CN112649883B - 一种电性源时变接地负载的测量和参数提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电性源时变接地负载的测量和参数提取方法，根据实际电性源工作方式和负载构成，建立电性源时变接地负载等效电路模型；分别采用1次恒压直流供电和多次不同频率的正弦交流供电激励，测量输出的电压和电流的幅值、相位；将电性源等效电路模型转换为相量模型，根据多次测量的数据建立目标函数并设定约束范围；采用粒子群归一算法实现参数提取，迭代过程中成比例调整最优解粒子的各维度位置，使各维度的约束范围在同一数量级；发射系统控制时序实现动态负载实时匹配。本发明的目的在于考虑了实际电性源负载的时变特性和复杂构成，能够保证正常工作时发射电流波形的线性度，提取结果有利于剔除数据中一次场和实现目标地下介质的反演。

Description

一种电性源时变接地负载的测量和参数提取方法

技术领域

本发明涉及地球物理勘探领域，具体地来讲为一种电性源时变接地负载的测量和参数提取方法。

背景技术

在地球物理勘探领域，当采用电性源勘探方法(特别是在可控源音频大地电磁法(CSAMT)、瞬变电磁法(TEM)、频率域激发极化法(SIP))时，通常采用大功率发射系统供电，经长导线向大地发射大电流，实现地下介质的激励。在实际野外工作中，发射电流的大小和关断时间主要取决于负载电阻，其中负载电阻一般由供电电缆的阻抗、接地电极与土壤的接触阻抗和地下地质体阻抗组成。为提高发射能量，需要减小负载电阻，而电极间的距离由探测方案决定，因此可以人工调整的部分只有接触阻抗。实际施工中，采用大面积接地电极和增加盐水来降低接触阻抗。过去通常认为电性源负载电阻的阻值是始终不变的。然而在工作过程中电流会导致电极坑内的带电粒子移动，产生极化效应，使接触阻抗除了电阻特性还体现出电容特性。随着电流大小与时间的累积，接地电极发热和盐水流失都会导致接地电极与土壤的接触阻抗发生变化。随时间变化的电性源负载阻抗，不仅会影响发射电流的幅值大小，也会改变发射电流的关断时间和上升沿、下降沿的波形，影响和干扰了对后续被测数据的处理，无法准确剔除一次磁场。因此，针对以上情况，建立电性源负载阻抗的等效电路模型，基于现有发射系统硬件条件，准确地实现电性源负载测量和阻抗参数提取是十分必要的。

目前对于实际电性源勘探负载测量和参数提取的方法中，最为广泛的就是在勘探过程中采集发射电压和发射电流的幅值，根据欧姆定律计算负载阻抗。刘俊峰对电性源发射端接地电阻的布置方法进行了分析，但其目的是研究如何降低接触电阻值，而忽略了大面积接地电极和增加盐水的处理方法都会使接地阻抗随时间发生改变。陈文广研究了土壤电阻率在交流电流下的变化规律，虽然仅适用于变电站接地网络的分析，仍在一定程度说明接地电极与土壤的接触阻抗与发射电流密度有关，具有极化效应，并不是恒定不变的。

CN106950432A公开了一种地表长导线多频率电感测量方法及电路，用已知的电压信号源向长导线和已知阻值的标准电阻的串联回路供电，通过直流和交流供电分别求得两端接地长导线的电感值和电阻值。但是该方法只是简单的认为两端接地长导线的电抗只由电阻和电感构成，参数的计算方法过于简单，忽略了接地电极与土壤的接触阻抗的极化效应的复杂性。对于电性源负载阻抗而言，除了考虑供电长导线的阻抗的影响，还要考虑接地电极与土壤的接触阻抗和地下地质体的阻性。

CN111398686A公开了一种接地电阻测量系统，通过电阻测量仪直接测量接地装置的接地电阻，并将测得的电阻测量值与数据库中的历史电阻测量数据对比，判断当前所测电阻值的准确性。但是该方法主要解决的问题是保存和对比同一测点的测量数据，显然对于地球物理勘探领域来讲，大多数情况都是面临不同地域进行勘探，每次因为地下介质的不同和接地电极的重新布置都会导致电性源的负载不同，因此虽然也要保存和对比被测阻抗大小，更重要的是改进测量方法和提取各个结构的阻抗参数。

发明内容

本发明的目的在于针对现有电性源发射系统的负载测量方法过于简单，而实际电性源负载构成复杂、具有极化效应且随时间变化，建立了电性源负载等效电路模型，基于现有发射系统硬件条件，提供一种电性源时变接地负载的测量和参数提取方法。

本发明是这样实现的，

一种电性源时变接地负载的测量和参数提取方法，该方法包括：

1)铺设长导线并测量长导线电感L和长导线电阻R_L，长导线两端通过铺有锡纸、浇灌盐水的电极坑与大地连接，通过发电机经电性源发射系统与长导线相连；

2)根据电性源负载的构成，建立电性源负载等效电路模型；

3)控制电性源发射系统向电性源负载提供恒压直流电，通过电压电流传感器测量直流电压值U_d和通过长导线的电流值I_d

4)控制电性源发射系统向电性源负载分别提供n种不同频率ω₁，ω₂，……，ω_n的正弦交流电，其中n≥6，通过电压电流传感器分别测量n种频率对应的交流电压幅值和通过长导线的电流幅值，以及电压相位和电流相位；

5)将电性源负载等效电路模型转换为相量模型，将恒压直流电和n种频率正弦交流电激励下的方程组作为目标函数，根据步骤1)、步骤3)和步骤4)的测量结果设定各个参数的初始约束范围，基于粒子群归一算法实现对7个未知参数的提取；

6)在工作前和每1小时的工作间隔都重复一次步骤3)至步骤5)，纪录电性源时变接地负载参数，并调整发射系统控制时序实现动态负载匹配，使发射电流波形保持较好的线性度。

进一步地，步骤2)中的电性源负载等效电路模型，包括可以直接测得的长导线电感L和长导线电阻R_L，以及未知的电极间大地电阻R_ee和两个接地电极分别与大地的接触阻抗，其中每个接触阻抗的极化特性分别由Debye模型的3个参数表示，即分别为由土壤电阻R_e1、极化电容C_p1和极化回路电阻R_p1构成的第一接触阻抗和由土壤电阻R_e2、极化电容C_p2和极化回路电阻R_p2构成的第二接触阻抗，所述等效电路模型电性源负载等效电路模型的阻抗相量表达式为：

式中，ω为频率。

进一步地，步骤3)中控制电性源发射系统向电性源负载提供恒压直流电，电性源负载等效电路模型在稳定状态下，被测电压U_d、电流I_d与负载的关系为：

进一步地，步骤4)中电性源负载等效电路模型在正弦稳态下，n种频率对应的交流电压幅值U_cn和通过长导线的电流幅值I_cn、以及电压对应的相位

和电流对应的相位

与负载的相量关系为：

进一步地，步骤5)中粒子群归一算法具体包含以下步骤：

步骤Ⅰ将步骤3和步骤4联立得到的方程组构建为目标函数，初始化种群个体的数量、位置和速度，计算各个粒子的适应度，并初始化个体最优解p_ij和整体最优解pg，设置位置和速度的初始约束范围，其中空间维数为7维；

步骤Ⅱ迭代过程中，计算每个粒子适应度，根据下式更新粒子的速度和位置：

式中，c₁＝c₂＝2，为学习因子；w＝0.6，为适应度；r₁和r₂为[0,1]范围内的均匀随机数；

步骤Ⅲ迭代过程中，当粒子的速度或位置超出约束范围时，对速度或位置按照约束范围的上限或下限重新赋值，同时更新个体最优解p_ij和整体最优解pg；

步骤Ⅳ迭代过程中，每经过m次迭代，比较1次整体最优解pg的各维度数值的数量级，若该粒子位置的7个维度中，最大数值是最小数值的10ⁿ，n≥1倍，则分别成比例的按照10ⁿ，n≥1倍调整该粒子的位置和速度，使各维度的约束范围在同一数量级上，同时调整目标函数中该维度对应的比例；

步骤Ⅴ判断是否达到最大迭代次数或适应度小于目标值，若是，获得整体最优解pg，输出被提参数值；否则返回步骤Ⅱ继续执行。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明的电性源时变接地负载的测量和参数提取方法，相比传统电性源负载测量方法，更加符合实际负载构成和时变特性，提出电性源负载等效电路模型，基于多种激励方式和粒子群归一算法实现电性源时变接地负载的测量和模型参数的提取，通过电性源发射系统负载动态匹配，保证发射电流波形的线性度和一致性，有利于剔除数据中的一次场和实现目标地下介质的反演。

附图说明

图1是电性源时变接地负载的测量和参数提取方法流程图；

图2是电性源负载等效电路模型图；

图3是电性源负载等效电路相量图；

图4是粒子群归一算法流程图；

图5是参数提取结果的适应度曲线；

图6是根据图5参数提取结果与原参数在相同双极性方波电压下的电流波形对比图；

图7是图6两个电流波形的相对误差。

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。

本发明根据实际电性源负载的构成，建立电性源负载等效电路模型，通过直流供电和多频正弦交流供电激励，测量获得不同情况下的电压、电流数据，基于粒子群归一算法实现模型中未知参数的提取，并通过基于提取结果计算的电性源发射系统的仿真电流波形与实际电流波形比较，验证提取结果的准确性，流程图如图1所示。

本发明是这样实现的，一种电性源时变接地负载的测量和参数提取方法包括：

1)铺设长导线并测量长导线电感L和长导线电阻R_L，长导线两端通过铺有锡纸、浇灌盐水的电极坑与大地连接，通过发电机经电性源发射系统与长导线相连；

2)根据电性源负载的构成，建立电性源负载等效电路模型，如图2所示。模型不仅包括可以直接测得的长导线电感L、以及长导线电阻R_L，还包括未知的电极间大地电阻R_ee和两个接地电极分别与大地的接触阻抗。接触阻抗的极化特性分别由Debye模型的3个参数表示，即分别为由土壤电阻R_e1、极化电容C_p1和极化回路电阻R_p1构成的接触阻抗1和由土壤电阻R_e2、极化电容C_p2和极化回路电阻R_p2构成的接触阻抗2。该等效电路模型的阻抗相量如图3所示，相量表达式为：

式中，ω为频率。

根据模型原理可知，电极间大地电阻R_ee和长导线电感L、电阻R_L在稳定工作过程中的参数是非时变的；接地电极与大地接触电阻R_e受到电极发热和盐水流失的影响会随时间变化。对于电性源发射系统而言，存在两个接地极与大地相连，因此每个电极与大地的接触阻抗分别由Debye模型表示，与频率和时间有关。所以，通过步骤1测量长导线电感L和长导线电阻R_L，通过步骤3-5提取电性源负载等效电路模型的7个未知参数，其中未知参数包括电极间大地电阻R_ee、土壤电阻R_e1、极化电容C_p1和极化回路电阻R_p1、土壤电阻R_e2、极化电容C_p2和极化回路电阻R_p2。

3)控制电性源发射系统向电性源负载提供恒压直流电，通过电压电流传感器测量直流电压值U_d和通过长导线的电流值I_d，此时电性源负载等效电路模型在稳定状态下，被测电压U_d、电流I_d与负载的关系为：

4)控制电性源发射系统向电性源负载分别提供n种(n≥6)不同频率(ω₁，ω₂，……，ω_n)的正弦交流电，通过电压电流传感器分别测量n种频率对应的交流电压幅值(U_c1，U_c2，……，U_cn)和通过长导线的电流幅值(I_c1，I_c2，……，I_cn)，以及电压对应的相位

和电流对应的相位

此时电性源负载等效电路模型在正弦稳态下，n种频率对应的被测数据与负载的相量关系为：

5)将电性源负载等效电路模型转换为相量模型，在恒压直流电和n种不同频率(ω₁，ω₂，……，ω_n)的正弦交流电激励下得到的方程组作为目标函数，根据步骤1、3、4的测量结果设定各个参数约束范围，基于粒子群归一算法实现对7个未知参数的提取；

粒子群归一算法的流程图如图4所示，具体包含以下步骤：

Ⅰ将步骤3和步骤4联立得到的方程组构建为目标函数，初始化种群个体的数量、位置和速度，计算各个粒子的适应度，并初始化个体最优解p_ij和整体最优解pg，设置位置和速度的初始约束范围，其中空间维数为7维；

Ⅱ迭代过程中，计算每个粒子适应度，根据下式更新粒子的速度和位置：

式中，c₁＝c₂＝2，为学习因子；w＝0.6，为适应度；r₁和r₂为[0,1]范围内的均匀随机数。

Ⅲ迭代过程中，当粒子的速度或位置超出约束范围时，对速度或位置按照约束范围的上限或下限重新赋值，同时更新个体最优解p_ij和整体最优解pg；

Ⅳ迭代过程中，每经过m次迭代(一般m＝50)，比较1次整体最优解pg的各维度数值的数量级，若该粒子位置的7个维度中，最大数值是最小数值的10ⁿ(n≥1)倍，则分别成比例的按照10ⁿ(n≥1)倍调整该粒子的位置和速度，使各维度的约束范围在同一数量级上，同时调整目标函数中该维度对应的比例；

Ⅴ判断是否达到最大迭代次数或适应度小于目标值，若是，获得整体最优解pg，输出被提参数值；否则返回步骤Ⅱ继续执行。

6)在工作前和每1小时的工作间隔都重复一次步骤3至步骤5，记录电性源时变接地负载参数，并调整发射系统控制时序实现动态负载匹配，使发射电流波形保持较好的线性度，为后续电磁探测数据的处理提供保障，有利于对地下介质的反演。

设电性源负载等效电路模型各参数如下：L＝1×10^-3H，R_L＝10Ω，R_ee＝5Ω，R_e1＝10Ω，C_p1＝1×10^-4F，R_p1＝10Ω，R_e2＝5Ω，C_p2＝1×10^-3F，R_p2＝5Ω。基于以上方法，对该电性源负载进行测量和参数提取，适应度曲线如图5所示。并比较了提取结果与原参数在相同双极性方波电压下的电流波形对比，如图6所示。图7是两者的相对误差。

Claims (4)

1.一种电性源时变接地负载的测量和参数提取方法，其特征在于，该方法包括：

1)铺设长导线并测量长导线电感L和长导线电阻R_L，长导线两端通过铺有锡纸、浇灌盐水的电极坑与大地连接，通过发电机经电性源发射系统与长导线相连；

2)根据电性源负载的构成，建立电性源负载等效电路模型；

3)控制电性源发射系统向电性源负载提供恒压直流电，通过电压电流传感器测量直流电压值U_d和通过长导线的电流值I_d；

4)控制电性源发射系统向电性源负载分别提供n种不同频率ω₁，ω₂，……，ω_n的正弦交流电，其中n≥6，通过电压电流传感器分别测量n种频率对应的交流电压幅值和通过长导线的电流幅值，以及电压相位和电流相位；

5)将电性源负载等效电路模型转换为相量模型，将恒压直流电和n种频率正弦交流电激励下的方程组作为目标函数，根据步骤1)、步骤3)和步骤4)的测量结果设定各个参数的初始约束范围，基于粒子群归一算法实现对7个未知参数的提取；

在工作前和每1小时的工作间隔都重复一次步骤3)至步骤5)，记录电性源时变接地负载参数，并调整发射系统控制时序实现动态负载匹配，使发射电流波形保持较好的线性度；

步骤2)中的电性源负载等效电路模型，包括直接测得的长导线电感L和长导线电阻R_L，以及未知的电极间大地电阻R_ee和两个接地电极分别与大地的接触阻抗，其中每个接触阻抗的极化特性分别由Debye模型的3个参数表示，即分别为由土壤电阻R_e1、极化电容C_p1和极化回路电阻R_p1构成的第一接触阻抗和由土壤电阻R_e2、极化电容C_p2和极化回路电阻R_p2构成的第二接触阻抗，所述等效电路模型电性源负载等效电路模型的阻抗相量表达式为：

式中，ω为频率。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中控制电性源发射系统向电性源负载提供恒压直流电，电性源负载等效电路模型在稳定状态下，被测电压U_d、电流I_d与负载的关系为：

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中电性源负载等效电路模型在正弦稳态下，n种频率对应的交流电压幅值U_cn和通过长导线的电流幅值I_cn、以及电压对应的相位

和电流对应的相位

与负载的相量关系为：

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5)中粒子群归一算法具体包含以下步骤：

步骤Ⅰ将步骤3和步骤4联立得到的方程组构建为目标函数，初始化种群个体的数量、位置和速度，计算各个粒子的适应度，并初始化个体最优解p_ij和整体最优解pg，设置位置和速度的初始约束范围，其中空间维数为7维；

步骤Ⅱ迭代过程中，计算每个粒子适应度，根据下式更新粒子的速度和位置：

式中，c₁＝c₂＝2，为学习因子；w＝0.6，为适应度；r₁和r₂为[0,1]范围内的均匀随机数；

步骤Ⅲ迭代过程中，当粒子的速度或位置超出约束范围时，对速度或位置按照约束范围的上限或下限重新赋值，同时更新个体最优解p_ij和整体最优解pg；

步骤Ⅳ迭代过程中，每经过m次迭代，比较1次整体最优解pg的各维度数值的数量级，若该粒子位置的7个维度中，最大数值是最小数值的10ⁿ，n≥1倍，则分别成比例的按照10ⁿ，n≥1倍调整该粒子的位置和速度，使各维度的约束范围在同一数量级上，同时调整目标函数中该维度对应的比例；

步骤Ⅴ判断是否达到最大迭代次数或适应度小于目标值，若是，获得整体最优解pg，输出被提参数值；否则返回步骤Ⅱ继续执行。

Images