信息采集系統設計與優化方式研究

摘 要：電磁環境信息是輸電線路運維管理的重要內容，研究過程旨在通過優化設計建立一套面向特高壓交流輸電線路的電磁信息采集系統。首先，該文分析了特高壓輸電的電磁場分布規律，利用Ansoft Maxwell軟件進行仿真分析，掌握重要的電磁場參數。其次，根據相關參數選擇信息采集系統的硬件設備，包括傳感器、單片機等，設計開發軟件系統，包括數據庫、服務器、前端展示界面以及其他配套功能。最后，對設計完成的系統進行性能檢測，將國外先進的電磁測量儀器作為對照組。結果顯示，電場測量誤差和磁場測量誤差均不超過3%，精度和可靠性較高。

關鍵詞：輸電線路；信息采集系統；網格單元

中圖分類號：TM 76" " " 文獻標志碼：A

工頻電場、工頻磁場、噪聲屬于典型的電磁環境信息，為了滿足輸電線路的設計和運維管理要求，必須對電磁信息進行嚴格監測，使其符合國家相關標準。設計一套成本低、精度高、便于擴展的輸電線路信息采集系統具有顯著的工程應用價值，因此對其進行研究。

1 輸電線路信息采集問題描述及優化目標

1.1 輸電線路信息采集背景

電磁環境影響了輸電線路的選址和設備運維，并且高壓輸電線路在運行過程中會產生一定程度的電磁輻射，嚴重時可危害周邊人員的健康。鑒于以上原因，電磁環境成為輸電線路信息監測的重點，主要監測內容包括工頻電場和磁場、可聽噪聲以及無線電干擾等[1]。雖然國內科研單位、高等院校以及企業在電磁監測方面取得了一定的研究成果，成功開發出一系列電磁環境檢測儀器與設備，但是與國外的同類先進產品相比，仍然存在一定的差距。當前主流的電磁測量儀器來自德國的nadar公司和美國的ETS-Lindgren公司，其產品優勢為測量精確、性能穩定，缺點為價格昂貴、通信規約不開放，國內企業難以對相關產品進行功能拓展。

1.2 優化設計目標

此次的優化目的是對標國外的先進電磁測量儀器，以特高壓交流輸電線路為監測對象，設計一套輸電線路電磁環境參數采集系統，并且與同類先進產品進行對比，檢驗該系統的可靠性和精度。

2 輸電線路電磁信息采集系統優化設計

2.1 特高壓輸電線路電磁場分布規律

特高壓輸電線路的電磁場具有邊值，為了便于分析電磁場的分布規律，可使用一系列子域對其進行離散化處理，通過簡單插值函數來表示該未知子域。邊值原本有無限多個自由度，引入簡單插值函數后，可將其轉化為有限自由度問題[2]。常用的簡單插值函數為三角形線性插值有限元法，利用二維靜磁場闡述其基本原理，如下所述。

2.1.1 二維靜磁場變分方程的基本原理

圖1是一個閉合區域，磁場在該區域內沿軸向均勻分布，因此在軸向形成了磁位矢量As和電流密度矢量Js。場域內的邊值條件如公式（1）所示。

（1）

式中：μ為材料的磁導率；x為閉合區域在x軸的空間位置；y為閉合區域在y軸的空間位置；磁位矢量在AB和CD 2個方向的矢量和為0[3]。式（1）的變分方程如公式（2）所示。

（2）

式中：W（As）為二維靜磁場的變分方程，其輸入參數為磁位矢量As。

2.1.2 網格單元劃分與合成

2.1.2.1 網格單元劃分

在三角線性插值有限元法中，劃分網格單元是第一步。對閉合區域進行離散化處理后，可產生一系列小區域，這些小區域可構成網格單元。二維小單元常采用矩形或者三角形，研究過程將網格單元設計為三角形，可得到單元e的矢量磁位線性插值函數A，如公式（3）所示。

A=NiAi+NjAj+NmAm " " （3）

式中：i、j、m為三角形單元e的3個頂點；Ni、Nj、Nm為3個頂點處對應的形狀函數；Ai、Aj、Am為3個頂點對應的磁位矢量。式（3）分別對x、y求偏導，結果如公式（4）所示。

（4）

式中：Δe為三角形網格單元的面積；bi=yi-ym，bj=ym-yi，bm=yi-yj，ci=xm-xj，cj=xi-xm，cm=xj-xi；xi、xj、xm為i、j、m三個頂點的x軸坐標值，yi、yj、ym為3個頂點在y軸的坐標值。

2.1.2.2 網格單元合成

在整個閉合的求解區域內，共計形成了E個三角形的網格單元，對該區域內所有單元泛函進行求和，即可得到求解區域的能量泛函，再建立能量泛函的極值條件，根據極值條件解出方程，獲得整個區域內的磁位矢量。

2.1.3 輸電線路電磁場分布規律仿真

2.1.3.1 仿真方案

以特高壓輸電線路電磁場分布規律的理論分析為基礎，利用Ansoft Maxwell軟件對其分布規律進行仿真模擬。仿真過程將1000kV三相輸電線路作為模擬對象，導線弧度最低點和地面的距離設置為15m，架設方式為分裂導線，分裂間距設置為0.5m，一共為6根導線，相互之間的水平距離為5.0m，模擬過程將大地的電勢設置為0。Ansoft Maxwell軟件的仿真步驟為創建項目→繪制幾何模型→設置材料屬性→設置激勵方式→設置邊界條件→設置求解條件→查看求解結果[4]。例如，當設置邊界條件時，將工頻電場和磁場分別設置為Voltage、Current。

2.1.3.2 仿真結果

仿真結果反映了距離地面1.5m處垂直于導線方向的工頻電磁場分布情況，結果顯示，工頻電場在距離導線中心左右10m位置處出現了2個峰值，整體呈“馬鞍”形，2個峰值點對應的橫坐標分別為20m、40m，峰谷的橫坐標為30m，工頻電場的峰值為8kV/m，工頻電場的谷值為4kV/m[5]。工頻磁場的模擬數據顯示，其在導線中心處達到峰值32μT，從導線中心向兩側延伸，工頻磁場的強度呈遞減趨勢，整體為先增大、后變小的趨勢（見表1）。

表1 輸電線路電磁場分布規律仿真結果

距離/m 工頻電場/kV·m-1 工頻磁場/μT

0 32

10 變大

20 8

30 4

40 8

50 變小

分析表1，研究人員可以了解距離地面1.5m處垂直于導線方向的工頻電磁場分布情況。工頻電場的峰值出現在20m和40m處，分別為8kV/m，谷值在30m處為4kV/m。工頻磁場在導線中心處達到峰值32μT，然后隨著距離增加，呈遞減趨勢。

2.2 輸電線路電磁信息采集系統硬件設計

輸電線路電磁信息采集系統由3個部分構成，分別為采集裝置、數據集成系統和數據展示系統，硬件設計方案如下。

2.2.1 信息采集裝置傳感器選型

信息采集裝置由傳感器、微控制器以及配套的電路和A/D轉換模塊組成，傳感器的類型主要有三維電場傳感器、噪聲傳感器、三維磁場傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器。

2.2.1.1 電場傳感器設計

工頻電場測量傳感器類型多樣，包括平板型、懸浮型和光電型等。研究過程選用平板型傳感器，其探頭為2塊平行的長方形銅板，分別代表2個極板。將探頭放置在電場中，使電場方向與板面垂直，極板受到電場的作用，通過電荷積累形成感應電壓。將待測電場的強度記為E，如公式（5）所示。

（5）

式中：U為探頭2個極板之間的電勢差；d為探頭兩極板之間的距離；ε為介質的介電常數；S為單塊板的面積；q為銅板上積累的電荷量。電勢差U和距離d均為可測量，由此可求解出電場強度E的數值。探頭平板的長度為l，寬度為a，平板之間的距離d=2b。為了保證探頭使用的便捷性，令a=0.08m，l=0.1m，b=0.02m。計算過程中將空氣介電常數ε取值為8.85e-12F/m，通過計算機編程，可求出電場傳感器的平行板電容C=4.305pF。

2.2.1.2 磁場傳感器選型

特高壓輸電線路在戶外環境下運行，要求工頻磁場測量傳感器具備良好的環境適應性和可靠性。根據電磁場分布規律的仿真結果，輸電線路附近的工頻磁場峰值可達到32μT，研究過程選用霍尼韋爾公司的HMC1001和HMC1002型傳感器，前者用于測量單軸磁場，后者用于測量雙軸磁場，通過2種傳感器的配合，實現3個方向的工頻磁場測量[6]。傳感器的測量范圍為±100μT，量程大于32μT，滿足使用要求（見表2）。

2.2.1.3 環境傳感器選型

環境傳感器包括噪聲傳感器、溫濕度傳感器和氣壓傳感器，噪聲傳感器用于監測特高壓輸電線路在運行過程中產生的噪聲。信息采集裝置中設計有單片機，要求噪聲傳感器具備與單片機進行數據交互的能力。研究中選用CRY-2110型噪聲傳感器，通過RS-485接口實現數據上傳。噪聲傳感器的性能參數見表3。溫濕度傳感器用于記錄傳輸線路工作環境內的溫度和濕度數據，采用瑞士Sensirion公司生產的SHT15型數字傳感器，其濕度分辨率為0.03%RH，濕度量程為0～100%RH，溫度分辨率為0.01℃，量程為-40℃～123.8℃。氣壓傳感器的型號為BMP085，測量范圍在110hPa～300hPa，分辨率達到0.06hPa，功耗僅為5μA。

表3 CRY-2110型噪聲傳感器的性能參數

參數名稱 參數取值

測量范圍 25dB～130dB

頻率范圍 10Hz～20kHz

A/D采集速率 48k/s

分辨率 0.1dB

電源 DC 5V～30V

2.2.2 單片機選型

單片機是一種微控制器，根據實際情況，單片機用于實現信息采集系統的控制與通信，應含有多個ADC通道，支持USB驅動功能。綜合考慮兼容性、功能以及成本控制等因素，研究過程選用STM32F103C8T6型32為單片機。

2.3 輸電線路電磁信息采集系統軟件設計

2.3.1 程序設計示例

電磁信息采集系統的程序功能包括主程序、ADC模塊程序、可編程運算放大器程序、藍牙程序以及IIC通信程序，下面介紹部分程序的工作流程。

2.3.1.1 主程序設計

主程序的工作流程為初始化→讀取溫濕度數據→讀取氣壓數據→采集電磁及環境參數→判斷是否達到多次采樣的預設值→如果未達到預設值，則再次進行采樣→如果達到預設值，則求出各通道的平均值→數據處理和運算→數據發送。

2.3.1.2 ADC模塊程序設計

信息采集裝置的單片機內設計有ADC數模轉化器，在使用過程中，需要編寫ADC模塊的控制程序，其實施流程如下：將定時器設置為中斷狀態→起動AD轉換模塊→讀取ADCO寄存器→保存數據→計算采集次數Count→如果Countgt;設定值，則程序結束。

2.3.2 數據庫設計

2.3.2.1 數據庫系統基本配置

輸電線路電磁信息具有穩定的結構，因此采用關系型數據庫Oracle，將其部署在Intel 4核處理器上，主頻為2.6Hz，運行內存為16GB，硬盤存儲空間為250GB。軟件系統的Web服務器為Tomcat6.0，操作系統為Windows Server 2008。

2.3.2.2 數據表設計

根據電磁信息采集的特點，需要設計一系列數據表，具體包括任務表（T_Task）、任務狀態表（T_Task_Status）、測量類型表（T_Measure_Type）、測量對象表（T_Measure_Object）、測點統計表（T_Measure_Point）、標準表（T_Standard）等。以任務表為例，其字段類型見表4。

表4 任務表主要字段示例

字段名稱 字段含義 字段類型

TaskStatusID 任務狀態ID BIGINT

MeasureTypeID 測量類型ID BIGINT

TaskContent 任務內容 VARCHAR（500）

Operate 操作 CHAR（1）

TransferTime 任務下載時間 DATE

StartTime 任務開始時間 DATE

EndTime 任務截止時間 DATE

TaskName 任務名稱 VARCHAR（255）

3 輸電線路電磁信息采集系統性能測試

3.1 性能測試方案

為了檢驗電磁信息采集系統的性能，將Narda公司開發的EFA300型低頻電磁分析儀作為對照組，該儀表性能先進、測量精確，能夠檢驗信息采集系統的設計水平。

3.1.1 工頻電場測量

選擇某1000kV特高壓交流輸電線路的一個檔距，將線路弧垂最大的點在地面上的投影作為監測原點，測量桿塔走廊方向左右兩側的電磁場，沿著線路走向，按照1m間距對稱設置50個測點，測量距離地面1.5m處的工頻電場。

3.1.2 工頻磁場測量

工頻磁場的測點布置方法、測量范圍、測量儀器與工頻電場基本相同，此處不再贅述。測量時的環境溫度為10℃，濕度達到65%RH。

3.2 性能測試結果分析

表5和表6分別為工頻電場、工頻磁場的測量數據，從中可知，與高精度的EFA300型低頻電磁分析儀相比，這次研究中所建立的輸電線路電磁信息采集系統達到了較高的穩定性和精度。在電場測量中，50個測點的相對誤差在2.93%～2.99%。在磁場測量中，50個測點的相對誤差在2.18%～2.29%，誤差整體較小。

4 結語

從研究內容可知，特高壓輸電線路電磁信息采集系統由硬件和軟件部分組成，硬件包括電場傳感器、磁場傳感器、環境傳感器，軟件部分包括前端管理和展示界面、數據庫和服務器等。通過輸電線路電磁環境理論分析和軟件仿真，掌握特定范圍內的電場、磁場參數，為后續的軟硬件優化設計提供依據。在性能檢測階段，將先進的EFA300型低頻電磁分析儀作為對照，觀察信息采集系統的精確性，結果顯示，電場、磁場測量誤差均不超過3%，顯示出優秀的測量精度。

參考文獻

[1]王威，李曉玲，聶凌霄，等.KRT數據采集和信息管理系統優化設計[J].核電子學與探測技術，2023，43（2）：126-127.

[2]李杰，高樹功，雷東.基于AR的變電站設備實體信息獲取流程優化系統[J].現代電子技術，2022，45（2）：184-185.