一种交流架空输电线路工频电场控制方法及系统与流程

1.本发明涉及交流输电线路电磁污染防治技术领域，特别涉及一种交流架空输电线路工频电场控制方法及系统。


背景技术：

2.随着社会经济发展和城市化进程的加快，为满足日益增长的用电负荷需求，近年来输变电建设规模稳步增长，各种高压输电线路越来越接近公众活动区域，不可避免的靠近居民住房，对输电线路沿线附近的居民产生电磁影响，近年来由输电线路引起的环境投诉与纠纷也日益增多，并且部分临近输电线路的环境敏感目标出现工频电场超标的现象，已成为生态环境保护部门和电力部门关注的一个焦点问题。
3.对于未建成输电线路靠近环境敏感点时可以在设计阶段通过增加杆塔高度、相序排列优化、减少分裂数、改变导线间距、远离环境敏感点等综合措施，确保环境敏感目标处的电磁环境满足《电磁环境控制限值》(gb8702
‑
2014)中公众曝露控制限值要求。但对于已经建成的输电线路出现电磁环境超标现象的，以上措施都较难实施，可通过采用屏蔽线等措施，避免因改造已有线路造成停电和高成本投入，或者减少因拆迁等引起的社会问题。
4.因此，对于输电线路线下工频电场超标问题，需要提供一种最优控制方案，为工程设计人员及交流架空输电线路工频电场控制提供依据。


技术实现要素：

5.为了解决交流输电线路工频电场超标问题，本发明提供一种交流架空输电线路工频电场控制方法及系统。该方法可将环境效益和经济效益有机结合，综合工程造价和屏蔽效果寻求最优方案，为工程设计和交流架空输电线路工频电场控制方案提供参考。
6.为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
7.一种交流架空输电线路工频电场控制方法，包括以下步骤：
8.根据架空输电线路悬链线方程，建立交流输电线路三维工频电场计算模型；
9.采用在交流输电线路下方合适位置架设屏蔽线方案，并将屏蔽线方案代入交流输电线路三维工频电场计算模型，利用基于改进模拟电荷法计算屏蔽线方案的环境敏感目标工频电场强度；
10.采用遗传算法，将环境敏感目标处的工频电场设为待优化的目标函数，求此目标函数的最小值，将目标函数作为求解的适应度函数。
11.所述架空输电线路悬链线方程为：
[0012][0013]
式中，z(x)为架空输电线某点的距地高度；σ0为导线的水平应力；γ为导线比载；l为水平档距；h为高差；h为挂点距地面的垂直距离；f
x
为导线弧垂；l
oa
、l
ob
为导线最低点到悬挂点的水平距离。
[0014]
作为本发明的进一步改进，利用基于改进模拟电荷法计算屏蔽线方案的环境敏感目标工频电场强度具体包括：
[0015]
设密度为τ
m
的模拟架空线电荷均匀分布于第n条导线内的l
m
段，其在空间q点(x,y,z)产生的电位为
[0016][0017]
式中，ε0为真空介电常数；r
m
、r
m’分别为源点及其镜像到场点的距离；
[0018]
则电位系数为
[0019][0020]
进而得导线l
m
段在q点产生的电位系数
[0021][0022][0023][0024]
式中，x
m
、y
m
分别为第n条导线内l
m
段的x、y轴坐标；ρ
m
、ρ
m’分别为源点及其镜像到q点的距离；
[0025]
输电线路在空间q点所产生的电位是所有线电荷共同作用的结果，再根据导线表面匹配点已知的电位，求出电荷密度
[0026]
τ＝p
‑1u
[0027]
式中，τ为电荷密度列向量；p为电位系数矩阵；u为各导线电压列向量；
[0028]
由此得q点的电场强度矢量
[0029][0030]
式中，为第n条导线内l
m
段产生的电位；e
x
、e
y
、e
z
分别是电场的x、y、z3个方向分量；e
x
、e
y
、e
z
分别是x、y、z3个方向的单位矢量；n为相线数；n0为架空地线数；
[0031]
则q点电场强度有效值为
[0032][0033]
作为本发明的进一步改进，将环境敏感目标处的工频电场设为待优化的目标函数，具体为：
[0034]
[0035]
式中，f(x)——目标函数；e——工频电场强度；x——优化变量解向量；d——屏蔽线外径；l——屏蔽线长度；p
x
——屏蔽线在系统中的横向位置；p
y
——屏蔽线在系统中的纵向位置；g
i
(x)——第i个约束；n——约束条件个数；
[0036]
并结合工程实际给每个变量一定的取值范围。
[0037]
作为本发明的进一步改进，所述遗传算法具体包括：
[0038]
随机产生初始种群pop(t)，进化代数t＝1，个体数目为n，每个个体由染色体的基因编码组成；
[0039]
按照下式(a)，计算种群中每个个体pop(t)的适应度f
i
，并判断是否符合优化准则。若符合，输出最佳个体及其代表的最优解，并结束计算；否则进行下一步；
[0040]
f
i
＝fitness(pop
i
(t))
ꢀꢀ
(a)
[0041]
依据下式(b)的概率分布，从种群pop(t)中选择再生个体，适应度高的个体被选中的概率高，适应度低的个体可能被淘汰，构成一个新的种群(c)：
[0042][0043]
newpop(t 1)＝{pop
j
(t)|j＝1,2,...,n|}
ꢀꢀ
(c)
[0044]
按照交叉概率pc和一定的交叉方法，生成新的种群crosspop(t 1)；
[0045]
按照变异概率pm和一定的变异方法，生成新的种群mutpop(t 1)。
[0046]
进化代数t＝t 1，产生新一代的种群pop(t)＝mutpop(t)，并返回计算种群中每个个体pop(t)的适应度f
i
。
[0047]
作为本发明的进一步改进，所述初始种群先进行初始化优化数据，初始化优化数据包括屏蔽线外径、屏蔽线长度、屏蔽线的横向位置和屏蔽线纵向位置。
[0048]
作为本发明的进一步改进，所述遗传算法的收敛准则是连续两次最优结果相同，即迭代次数结果，并输出最优方案。
[0049]
一种交流架空输电线路工频电场控制系统，包括：
[0050]
模型建立模块，用于根据架空输电线路悬链线方程，建立交流输电线路三维工频电场计算模型；
[0051]
电场计算模块，用于采用在交流输电线路下方合适位置架设屏蔽线方案，并将屏蔽线方案代入交流输电线路三维工频电场计算模型，利用基于改进模拟电荷法计算屏蔽线方案的环境敏感目标工频电场强度；
[0052]
遗传算法模块，用于采用遗传算法，将环境敏感目标处的工频电场设为待优化的目标函数，求此目标函数的最小值，将目标函数作为求解的适应度函数。
[0053]
一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述交流架空输电线路工频电场控制方法的步骤。
[0054]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述交流架空输电线路工频电场控制方法的步骤。
[0055]
本发明的有益效果体现在：
[0056]
本发明首先根据架空输电线路悬链线方程，建立交流输电线路三维工频电场计算模型，然后采用基于改进模拟电荷法计算交流输电线路三维工频电场分布，最后，应用遗传算法的整体优化设计思想，将环境敏感目标处的工频电场设为待优化的目标函数，在整个解空间同时进行寻优，找出屏蔽线架设最优方案。该优化方法能够在整个解空间同时进行寻优，具备全局最优搜索能力，能够用最短的时间找到最优屏蔽效果的方案。该优化方法还可以将建设成本纳入优化方案中，在满足工频电场标准限值要求下，建设成本最低方案，可将环境效益和经济效益有机结合，综合工程造价和屏蔽效果寻求最优方案，为工程设计和交流架空输电线路工频电场控制方案提供参考。
附图说明
[0057]
图1为本发明优选实施例交流架空输电线路工频电场控制方法流程示意图。
[0058]
图2为本发明的悬链线示意图。
[0059]
其中z(x)为架空输电线某点的距地高度，m；σ0为导线的水平应力(亦即最低点之应力)，n/mm2；γ为导线比载(即单位长度单位截面上的荷载)，n/(m
·
mm2)；l为水平档距(两悬挂点间的水平距离)，m；h为高差(两悬挂点间的垂直距离)，m；h为挂点距地面的垂直距离，m；f
x
为导线弧垂；l
oa
、l
ob
为导线最低点到悬挂点的水平距离。
[0060]
图3为本发明的交流架空输电线路工频电场控制及优化方法系统框图。
[0061]
图4为本发明优选实施例交流架空输电线路工频电场控制系统结构示意图。
[0062]
图5为本发明优选实施例电子设备结构示意图。
具体实施方式
[0063]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0064]
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本技术所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
[0065]
如图1所示，本发明第一个目的提供一种交流架空输电线路工频电场控制方法，包括以下步骤：
[0066]
根据架空输电线路悬链线方程，建立交流输电线路三维工频电场计算模型；
[0067]
采用在交流输电线路下方合适位置架设屏蔽线方案，并将屏蔽线方案代入交流输电线路三维工频电场计算模型，利用基于改进模拟电荷法计算屏蔽线方案的环境敏感目标工频电场强度；
[0068]
采用遗传算法，将环境敏感目标处的工频电场设为待优化的目标函数，求此目标函数的最小值，将目标函数作为求解的适应度函数。
[0069]
改进模拟电荷法，首先，将架空输电线路导线、地线及屏蔽线分别划分为若干有限长线段，并对地面做镜像化处理，求出每个有限长线段在各匹配点产生的电位系数，再将已知的电位作为边界条件，建立方程：
[0070]
[0071]
式中，p为电位系数矩阵；τ为待求模拟电荷密度列向量；为匹配点电位列向量。
[0072]
通过架空输电线路导线、地线及屏蔽线的划分及模拟电荷的求取，可推导出空间任意待求点的工频电场强度。
[0073]
具体是根据架空输电线路悬链线方程，建立交流输电线路三维工频电场计算模型。采用基于改进模拟电荷法，计算交流输电线路三维工频电场。通过设置屏蔽线方式控制交流架空输电线路工频电场，并计算设置屏蔽线后环境敏感目标工频电场强度，即屏蔽效果。
[0074]
并引入遗传算法，将环境敏感目标处的工频电场设为待优化的目标函数，求此优化函数的最小值，将目标函数作为求解的适应度函数。结合工程实际，将每一个优化变量进行范围约束。
[0075]
将基于遗传算法整体优化设计思想，初始化优化数据，包括屏蔽线外径、屏蔽线长度、屏蔽线的横向位置和屏蔽线纵向位置等，经过一系列适应度计算、选择、交叉、变异等找到满足程序结束条件，即屏蔽线最优方案。
[0076]
在采用基于改进模拟电荷法计算交流输电线路三维工频电场时，避雷线和屏蔽线均良好接地，对地电压可视为大地电压，即零电位。
[0077]
以下结合附图本发明方法进行详细说明：
[0078]
根据架空输电线路悬链线方程，建立交流输电线路三维工频电场计算模型。
[0079]
根据受力平衡条件，可得附图2所示架空输电线路的悬链线方程：
[0080][0081]
式中，z(x)为架空输电线某点的距地高度，m；σ0为导线的水平应力(亦即最低点之应力)，n/mm2；γ为导线比载(即单位长度单位截面上的荷载)，n/(m
·
mm2)；l为水平档距(两悬挂点间的水平距离)，m；h为高差(两悬挂点间的垂直距离)，m；h为挂点距地面的垂直距离，m；f
x
为导线弧垂；l
oa
、l
ob
为导线最低点到悬挂点的水平距离。
[0082]
采用基于改进模拟电荷法，计算交流输电线路三维工频电场：
[0083]
设密度为τ
m
的模拟架空线电荷均匀分布于第n条导线内的l
m
段，其在空间q点(x,y,z)产生的电位为
[0084][0085]
式中，ε0为真空介电常数；r
m
、r
m’分别为源点及其镜像到场点的距离。
[0086]
则电位系数为
[0087][0088]
将式(2)代入式(3)可得导线l
m
段在q点产生的电位系数
[0089]
[0090][0091][0092]
式中，x
m
、y
m
分别为第n条导线内l
m
段的x、y轴坐标；ρ
m
、ρ
m’分别为源点及其镜像到q点的距离。
[0093]
输电线路在空间q点所产生的电位是所有线电荷共同作用的结果，再根据导线表面匹配点已知的电位，可求出电荷密度
[0094]
τ＝p
‑1u
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0095]
式中，τ为电荷密度列向量；p为电位系数矩阵；u为各导线电压列向量。
[0096]
由此可得q点的电场强度矢量
[0097][0098]
式中，为第n条导线内l
m
段产生的电位；e
x
、e
y
、e
z
分别是电场的x、y、z3个方向分量；e
x
、e
y
、e
z
分别是x、y、z3个方向的单位矢量；n为相线数；n0为架空地线数。
[0099]
则q点电场强度有效值为
[0100][0101]
为控制交流输电线路线下工频电场强度，采用在交流输电线路下方合适位置架设屏蔽线方案，并将屏蔽线方案代入已建交流输电线路三维工频电场计算模型，利用基于改进模拟电荷法计算屏蔽线方案的屏蔽效果。
[0102]
遗传算法具有内在的隐并行性，它不是从一点出发沿一线寻优，而是在整个解空间同时进行寻优搜索，因此具备良好的全局最优搜索能力。另外，遗传算法另一主要特点就是它属于随机化搜索算法，直接利用目标函数本身的信息建立寻优方向，搜索不依赖于梯度信息，不存在求导和函数连续性的要求，对优化设计问题的限制较少，具有较广泛的适用性。因此，将遗传算法运用于交流架空输电线路工频电场控制系统中，用最短的时间找到最优屏蔽效果的方案。
[0103]
该优化方法还可以将建设成本纳入优化方案中，综合工程造价和屏蔽效果寻求最优方案，为工程设计和交流架空输电线路工频电场控制方案提供参考。
[0104]
为找到最优控制方案，引入遗传算法，将环境敏感目标处的工频电场设为待优化的目标函数，求此优化函数的最小值，将目标函数作为求解的适应度函数。该优化问题的数学表达式为：
[0105][0106]
式中，f(x)——目标函数；e——工频电场强度；x——优化变量解向量；d——屏蔽线外径；l——屏蔽线长度；p
x
——屏蔽线在系统中的横向位置；p
y
——屏蔽线在系统中的纵
向位置；g
i
(x)——第i个约束；n——约束条件个数。
[0107]
将每一个优化变量进行范围约束，即结合工程实际给每个变量一定的取值范围。
[0108][0109]
将基于遗传算法整体优化设计思想，初始化优化数据，包括屏蔽线外径、屏蔽线长度、屏蔽线的横向位置和屏蔽线纵向位置等，经过一系列适应度计算、选择、交叉、变异等找到满足程序结束条件，即屏蔽线最优方案。
[0110]
实施例
[0111]
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
[0112]
根据架空输电线路悬链线方程，建立交流输电线路三维工频电场计算模型。
[0113]
用基于改进模拟电荷法，计算交流输电线路三维工频电场，尤其是环境敏感目标处工频电场强度，并与标准(《电磁环境控制限值》(gb8702
‑
2014)中规定的公众曝露控制限值4000v/m)进行比较，确定环境敏感目标处工频电场强度的超标量。
[0114]
为控制环境敏感目标工频电场强度的超标量，采用在交流输电线路下方合适位置架设屏蔽线方案，并将屏蔽线模型纳入输电线路三维工频电场计算模型，并利用上述的方法计算屏蔽线方案的屏蔽效果。
[0115]
为寻找工频电场控制最优方案，将遗传算法应用于交流架空输电线路工频电场控制系统当中，将环境敏感目标处的工频电场(或超标量)设为待优化的目标函数，对影响环境敏感目标处的工频电场的因素进行参数编码，求此目标函数的最小值，将目标函数作为求解的适应度函数。该优化问题的数学表达式为：
[0116][0117]
式中，f(x)——目标函数；e——工频电场强度；x——优化变量解向量；d——屏蔽线外径；l——屏蔽线长度；p
x
——屏蔽线在系统中的横向位置；p
y
——屏蔽线在系统中的纵向位置；g
i
(x)——第i个约束；n——约束条件个数。
[0118]
将每一个优化变量进行范围约束，即结合工程实际给每个变量一定的取值范围。
[0119][0120]
如图3所示，随机产生初始种群pop(t)，进化代数t＝1，个体数目为n，每个个体由染色体的基因编码组成。
[0121]
按照式(12)，计算种群中每个个体pop(t)的适应度f
i
，并判断是否符合优化准则。若符合，输出最佳个体及其代表的最优解，并结束计算；否则转向下一步；
[0122]
f
i
＝fitness(pop
i
(t))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0123]
依据式(13)的概率分布，从种群pop(t)中选择再生个体，适应度高的个体被选中的概率高，适应度低的个体可能被淘汰，构成一个新的种群如式(14)：
[0124][0125]
newpop(t 1)＝{pop
j
(t)|j＝1,2,...,n|}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0126]
按照交叉概率pc和一定的交叉方法，生成新的种群crosspop(t 1)；
[0127]
按照变异概率pm和一定的变异方法，生成新的种群mutpop(t 1)；
[0128]
进化代数t＝t 1，产生新一代的种群pop(t)＝mutpop(t)，并返回按照式(12)，计算种群中每个个体pop(t)的适应度f
i
。
[0129]
遗传算法的收敛准则：通过选择、交叉、变异等多次遗传操作，各代种群的优良品质逐渐积累，种群平均适应度和最优个体适应度不断上升，迭代过程趋向收敛。本发明的收敛准则是连续两次最优结果相同，即迭代次数结果，并输出最优方案。
[0130]
当把建设成本纳入治理方案中时，优化治理方案为满足环境敏感目标处的工频电场标准限值条件下，建设成本最低方案，可将环境效益和经济效益有机结合。
[0131]
故，本发明提出了一种基于遗传算法的交流架空输电线路工频电场控制及优化方法，包括以下步骤：首先，根据架空输电线路悬链线方程，建立交流输电线路三维工频电场计算模型，然后采用基于改进模拟电荷法计算交流输电线路三维工频电场分布，最后，针对交流输电线下工频电场控制措施，采用架设屏蔽线方法，并将遗传算法应用于当中，该优化方法能够在整个解空间同时进行寻优，具备全局最优搜索能力，能够用最短的时间找到最优屏蔽效果的方案。该优化方法还可以将建设成本纳入优化方案中，在满足工频电场标准限值要求下，建设成本最低方案，可将环境效益和经济效益有机结合，综合工程造价和屏蔽效果寻求最优方案，为工程设计和交流架空输电线路工频电场控制方案提供参考。
[0132]
如图4所示，本发明的另一目的在于提出一种交流架空输电线路工频电场控制系统，包括：
[0133]
模型建立模块，用于根据架空输电线路悬链线方程，建立交流输电线路三维工频电场计算模型；
[0134]
电场计算模块，用于采用在交流输电线路下方合适位置架设屏蔽线方案，并将屏蔽线方案代入交流输电线路三维工频电场计算模型，利用基于改进模拟电荷法计算屏蔽线方案的环境敏感目标工频电场强度；
[0135]
遗传算法模块，用于采用遗传算法，将环境敏感目标处的工频电场设为待优化的目标函数，求此目标函数的最小值，将目标函数作为求解的适应度函数。
[0136]
如图5所示，本发明第三个目的是提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述交流架空输电线路工频电场控制方法的步骤。
[0137]
所述交流架空输电线路工频电场控制方法包括以下步骤：
[0138]
根据架空输电线路悬链线方程，建立交流输电线路三维工频电场计算模型；
[0139]
采用在交流输电线路下方合适位置架设屏蔽线方案，并将屏蔽线方案代入交流输电线路三维工频电场计算模型，利用基于改进模拟电荷法计算屏蔽线方案的环境敏感目标工频电场强度；
[0140]
采用遗传算法，将环境敏感目标处的工频电场设为待优化的目标函数，求此目标函数的最小值，将目标函数作为求解的适应度函数。
[0141]
本发明第四个目的是提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述交流架空输电线路工频电场控制方法的步骤。
[0142]
所述交流架空输电线路工频电场控制方法包括以下步骤：
[0143]
根据架空输电线路悬链线方程，建立交流输电线路三维工频电场计算模型；
[0144]
采用在交流输电线路下方合适位置架设屏蔽线方案，并将屏蔽线方案代入交流输电线路三维工频电场计算模型，利用基于改进模拟电荷法计算屏蔽线方案的环境敏感目标工频电场强度；
[0145]
采用遗传算法，将环境敏感目标处的工频电场设为待优化的目标函数，求此目标函数的最小值，将目标函数作为求解的适应度函数。
[0146]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0147]
本技术是参照本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0148]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0149]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0150]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何
修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。