一種基于頻率域電磁法的接地網(wǎng)故障自動(dòng)診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 發(fā)明涉及電力系統(tǒng)接地網(wǎng)無(wú)損探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)，是涉及一種頻率域電磁 法的接地網(wǎng)故障診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 變電站接地網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行和變電站工作人員的人身安全起著重 要作用，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)也越來(lái)越復(fù)雜，接地不良引起 的故障時(shí)有發(fā)生，快速診斷并排除接地網(wǎng)故障，使電力系統(tǒng)在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常運(yùn)行成 為電力系統(tǒng)研究的一個(gè)重要課題。我國(guó)由于資源、經(jīng)濟(jì)等原因，接地網(wǎng)所用的材質(zhì)主要為普 通碳鋼，接地網(wǎng)腐蝕通常呈現(xiàn)局部腐蝕形態(tài)，發(fā)生腐蝕后接地網(wǎng)碳鋼材料變脆、起層、松散、 減薄，甚至發(fā)生斷裂，所以電力接地網(wǎng)腐蝕嚴(yán)重是目前我國(guó)電力接地網(wǎng)最為突出的問(wèn)題。
[0003] 綜上所述，在不斷電和不對(duì)接地網(wǎng)開(kāi)挖的情況下，對(duì)接地網(wǎng)導(dǎo)體的實(shí)際腐蝕或斷 裂情況進(jìn)行檢測(cè)和故障診斷研究，從而掌握接地網(wǎng)的運(yùn)行狀況，并對(duì)接地網(wǎng)的安全狀態(tài)加 以評(píng)估，及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取相應(yīng)的防護(hù)措施，防患于未然，對(duì)保護(hù)電力系統(tǒng)工作人員人身 和財(cái)產(chǎn)安全、保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義、社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于頻率域電磁法的接地網(wǎng)故障自動(dòng)診斷 方法，基于電磁異常環(huán)原理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠在不影響接地網(wǎng)正常運(yùn)行的情況下，為接地網(wǎng) 作出正確、安全的評(píng)估。
[0005] 本發(fā)明提出一種基于頻率域電磁法的接地網(wǎng)故障自動(dòng)診斷方法，基于的頻率域電 磁法裝置，包括發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)主要包括電源、發(fā)射機(jī)、發(fā)射線圈。接收系 統(tǒng)包括接收機(jī)、接收線圈，其特征在于，該方法包括如下步驟：
[0006] (1)將欲診斷接地網(wǎng)組成田字形的四個(gè)接地網(wǎng)網(wǎng)格劃為一個(gè)檢測(cè)單元，檢測(cè)單元 內(nèi)四個(gè)網(wǎng)格中點(diǎn)相連接所構(gòu)成的正方形為有效檢測(cè)面積；
[0007] (2)在檢測(cè)單元有效檢測(cè)面積上方設(shè)置四條平行于接地網(wǎng)網(wǎng)格邊界的試驗(yàn)測(cè)線， 要求測(cè)線關(guān)于檢測(cè)單元中線呈對(duì)稱分布，每條測(cè)線上等間距設(shè)置10個(gè)測(cè)點(diǎn)；
[0008] (3)獲取所述測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)信息，將所述頻率域電磁法探測(cè)裝置的中心點(diǎn)與所述試驗(yàn) 測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)重合，沿著所述試驗(yàn)測(cè)線逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，得到測(cè)量數(shù)據(jù)；
[0009] (4)將測(cè)量數(shù)據(jù)輸入依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的接地網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)中，得到故障點(diǎn)位 置診斷結(jié)果；
[0010] 其中步驟4中需要構(gòu)建接地網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)，將一個(gè)檢測(cè)單元內(nèi)每個(gè)接地網(wǎng)網(wǎng)格 視為異常環(huán)，按照步驟1-3的測(cè)量方法構(gòu)建接地網(wǎng)的等效模型，通過(guò)仿真計(jì)算得到檢測(cè)單 元無(wú)故障和出現(xiàn)故障時(shí)測(cè)點(diǎn)的感應(yīng)電壓值，利用計(jì)算得到的感應(yīng)電壓值構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入 的訓(xùn)練樣本集數(shù)據(jù)，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，故障點(diǎn)位置為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出構(gòu)建接地網(wǎng)故障診 斷系統(tǒng)。當(dāng)進(jìn)行接地網(wǎng)故障診斷時(shí)，將測(cè)量步驟3獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)送入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 自動(dòng)診斷系統(tǒng)進(jìn)行定位，得到故障診斷結(jié)果。
[0011] 進(jìn)一步地，構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)輸入層、一個(gè)隱含 層和一個(gè)輸出層，其中，輸入層神經(jīng)元的數(shù)量等于步驟3獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)量，輸出層神 經(jīng)元的數(shù)量為故障點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)，其中隱含層神經(jīng)元的數(shù)量依據(jù)訓(xùn)練過(guò)程中輸入信息量的大小 和復(fù)雜度作相應(yīng)的改變，通過(guò)樣本集訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出與期望輸出的誤差平方 和達(dá)到最小，通過(guò)反復(fù)迭代使相對(duì)誤差函數(shù)在斜率下降的方向上計(jì)算網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和偏差的變 化而逐漸達(dá)到目標(biāo)，每一次權(quán)值和偏差的變化都與網(wǎng)絡(luò)誤差的響應(yīng)成正比，并以發(fā)射傳播 的方式傳遞到每一層，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的每一層都需要用到激活函數(shù)，激活函數(shù)選擇logsig函 數(shù)：
[0013]f(x)為激活函數(shù)，X為輸入變量；
[0014] 輸入層到隱含層單元J表示如下：
[0016] 其中X]是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量，ωu是連接輸入層和隱含層的權(quán)值，b,是隱含層 單元J的閾值；
[0017] 隱含層單元J到輸出層a,則表示為：
[0019] 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法采用梯度下降法來(lái)計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，權(quán)值更新規(guī)則如下：
[0021] 其中，Wl]是連接權(quán)值，t是訓(xùn)練次數(shù)，ε是學(xué)習(xí)因子，α是動(dòng)量因子；
[0022] 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)誤差Ε為：
[0024] 其中，Q是訓(xùn)練樣本總數(shù)，Ν是輸出個(gè)數(shù)，dp]是期望輸出值，ap]是實(shí)際輸出值；
[0025] 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)不斷地循環(huán)迭代直到誤差函數(shù)E足夠小，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)束。進(jìn)一步地， 本發(fā)明把接地網(wǎng)網(wǎng)格作為地下水平放置的異常環(huán)，依據(jù)電磁異常環(huán)原理，當(dāng)發(fā)射電流為諧 變電流Ιτ=I#11^時(shí)，接收線圈接收到的異常環(huán)的二次感應(yīng)電壓值為：
[0027] 其中I。為發(fā)射電流幅值，ω是角頻率，1是導(dǎo)體的長(zhǎng)度，Ζ。是由導(dǎo)體自身材料決定 的單位長(zhǎng)度內(nèi)自阻抗，是導(dǎo)體段的外電感，ΜρΜ%分別為發(fā)射線圈、接收線圈與異常環(huán) 的互感，根據(jù)聶以曼公式（7)求得，
[0028]
[0029] 其中μ。為土壤的磁導(dǎo)率，一般設(shè)為4πX10 7H/m，dsJPds2為線圈矢量元素，R為dsJPds2之間距離。
[0030] 因而可見(jiàn)，接收線圈獲得的感應(yīng)電壓值由兩個(gè)因素決定：
[0031] 一是發(fā)射線圈和接受線圈與接地網(wǎng)的相對(duì)位置，即測(cè)點(diǎn)位置的不同；
[0032] 二是接地網(wǎng)有無(wú)斷點(diǎn)，如接地網(wǎng)無(wú)斷點(diǎn)，則接地網(wǎng)格內(nèi)都存在渦旋感應(yīng)電流，都會(huì) 使接收線圈獲得感應(yīng)電壓；如接地網(wǎng)存在斷點(diǎn)，使某接地網(wǎng)格內(nèi)沒(méi)有渦旋感應(yīng)電流，則導(dǎo)致 接收線圈在其上方測(cè)點(diǎn)時(shí)獲得的感應(yīng)電壓比在無(wú)斷點(diǎn)接地網(wǎng)格上方測(cè)點(diǎn)時(shí)獲得的感應(yīng)電 壓小。
[0033] 進(jìn)一步地，所述發(fā)射機(jī)向發(fā)射線圈提供諧變電流。
[0034] 進(jìn)一步地，所述的發(fā)射線圈和接收線圈采用水平共面裝置。
[0035] 進(jìn)一步地，由于接地網(wǎng)導(dǎo)體埋深在距地表5m內(nèi)的淺層區(qū)，所述的方法采用高頻電 磁法，使用頻率范圍在l〇〇k到100M。
[0036] 進(jìn)一步地，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本集采用公式（6)進(jìn)行計(jì)算，按照欲診斷田字格16 等分，在每個(gè)網(wǎng)格邊界設(shè)立故障點(diǎn)，每個(gè)故障點(diǎn)按照測(cè)量測(cè)線和測(cè)量步驟進(jìn)行仿真計(jì)算，獲 得的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本集，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，直至訓(xùn)練結(jié)束。
[0037] 本發(fā)明有益效果在于：本發(fā)明檢測(cè)時(shí)不需要對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行挖掘，不受現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條 件的限制，可以保證接地網(wǎng)的正常運(yùn)行，避免了人力和財(cái)力的浪費(fèi)。同時(shí)，本發(fā)明直接對(duì)電 磁法裝置測(cè)量到得電壓通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行接地網(wǎng)斷點(diǎn)自動(dòng)判斷，使檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單，易 操作。
【附圖說(shuō)明】
[0038] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例中接地網(wǎng)斷點(diǎn)診斷方法的流程圖；
[0039] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中水平共面線圈裝置示意圖；
[0040] 圖3為檢測(cè)單兀內(nèi)有效檢測(cè)面積不意圖；
[0041] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中測(cè)線布置以及不同位置存在斷點(diǎn)的示意圖；
[0042] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中頻率域電磁探測(cè)裝置與測(cè)線相對(duì)位置示意圖；
[0043] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0044] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算式。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 為了更好的理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。 應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0046] 參閱圖1為本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)的一種基于頻率域電磁法的接地網(wǎng)故障診斷方法 的流程圖。本發(fā)明基于頻率域電磁探測(cè)裝置，該裝置包括發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng) 主要包括電源、發(fā)射機(jī)、發(fā)射線圈。接收系統(tǒng)包括接收機(jī)、接收線圈。其中發(fā)射線圈與發(fā)射 機(jī)相連，電源向發(fā)射機(jī)供電，接收線圈與接收機(jī)相連。本發(fā)明采用的發(fā)射線圈和接收線圈裝 置為水平共面裝置，如圖2所示。
[0047] 基于上述頻率域電磁探測(cè)裝置，所述方法的具體步驟包括：
[0048] 步驟S1、將欲診斷接地網(wǎng)組成田字形的四個(gè)接地網(wǎng)網(wǎng)格劃為一個(gè)檢測(cè)單元，檢測(cè) 單元內(nèi)四個(gè)網(wǎng)格中點(diǎn)相連接所構(gòu)成的正方形為有效檢測(cè)面積，如圖3所示，檢測(cè)單元包括 四個(gè)接地網(wǎng)網(wǎng)格A、B、C、D，每個(gè)網(wǎng)格的邊長(zhǎng)為L(zhǎng)，將四個(gè)網(wǎng)格的中心點(diǎn)相連接所構(gòu)成的正方 形（如圖3中虛線所圍正方形）范圍即為有效檢測(cè)面積。
[0049] 步驟S2、在檢測(cè)單元有效檢測(cè)面積上方設(shè)置四條平行于接地網(wǎng)網(wǎng)格邊界的試驗(yàn)測(cè) 線，要求測(cè)線關(guān)于檢測(cè)單元中線呈對(duì)稱分布，每條側(cè)線上等間距設(shè)置10個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖4所 不。
[0050] 步驟S3、獲取所述測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)信息，如圖5所示，將所述頻率域電磁法探測(cè)裝置的中 心點(diǎn)與所述試驗(yàn)測(cè)