基于組合賦權(quán)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的500kV交流輸電線路電磁環(huán)境評估方法研究

安晨帆， 杜志葉， 李慧慧， 周濤濤， 甘 艷

(1. 武漢大學電氣工程學院， 湖北 武漢 430072； 2. 華中電網(wǎng)有限公司， 湖北 武漢 430077)

基于組合賦權(quán)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的500kV交流輸電線路電磁環(huán)境評估方法研究

安晨帆1， 杜志葉1， 李慧慧1， 周濤濤1， 甘 艷2

(1. 武漢大學電氣工程學院， 湖北 武漢 430072； 2. 華中電網(wǎng)有限公司， 湖北 武漢 430077)

針對超高壓輸電線路日益突出的電磁環(huán)境問題，研究了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理的輸電線路電磁環(huán)境評估方法。在國內(nèi)外現(xiàn)有規(guī)定和推薦標準的基礎(chǔ)上制定了跨越居民區(qū)、公路和農(nóng)田等不同地區(qū)的超高壓輸電線路電磁環(huán)境等級標準。以華中電網(wǎng)500kV交流輸電線路的實測數(shù)據(jù)為例，運用組合賦權(quán)的思想確定了工頻電場、工頻磁場、無線電干擾和可聽噪聲的權(quán)重，并將這四項指標作為輸入變量，電磁環(huán)境評估等級作為輸出變量，建立三層結(jié)構(gòu)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估模型。模型中考慮了單個地區(qū)的電磁環(huán)境評估和不同地區(qū)人口權(quán)重修正的整條線路電磁環(huán)境綜合評估。評估結(jié)果表明，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電磁環(huán)境評估方法能夠較準確地評估500kV交流輸電線路附近的電磁干擾情況，可為輸電線路電磁環(huán)境評估提供參考。

500kV交流線路； 電磁環(huán)境； 評估； 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)； 組合賦權(quán)

1 引言

超、特高壓輸電線路電壓等級高、輸送容量大，其在周圍空間中引起的電磁場環(huán)境問題越來越受到關(guān)注[1-3]。在電場強度較高的區(qū)域內(nèi)，某些居民會產(chǎn)生毛發(fā)豎立或皮膚刺激感、蛛網(wǎng)感；較高的工頻磁場會使靠近輸電線路附近的人體感應(yīng)電壓，人體可能出現(xiàn)不舒服的感覺；電暈放電引起的無線電干擾會對鄰近線路生活的居民廣播或電視信號有干擾；可聽噪聲可能使線路附近的居民和鄰近線路工作的人們感到煩躁不安[4-7]。建立輸電線路的電磁環(huán)境評估模型，準確評估輸電線路走廊電磁環(huán)境狀況，從而減少對線路走廊周邊居民健康生活的影響顯得至關(guān)重要。

國內(nèi)關(guān)于電磁環(huán)境評估的研究一般是從時域、空域、頻域、能量域等方面對機場、戰(zhàn)場、無線電監(jiān)測區(qū)域等環(huán)境下的電磁環(huán)境復雜度進行評價，例如西南交通大學的黃蓉[8]將電磁環(huán)境各指標測量樣本數(shù)據(jù)及相應(yīng)的專家評價結(jié)果作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本集，基于前饋三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的代數(shù)算法建立了電磁環(huán)境評估模型。而關(guān)于輸電線路附近電磁環(huán)境評估的研究則主要根據(jù)具體的線路參數(shù)計算電磁環(huán)境各項指標或某項指標數(shù)值，再依據(jù)計算值是否超過國家規(guī)定限值來評價電磁環(huán)境是否合格[9-13]。但超高壓輸電線路附近以工頻電場、工頻磁場、無線電干擾和可聽噪聲四項電磁環(huán)境指標作為評價因子對電磁環(huán)境評價、分類的研究甚少，鮮有文獻考慮了各不同地區(qū)及整條線路跨不同地區(qū)的電磁環(huán)境評估體系。

實際中往往通過測量線路附近各斷面的電磁環(huán)境指標數(shù)值來了解線路附近電磁環(huán)境情況，對整條線路的電磁環(huán)境未有一個明確、量化的評價結(jié)果。

2 評估分級標準的制定

2.1 工頻電場和工頻磁場

表1列出了有關(guān)國際組織和其他國家的工頻電磁場公眾暴露限值。我國標準HJ /T24-1998《500 kV超高壓送變電工程電磁輻射環(huán)境影響評價技術(shù)規(guī)范》[14]及DL/T5092-99 《110-500kV架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[15]中對500kV輸電線路的工頻電場、工頻磁場的限值作出以下規(guī)定：500kV線下工頻電場控制在10kV/m以下，以4kV/m作為居民區(qū)工頻電場評價標準，推薦應(yīng)用國際輻射防護協(xié)會的工頻限值0.1mT作為磁感應(yīng)強度評價標準。

表1 有關(guān)組織、國家的工頻電磁場限值對照表

根據(jù)輸電線路線下電場強度控制值的調(diào)查統(tǒng)計，許多國家對不同地點制定不同的工頻電磁場暴露限值。如在人煙稀少的地方電場限值較高,公眾活動區(qū)線路走廊邊沿、橫跨公路處較低[6]。各國在不同地區(qū)的電場強度限值各不相同，但仍在一定的范圍內(nèi)[14]：線下最大電場強度(一般是農(nóng)田、耕地區(qū))為10～15kV/m，跨越公路處電場強度為7～10kV/m，公眾活動區(qū)域或鄰近民房處電場強度小于5kV/m。國內(nèi)學者鄔雄在文獻[16]中提出了不同地區(qū)的交流特高壓架空輸電線下1.5m處工頻電場強度控制值；朱普軒[17]在試驗和理論計算的基礎(chǔ)上，對我國超、特高壓輸電線路無線電干擾、可聽噪聲的限值標準提出了若干建議。

2.2 無線電干擾和可聽噪聲

對于500kV交流輸電線路的無線電干擾限值，GB15707-1995《高壓交流架空送電線無線電干擾限值》和QGDW_179-2008《110～750kV架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)定》均規(guī)定在距邊相導線投影20m距離處、測試頻率為0.5MHz的無線電干擾的80%限值為55dB(μV/m)，并可以只在好天氣下測量無線電干擾場強滿足限值要求；DL/T5092-99《110-500kV架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》推薦在無雨、無雪、無霧天氣下的無線電干擾限值為55dB。

我國對輸電線路的可聽噪聲未制定明確的標準，在500kV線路設(shè)計時由于采用4分裂導線，可聽噪聲水平很低，不需控制，在750kV輸電線路設(shè)計中，對可聽噪聲提出了按照58dB(A)作為設(shè)計限值。QGDW_179-2008《110～750kV架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)定》標準規(guī)定：對于500kV輸電線路距邊相導線投影外20m處，濕導線條件下的可聽噪聲值不應(yīng)超過55dB。我國GB3096-1993《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標準》中規(guī)定的城市內(nèi)輸電線路附近允許等效聲級(dB)的夜間限值也為55dB，而晝間限值則是不超過70dB。

2.3 評估分級標準的制定

根據(jù)國內(nèi)外交流輸電線路下電磁環(huán)境各項指標限制值的研究成果，建議按下述方法確定500kV交流架空輸電線路電磁環(huán)境各項指標控制值。

(1)工頻電場。交流超高壓架空輸電線下1.5m處弧垂最低處最大工頻電場強度控制值：鄰近民房、跨越居民區(qū)時輸電線路下方最大未畸變電場不超過4kV/m；對于一般地區(qū)，如公眾經(jīng)?；顒拥牡貐^(qū)(例如公路、廣場處等，后簡稱公路)，工頻電場限定在7kV/m；公眾不易接近的地區(qū)(如農(nóng)田、耕地，后簡稱農(nóng)田)場強限定在10kV/m。

(2)工頻磁場。對公眾全天輻射的工頻限值0.1mT作為磁感應(yīng)強度的評價標準，即500kV線路下方離地 1.5m處的磁場強度最大幅值不超過0.1mT。

(3)無線電干擾。500kV線路邊相導線投影外20m處，無雨、無雪、無霧天氣，頻率0.5MHz時距地面2m高處的無線電干擾限值不超過55dB。

(4)可聽噪聲。在距離邊相導線地面投影外側(cè)20m，濕導線可聽噪聲的限值為55dB。

根據(jù)實際情況，本文將電磁環(huán)境的優(yōu)劣情況分為優(yōu)、良、一般、合格、不合格，分別對應(yīng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五個等級，具體各指標的等級標準制定見表2。其中Ⅰ級代表電磁環(huán)境極優(yōu)；Ⅱ級代表電磁環(huán)境良好；Ⅲ級代表電磁環(huán)境中等，各項指標均未超標；Ⅳ級代表電磁環(huán)境剛剛滿足限值，某項指標接近超標，應(yīng)引起重視；Ⅴ級代表電磁環(huán)境不合格，至少有一項指標超過限值，應(yīng)盡快采取措施。若有某一項指標超過標準限值，則直接判斷電磁環(huán)境為Ⅴ級；當各項指標均無超標情況時，工頻電場、工頻磁場、無線電干擾和可聽噪聲分別按照各自的權(quán)重進行綜合計算。

表2 各區(qū)域電磁環(huán)境標準

3 電磁環(huán)境評估模型的建立

3.1 訓練樣本的獲取

訓練樣本又稱為學習樣本，是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的教師值。本文根據(jù)已制定的電磁環(huán)境等級標準并采用等隔均勻內(nèi)插每級標準的方式來生成訓練樣本，電磁環(huán)境的優(yōu)劣由各指標的上(下)限決定。以居民區(qū)為例，當1kV/m<工頻電場<2kV/m、1.75μT<工頻磁場<3.5μT、40dB<無線電干擾<45dB、40dB<可聽噪聲<45dB，各種指標都在等級2規(guī)定的區(qū)間內(nèi)時，該電磁環(huán)境肯定屬于Ⅱ類。在上述指標的區(qū)間內(nèi)進行隨機取值，就可以生成足夠多屬于該等級的訓練樣本，同理生成其他各等級的訓練樣本。另外，為了增加網(wǎng)絡(luò)的泛化性能，在華中地區(qū)500kV輸電線路跨越地區(qū)多次調(diào)研、測量電磁環(huán)境，為減小誤差，在同一時刻對同一地點的各項指標測量兩次，將測量數(shù)據(jù)用平均值的方法進行處理。在居民區(qū)、公路、農(nóng)田各地區(qū)獲取了50組數(shù)據(jù)加入訓練樣本。本文以居民區(qū)為例，部分訓練樣本見表3。

表3 居民區(qū)訓練樣本

3.2 評價指標權(quán)重的確定

為了使電磁環(huán)境的四個指標構(gòu)成的綜合評價等級能夠更準確地反映電磁環(huán)境的優(yōu)劣情況，需要對歸一化處理后的各指標值賦合適的權(quán)重值[18]。權(quán)重值的選取將直接決定等級評估的科學性，權(quán)重的確定方法一般可分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。

(1)專家打分法

專家打分法是依靠專家的知識和經(jīng)驗，由專家通過調(diào)查研究對問題作出判斷、評估和預測的一種主觀確定權(quán)重的方法[19]。本研究選擇了10位來自輸電線路電磁環(huán)境領(lǐng)域從事科研工作的專家來進行紙質(zhì)問卷調(diào)查，各位專家根據(jù)個人經(jīng)驗對各項評價指標的重要性給出0～10之間的一個評價分數(shù)，分值越高，權(quán)重越大。通過統(tǒng)計每個指標的平均分數(shù)得到各指標的權(quán)重分別為(0.614，0.017，0.125，0.244)。

(2)變異系數(shù)法

變異系數(shù)法是衡量各項指標變異程度的一個統(tǒng)計量[20]，利用線路中各電磁環(huán)境指標實測值的變異系數(shù)來確定其權(quán)重，可以避免專家賦權(quán)所帶來的主觀偏好性。具體的實現(xiàn)方法如下：

1)首先求出各指標的變異系數(shù)：

(1)

2)各項指標權(quán)重為：

(2)

根據(jù)變異系數(shù)法計算公式和實測數(shù)據(jù)，得到各項指標的權(quán)重分別為(0.408，0.311，0.129，0.152)。

(3)組合賦權(quán)法

為了避免專家打分法的主觀性，提高電磁環(huán)境綜合評估的科學性，本文采用了變異系數(shù)法對主觀權(quán)重加以修正，提出了基于專家打分法和變異系數(shù)法的一種兼顧主客觀因素的組合賦權(quán)方法，即：

(3)

式中，Wj為綜合權(quán)重；Aj為專家打分法確定的權(quán)重；Bj為變異系數(shù)法算得權(quán)重。則工頻電場、工頻磁場、無線電干擾和可聽噪聲的四個指標的組合權(quán)重分別為(0.8107，0.0171，0.0522，0.1200)。

將實測的樣本數(shù)據(jù)的每個指標值歸一化到表2中的各個等級，并與組合賦權(quán)法得到的權(quán)重加權(quán)，得到的期望輸出見表4。期望輸出值采取四舍五入，即輸出等級y=[0，1.5]為1級；y=(1.5，2.5]為2級；y=(2.5，3.5]為3級；y=(3.5，4.5]為4級；y=(4.5，∞)為5級。

表4 各指標等級與期望輸出等級

3.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估模型的構(gòu)建與驗證

3.3.1 評估模型的構(gòu)建

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型方法可以對多個變量的系統(tǒng)進行有效分析，通過若干簡單的非線性單元的復合映射，獲得復雜的非線性處理能力，實現(xiàn)輸入輸出的非線性映射[21-23]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強的非線性映射能力和并行性、自適應(yīng)、容錯性及自學習能力，在人工智能、模式識別、分類鑒定、數(shù)據(jù)分析、市場預測和環(huán)境保護等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，特別適用于解決因果關(guān)系復雜的非確定性推理、判斷、預測和分類等問題，恰好可以解決本質(zhì)上屬于模式識別的環(huán)境質(zhì)量評價問題。

針對本文輸電線路電磁環(huán)境的評估問題在每個地區(qū)分別建立以工頻電場、工頻磁場、無線電干擾和可聽噪聲4個神經(jīng)元為輸入層，評估等級為輸出層的單隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。網(wǎng)絡(luò)輸出應(yīng)為分類結(jié)果，本研究設(shè)定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級電磁環(huán)境的期望輸出結(jié)果分別為：(1，0，0，0，0)、(0，1，0，0，0)、(0，0，1，0，0)、(0，0，0，1，0)、(0，0，0，0，1)，因此輸出層神經(jīng)元數(shù)目為5。隱含層節(jié)點個數(shù)根據(jù)kolmogorov定理公式[24]進行計算：

(4)

式中，m為隱含層節(jié)點數(shù)；n為輸入層節(jié)點數(shù)；l為輸出層節(jié)點數(shù)；α為1～10之間的常數(shù)。令式(4)中n=4，l=5，經(jīng)多次試湊后隱含層節(jié)點m確定為5，即最終確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)為4-5-5。學習率和動量因子是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習算法中兩個重要參數(shù)，其過大可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，過小會導致訓練周期過長、收斂慢，達不到要求的誤差[25]。根據(jù)多次試驗經(jīng)驗，本文學習率定為0.001，動量因子設(shè)為0.05。

3.3.2 評估模型的驗證

將跨越居民區(qū)、公路、農(nóng)田的訓練樣本選擇其中80%導入各自的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行訓練，另20%數(shù)據(jù)樣本作為網(wǎng)絡(luò)的驗證樣本，通過Matlab2010b實現(xiàn)。居民區(qū)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓練誤差曲線如圖1所示。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練誤差曲線Fig.1 Neural network training error curve

在迭代次數(shù)<40000時訓練樣本的網(wǎng)絡(luò)誤差急劇下降，但隨著訓練的繼續(xù)進行，迭代次數(shù)增加，網(wǎng)絡(luò)誤差的下降趨勢變緩。且當?shù)螖?shù)等于63786時，網(wǎng)絡(luò)誤差為0.0028，滿足網(wǎng)絡(luò)誤差要求，網(wǎng)絡(luò)停止訓練[26]。居民區(qū)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的實驗結(jié)果見表5。實驗結(jié)果說明基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代數(shù)算法的電磁環(huán)境評價模型有較好的可行性和正確率。

表5 居民區(qū)電磁環(huán)境評價模型實驗結(jié)果

3.4 整條線路電磁環(huán)境評估模型

華中電網(wǎng)覆蓋河南、湖北、湖南、江西、四川和重慶五省一市多個地區(qū)，涵蓋多條省際聯(lián)絡(luò)線路，在全網(wǎng)中占有十分重要的地位。500kV線路作為華中電網(wǎng)的骨干線路，穿越居民區(qū)、公路和農(nóng)田等不同地區(qū)不可避免。根據(jù)以上地區(qū)不同標準的評估模型，建立整條500kV線路電磁環(huán)境的評估體系，即將整條線路所跨越的地段按居民區(qū)、公路和農(nóng)田分類，實地調(diào)研中向當?shù)厝丝谄詹閷T獲取區(qū)域人口數(shù)據(jù)，按照不同地區(qū)的人口比例確定了各區(qū)域的權(quán)重影響。將人口權(quán)重與各地區(qū)評估等級加權(quán)平均，得到整條線路跨不同地區(qū)的綜合評估等級：

(5)

式中，ωj為第j個地區(qū)的人口權(quán)重；xj為第j個地區(qū)的評估等級；y為整條線路的評估等級，同理模型最后輸出結(jié)果采取四舍五入。

3.5 應(yīng)用實例

選取武漢市蔡甸區(qū)玉軍Ⅰ回線路為待評估線路，該線路跨越居民區(qū)、廣場、公路和農(nóng)田等不同地區(qū)，針對代表性區(qū)域選擇性測量不同斷面電磁指標情況并獲取該區(qū)域人口數(shù)據(jù)，整理10組實測數(shù)據(jù)為測試樣本，見表6。

表6 測試樣本

實際輸出與理想輸出的對比見表7?？梢钥闯觯幪?的樣本的輸出等級由Ⅱ類誤判為Ⅲ類，除此之外網(wǎng)絡(luò)的實際輸出與理想輸出基本一致，網(wǎng)絡(luò)具有較為理想的模擬效果。從評估模型輸出結(jié)果可以看出，編號10的樣本的輸出等級為Ⅳ，電磁環(huán)境剛剛滿足限值要求。實地測量時發(fā)現(xiàn)，該處原為一處農(nóng)田，現(xiàn)被填埋成一塊平地，地面被人為抬高3～4m，可能是該處電磁環(huán)境接近限值的原因，需引起電力運營部門重視。玉軍Ⅰ回線路各區(qū)域電磁環(huán)境均符合標準，整條線路電磁環(huán)境綜合評價為Ⅲ類，與實際測量結(jié)果一致。

表7 實際輸出與理想輸出的對比

4 結(jié)論

(1)通過對目前國內(nèi)外電磁環(huán)境標準的研究，提出結(jié)合工頻電場、工頻磁場、無線電干擾和可聽噪聲四個指標的電磁環(huán)境綜合評估體系，制定衡量超高壓架空輸電線路電磁環(huán)境優(yōu)劣的分級標準。

(2)運用組合賦權(quán)的思想確定了工頻電場、工頻磁場、無線電干擾和可聽噪聲的權(quán)重，并基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建了可信度較高的電磁環(huán)境評估模型。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強的學習、聯(lián)想和容錯功能，通過大量實測數(shù)據(jù)進行學習，可以實時修正由于環(huán)境等現(xiàn)場條件變化帶來的評估誤差，使結(jié)果盡可能地符合實際情況。

(3)在已構(gòu)建的單地區(qū)電磁環(huán)境評估模型的基礎(chǔ)上，本文提出了考慮跨越不同地區(qū)情況下人口權(quán)重修正的整條線路的電磁環(huán)境評估體系。評估結(jié)果經(jīng)與實測情況對比，驗證了該模型能準確地反映500kV交流輸電線路附近的電磁干擾情況，為輸電線路電磁環(huán)境評估提供參考。

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Study of 500kV AC transmission line electromagnetic environment evaluation method based on combination empowerment and BP neural network

AN Chen-fan1, DU Zhi-ye1, LI Hui-hui1, ZHOU Tao-tao1, GAN Yan2

(1. College of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China；2. Central China Grid Company Limited, Wuhan 430077, China)

In view of the increasingly prominent problem of electromagnetic environment for the ultra high voltage transmission line, the paper studies the electromagnetic environment evaluation method of UHV transmission line which is based on the BP neural network theory. On the basis of the existing regulations and recommendations at home and abroad, the electromagnetic environment grading standards of EHV transmission lines across residential areas, roads, farmland are established. Using the measured data of Central China Power Grid 500kV line as an example, the weights of power frequency electric field, power frequency magnetic field, radio interference and audible noise are determined on combined weights, and these four indicators are used as input variables and electromagnetic environment assessment level as the output variable, the BP neural network of three layers structure evaluation model is set up. The evaluation system includes the electromagnetic environment evaluation of a single and the whole transmission lines which across different regions and considering population weight correction. Evaluation results show that the electromagnetic environment evaluation method based on BP neural network can accurately assess the electromagnetic interference of 500kV line and can be used as a reference for EHV transmission line electromagnetic environment assessment.

500kV AC transmission line; electromagnetic environment; evaluation; neural network; combination empowerment

2015-03-24

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目 (2011CB209404)

安晨帆(1991-)， 女， 湖北籍， 碩士研究生， 研究方向電磁場數(shù)值仿真計算； 杜志葉(1974-), 男, 河南籍, 副教授, 碩士生導師, 研究方向為電磁場數(shù)值計算、 電網(wǎng)故障與安全、 電磁兼容等。

TM726

A

1003-3076(2016)03-0062-07