本發(fā)明涉及電網仿真技術領域，特別是一種復雜場景工頻電場分析方法及系統(tǒng)。

背景技術：

工頻電磁場仿真計算在電網電磁環(huán)境評價與分析中越來越重要，它不僅關系到電網建設中變電站的規(guī)劃選址、輸電線路走廊的選取、架空導線的跨越高度及電力建設的費用等，而且關系到社會的和諧與穩(wěn)定。

現有的交流架空輸電線路工頻電場仿真計算只能計算理想場景下(如地面完全水平)的工頻電場，然而在工程實際中，高壓輸電線路經常會跨越丘陵、河谷、建筑物、樹木等障礙物，它們會對工頻場強產生畸變影響。在面對以上復雜場景時現有的計算分析工具無法滿足實際工程的需要。

技術實現要素：

本發(fā)明的一個目的就是提供一種輸電線下復雜場景工頻電場三維分析方法，它可以進行多種不同狀況下的復雜場景工頻電場計算分析，可以為輸電線下電磁環(huán)境分析與研究提供技術參考

本發(fā)明的該目的是通過這樣的技術方案實現的，具體步驟如下：

1)建立輸電線下復雜場景模型；

2)根據建立的輸電線下復雜場景，設置多個模擬電荷和匹配電，建立電位和電荷量間的電位矩陣方程，求解該矩陣方程，得到模擬電荷的量值；

3)設置校驗點并計算校驗點與匹配點的電位誤差，電位誤差包括有絕對誤差和相對誤差；

4)判斷電位誤差是否達到預設要求限值，若沒有達到，則返回步驟2)，若達到，則轉向步驟5)；

5)根據計算得到的模擬電荷的量值，計算三維工頻場。

進一步，步驟1)中所述建立輸電線下復場景模型的具體方法如下：

對輸電線下的各個復雜場景進行簡化，水平地面視為平整地面，凹凸地面簡化成半球形地面，建筑物視為長方體，樹木的樹干視為圓柱體，樹冠視為錐形；在建模過程中考慮鐵塔本身、金具和絕緣子的影響，同時考慮輸電導線的弧垂，將輸電線簡化為離散的點電荷模型；

對于分裂導線，將輸電導線等效處理為圓柱導線，此時的等效圓柱導線半徑可以采用等效半徑Ri來代替，其計算公式如下：

式中：R為分裂導線半徑，n為次導線根數，r為子導線半徑；

導線電壓已知，不考慮線路電壓降；同時將凹凸地面、斜坡地面、建筑物表面、樹木表面等物體的表面上的感應電荷等效為模擬點電荷。

進一步，步驟2)所述計算模擬電荷的量值的具體方法如下：

在設置模擬電荷和匹配點時：在計算場域設置多個模擬電荷，并在相關的導體表面設置匹配點，其匹配點的設置根據線型來設置匹配點與模擬電荷的距離、相位來設定匹配點的電位及線高來設定匹配點；

考慮導線上施加三相對稱正弦電壓，運用有效值相量表示電壓，則輸電線各相導線的相電壓可表示成：

各相電位實部和虛部計算公式如下：

式中的θ為初相角；考慮到輸電線路的實際運行情況，以額定電壓的1.05倍作為計算電壓，相電壓按下式計算：

在用模擬電荷法計算導線上的模擬電荷時，采用電位系數法,將導線上的電荷都用集中在導線中心的線電荷表示，可得下列方程：

式中：[U]—各導線對地電壓的列向量，其中n為架空導線的等效模擬電荷數目，m為復雜場景內設置的模擬電荷數目，其中U1、…、Un為n根架空導線的等效電荷的對地電壓；Un+1、…、Un+m為m個復雜場景的各個模型中的模擬電荷對應的匹配點的對地電壓，計算中視為零電位；[Q]—各導線上等效電荷的列向量，其中Q1、…、Qn為n根架空導線的等效的點電荷；Qn+1、…、Qn+m為m個復雜場景的表面的等效點電荷；[λ]—各導線(包括架空導線和復雜場景表面)的電位系數矩陣，此矩陣為n+m階方陣。

進一步，步驟5)中所述計算三維工頻場的具方法如下：

在相應位置求得的模擬電荷量值的基礎上，利用電荷計算周圍空間電場的迭代算法，計算開關場中各點的電場強度值；計算出模擬電荷值，再由疊加原理計算出n+m個模擬點電荷，包括架空導線和地面及復雜場景表面內，在空間任意點P(x，y，z)產生的電位；

在空間任意點P(x，y，z)產生的電場強度的分量分別為：

其中，

式中，x、y、z——空間任意點P的坐標；x_i、y_i、z_i——模擬電荷i的坐標(i＝1、2，…、m+n)；R_i——模擬電荷i至P點的距離；

按正弦電路的相量計算，將電壓分為實部分量和虛部分量，模擬電荷亦存在實部和虛部分量，電場強度的各分量也有虛部分量和實部分量，即：

式中，E_Px:P點電場強度的水平x分量；E_Py：P點電場強度的水平y(tǒng)分量；

E_Pz:P點電場強度的豎直z分量；E_xR:由各導線的實部電荷在P點產生的場強的水平x分量；E_xI:由各導線的虛部電荷在P點產生的場強的水平x分量；E_yR:由各導線的實部電荷在P點產生的場強的水平y(tǒng)分量；E_yI:由各導線的虛部電荷在P點產生的場強的水平y(tǒng)分量；E_zR:由各導線的實部電荷在P點產生的場強的豎直z分量；E_zI:由各導線的虛部電荷在P點產生的場強的豎直z分量；

P點的合成場強E_P為：

本發(fā)明的另一個目的就是提供一種輸電線下復雜場景工頻電場三維分析系統(tǒng)，它可以進行多種不同狀況下的復雜場景工頻電場計算分析，可以為輸電線下電磁環(huán)境分析與研究提供技術參考

本發(fā)明的該目的是通過這樣的技術方案實現的，所述系統(tǒng)包括有場景建模模塊、數據處理模塊、預測報告輸出模塊和優(yōu)化計算模塊；數據處理模塊從場景建模模塊中讀取數據并進行數據計算，優(yōu)化計算模塊和預測報告輸出模塊利用數據處理模塊生成的數據進行優(yōu)化比對，并生成報告。

進一步，所述場景建模模塊，完成場景圖形建模、包括斜坡、凹凸地形、山谷、水面場景、具有弧垂的輸電線路、不同塔型設施的建立及屬性設置，并能夠完成鐵塔與輸電線路之間的精準定位連線。

進一步，所述數據處理模塊，進行空間任意位置的三維工頻電場計算，完成電場的平面/立面網格數據計算；其中電場計算是整個計算的核心，負責計算特定場景下某條線路對某個接收點的電場影響，并將多條線路的計算結果進行合成得到某個接收點的最終三維工頻電場值，且為3D電場實時輸出提供數據；平面/立面網格數據計算按照用戶指定的面和網格大小計算出該平面的電場分布數據。

進一步，所述預測報告輸出模塊，包括電場衰減曲線、文檔報告、等值線、3D虛擬漫游，電場衰減曲線能夠計算出指定直線上的電場分布并生成電場分布曲線圖；文檔報告可輸出按照用戶需求定制的WORD2003/2007格式的計算報告；等值線能夠根據平面/立面網格數據生成該面上的全局和局部等值線并以顏色等多種方式展現；3D虛擬漫游根據場景信息以視頻和動畫的方式實時展示場景及電場分布。

進一步，所述優(yōu)化計算模塊，包括線路高度優(yōu)化和多方案比選優(yōu)化計算；線路優(yōu)化能夠輔助設計人員選擇最合適的線路高度；多方案比選能夠對多個方案對空間某些位置的電場/磁場影響進行的比較，輔助設計人員選擇最優(yōu)方案。

由于采用了上述技術方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點：

本發(fā)明針對復雜場景復雜的三維特性建立輸電線復雜場景的簡化模型，然后采用模擬電荷法，計算復雜場景中各點的電場強度值，繪制復雜場景內的工頻電場分布圖，從而為復雜場景中交流輸電線路電磁環(huán)境評價、工程規(guī)劃設計等提供技術參考。

本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書和權利要求書來實現和獲得。

附圖說明

本發(fā)明的附圖說明如下。

圖1是場源外點P₁的場量計算分析圖；

圖2是本發(fā)明提供的輸電線下復雜場景三維工頻電場分析方法的實施例的流程示意圖；

圖3是計算值與實測值和對比圖；

圖4是500kV輸電線下復雜場景的凸地形模型圖；

圖5是500kV輸電線下復雜場景的尖角斜坡地面模型圖；

圖6是500kV輸電線下復雜場景的建筑物與樹木并存模型圖；

圖7是輸電線下復雜場景的工頻電場三維仿真分析系統(tǒng)模塊圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。

本發(fā)明是在輸電線下復雜場景簡化的整體物理模型基礎上，依據等效原理，將空間中連續(xù)分布的體電荷外的場強計算等效成對閉合邊界面上的等效點電荷的電場計算得到，如圖1 所示。

其中：其依據的電磁場數值計算方法是模擬電荷法。

具體的，在計算輸電導線下的電場時，需要考慮的場源為帶輸電線表面的自由電荷和不同介質分界面上出現的極化電荷。由于這些電荷的分布情況未知，因此，根據電磁場的唯一性定理，按等效原理，將電極表面連續(xù)分布的自由電荷或介質分界面上的束縛電荷用一組離散的表面點等效電荷(即模擬電荷)來等效代替，再應用疊加原理將離散模擬電荷在空間中產生的場量疊加，得到原連續(xù)分布電荷所產生的空間電場分布。

以上問題的數學模型為以電位函數為未知量的邊值問題，即：

邊界條件：

分界面銜接條件：

等效模擬電荷設立條件是邊界條件和媒質分界面條件不變。在此基礎上，按匹配點計算電位，建立模擬電荷與電位的電位方程組：

解此方程組可計算出等效電荷的電量，再通過設置一些校驗點進行校驗，得到合乎要求的等效電荷，依據這些等效電荷就可以近似計算出場域中任意一點的電位和電場強度。

如圖2所示，本發(fā)明實施例提供的輸電線下復雜場景三維工頻電場分析方法的實施例的流程示意圖，

實施例：

測量地點為重慶大學城陳家橋500kV陳長I線2號塔與3號塔之間平坦處地面，其中輸電線的電壓為500kV，導線的懸掛高度H為24m，各相導線之間的間距為12m，其在輸電線正下方處將測量值與仿真值進行對比，布置30個測試點進行現場測試，測試所用設備：意大利PMM公司生產PMM8053A便攜式電磁場測試儀，測試過程中還利用數字式電子溫濕度計CW8056記錄了溫度、濕度。測試工作按照《輻射環(huán)境保護管理導則電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》(HJ/TIO.2-1996)和《工頻電場測量》(GBT12720)以及《高壓交流架空送電線路、變電站工頻電場和磁場測量方法》(DLT988-2005)進行。在設施正常工作時間內進行測量，測量時探頭高度離地1.5m，每個測點連續(xù)測3次，每次測量時間大于15s，讀取穩(wěn)定狀態(tài)的最大值。測試結果和輸電線下復雜場景工頻電場三維仿真分析方法計算的結果進行了對比，如表1所示。除測點10可能因畸變誤差相對較大，其余19個測點的誤差均在5％以內，證明了該計算方法在工程實際中的有效性和實用性。具體的如表1和圖3所示。

將輸電線與地面分開剖分，輸電線的Y，Z坐標都為定值，所以沿X軸方向剖分，其每個剖分單元的長度為LX。地面及山坡X軸和Y軸方向均做剖分，其沿X軸方向每個剖分單元的長度為DX，沿Y方向每個剖分單元的長度為DY，剖分單元的單位均為米(m)。其根據不同的剖分方案及f取值，校驗點取在輸電線的每個剖分單元的中點處得到的校驗點的相對誤差Δ％，計算得到的地面及山坡表面的校驗點的平均電勢為VJ，單位為伏(v)如表1所示，其中N為總的剖分單元個數，其相對誤差的計算公式Δ為

表1實測和計算對比結果

Tab.1Subdivision scheme and the calculation results

按表1的剖分方案，其在X＝0m處的截線對比結果如圖7所示

在輸電線下復雜場景工頻電場三維仿真分析方法的基礎上，本發(fā)明實施例還開發(fā)了一種輸電線下復雜場景的工頻電場三維仿真分析系統(tǒng)，包括如下模塊：場景建模、數據處理、預測報告輸出和優(yōu)化計算四大功能模塊，如圖7所示。

場景建模模塊：完成場景圖形建模、包括斜坡、凸凹地形、山谷及水面等場景、具有弧垂的輸電線路、不同塔型等其他設施的建立及屬性設置，并能夠完成鐵塔與輸電線路之間的精準定位連線。

數據處理模塊：進行空間任意位置的三維工頻電場計算，完成電場的平面/立面網格數據計算。其中電場計算是整個計算的核心，負責計算特定場景下某條線路對某個接收點的電場影響，并將多條線路的計算結果進行合成得到某個接收點的最終三維工頻電場值，且為3D電場實時輸出提供數據；平面/立面網格數據計算按照用戶指定的面和網格大小計算出該平面的電場分布數據。

預測報告輸出模塊：包括電場衰減曲線、文檔報告、等值線、3D虛擬漫游，電場衰減曲線能夠計算出指定直線上的電場分布并生成電場分布曲線圖；文檔報告可輸出按照用戶需求定制的WORD2003/2007格式的計算報告；等值線能夠根據平面/立面網格數據生成該面上的全局和局部等值線并以顏色等多種方式展現；3D虛擬漫游根據場景信息以視頻和動畫的方式實時展示場景及電場分布。

優(yōu)化計算模塊：包括線路高度優(yōu)化和多方案比選優(yōu)化計算。線路優(yōu)化能夠輔助設計人員選擇最合適的線路高度；多方案比選能夠對多個方案對空間某些位置的電場/磁場影響進行的比較，輔助設計人員選擇最優(yōu)方案。

軟件四個功能模塊的關系如下：數據處理模塊從模型中讀取數據并進行數據計算，優(yōu)化計算模塊和預測報告輸出模塊利用數據處理模塊生成的數據進行優(yōu)化比對和各種報告的生成。

最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。