模型和陆地-海洋模型的长、宽、高；
(1.4.2)确定仿真域的物理材料参数，不同的物质有着不同的材料参数，不同的参数会影响工频电磁的传播，因此需要对仿真模型的不同材质设置对应的参数；包括
空气参数mur＝1，epsilon＝1，sigma＝0S/m；
海洋参数mur＝1，epsilon＝81，sigma＝3S/m；
陆地参数：mur＝1，epsilon＝11.7，sigma＝0S/m；
其中mur表示材料的相对磁导率，epsilon表示材料的相对介电常数，sigma表示材料的电导率；
(1.4.3)根据仿真域的大小和物理材料参数建立陆地-海洋-空气介质几何模型。如图5所示，建立华南、华中、华东电网模型。
(2)将上述长距离高压输电环路等效成长波天线以及多个短距离高压输电环路等效成天线阵后，整个高压电网等效成为多个天线阵。对各个天线阵进行仿真计算并进行矢量叠加，包括：
(2.1)对仿真域进行网格划分，边界条件设定，进行仿真计算。网格划分是有限元仿真中的重要步骤，需要合理地设置网格尺寸大小、网格划分模式。在本实例中，网格划分模式设置为“较细化模式”，使用的是自由四面体网格，COMSOL软件会根据整个几何模型的大小自动地设置网格的大小。如图6所示，对陆地-海洋和空气层两个几何模型进行网格划分；
(2.2)对偶极子群的每个天线阵以其坐标为中心，确定其近场区和远场区。
(2.3)根据长波天线的传输理论，仿真计算各个天线阵的近场和远场的电磁场矢量分布，具体包括：
基于Maxwell方程组，建立边界条件约束下的输电网络工频电磁场(波)计算模型，通过有限元仿真来计算出输电网络在整个仿真域的空间工频电磁场(波)分布。
(3)将所有天线阵产生的电磁场进行矢量叠加，分析其特性。工频电磁场(波)是一个向量场，其特性可以通过流线图来显示，也可以绘制该平面的工频电磁场(波)强度图，某一高度的工频电磁场(波)分布也可以使用等值线图来显示。具体步骤如下：
(3.1)工频电磁场(波)流线图绘制。仿真得到的电场和磁场是空间和时间的四维函数。创建流线图层，设置流线的数目为200，选择数据源为电场和磁场，根据导出数据的空间坐标绘制流线，流线上的每一个点的电磁场(波)方向即为流线的切线方向。图7和图8分别为磁场流线图和电场流线图；
(3.2)工频电磁场(波)强度切面图绘制；
在本实例中，为了研究工频电磁场(波)在海水中和空气中的传播规律，首先研究工频电磁场(波)在空气中的传播规律，设置海平面以上5km处，创建切面绘制图层1，选择数据源为电场幅值和磁场幅值，绘制工频电磁场(波)的切面图，反复调整绘图参数直至得到理想的电磁场(波)切面图。图9和图10为磁场切面图和电场切面图；
(3.3)工频电磁场(波)等值线图绘制。创建等值线绘制图层，选择数据源为电场幅值和磁场幅值，设置等值线的数目为100，调整等值线的类型，绘制工频电磁场(波)的等值线图。图11和图12为海平面上方5km高度磁场等值线图和电场等值线图。
下面对本发明的建模和分析方法进行验证。俄罗斯于2012年发射的Chibis-M微卫星在500km的轨道高度，距离印度南部电网1300公里远的印度洋(远场区)和距离智利和阿根廷电网4000～4500公里远的太平洋(远场区)处检测到了电网输电线辐射的电磁波信号，即印证了高压电网可等效为50Hz超长波天线阵模型的正确性。从图13(b)、(d)可见，FFT频谱图中可以清楚的看到明显的50Hz电磁信号。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高压电网的等效超长波天线阵建模分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将高压电网的三相输电环路等效为逐级耦合的偶极子群，确定偶极子群的空间坐标；
S2、根据所述空间坐标计算每个偶极子的环路长度，将长度为λ、λ/2、λ/4的长距离高压输电环路等效为长波天线，其中λ表示长波天线波长，将多个短距离高压输电环路等效为实现长波天线功能的天线阵，所述长波天线和天线阵构成天线阵模型；
S3、计算高压电网中输电环路上的三相电压和电流；
S4、建立陆地-海洋-空气介质几何模型；
S5、利用所述天线阵模型、电压、电流和陆地-海洋-空气介质几何模型，对各个天线阵进行仿真计算并进行矢量叠加，计算出高压电网在整个仿真域的空间工频电磁场和电磁波分布；
S6、分析所述高压电网在整个仿真域的空间工频电磁场和电磁波分布的特性。
2.如权利要求1所述的高压电网的等效超长波天线阵建模分析方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
将高压电网的三相环路等效为逐级耦合的偶极子群，建立偶极子群的空间坐标矢量群，用集合V表示
V＝(V1，V2，…，Vi，…，Vn)，
其中Vi表示偶极子，n表示整个高压电网中的偶极子个数。
3.如权利要求1所述的高压电网的等效超长波天线阵建模分析方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：
对于短距离高压输电环路，多个输电环路等效为实现长波天线功能的天线阵，总长度为每个输电环路长度之和，记作
m为输电环路个数。
4.如权利要求1所述的高压电网的等效超长波天线阵建模分析方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
S41、确定仿真域的大小，包括
空气模型Mair＝(Lair，Wair，Hair)；
陆地-海洋模型Mocean-island＝(Locean-island，Wocean-island，Hocean-island)；
其中，(Lair，Wair，Hair)和Locean-island，Wocean-island，Hoceanisland)分别表示空气模型和陆地-海洋模型的长、宽、高；
S42、确定仿真域的物理材料参数，包括
空气参数mur＝1，epsilon＝1，sigma＝0S/m；
海洋参数mur＝1，epsilon＝81，sigma＝3S/m；
陆地参数mur＝1，epsilon＝11.7，sigma＝0S/m；
其中mur表示材料的相对磁导率，epsilon表示材料的相对介电常数，sigma表示材料的电导率；
S43、根据仿真域的大小和物理材料参数建立陆地-海洋-空气介质几何模型。
5.如权利要求1-4任一项所述的高压电网的等效超长波天线阵建模分析方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
S51、对仿真域进行网格划分，边界条件设定；
S52、对偶极子群的每个天线阵以其坐标为中心，确定其近场区和远场区；
S53、根据长波天线的传输理论，仿真计算各个天线阵在近场区和远场区的电磁场矢量分布。
6.如权利要求5所述的高压电网的等效超长波天线阵建模分析方法，其特征在于，所述步骤S53包括：
基于Maxwell方程组，建立边界条件约束下的输电网络工频电磁场和电磁波计算模型，通过有限元仿真来计算出输电网络在整个仿真域的空间工频电磁场和电磁波分布。
7.一种高压电网的等效超长波天线阵建模分析系统，其特征在于，包括：
天线阵模型构建单元，用于将高压电网的三相环路等效为逐级耦合的偶极子群，确定偶极子群的空间坐标；计算每个三相偶极子的环路长度L，将长度L为λ、λ/2、λ/4的长距离高压输电环路等效为长波天线，将多个短距离高压输电环路等效为实现长波天线功能的天线阵，其中λ表示长波天线波长；
电压电流计算单元，用于计算高压电网中输电环路上的三相电压和电流；
空间模型构建单元，用于建立陆地-海洋-空气介质几何模型；
电磁场波分布确定单元，用于对各个天线阵进行仿真计算并进行矢量叠加，计算出高压电网在整个仿真域的空间工频电磁场和电磁波分布；
特性分析单元，用于分析所述高压电网在整个仿真域的空间工频电磁场和电磁波分布的特性。
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