一种变电站接地网水平拓扑结构探测方法及系统与流程

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1.本发明属于接地网拓扑结构探测技术领域，尤其涉及一种变电站接地网水平拓扑结构探测方法及系统。

背景技术：

2.接地网中大部分使用的是镀锌钢材料，这些材料在土壤中经过长时间的腐蚀，常会发生腐蚀变细的缺陷，严重时，甚至会出现断口，造成接地电阻增加，威胁设备和人身安全。因此，定期开挖抽查或排查工作是电力安全部门一项十分重要的防事故措施。变电站开挖工程动用的人力、物力巨大，为了避免开挖的盲目性，需要事先知道地下导体准确的拓扑结构。然而，投运多年的变电站接地网图纸往往因文档保存不善而丢失，或因为多次修补，其实际拓扑结构与设计图纸往往不一致，给开挖检修工作带来困难。
3.发明人发现，目前存在的利用电磁感应方法实现的变电站接地网安全状态检测装置，采用磁场强度检测线圈实现地表磁场强度检测，该线圈制作工艺复杂、检测精度低，检测设备笨重，不利于现场便捷操作；利用微分法对注入电流后的接地网上方磁场测量数据进行滤波和数值微分处理，可以直接绘制接地网的拓扑结构，可对接地网单个单体敷设位置进行检测，但对于接地网实际检测中的很多困难，比如接地引下线较多，工频磁场干扰，接地体深埋地表磁场强度衰减等问题，还没有很好的解决；重庆大学aamir qamar在王晓宇等人的基础上进行了深入研究，并提出了一种可以适用于现场不同埋设方式的接地网导体的拓扑结构进行检测，所研究的方法主要解决接地网单个导体的定位问题和接地网拓扑结构检测的问题，该方法在接地网的下引线注入一个一定幅值的电流，在附近的一个下引线流出，以注入点为圆心分别取d/3、d/2和2d/3为半径，测量圆周上的磁场分布，测量点的间隔为5cm，通过计算不同半径上的磁场强度的垂直分量的微分，判断接地网的敷设位置，在此基础上判断接地网的拓扑结构，该方法理论上可行，但实际现场操作性较低，测量方式繁琐，对现场测量人员要求较高。

技术实现要素：

4.本发明为了解决上述问题，提出了一种变电站接地网水平拓扑结构探测方法及系统，本发明可快捷绘制变电站接地网水平拓扑结构。
5.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
6.第一方面，本发明提供了一种变电站接地网水平拓扑结构探测方法，包括：
7.对接地网施加异频激励信号；
8.获取施加异频激励信号后接地网内的磁感应强度；
9.取垂直于接地体方向的磁感应强度数据，分别按照行排列和列排列对相邻数据进行差值计算；根据差值计算，重新构建磁感应强度数据微分数组；对重新构建的磁感应强度数据微分数组做微分计算，得到接地网导体位置和拓扑结构。
10.进一步的，根据变电站尺寸，建立磁感应强度数据数组；
11.记录第一点数据信息，以当前经纬度信息为原点；
12.实时获取空间经纬度信息及磁感应强度，计算当前位置的经纬度信息，并将磁感应强度数据存放到经纬度信息中，完成磁感应强度数据和坐标信息的转换；
13.分别按照行排列和列排列对相邻数据进行差值计算；
14.根据差值计算，重新构建磁感应强度数据微分数组，微分数组越大，位置存在接地网导体概率越大。
15.进一步的，根据微分数组，绘制等值线图。
16.进一步的，基于序贯概率比检验对接地网磁感应强度数据进行分析与评估，绘制接地网拓扑结构。
17.进一步的，概率系数初始化，读入观测数列后，对概率系数进行计算并与第一预设值和第二预设值进行比较，所述第一预设值小于所述第二预设值；当概率系数小于第一预设值时，判定数据正常，概率系数介于所述第一预设值和所述第二预设值之间，继续累积观测数列并进行比较，概率系数大于第二预设值时，判定为异常。
18.进一步的，当概率比累加出现负值时进行补偿，将判断参数补偿至零点附近。
19.进一步的，有导体，数据在一定值附近波动，存在带状效应；无导体，数据形不成带状效应。
20.第二方面，本发明还提供了一种变电站接地网水平拓扑结构探测系统，包括：
21.异频激励模块，被配置为：对接地网施加异频激励信号；
22.数据采集模块，被配置为：获取施加异频激励信号后接地网内的磁感应强度；
23.微分计算模块，被配置为：取垂直于接地体方向的磁感应强度数据，分别按照行排列和列排列对相邻数据进行差值计算；根据差值计算，重新构建磁感应强度数据微分数组；对重新构建的磁感应强度数据微分数组做微分计算，得到接地网导体位置和拓扑结构。
24.第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了第一方面所述的变电站接地网水平拓扑结构探测方法的步骤。
25.第四方面，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了第一方面所述的变电站接地网水平拓扑结构探测方法的步骤。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
27.本发明通过向接地网内施加异频激励信号，然后对施加异频激励信号的接地网进行探测，通过取垂直于接地体方向的磁感应强度数据，分别按照行排列和列排列对相邻数据进行差值计算；根据差值计算，重新构建磁感应强度数据微分数组；对重新构建的磁感应强度数据微分数组做微分计算，得到接地网导体位置和拓扑结构；在施加异频激励信号的基础上，通过差值计算和微分计算，可快捷绘制变电站接地网水平拓扑结构，测量方法简单，检测精度高，且不受接地体深埋地表磁场强度衰减等问题的影响。
附图说明
28.构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
29.图1为本发明实施例1的磁感应强度分布示意图；
30.图2为本发明实施例1的控制单元示意图；
31.图3为本发明实施例1的磁场检测流程图；
32.图4为本发明实施例1的x轴磁场检测电路；
33.图5为本发明实施例1的y轴磁场检测电路；
34.图6为本发明实施例1的通道切换电路；
35.图7为本发明实施例1的信号滤波及放大电路；
36.图8为本发明实施例1的无线通讯示意图；
37.图9为本发明实施例1的等值线图；
38.图10为本发明实施例1的接地网拓扑结构；
39.图11为本发明实施例1的检验流程示意图；
40.图12为本发明实施例1的常规诊断延时问题示意；
41.图13为本发明实施例1的判断系统补偿示意图。
具体实施方式：
42.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
43.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
44.变电站是电力系统的重要组成部分，其稳定性关系到电网的安全可靠运行。接地网是变电站安全运行的重要保证，其接地性能一直受到设计和生产运行部门的重视。接地网在变电站安全运行中，不仅为变电站内各种电气设备提供一个公共的电位参考地，在接地网遭受雷击或电力系统发生短路故障时，还能迅速排泄故障电流，并降低变电站的地电位升。接地网接地性能的优劣直接关系到变电站内工作人员的人身安全和各种电气设备的安全及正常运行。
45.接地网中大部分使用的是镀锌钢材料，这些材料在土壤中经过长时间的腐蚀，常会发生腐蚀变细的缺陷，严重时，甚至会出现断口，造成接地电阻增加，威胁设备和人身安全。因此，定期开挖抽查或排查工作是电力安全部门一项十分重要的防事故措施。变电站开挖工程动用的人力、物力巨大，为了避免开挖的盲目性，需要事先知道地下导体准确的拓扑结构。然而，投运多年的变电站接地网图纸往往因文档保存不善而丢失，或因为多次修补，其实际拓扑结构与设计图纸往往不一致，给开挖检修工作带来困难。
46.利用电磁感应寻接地网拓扑结构的方法最早由加拿大学者f.dawalibi提出。他提出利用电磁感应对接地网进行诊断。通过待诊断接地网一条引上线向接地网中注入一定大小、一定频率的正弦交变电流，通过另一条引上线抽取同样频率、同样大小的正弦交变电流，检测地表磁场强度，并依据地表磁场强度分布特征确定接地体的数目和位置。
47.正如背景技术中提出的，现有的利用电磁感应寻接地网拓扑结构的方法存在以下问题，探测时应用的装置采用磁场强度检测线圈实现地表磁场强度检测，线圈制作工艺复杂、检测精度低，检测设备笨重；对于接地网实际检测中的很多困难还没有很好的解决，比如接地引下线较多、工频磁场干扰和接地体深埋地表磁场强度衰减等；理论上可行，但实际现场操作性较低，测量方式繁琐，对现场测量人员要求较高。
48.实施例1：
49.针对现有的利用电磁感应寻接地网拓扑结构的方法存在的问题，本实施例提供了一种变电站接地网水平拓扑结构探测方法，包括：
50.对接地网施加异频激励信号；
51.获取施加异频激励信号后接地网内的磁感应强度；可以理解的，获取的磁感应强度为异频磁场信号；
52.取垂直于接地体方向的磁感应强度数据，分别按照行排列和列排列对相邻数据进行差值计算；根据差值计算，重新构建磁感应强度数据微分数组；对重新构建的磁感应强度数据微分数组做微分计算，得到接地网导体位置和拓扑结构。
53.通过向接地网内施加异频激励信号，然后对施加异频激励信号的接地网进行探测，通过取垂直于接地体方向的磁感应强度数据，对磁感应强度做微分计算得到接地网导体位置和拓扑结构，可快捷绘制变电站接地网水平拓扑结构，测量方法简单，检测精度高，且不受接地体深埋地表磁场强度衰减等问题的影响。
54.变电站地表磁场强度信号提取。变电站电气设备较多，各电气设备负荷较大，属于大电流，空间中存在较大的工频磁场(mt)，在接地引下注入的为异频电流，该电流弱小，在5～15a之间；在地表面产生的磁场强度弱小(nt)，本实施例设计了一种异频磁场微弱信号检测方案，该方案可以使用磁隧道传感器实现微弱磁场信号的检测，使用运放实现信号放大，然后使用运放实现信号的8阶带通滤波和信号放大，最后通过运放芯片实现信号的整流和积分功能，该信号最终直接输入到cpu模拟采集端口。其中，异频磁场可以理解为：不是50hz的工频磁场都属于异频磁场，为了刨除变电站工频对磁场采集的影响，所以用异频磁场。
55.变电站坐标信息检测。使用光栅传感器测量移动设备行进距离，采用imu传感器检测设备行进方向。
56.变电站接地网水平拓扑结构绘制算法。如图1所示，通过现场试验测量和仿真计算分析可知，当对接地网注入异频正弦波激励信号后，地表面磁感应强度的分布具有明显的规律性：靠近电流注入与抽出点的地表邻近区域，磁感应强度的值较大；沿垂直于注入与抽出电流方向的导体地表磁感应强度分布呈现波浪式变化，且每根导体上方出现一个峰值；沿注入与抽出电流方向的导体地表磁感应强度的变化较平缓，正常情况下，一般不存在突变和明显跌落的现象。根据此规律，可提取垂直于接地体方向的磁感应强度数据，并根据微分法确定变电站接地网水平拓扑结构。本实施例的具体实现算法如下：
57.对于接地网导体的轴向电流产生的磁感应强度，可表示为：
[0058][0059]
其中，表示线单元轴向电流在地表场点激发的磁感应强度；ie表示接地网导体线单元的轴向电流；r为线单元源点与地表场点间的位置矢量；μ0表示真空磁导率；dl表示电流的微小线元素。
[0060]
由上式可以得出，空间磁感应强度与导体轴向电流成正比，与位置矢量平方成反比。
[0061]
当检测不到接地网局部导体时，地表面磁感应强度很小且无较大变化，一旦检测到接地网局部导体时，地表面磁感应强度快速增大。根据此特征，对磁感应强度做微分算
法，可快速计算出接地网导体位置和拓扑结构；具体的：
[0062]
根据变电站尺寸，例如100米*100米，建立磁感应强度数据数组b[1000，1000]：
[0063][0064]
实时获取空间经纬度信息及磁感应强度，并记录开始检测后第一点数据信息(b0，n0，e0)，以当前经纬度信息为原点(b0，x0，y0)，并将数据存放到b[0，0]；其中，b为磁感应强度数据数组，b(i，j)为数组中的一数据；n为代表该点的纬度信息；e为该点的经度信息；x为将该点经纬度信息转变为距离信息后距离原点x轴的信息；y为将该点经纬度信息转变为距离信息后距离原点y轴的信息。
[0065]
实时获取空间经纬度信息及磁感应强度(b，n，e)，并计算当前位置的坐标信息(bn，xn，yn)，并将磁感应强度数据存放到b[xn，yn]，完成磁感应强度数据监测和坐标信息转换。
[0066]
由于磁感应强度数据数组b[1000，1000]存放为磁感应强度数据，并且相邻间隔数据为0.1米。分别按照行排列和列排列对相邻数据进行差值计算c
x
[xn，yn]＝b[xn，yn]-b[x
n-1
，yn]，cy[xn，yn]＝b[xn，yn]-b[xn，y
n-1
]。其中，c
x
[xn，yn]和cy[xn，yn]分别为矩阵对x轴和y轴的偏微分。
[0067]
重新构建磁感应强度数据微分数组c；其中，数组c各元素为：
[0068]
数组c[xn，yn]数据越大，代表该位置存在接地网导体概率越大。
[0069]
拓扑结构绘制算法，如图9所示，根据磁感应强度数据微分数组c的数据，绘制等值线图。
[0070]
过滤算法，数据推送到ai运算单元后，识别敏感数据，敏感数据可以理解的为存在接地网导体的数据，由于敏感数据分布范围较集中，且相近敏感数据变化较缓慢，采用合适的数据处理方法是一个关键问题。如图10所示，为了解决以上为题，本实施例中设计了基于序贯概率比对统计决策算法(sequential probability ratio test，sprt)对接地网磁感应强度数据进行分析与评估，并绘制接地网拓扑结构，基于序贯概率比对统计决策算法也可以称为基于序贯概率比检验。
[0071]
检测到的接地网电磁感应强度信号序列x1、x2、x3，
…
，xn，一般情况下应能满足均值为μ0，方差为σ2的正态分布。
[0072]
算法中对于观测样本数列，存在5种状态假设，如表1：
[0073]
表1 sprt假设种类
[0074][0075][0076]
其中，假设h0为正常状态假设(有导体)，h1、h2、h3、h4均为不同条件下的无导体状态假设。其中，系统扰动系数m和方差变化系数v需要根据接地网信息与诊断精确度决定。计算得到系统的判定系数如下：
[0077][0078]
其中，λi表示概率比；pr(x
p
|hi)表示样本满足hi假设时的观测样本数列x
p
的概率函数。同时假定α为错报概率，β为漏报概率，并令
[0079][0080][0081]
通过将sprti与a和b进行比较，判定是否接受h0状态，从而完成缺陷信号的识别。sprt概率比对的检验流程如图11所示。
[0082]
诊断初始将sprt概率系数初始化设为0，读入观测数列后，对概率系数sprti进行计算并与(a，b)进行比较，其决策规则为：当sprti小于a时，判定数据正常，将该概率系数置0，并由该点起重新开始计算观测数列；sprti介于a和b之间，继续累积观测数列并进行比较；sprti大于b时，判定为异常，产生报警信号，然后将概率系数sprti置0。sprti中系统扰动系数m、方差变化系数v、错报概率α和漏报概率β的确定直接关系到诊断的精度；a和b可以理解为通过计算得到的第一预设值和第二预设值。
[0083]
通过仿真与实验结果，有导体的正常状态下，敏感数据通常会在某一定值附近波动，存在带状效应且带状面积较小；无导体的异常状态下，敏感数据通常会大面积缺少或敏感数据形不成带状效应，所以实际引应用中，只需要考量正常状态假设h0和异常状态假设h1两种状态即可。则此时判定系数方程可以进一步推导如下：
[0084][0085]
其中：
[0086][0087]
由公式可知，在假设h0为真时，sprt概率比会持续积累一个负值，当假设h1为真时，该系数会持续积累一个正值，所以在缺陷出现之前，该系统概率比可能会产生较大的负数值积累，而当缺陷出现后，必须要累积一定量的正数值之后，才能使得概率比达到报警门限，这一过程就产生了缺陷诊断的延迟，如图12所示。
[0088]
如图12所示，可以看出，从t0时刻缺陷出现，直至t2时刻才对缺陷做出判断，由此导致了判断的延迟。
[0089]
为了避免这种确信判断延时，本实施例中增加了补偿优化算法，即当概率比累加出现负值时，对其及时进行补偿，将判断参数补偿至零点附近；补偿过程如图13所示。
[0090][0091]
通过偏差补偿，在线诊断模型可以更快、更准确的对接地网拓扑结构做出正确的判断。
[0092]
实施例2：
[0093]
本实施例基于电磁感应法设计了一种变电站接地网水平拓扑结构探测装置；该装置可以由移动小车、供电单元、通讯及控制单元和后台分析软件组成.
[0094]
其中，所述通讯及控制单元包括磁场检测、无线通讯和位置定位等部分；移动小车是装置移动载体，材料以非导磁材料为主，比如不锈钢和铝合金，底盘单元内置直流无刷电机，底盘内腔主要放置通讯及控制单元，底盘上部放置供电单元和通讯天线。
[0095]
本实施例中的通讯及控制单元如图2所示，磁场检测方案如图3所示，磁场检测由x轴磁场检测电路，y轴磁场检测电路，通道切换电路，信滤波放大电路组成。x轴磁场检测电路和y轴磁场检测电路实现地表面磁场强度信号的由磁信号到模拟信号的转换；通道切换电路由cpu控制，实现x和y轴两路信号的切换；信号放大电路实现模拟信号的放大；高阶带通电路实现模拟信号的滤波，滤除工频及其他杂波信号，放大430hz异频信号，该信号输出直接接入cpu ad采集通道。
[0096]
如图8所示，本实施例中，采用的无线通讯可以包括4g通讯和lora通讯两部分；其中，无线4g通讯与后台分析软件连接，实现数据和指令的远程功能；无线lora通讯与遥控终端连接，实现装置遥控行进功能。
[0097]
通过对接地网施加异频激励信号，该装置便捷移动与控制，可通过人工操作完成变电站接地网地表面磁场强度数据与位置信息探测，通过后台分析软件可快速完成变电站接地网水平拓扑结构的分析与探测。
[0098]
所述装置的工作方法与实施例1的变电站接地网水平拓扑结构探测方法相同，这里不再赘述。
[0099]
实施例：3：
[0100]
本实施例提供了一种变电站接地网水平拓扑结构探测系统，包括：
[0101]
异频激励模块，被配置为：对接地网施加异频激励信号；
[0102]
数据采集模块，被配置为：获取施加异频激励信号后接地网内的磁感应强度；
[0103]
微分计算模块，被配置为：取垂直于接地体方向的磁感应强度数据，对磁感应强度
做微分计算得到接地网导体位置和拓扑结构。
[0104]
所述系统的工作方法与实施例1的变电站接地网水平拓扑结构探测方法相同，这里不再赘述。
[0105]
实施例4：
[0106]
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了实施例1所述的变电站接地网水平拓扑结构探测方法的步骤。
[0107]
实施例5：
[0108]
本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了实施例1所述的变电站接地网水平拓扑结构探测方法的步骤。
[0109]
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

技术特征：

1.一种变电站接地网水平拓扑结构探测方法，其特征在于，包括：对接地网施加异频激励信号；获取施加异频激励信号后接地网内的磁感应强度；取垂直于接地体方向的磁感应强度数据，分别按照行排列和列排列对相邻数据进行差值计算；根据差值计算，重新构建磁感应强度数据微分数组；对重新构建的磁感应强度数据微分数组做微分计算，得到接地网导体位置和拓扑结构。2.如权利要求1所述的一种变电站接地网水平拓扑结构探测方法，其特征在于，根据变电站尺寸，建立磁感应强度数据数组；记录第一点数据信息，以当前经纬度信息为原点；实时获取空间经纬度信息及磁感应强度，计算当前位置的经纬度信息，并将磁感应强度数据存放到经纬度信息中，完成磁感应强度数据和坐标信息的转换；分别按照行排列和列排列对相邻数据进行差值计算；根据差值计算，重新构建磁感应强度数据微分数组，微分数组越大，位置存在接地网导体概率越大。3.如权利要求2所述的一种变电站接地网水平拓扑结构探测方法，其特征在于，根据微分数组，绘制等值线图。4.如权利要求3所述的一种变电站接地网水平拓扑结构探测方法，其特征在于，基于序贯概率比检验对接地网磁感应强度数据进行分析与评估，绘制接地网拓扑结构。5.如权利要求4所述的一种变电站接地网水平拓扑结构探测方法，其特征在于，概率系数初始化，读入观测数列后，对概率系数进行计算并与第一预设值和第二预设值进行比较，所述第一预设值小于所述第二预设值；当概率系数小于第一预设值时，判定数据正常，概率系数介于所述第一预设值和所述第二预设值之间，继续累积观测数列并进行比较，概率系数大于第二预设值时，判定为异常。6.如权利要求4所述的一种变电站接地网水平拓扑结构探测方法，其特征在于，当概率比累加出现负值时进行补偿，将判断参数补偿至零点附近。7.如权利要求1所述的一种变电站接地网水平拓扑结构探测方法，其特征在于，有导体，数据在一定值附近波动，存在带状效应；无导体，数据形不成带状效应。8.一种变电站接地网水平拓扑结构探测系统，其特征在于，包括：异频激励模块，被配置为：对接地网施加异频激励信号；数据采集模块，被配置为：获取施加异频激励信号后接地网内的磁感应强度；微分计算模块，被配置为：取垂直于接地体方向的磁感应强度数据，分别按照行排列和列排列对相邻数据进行差值计算；根据差值计算，重新构建磁感应强度数据微分数组；对重新构建的磁感应强度数据微分数组做微分计算，得到接地网导体位置和拓扑结构。9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现了如权利要求1-7任一项所述的变电站接地网水平拓扑结构探测方法的步骤。10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现了如权利要求1-7任一项所述的变电站接地网水平拓扑结构探测方法的步骤。

技术总结

本发明属于接地网拓扑结构探测技术领域，提供了一种变电站接地网水平拓扑结构探测方法及系统，通过向接地网内施加异频激励信号，然后对施加异频激励信号的接地网进行探测，通过取垂直于接地体方向的磁感应强度数据，分别按照行排列和列排列对相邻数据进行差值计算；根据差值计算，重新构建磁感应强度数据微分数组；对重新构建的磁感应强度数据微分数组做微分计算，得到接地网导体位置和拓扑结构；在施加异频激励信号的基础上，通过差值计算和微分计算，可快捷绘制变电站接地网水平拓扑结构，测量方法简单，检测精度高，且不受接地体深埋地表磁场强度衰减等问题的影响。地表磁场强度衰减等问题的影响。地表磁场强度衰减等问题的影响。