摘要
现有研究中常通过电磁感应方法探测接地网拓扑结构,针对该方法弱磁场测量困难,提出了一种组合源磁场叠加成像检测方法。通过多根引下线向接地网周期性轮换注入电流,不同注入方式使电流在接地网中呈现不同流向,保证了接地网不同区域载流导体都能激发有效测量磁场,结合二次开发的超宽带定位系统实时定位阵列式传感线圈测量位置,实现了对地表水平x、y方向感应磁场的扫描式测量,最后采用形态学滤波方法消除异常数据干扰,进而通过Canny边缘检测算子进行接地网拓扑提取。仿真与实验结果表明:文中所述方法能够有效提高接地网拓扑结构的成像效果,接地网网格导体定位精度误差不高于3%。
碳钢是变电站接地网常用材料,常年埋于地下容易发生腐蚀,进而导致电气性能下降,危及电力系统的安全运
综上,现有接地网结构的电磁探测方法主要有以下几点不足之处:一是远离电流注入点和抽出点区域弱磁场测量困难;二是磁场需要进行高密度测量,工作量大且数据处理繁杂;三是变电站电磁干扰大,容易产生异常数据。针对上述问题,提出了一种基于组合源的注入式电磁检测方法,保证了接地网不同区域载流导体都能激发有效测量磁场,在100 kHz的采样率下通过阵列式传感线圈对地表水平x、y方向感应磁场进行扫描式测量,极大地提高了测量效率,考虑到变电站电磁干扰严重,提出了一种形态学边缘检测方法,能够有效消除异常数据干扰,提取出完整的接地网拓扑结构。
接地网导体的尺寸很小,一般使用截面为60 mm×6 mm的镀锌扁钢,相对于整个接地网地下空间而言可视为不计尺寸的有限长导体。如

图1 接地网载流导体模型
Fig. 1 Current-carrying conductor model of grounding grid
。 | (1) |
则可推导出有限长的载流导体在P点激发的磁感应强度与P点位置的函数关系式为
, | (2) |
式中:;表示P点坐标,和分别表示载流导体的始端和终端位置坐标。由
网格形状的接地网由多段导体组成,地表某点P的磁场可以看成是所有导体激发的3个方向磁场求矢量和组成。由平行于y轴的载流导体磁场分布特征可知,在空间P点激发的磁场可以正交分解成x、z两个方向,其中
(3) |
同理,对于平行于x轴的载流导体,磁场可以分解成y、z两个方向。
对

图2 地表不同方向合成磁场分布图
Fig. 2 Synthetic magnetic field distribution maps in different directions of the surface
地表水平x、y方向合成磁场为
。 | (4) |
从
接地网的电路结构可以近似看成纯电阻网络,向接地网注入电流构成的回路可以等效成线性电路,线性电路具有可加性和齐次性这2个重要特点。根据线性电路的叠加定理可对不同激励在接地网中的响应电流进行叠加,同理对电流激发的磁场也可以进行叠加。
由此,基于线性电路的叠加定理提出一种多点轮换发射方法。如

图3 组合源发射示意图
Fig. 3 Schematic diagram of combined source emission
建立

图4 单源与组合源成像对比
Fig. 4 Single-source versus combined-source imaging

图5 y=12.5 m不同注入方式下的磁场分布曲线
Fig. 5 Magnetic field distribution curve at y=12.5 m under different injection methods
综上,组合源不仅为弱磁场区域的有效测量提供了一种解决方法,也能够提高磁场的整体成像效果,在一定程度上还能够避免漏判或误判。
通过对超宽带定位系统装置的二次开发,使其与自身研发的数据采集与处理软件相结合,实现了阵列式接收线圈对地表水平x、y方向感应磁场的扫描式测量。阵列式线圈共12组通道,每组通道含2个相互正交的线圈分别测量水平x,y方向的磁场,测量宽度可达1.2 m,每组线圈间距固定,线圈直径8 cm,匝数600匝。如

图6 磁场测量示意图
Fig. 6 Schematic diagram of magnetic field measurement
超宽带系统定位原理如
(5) |
每组线圈位置公式为
, | (6) |
式中:N表示线圈传感器组数;、分别表示定位标签1的x坐标和y坐标,同时也是第一组线圈的坐标;同理、代表标签2的坐标,也是最后一组线圈的坐标;m代表第m组线圈,、表示第m组线圈的坐标信息。
阵列式接收装置测量过程如
边缘检测能够有效地提取图像边缘蕴含的丰富信息,其实质是提取图像中对象与背景间的交界线。边缘检测在直接处理图像时易受噪声干扰,致使边界检测不完整。形态学滤波器作为一种非线性滤波器,能够在保留图像原有信息的基础上,消除异常数据干扰,突出图像的几何特征,把形态学与边缘检测相结合可用于接地网拓扑结构的提取。
数学形态学是以集合论为基础的一种非线性分析理论,通过对目标图像的形态变换来实现结构分析和特征提取。它把图像视为一种点的集合,利用结构元素不断地在图像中移动来实现图像分析和处理的目的,而滤波效果则取决于结构元素大小和形状的选择。将磁场作为输入图像信号,用表示,结构元素用表示,其中表示图中像素点坐标,、分别表示f和的定义域,符号分别表示形态学中的腐蚀、膨胀、开运算、闭运算。
形态学操作一般都是基于腐蚀与膨胀运算,定义如下。
1)腐蚀运算:
。 | (7) |
腐蚀运算使图像高亮区域范围缩小,在消除毛刺和小桥的同时可突出磁场分布的网格特征。
2)膨胀运算:
。 | (8) |
膨胀运算使图像高亮区域扩张,通过膨胀可以将磁场分布中的裂缝进行填补。
3)开运算:
。 | (9) |
先腐蚀后膨胀即为开运算,它可以平滑对象的轮廓并抑制信号的峰值噪声,用来消除信号的散点和毛刺,不改变原有拓扑特性。
4)闭运算:
。 | (10) |
闭运算能够消除图像中狭窄的间断和细小的孔洞,并填补轮廓线中的断裂。
5)顶帽运算:
。 | (11) |
顶帽运算是图像减去图像的开运算。图像经顶帽运算后可以获取原图像灰度值较周围高的亮点。接地网磁场峰值位于网格导体正上方,在灰度图中也是最亮的区域,因此可以通过顶帽运算提取出磁场图像的峰值区域。
形态学边缘检测拓扑提取流程如

图7 拓扑提取流程
Fig. 7 Topology extraction process
对

图8 形态学处理结果
Fig. 8 Morphological processing results

图9 拓扑提取结果
Fig. 9 Topology extraction results
研发的整套探测系统主要由组合源发射机、阵列式传感线圈、接收机、上位机、超宽带定位装置、数据采集与处理软件等组成,如

图10 探测系统装置示意图
Fig. 10 Schematic diagram of the detection system equipment
在接地网试验场进行模拟实验,接地网由4×3的网格组成,网格导体使用截面为60 mm×8 mm的镀锌扁钢,埋深h为0.8 m,其他相关信息如

图11 接地网试验场示意图
Fig. 11 Schematic diagram of the grounding network experimental field

图12 接地网实验现场
Fig. 12 Grounding grid experiment site
接收线圈感应电压可以表征感应磁场强度,后续通过感应电压信号峰值直接成像。扫描式测量在获取到大量无规则分布的感应磁场数据后,与传统固定测点一样,在绘图时先网格化平面,然后再求每一个划分网格点的感应磁场数值。假设网格距离为d,则对于坐标为的网格点M,其感应磁场数值等于其半径r()内的所有测量数据点的感应磁场取均值。为了保证定位精度,本次实验d取0.1 m,r取0.1 m。

图13 x测线感应电压分布图
Fig. 13 x-line induced voltage distribution
研发的数据处理软件可以提取出组合源不同注入方式下的感应电压数据,在对感应电压数据峰值取对数后绘制出如

图14 不同注入方式感应电压分布图
Fig. 14 Combined source imaging results
从

图15 拓扑提取结果
Fig. 15 Topology extraction results
结合不同测线的感应电压分布曲线和拓扑提取结果对接地网网格导体进行定位,可得到测量区域完整的接地网导体位置信息如
x、y坐标 | 实际导体位置 | 探测导体位置 | 误差率/% | x、y坐标 | 实际导体位置 | 探测导体位置 | 误差率/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|
x1 | 0 | 0.08 | 2.3 | y2 | 3.4 | 3.34 | 1.8 |
x2 | 3.4 | 3.35 | 1.5 | y3 | 6.9 | 6.83 | 2.1 |
x3 | 6.8 | 6.89 | 2.6 | y4 | 10.4 | 10.31 | 2.9 |
y1 | 0 | 0.05 | 1.5 |
综上,组合源能够准确探测出测量区域完整的拓扑结构,结合形态学边缘检测方法进行拓扑提取,提取到的接地网网格导体位置误差不超过3%,表明了整套探测系统和检测方法的可靠性。
1)针对单源探测接地网结构弱磁场区域难以有效测量,以及容易造成漏判或误判等问题,文中叠加定理提出了一种组合源磁场叠加成像检测方法,并搭建了仿真模型,验证了该方法的准确性。仿真与实验结果表明组合源探测效果优于单源,能探测到测量区域完整的拓扑结构、准确度高。
2)开发的整套探测系统,实现了系统化的探测流程,阵列式线圈结合超宽带定位系统扫描式测量地表水平x、y方向感应磁场,解决了传统固定测线、测点测量磁场时工作量大和效率低下问题。
3)编写的软件首先在数据采集时可实时成像,有利于测量过程中判断出网格导体大致位置和走向,在数据处理时可直接提取出感应电压数据矩阵,减少了繁杂的工作量。
4)提出的基于形态学的接地网拓扑结构边缘检测方法,能够有效消除异常数据干扰和增强磁场峰值区域的梯度变化,边缘检测则可准确地提取出接地网拓扑结构,该方法抗干扰能力强,检测结果精确。
参考文献
方乙君, 柳松, 王雄文, 等. 沿海地区变电站腐蚀现状及防腐措施研究[J]. 电气技术, 2018, 19(12): 97-99, 102. [百度学术]
Fang Y J, Liu S, Wang X W, et al. Study on corrosion status and anti-corrosion measures of substations in coastal areas[J]. Electrical Engineering, 2018, 19(12): 97-99, 102. (in Chinese) [百度学术]
Hu H Z, Li Y Y, Fang M G, et al. Research on grounding grid corrosion detection based on hybrid artificial intelligence algorithm[J].International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, 2022,68(2):241-262. [百度学术]
Chen C, Wu D, Pan B L, et al. Research on grounding grid conductor positioning based on pcb coil magnetic field sensor[C]// 5th International Conference on Electromechanical Control Technology and Transportation. IEEE, 2020:269-275. [百度学术]
Lu C J, Li L F, Liu Z X, et al. Location and corrosion detection of tower grounding conductors based on electromagnetic measurement[J].Measurement, 2022,199: 111469. [百度学术]
Song L B, Zhang C, Zhao C, et al. Influence of current on soil corrosion of galvanized steel of grounding grids[J].Micromachines, 2022, 13(2):190-200. [百度学术]
Zhang C, Liao Y X, Gao X, et al. Research advances of soil corrosion of grounding grids[J]. Micromachines, 2021, 12(5):513-518. [百度学术]
李星, 杨帆, 余晓, 等. 基于内源式电阻抗成像的接地网缺陷诊断逆问题研究[J]. 电工技术学报, 2019, 34(5):902-909. [百度学术]
Li X, Yang F, Yu X, et al. Research on inverse problem of grounding grid fault diagnosis based on inner-source EIT [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019,34(5):902-909. (in Chinese) [百度学术]
詹花茂, 郭明鑫, 刘春江, 等. 基于正则化最小二乘法的接地网腐蚀状态评估方法[J]. 腐蚀与防护, 2022, 43(6):79-85, 113. [百度学术]
Zhan H M, Guo M X, Liu C J, et al. Corrosion state assessment method of grounding grid based on regularized least square method[J]. Corrosion and Protection, 2022,43(6):79-85,113. (in Chinese) [百度学术]
Xie H P, Yang F, Hua M S, et al. Grounding grid corrosion detection based on mini-batch gradient descent and greedy method[J]. AIP Advances, 2021, 11(6): 065034. [百度学术]
孟宪峰. 基于电网络法的分布式接地网腐蚀检测装置设计[D]. 长春: 吉林大学, 2022. [百度学术]
Meng X F. Design of distributed corrosion detection device of grounding grids based on electric network theory[D]. Changchun: Jilin University, 2022. (in Chinese) [百度学术]
Souza F A, Neto T R F, Magalhães F R P, et al. Predicting the grounding topology based on grounding impedance and the pattern recognition framework: a case study on one to four ground rods in straight line[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2017, 32(4):1748-1757. [百度学术]
Dawalibi F. Electromagnetic fields generated by overhead and buried short conductors part 2: ground networks[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1986, 1(4): 112-119. [百度学术]
Zhang B, Zhao Z B, Cui X, et al. Diagnosis of breaks in substation’s grounding grid by using the electromagnetic method[J]. IEEE Transactions on Magnetics,2002,38(2):473-476. [百度学术]
刘洋, 江明亮, 崔翔. 变电站接地网导体与网格结构探测方法[J]. 电工技术学报, 2013, 28(5): 167-173. [百度学术]
Liu Y, Jiang M L, Cui X. Detecting method of conductors and mesh structure of substation's grounding grids[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(5): 167-173. (in Chinese) [百度学术]
王文东. 接地网结构的组合脉冲源电磁检测方法与装置研究[D]. 重庆:重庆大学, 2021. [百度学术]
Wang W D. Research on detecting method and equipment of grounding grids structure using combined pulse source electromagnetic method[D]. Chongqing: Chongqing University, 2021. (in Chinese) [百度学术]
Fu Z H, Song S Y, Wang X J, et al. Imaging the topology of grounding grids based on wavelet edge detection[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2018, 54(4): 1-8. [百度学术]