信息采集系统设计与优化方式研究——以输电线路信息采集系统为例.pdf

中国新技术新产品2024 NO.4（上）-31-信 息 技 术工频电场、工频磁场、噪声属于典型的电磁环境信息，为了满足输电线路的设计和运维管理要求，必须对电磁信息进行严格监测，使其符合国家相关标准。设计一套成本低、精度高、便于扩展的输电线路信息采集系统具有显著的工程应用价值，因此对其进行研究。1 输电线路信息采集问题描述及优化目标1.1 输电线路信息采集背景电磁环境影响了输电线路的选址和设备运维，并且高压输电线路在运行过程中会产生一定程度的电磁辐射，严重时可危害周边人员的健康。鉴于以上原因，电磁环境成为输电线路信息监测的重点，主要监测内容包括工频电场和磁场、可听噪声以及无线电干扰等1。虽然国内科研单位、高等院校以及企业在电磁监测方面取得了一定的研究成果，成功开发出一系列电磁环境检测仪器与设备，但是与国外的同类先进产品相比，仍然存在一定的差距。当前主流的电磁测量仪器来自德国的 nadar 公司和美国的 ETS-Lindgren 公司，其产品优势为测量精确、性能稳定，缺点为价格昂贵、通信规约不开放，国内企业难以对相关产品进行功能拓展。1.2 优化设计目标此次的优化目的是对标国外的先进电磁测量仪器，以特高压交流输电线路为监测对象，设计一套输电线路电磁环境参数采集系统，并且与同类先进产品进行对比，检验该系统的可靠性和精度。2 输电线路电磁信息采集系统优化设计2.1 特高压输电线路电磁场分布规律特高压输电线路的电磁场具有边值，为了便于分析电磁场的分布规律，可使用一系列子域对其进行离散化处理，通过简单插值函数来表示该未知子域。边值原本有无限多个自由度，引入简单插值函数后，可将其转化为有限自由度问题2。常用的简单插值函数为三角形线性插值有限元法，利用二维静磁场阐述其基本原理，如下所述。2.1.1 二维静磁场变分方程的基本原理图 1 是一个闭合区域，磁场在该区域内沿轴向均匀分布，因此在轴向形成了磁位矢量 As和电流密度矢量 Js。场域内的边值条件如公式（1）所示。?xxyysss11?AAJ （1）式中：为材料的磁导率；x 为闭合区域在 x 轴的空间位置；y 为闭合区域在 y 轴的空间位置；磁位矢量在 AB 和 CD 2 个方向的矢量和为 03。式（1）的变分方程如公式（2）所示。WAxAyA Jx ysssssA?1222?d d （2）式中：W（As）为二维静磁场的变分方程，其输入参数为磁位矢量 As。2.1.2 网格单元划分与合成2.1.2.1 网格单元划分在三角线性插值有限元法中，划分网格单元是第一步。对闭合区域进行离散化处理后，可产生一系列小区域，这些小区域可构成网格单元。二维小单元常采用矩形或者三角形，研究过程将网格单元设计为三角形，可得到单元 e 的矢量磁位线性插值函数 A，如公式（3）所示。A=NiAi+NjAj+NmAm （3）式中：i、j、m 为三角形单元 e 的 3 个顶点；Ni、Nj、Nm为 3个顶点处对应的形状函数；Ai、Aj、Am为 3 个顶点对应的磁位矢量。式（3）分别对 x、y 求偏导，结果如公式（4）所示。?Axeb Ab Ab AAyec Ac Ac Aiijjmmiijjmm1212?（4）式中：e 为三角形网格单元的面积；bi=yi-ym，bj=ym-yi，bm=yi-yj，ci=xm-xj，cj=xi-xm，cm=xj-xi；xi、xj、xm为 i、j、m 三个顶点的 x 轴坐标值，yi、yj、ym为 3 个顶点在 y 轴的坐标值。2.1.2.2 网格单元合成在整个闭合的求解区域内，共计形成了 E 个三角形的网信息采集系统设计与优化方式研究以输电线路信息采集系统为例刘俊林赵应禄张娟曲松云蒋晨平（国网河南省电力公司新野县供电公司，河南 南阳 473500）摘 要：电磁环境信息是输电线路运维管理的重要内容，研究过程旨在通过优化设计建立一套面向特高压交流输电线路的电磁信息采集系统。首先，该文分析了特高压输电的电磁场分布规律，利用 Ansoft Maxwell 软件进行仿真分析，掌握重要的电磁场参数。其次，根据相关参数选择信息采集系统的硬件设备，包括传感器、单片机等，设计开发软件系统，包括数据库、服务器、前端展示界面以及其他配套功能。最后，对设计完成的系统进行性能检测，将国外先进的电磁测量仪器作为对照组。结果显示，电场测量误差和磁场测量误差均不超过3%，精度和可靠性较高。关键词：输电线路；信息采集系统；网格单元中图分类号：TM76文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.4（上）-32-信 息 技 术格单元，对该区域内所有单元泛函进行求和，即可得到求解区域的能量泛函，再建立能量泛函的极值条件，根据极值条件解出方程，获得整个区域内的磁位矢量。2.1.3 输电线路电磁场分布规律仿真2.1.3.1 仿真方案以特高压输电线路电磁场分布规律的理论分析为基础，利用 Ansoft Maxwell 软件对其分布规律进行仿真模拟。仿真过程将 1000kV 三相输电线路作为模拟对象，导线弧度最低点和地面的距离设置为 15m，架设方式为分裂导线，分裂间距设置为 0.5m，一共为 6 根导线，相互之间的水平距离为 5.0m，模拟过程将大地的电势设置为 0。Ansoft Maxwell 软件的仿真步骤为创建项目绘制几何模型设置材料属性设置激励方式设置边界条件设置求解条件查看求解结果4。例如，当设置边界条件时，将工频电场和磁场分别设置为 Voltage、Current。2.1.3.2 仿真结果仿真结果反映了距离地面 1.5m 处垂直于导线方向的工频电磁场分布情况，结果显示，工频电场在距离导线中心左右10m 位置处出现了 2 个峰值，整体呈“马鞍”形，2 个峰值点对应的横坐标分别为 20m、40m，峰谷的横坐标为 30m，工频电场的峰值为 8kV/m，工频电场的谷值为 4kV/m5。工频磁场的模拟数据显示，其在导线中心处达到峰值 32T，从导线中心向两侧延伸，工频磁场的强度呈递减趋势，整体为先增大、后变小的趋势（见表 1）。表 1 输电线路电磁场分布规律仿真结果距离/m工频电场/kVm-1工频磁场/T03210变大20830440850变小分析表 1，研究人员可以了解距离地面 1.5m 处垂直于导线方向的工频电磁场分布情况。工频电场的峰值出现在20m和40m 处，分别为 8kV/m，谷值在 30m 处为 4kV/m。工频磁场在导线中心处达到峰值 32T，然后随着距离增加，呈递减趋势。2.2 输电线路电磁信息采集系统硬件设计输电线路电磁信息采集系统由 3 个部分构成，分别为采集装置、数据集成系统和数据展示系统，硬件设计方案如下。2.2.1 信息采集装置传感器选型信息采集装置由传感器、微控制器以及配套的电路和 A/D转换模块组成，传感器的类型主要有三维电场传感器、噪声传感器、三维磁场传感器、气压传感器、温度传感器。2.2.1.1 电场传感器设计工频电场测量传感器类型多样，包括平板型、悬浮型和光电型等。研究过程选用平板型传感器，其探头为 2 块平行的长方形铜板，分别代表 2 个极板。将探头放置在电场中，使电场方向与板面垂直，极板受到电场的作用，通过电荷积累形成感应电压。将待测电场的强度记为 E，如公式（5）所示。UEdqdS?（5）式中：U 为探头 2 个极板之间的电势差；d 为探头两极板之间的距离；为介质的介电常数；S 为单块板的面积；q 为铜板上积累的电荷量。电势差 U 和距离 d 均为可测量，由此可求解出电场强度 E 的数值。探头平板的长度为 l，宽度为a，平板之间的距离 d=2b。为了保证探头使用的便捷性，令a=0.08m，l=0.1m，b=0.02m。计算过程中将空气介电常数 取值为 8.85e-12F/m，通过计算机编程，可求出电场传感器的平行板电容 C=4.305pF。2.2.1.2 磁场传感器选型特高压输电线路在户外环境下运行，要求工频磁场测量传感器具备良好的环境适应性和可靠性。根据电磁场分布规律的仿真结果，输电线路附近的工频磁场峰值可达到 32T，研究过程选用霍尼韦尔公司的HMC1001和HMC1002型传感器，前者用于测量单轴磁场，后者用于测量双轴磁场，通过 2 种传感器的配合，实现 3 个方向的工频磁场测量6。传感器的测量范围为 100T，量程大于 32T，满足使用要求（见表 2）。2.2.1.3 环境传感器选型环境传感器包括噪声传感器、温湿度传感器和气压传感器，噪声传感器用于监测特高压输电线路在运行过程中产生的噪声。信息采集装置中设计有单片机，要求噪声传感器具备与单片机进行数据交互的能力。研究中选用CRY-2110型噪声传感器，通过 RS-485 接口实现数据上传。噪声传感器的性能参数见表3。温湿度传感器用于记录传输线路工作环境内的温度和湿度数据，采用瑞士 Sensirion 公司生产的 SHT15 型数字传感器，其湿度分辨率为 0.03%RH，湿度量程为 0100%RH，温度分辨率为 0.01，量程为-40 123.8。气压传感器的型号为 BMP085，测量范围在 110hPa300hPa，分辨率达到0.06hPa，功耗仅为 5A。表 3 CRY-2110 型噪声传感器的性能参数参数名称参数取值测量范围25dB130dB频率范围10Hz20kHzA/D采集速率48k/s分辨率0.1dB电源DC 5V30V2.2.2 单片机选型单片机是一种微控制器，根据实际情况，单片机用于实现信息采集系统的控制与通信，应含有多个 ADC 通道，支持USB 驱动功能。综合考虑兼容性、功能以及成本控制等因素，研究过程选用 STM32F103C8T6 型 32 为单片机。2.3 输电线路电磁信息采集系统软件设计2.3.1 程序设计示例电磁信息采集系统的程序功能包括主程序、ADC 模块程序、可编程运算放大器程序、蓝牙程序以及 IIC 通信程序，下面介绍部分程序的工作流程。表 2 磁场传感器型号选择及参数传感器型号测量类型测量范围环境适应性可靠性应用特点和备注HMC1001单轴磁场100T良好高用于测量特高压输电线路附近的单轴工频磁场HMC1002双轴磁场100T良好高适用于同时测量水平和垂直两个方向的工频磁场中国新技术新产品2024 NO.4（上）-33-信 息 技 术2.3.1.1 主程序设计主程序的工作流程为初始化读取温湿度数据读取气压数据采集电磁及环境参数判断是否达到多次采样的预设值如果未达到预设值，则再次进行采样如果达到预设值，则求出各通道的平均值数据处理和运算数据发送。2.3.1.2 ADC 模块程序设计信息采集装置的单片机内设计有 ADC 数模转化器，在使用过程中，需要编写 ADC 模块的控制程序，其实施流程如下：将定时器设置为中断状态起动 AD 转换模块读取 ADCO 寄存器保存数据计算采集次数 Count 如果Count 设定值，则程序结束。2.3.2 数据库设计2.3.2.1 数据库系统基本配置输电线路电磁信息具有稳定的结构，因此采用关系型数据库 Oracle，将其部署在 Intel 4 核处理器上，主频为 2.6Hz，运行内存为16GB，硬盘存储空间为250GB。软件系统的Web服务器为 Tomcat6.0，操作系统为 Windows Server 2008。2.3.2.2 数据表设计根据电磁信息采集的特点，需要设计一系列数据表，具体包括任务表（T_Task）、任务状态表（T_Task_Status）、测量类型表（T_Measure_Type）、测量对象表（T_Measure_Object）、测点统计表（T_Measure_Point）、标准表（T_Standard）等。以任务表为例，其字段类型见表 4。表 4 任务表主要字段示例字段名称字段含义字段类型TaskStatusID任务状态IDBIGINTMeasureTypeID测量类型IDBIGINTTaskContent任务内容VARCHAR（500）Operate操作CHAR（1）TransferTime任务下载时间DATEStartTime任务开始时间DATEEndTime任务截止时间DATETaskName任务名称VARCHAR（255）3 输电线路电磁信息采集系统性能测试3.1 性能测试方案为了检验电磁信息采集系统的性能，将 Narda 公司开发的EFA300型低频电磁分析仪作为对照组，该仪表性能先进、测量精确，能够检验信息采集系统的设计水平。3.1.1 工频电场测量选择某 1000kV 特高压交流输电线路的一个档距，将线路弧垂最大的点在地面上的投影作为监测原点，测量杆塔走廊方向左右两侧的电磁场，沿着线路走向，按照 1m 间距对称设置 50 个测点，测量距离地面 1.5m 处的工频电场。3.1.2 工频磁场测量工频磁场的测点布置方法、测量范围、测量仪器与工频电场基本相同，此处不再赘述。测量时的环境温度为 10，湿度达到 65%RH。3.2 性能测试结果分析表 5 和表 6 分别为工频电场、工频磁场的测量数据，从中可知，与高精度的 EFA300 型低频电磁分析仪相比，这次研究中所建立的输电线路电磁信息采集系统达到了较高的稳定性和精度。在电场测量中，50 个测点的相对误差在 2.93%2.99%。在磁场测量中，50 个测点的相对误差在2.18%2.29%，误差整体较小。4 结语从研究内容可知，特高压输电线路电磁信息采集系统由硬件和软件部分组成，硬件包括电场传感器、磁场传感器、环境传感器，软件部分包括前端管理和展示界面、数据库和服务器等。通过输电线路电磁环境理论分析和软件仿真，掌握特定范围内的电场、磁场参数，为后续的软硬件优化设计提供依据。在性能检测阶段，将先进的 EFA300型低频电磁分析仪作为对照，观察信息采集系统的精确性，结果显示，电场、磁场测量误差均不超过 3%，显示出优秀的测量精度。参考文献1 王威，李晓玲，聂凌霄，等.KRT 数据采集和信息管理系统优化设计 J.核电子学与探测技术，2023，43（2）：126-127.2 李杰，高树功，雷东.基于 AR 的变电站设备实体信息获取流程优化系统 J.现代电子技术，2022，45（2）：184-185.表 5 输电线路信息采集系统电场检测结果示例分类测点编号与中心点距离/m电磁分析仪/（kVm-1）信息采集系统/（kVm-1）相对误差/%工频电场测量数据103.6823.7952.99213.8703.9882.95324.2624.3922.96434.8875.0352.95545.5795.7482.93656.4336.6282.94表 6 输电线路信息采集系统磁场检测结果示例分类测点编号与中心点距离/m电磁分析仪/T信息采集系统/T相对误差/%工频磁场测量数据1031.07130.3942.182129.78329.1342.183227.84227.2352.184327.56326.9622.185426.61426.0342.186524.19723.5712.18