CN112083255B - 计及复杂频域的地电参数结构估计方法 - Google Patents

计及复杂频域的地电参数结构估计方法 Download PDF

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CN112083255B CN202010987662.8A CN202010987662A CN112083255B CN 112083255 B CN112083255 B CN 112083255B CN 202010987662 A CN202010987662 A CN 202010987662A CN 112083255 B CN112083255 B CN 112083255B
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Abstract

一种计及复杂频域的地电参数结构估计方法，属于电力系统接地技术领域，主要包括频率信号发生装置、电压信号采集记录装置、探针铜电极、推杆电机、滑块；频率信号发生模块两端口通过导线与外侧两探针铜电极连接，电压信号采集记录模块两端口通过导线与内侧两探针铜电极连接，水平绝缘扁杆与滑块连接，滑块与推杆电机连接，推杆电机与探针铜电极连接，用于获取不同电极跨度下的大地视在电参数的测量值；还包括对待测大地的测线划分结构，用于测试未知大地结构。本发明能有效计算频域下的大地电参数解析值，并能够有效对复杂大地不同频点下的电参数结构进行综合判定，以达到对智能电网接地系统的设计与敷设提供理论指导的目的。

Description

计及复杂频域的地电参数结构估计方法
技术领域
本发明属于电力系统接地分析技术领域，具体涉及一种计及复杂频域的地电参数结构估计方法。
背景技术
电力系统的稳定运行是保障人民生活水平和质量的重要前提，电力接地技术是电气工程领域重要的分支，它给电气系统和电子设备提供了参考，保证了人类和动物的生命安全，同时也可减少对设备的伤害。
在电气接地工程，通晓电流在地中分布的规律十分重要，地中电流的分布规律与电流的频率有关，对应的电流在复杂大地介质中的穿透深度也不同，当设计和安装接地系统时，大地的电参数结构获取是其必要的前提。大地电参数结构是复杂多样的，特别是频域下的大地结构，影响其地电特性结构参数的因素包括每层大地的视在电阻率、深度、导磁率、介电常数等。
针对大地电参数的求解一直是一项艰巨且重要的难题。目前国内外的相关研究主要集中在无频变信号下的测量与估计、简单均匀介质电参数结构反演等等，而缺乏不同类型的复杂频域大地结构甄别的协同评估方法的研究。为保障电力系统中变电站运维人员、设备以及附近居民生命安全，迫切需要一种智能数字化的综合大地电参数结构评估方法，对大型变电站接地网、输电线路杆塔接地装置的设计与安装提供数据支撑。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种计及复杂频域的地电参数结构估计方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
第一步：搭建复杂频域大地电参数测量试验平台，包括频率电流信号发生装置，电压采集记录装置，导线一，导线二，导线三，导线四，探针铜电极一，探针铜电极二，探针铜电极三，探针铜电极四，滑块一，推杆电机一，滑块二，推杆电机二，滑块三，推杆电机三，滑块四，推杆电机四，绝缘外壳，阻隔件一，阻隔件二，支架一，支架二，滚轮一，滚轮二，绝缘扁杆，中心轴线；
频率电流信号发生装置分别与导线一的输入端和导线四的输入端连接，导线一的输出端嵌入滑块四与探针铜电极四的输入端相连，推杆电机四与探针铜电极四的输入端相连，探针铜电极四可在推杆电机四中垂直上下移动；导线四的输出端嵌入滑块一与探针铜电极一的输入端相连，推杆电机一与探针铜电极一的输入端相连，探针铜电极一可在推杆电机一中垂直上下移动；电压采集记录装置分别与导线二的输入端和导线三的输入端连接，导线二的输出端嵌入滑块三与探针铜电极三的输入端相连，推杆电机三与探针铜电极三的输入端相连，探针铜电极三可在推杆电机三中垂直上下移动；导线三的输出端嵌入滑块二与探针铜电极二的输入端相连，推杆电机二与探针铜电极二的输入端相连，探针铜电极二可在推杆电机二中垂直上下移动；滑块一、滑块二、滑块三、滑块四均套在水平绝缘扁杆上，滑块一、滑块二、滑块三、滑块四可在水平绝缘扁杆上灵活的水平左右移动，水平绝缘扁杆左右两端部分别装有阻隔件一和阻隔件二，支架一顶部与底部分别连接绝缘外壳和滚轮一，支架二顶部与底部分别连接绝缘外壳和滚轮二，中心轴线为该平台的垂直中轴线；
第二步：对未知复杂大地进行测线划分，并进行电参数测量，首先将目标大地用正方形加对角线的方式进行划分，共需六条测线，划分的测线分别为测线一、测线二、测线三、测线四、测线五、测线六，测线一、测线二、测线三、测线四分别构成正方形大地的四条边测线，测线五、测线六分别构成正方形大地的两条对角测线，每条测线下，四个探针铜电极之间的距离两两相等，且探针铜电极一与探针铜电极四关于中心轴线对称，且探针铜电极二与探针铜电极三关于中心轴线对称，滑动滑块一、滑块二、滑块三、滑块四，使探针铜电极之间的距离均为l，测试时先选好目标测线，然后通过四个推杆电机将对应的四个探针铜电极插入待测测线下的大地，频率电流信号发生装置发出频率电流信号
Figure BDA0002689787320000021
电压采集记录装置采集记录得到电压信号
Figure BDA0002689787320000022
则在测线m中的不同电极间距下，可测量得到探针铜电极之间的距离均为l下的等值视在电参数
Figure BDA0002689787320000023
将电极间距离变为2l、3l，所得等值视在电参数为
Figure BDA0002689787320000024
且不同测线下的电极间距均设置为l、2l、3l；
第三步：由下式计算每条测线上的大地频域视在电参数理论值：
Figure BDA0002689787320000025
其中
Figure BDA0002689787320000026
为固定频率下的大地频域电参数理论值，复镜像阶数N1＝20；复镜像阶数N2＝8；μ为真空磁导率；σ1、ξ1分别为第一层大地电导率和第一层大地介电常数；
Figure BDA0002689787320000027
ω为角频率；qi、ηi、θi、τi分别为第i阶的下的复镜像系数。
第四步：建立目标适应度函数如下，
Figure BDA0002689787320000031
其中，M为变换不同电极间距的总测量次数，
Figure BDA0002689787320000032
分别为第m条测线下第s次测量下的大地复视在电参数理论推导值和实际测量值，ρf1,ξf1,ρf2,ξf2…,ρfn,ξfn分别为在频率为f1、f2…,fn条件下的大地各水平分层电阻率和介电常数，b为不同测线下改变电极间距的测量次数，通过基于高效快速搜索机制得到使测线上的大地视在电参数推导值逼近大地视在电参数测量值时的大地电参数结构，可以获得每个频率点下大地电参数结构ρf1,ξf1,ρf2,ξf2…,ρfn,ξfn；
具体搜索方式如下，
Figure BDA0002689787320000033
xi,k为第k次迭代第i个大地电参数解、xi,k+1为第k+1次迭代第i个大地电参数解；Ek为第k次迭代的最佳大地参数解，
Figure BDA0002689787320000034
为第k次迭代第i个大地电参数解的平均值；g～U(0,1)，e为自然常数。P为种群个数，S是搜索步长，r、sr是相互独立的从区间[0,1]上的均匀随机分布函数得到的随机数。
第五步：评估大地复杂频域电参数结构，通过大地电参数测量值随电极间距变化曲线，计算纵向大地电参数结构评价因子AG、均匀大地电参数结构评价因子AU和横向大地电参数评价因子AH；
Figure BDA0002689787320000035
Figure BDA0002689787320000036
Figure BDA0002689787320000037
其中，M为变换不同电极间距的总测量次数，测线个数N＝6；每条测线下改变电极间距的测量次数b＝3；
综合上述计算，大地频域电参数结构综合评判因数A为：
Figure BDA0002689787320000041
当A∈(-∞,-0.3)∪(0.3,+∞)时，表征目标场地的大地频域电参数结构为包含有特殊岩石块体或垂直裂缝存在的垂直分层大地频域电参数结构；当A∈[-0.3,0.3]时，满足水平分层模型，可获得对应每层的大地频域电参数结构解析解；对于A∈[-0.3,0)时，表征目标场地的大地频域电参数结构为水平三层大地结构；对于A＝0时，表征目标场地的大地频域电参数结构为水平一层大地结构；对于A∈(0,0.3]时，表征目标场地的大地频域电参数结构为水平二层大地结构。第六步：不同目标场地下的大地频域电参数结构估计：根据目标场地要求，设置不同测线长度，并重复第三步和第四步，即可进行不同目标场地下的大地频域电参数结构评估。
本发明提供的大地频域电参数结构的综合判定方法，能够有效地对不同目标场地下的大地频域电参数结构估计，根据估计结果即可进一步通晓变电站或输电线路接地系统附近的未知土壤电参量框架，可为大型变电站接地网、输电线路杆塔接地装置的设计与建造提供数据支持。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
1)实验装置操作简易，实用可靠，对测量复杂频域下的视在大地电参数具有安全性和便捷性；
2)能够有效获取不同频点下的固定层数下的每层的大地频域参数解析值；
3)基于不同目标适应度函数，本发明中的搜索机制能够快速准确的获得所需参量的最优值；
4)通过本发明系统能对复杂频域大地电参数结构进行判定，并可进行综合估计，整体评判因子具有普适性。
附图说明
图1是本发明使用时的频域大地电参数测量试验平台总体结构示意图；
图2是针对目标大地测线布置的结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
由图1、图2可知本发明提供的实验平台和方法，包括如下步骤：
第一步：搭建复杂频域大地电参数测量试验平台，包括频率电流信号发生装置(1)，电压采集记录装置(2)，导线一(3)，导线二(4)，导线三(5)，导线四(6)，探针铜电极一(19)，探针铜电极二(20)，探针铜电极三(21)，探针铜电极四(22)，滑块一(11)，推杆电机一(14)，滑块二(12)，推杆电机二(15)，滑块三(13)，推杆电机三(16)，滑块四(8)，推杆电机四(17)，绝缘外壳(7)，阻隔件一(9)，阻隔件二(25)，支架一(26)，支架二(27)，滚轮一(18)，滚轮二(23)，绝缘扁杆(10)，中心轴线(24)；
所述频率电流信号发生装置(1)分别与导线一(3)的输入端和导线四(6)的输入端连接，导线一(3)的输出端嵌入滑块四(8)与探针铜电极四(22)的输入端相连，推杆电机四(17)与探针铜电极四(22)的输入端相连，探针铜电极四(22)可在推杆电机四(17)中垂直上下移动；导线四(6)的输出端嵌入滑块一(11)与探针铜电极一(19)的输入端相连，推杆电机一(14)与探针铜电极一(19)的输入端相连，探针铜电极一(19)可在推杆电机一(14)中垂直上下移动；电压采集记录装置(2)分别与导线二(4)的输入端和导线三(5)的输入端连接，导线二(4)的输出端嵌入滑块三(13)与探针铜电极三(21)的输入端相连，推杆电机三(16)与探针铜电极三(21)的输入端相连，探针铜电极三(21)可在推杆电机三(16)中垂直上下移动；导线三(5)的输出端嵌入滑块二(12)与探针铜电极二(20)的输入端相连，推杆电机二(15)与探针铜电极二(20)的输入端相连，探针铜电极二(20)可在推杆电机二(15)中垂直上下移动；滑块一(11)、滑块二(12)、滑块三(13)、滑块四(8)均套在水平绝缘扁杆(10)上，滑块一(11)、滑块二(12)、滑块三(13)、滑块四(8)可在水平绝缘扁杆(10)上灵活的水平左右移动，水平绝缘扁杆(10)左右两端部分别装有阻隔件一(9)和阻隔件二(25)，支架一(26)顶部与底部分别连接绝缘外壳(7)和滚轮一(18)，支架二(27)顶部与底部分别连接绝缘外壳(7)和滚轮二(23)，中心轴线(24)为该平台的垂直中轴线；
第二步：对未知复杂大地进行测线划分，并进行电参数测量：首先将目标大地用正方形加对角线的方式进行划分，共需六条测线，划分的测线分别为测线一(28)、测线二(29)、测线三(30)、测线四(31)、测线五(32)、测线六(33)，测线一(28)、测线二(29)、测线三(30)、测线四(31)分别构成正方形大地的四条边测线，测线五(32)、测线六(33)分别构成正方形大地的两条对角测线，每条测线下，四个探针铜电极之间的距离两两相等，且探针铜电极一(19)与探针铜电极四(22)关于中心轴线(24)对称，且探针铜电极二(20)与探针铜电极三(21)关于中心轴线(24)对称，滑动滑块一(11)、滑块二(12)、滑块三(13)、滑块四(8)，使探针铜电极之间的距离均为l，测试时先选好目标测线，然后通过四个推杆电机将对应的四个探针铜电极插入待测测线下的大地，频率电流信号发生装置(1)发出频率电流信号
Figure BDA0002689787320000051
电压采集记录装置(2)采集记录得到电压信号
Figure BDA0002689787320000052
则在测线m中的不同电极间距下，可测量得到探针铜电极之间的距离均为l下的等值视在电参数
Figure BDA0002689787320000053
将电极间距离变为2l、3l，所得等值视在电参数为
Figure BDA0002689787320000061
且不同测线下的电极间距均设置为l、2l、3l，此次测量完毕后，可将测量平台移动至不同的测线下进行测量；
第三步：由下式计算每条测线上的大地频域视在电参数推导值：
Figure BDA0002689787320000062
其中
Figure BDA0002689787320000063
为固定频率下的大地频域视在电参数推导值，复镜像阶数N1＝20；复镜像阶数N2＝8；μ为真空磁导率；σ1、ξ1分别为第一层大地电导率和第一层大地介电常数；
Figure BDA0002689787320000064
ω为角频率；qi、ηi、θi、τi分别为第i阶的下的复镜像系数。
第四步：建立目标适应度函数如下，
Figure BDA0002689787320000065
其中，M为变换不同电极间距的总测量次数，
Figure BDA0002689787320000066
分别为第m条测线下第s次测量下的大地复视在电参数理论推导值和实际测量值，ρf1,ξf1,ρf2,ξf2…,ρfn,ξfn分别为在频率为f1、f2…,fn条件下的大地各水平分层电阻率和介电常数，b为不同测线下改变电极间距的测量次数；通过基于量子搜索机制得到使测线上的大地视在电参数推导值逼近大地视在电参数测量值时的大地电参数结构，可以获得每个频率点下大地电参数结构ρf1,ξf1,ρf2,ξf2…,ρfn,ξfn，
具体搜索方式如下，
Figure BDA0002689787320000067
xi,k为第k次迭代第i个大地电参数解、xi,k+1为第k+1次迭代第i个大地电参数解；Ek为第k次迭代的最佳大地参数解，
Figure BDA0002689787320000068
为第k次迭代第i个大地电参数解的平均值；g～U(0,1)，e为自然常数。P为种群个数，S是搜索步长，r、sr是相互独立的从区间[0,1]上的均匀随机分布函数得到的随机数。
第五步：评估大地复杂频域电参数结构，通过大地电参数测量值随电极间距变化曲线，计算纵向大地电参数结构评价因子AG、均匀大地电参数结构评价因子AU和横向大地电参数评价因子AH；
Figure BDA0002689787320000071
Figure BDA0002689787320000072
Figure BDA0002689787320000073
其中，M为变换不同电极间距的总测量次数，测线个数N＝6；每条测线下改变电极间距的测量次数b＝3；
综合上述计算，大地频域电参数结构综合评判因数A为：
Figure BDA0002689787320000074
当A∈(-∞,-0.3)∪(0.3,+∞)时，表征目标场地的大地频域电参数结构为包含有特殊岩石块体或垂直裂缝存在的垂直分层大地频域电参数结构；当A∈[-0.3,0.3]时，满足水平分层模型，可获得相应的大地频域电参数结构解析解；对于A∈[-0.3,0)时，表征目标场地的大地频域电参数结构为水平三层大地结构；对于A＝0时，表征目标场地的大地频域电参数结构为水平一层大地结构；对于A∈(0,0.3]时，表征目标场地的大地频域电参数结构为水平二层大地结构；
第六步：对于不同目标场地下的大地频域电参数结构估计，可以根据目标场地要求，设置不同测线长度，并重复第三步和第四步，再进行不同目标场地下的大地频域电参数结构估计。

Claims (1)

1.计及复杂频域的地电参数结构估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：搭建复杂频域地电参数测量试验平台，包括频率电流信号发生装置(1)，电压采集记录装置(2)，导线一(3)，导线二(4)，导线三(5)，导线四(6)，探针铜电极一(19)，探针铜电极二(20)，探针铜电极三(21)，探针铜电极四(22)，滑块一(11)，推杆电机一(14)，滑块二(12)，推杆电机二(15)，滑块三(13)，推杆电机三(16)，滑块四(8)，推杆电机四(17)，绝缘外壳(7)，阻隔件一(9)，阻隔件二(25)，支架一(26)，支架二(27)，滚轮一(18)，滚轮二(23)，绝缘扁杆(10)，中心轴线(24)；
所述频率电流信号发生装置(1)分别与导线一(3)的输入端和导线四(6)的输入端连接，导线一(3)的输出端嵌入滑块四(8)与探针铜电极四(22)的输入端相连，推杆电机四(17)与探针铜电极四(22)的输入端相连，探针铜电极四(22)可在推杆电机四(17)中垂直上下移动；导线四(6)的输出端嵌入滑块一(11)与探针铜电极一(19)的输入端相连，推杆电机一(14)与探针铜电极一(19)的输入端相连，探针铜电极一(19)可在推杆电机一(14)中垂直上下移动；电压采集记录装置(2)分别与导线二(4)的输入端和导线三(5)的输入端连接，导线二(4)的输出端嵌入滑块三(13)与探针铜电极三(21)的输入端相连，推杆电机三(16)与探针铜电极三(21)的输入端相连，探针铜电极三(21)可在推杆电机三(16)中垂直上下移动；导线三(5)的输出端嵌入滑块二(12)与探针铜电极二(20)的输入端相连，推杆电机二(15)与探针铜电极二(20)的输入端相连，探针铜电极二(20)可在推杆电机二(15)中垂直上下移动；滑块一(11)、滑块二(12)、滑块三(13)、滑块四(8)均套在水平绝缘扁杆(10)上，滑块一(11)、滑块二(12)、滑块三(13)、滑块四(8)可在水平绝缘扁杆(10)上灵活的水平左右移动，水平绝缘扁杆(10)左右两端部分别装有阻隔件一(9)和阻隔件二(25)，支架一(26)顶部与底部分别连接绝缘外壳(7)和滚轮一(18)，支架二(27)顶部与底部分别连接绝缘外壳(7)和滚轮二(23)，中心轴线(24)为该平台的垂直中轴线；
第二步：对未知复杂大地进行测线划分，并进行视在电参数测量：首先将目标大地用正方形加对角线的方式进行划分，共需六条测线，划分的测线分别为测线一(28)、测线二(29)、测线三(30)、测线四(31)、测线五(32)、测线六(33)，测线一(28)、测线二(29)、测线三(30)、测线四(31)分别构成正方形大地的四条边测线，测线五(32)、测线六(33)分别构成正方形大地的两条对角测线，每条测线下，四个探针铜电极之间的距离两两相等，且探针铜电极一(19)与探针铜电极四(22)关于中心轴线(24)对称，且探针铜电极二(20) 与探针铜电极三(21)关于中心轴线(24)对称，滑动滑块一(11)、滑块二(12)、滑块三(13)、滑块四(8)，使探针铜电极之间的距离均为l，测试时先选好目标测线，然后通过四个推杆电机将对应的四个探针铜电极插入待测测线下的大地，频率电流信号发生装置(1)发出频率电流信号
Figure FDA0002689787310000021
电压采集记录装置(2)采集记录得到电压信号
Figure FDA0002689787310000022
则在测线m中的不同电极间距下，可测量得到探针铜电极之间的距离均为l下的等值视在电参数
Figure FDA0002689787310000023
将电极间距离变为2l、3l，所得等值视在电参数为
Figure FDA0002689787310000024
且不同测线下的电极间距均设置为l、2l、3l；
第三步：计算每条测线上的大地频域视在电参数理论值：
Figure FDA0002689787310000025
其中
Figure FDA0002689787310000026
为固定频率下的大地频域电参数理论值，复镜像阶数N1＝20；复镜像阶数N2＝8；μ为真空磁导率；σ1、ξ1分别为第一层大地电导率和第一层大地介电常数；
Figure FDA0002689787310000027
ω为角频率；qi、ηi、θi、τi分别为第i阶的下的复镜像系数；
第四步：建立目标适应度函数：
其中，M为变换不同电极间距的总测量次数，
Figure FDA0002689787310000029
分别为第m条测线下第s次测量下的大地复视在电参数理论推导值和实际测量值，ρf1,ξf1,ρf2,ξf2…,ρfn,ξfn分别为在频率为f1、f2…,fn条件下的大地各水平分层电阻率和介电常数，b为不同测线下改变电极间距的测量次数，通过基于量子搜索机制得到使测线上的大地视在电参数推导值逼近大地视在电参数测量值时的大地电参数结构，可以获得每个频率点下大地电参数结构ρf1,ξf1,ρf2,ξf2…,ρfn,ξfn；搜索方式：
Figure FDA00026897873100000210
xi,k为第k次迭代第i个大地电参数解、xi,k+1为第k+1次迭代第i个大地电参数解；Ek为第k次迭代的最佳大地参数解，
Figure FDA00026897873100000211
为第k次迭代第i个大地电参数解的平均值；g～U(0,1)，e为自然常数；P为种群个数，S是搜索步长，r、sr是相互独立的从区间[0,1]上的均匀随机分布函数得到的随机数；
第五步：评估大地复杂频域电参数结构，通过大地电参数测量值随电极间距变化曲线，计算纵向大地电参数结构评价因子AG、均匀大地电参数结构评价因子AU和横向大地电参数评价因子AH；
Figure FDA0002689787310000031
Figure FDA0002689787310000032
Figure FDA0002689787310000033
其中，M为变换不同电极间距的总测量次数，测线个数N＝6；每条测线下改变电极间距的测量次数b＝3；
综合上述计算，大地频域电参数结构综合评判因数A：
Figure FDA0002689787310000034
当A∈(-∞,-0.3)∪(0.3,+∞)时，表征目标场地的大地频域电参数结构为包含有特殊岩石块体或垂直裂缝存在的垂直分层大地频域电参数结构；当A∈[-0.3,0.3]时，满足水平分层模型，可获得相应的大地频域电参数结构解析解；对于A∈[-0.3,0)时，表征目标场地的大地频域电参数结构为水平三层大地结构；对于A＝0时，表征目标场地的大地频域电参数结构为水平一层大地结构；对于A∈(0,0.3]时，表征目标场地的大地频域电参数结构为水平二层大地结构；
第六步：不同目标场地下的大地频域电参数结构估计：根据目标场地要求，设置不同测线长度，并重复第三步和第四步，即可进行不同目标场地下的大地频域电参数结构评估。
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