工頻電場抑制的在線式載電磁環(huán)境在線監(jiān)測平臺

江世雄，吳飛，王重卿，龔建新，涂承謙

（國網(wǎng)福建省電力有限公司，福建福州 350007）

受長期電磁環(huán)境干擾，電力、移動通信的質量都受到影響。通信基站占據(jù)著網(wǎng)絡通道，只要發(fā)生鏈路故障，就會影響整個區(qū)域的信息傳遞[1]。所以要保證通信環(huán)境不受電磁環(huán)境的干擾，提升通信質量，因此監(jiān)測電磁環(huán)境的變化是具有一定現(xiàn)實意義的[2]。

基于云計算監(jiān)測的電磁環(huán)境在線監(jiān)測平臺，受金屬及其他元件的影響，其局部畸變場的分布必然會影響測量結果，在電磁場中，金屬電纜的電磁串擾也會影響測量結果[3]。使用非選頻式寬帶的監(jiān)測儀，在不進行頻率選擇的情況下，經(jīng)常會遇到中波畸變、電力線路或數(shù)據(jù)線干擾等問題，導致測量值明顯大于實際值。針對這一問題，提出了工頻電場抑制的在線式載電磁環(huán)境在線監(jiān)測平臺。

1 硬件結構設計

在平臺結構設計中，根據(jù)不同通信基站、車載運行和環(huán)境中的電磁環(huán)境在線監(jiān)測需求，設計了工頻電場抑制的在線式載電磁環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)[3]。在線監(jiān)測平臺具有監(jiān)測效率高、精準性高、抗干擾能力強等優(yōu)點，不僅能夠滿足各個領域對監(jiān)測的需求，還起到了科普宣傳、良好溝通的效果，促進相關行業(yè)的快速發(fā)展，保證了人們的生活質量和生態(tài)環(huán)境的健康[4]。由多個電磁環(huán)境監(jiān)測子站、監(jiān)控中心及數(shù)據(jù)公示平臺組成在線監(jiān)測平臺硬件結構，如圖1 所示。

圖1 在線監(jiān)測平臺硬件結構

電磁式環(huán)境監(jiān)控器通過無線或有線通信連接到遠程監(jiān)控器的數(shù)據(jù)采集中心[5]。其由電磁環(huán)境監(jiān)測站、數(shù)據(jù)采集與傳輸設備、供電設備等組成，主要功能是監(jiān)測與控制[6]。

監(jiān)控中心系統(tǒng)軟件通過對多個監(jiān)控站點監(jiān)控數(shù)據(jù)的存儲、處理和統(tǒng)計，將其實時地發(fā)送到用戶端和服務器端，實現(xiàn)了各監(jiān)控站點與公共顯示屏的統(tǒng)一管理[7-9]。該網(wǎng)站的新聞宣傳平臺主要有公共屏幕、網(wǎng)頁、手機APP、微信等，可選擇一塊或多塊戶外LED或HDLCD 顯示屏，從監(jiān)控中心獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)公共顯示器需求，將其發(fā)布到一個或多個站點[10-12]。通過視頻、動畫、文字等形式，宣傳有關電磁環(huán)境、綠色變電站、綠色基站等方面的科學知識。監(jiān)控數(shù)據(jù)也可通過網(wǎng)站向內(nèi)部員工或公眾公開和公布[13]。

1.1 監(jiān)控服務器

利用嵌入式實時操作系統(tǒng)、嵌入式網(wǎng)絡服務器和單晶硅太陽能電池構成監(jiān)控服務器。服務器的顯示屏采用獨立太陽能電源，不受外界光纜干擾，監(jiān)控服務器結構示意圖如圖2 所示。

圖2 監(jiān)控服務器結構示意圖

如圖2 所示，在監(jiān)控服務器內(nèi)安裝高效壓縮芯片，能夠壓縮攝像機傳輸?shù)囊曨l信號，通過內(nèi)置Web服務器可以直接接收內(nèi)部總線傳輸?shù)男盘枴Ｊ褂迷摫O(jiān)控服務器，能夠通過監(jiān)控端直接查看拍攝到的圖像，監(jiān)控圖像清晰效果好[14]。

1.2 工頻電磁場探頭

為了避免支架在高濕度環(huán)境下測量電場，OSLF-01 工頻電磁場探頭采用全絕緣支架，并設計了特殊的懸掛結構。該探頭對低頻電場具有很強的抑制能力，甚至在高壓線等高強度電場環(huán)境中，也能抵抗工頻干擾[15]。該設備可與OS-LF-01 系列手持式場強計（便攜式電磁輻射測試儀）配合使用，可測量1～400 Hz 范圍內(nèi)的工頻電磁場，不需切換光纖接口，即可同時顯示測量的頻率場、磁場值，實現(xiàn)精確射頻測量。

1.3 數(shù)據(jù)采集儀

為確保測試值的準確性，避免金屬光纜帶來的場效應和串擾等現(xiàn)象，采集器與監(jiān)視器之間采用光纖連接，使測試值不會受到影響[16]。利用可支持多站檢測業(yè)務的RFID 數(shù)據(jù)采集器，對RFID 電子標簽信息進行快速有效讀取，為不同情況下的檢測需求提供檢測中心、檢測分站等多種形式的保障工作。

RFID 數(shù)據(jù)采集器結構示意圖如圖3 所示。

圖3 RFID數(shù)據(jù)采集器結構示意圖

由圖3 可知，便攜式數(shù)據(jù)采集器作為一款高新技術產(chǎn)品，具有激光掃描和漢字顯示功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理以及通信等。它是在小型計算機的基礎上，結合了計算機技術和條形碼技術，利用物品上的條形碼作為快速獲取信息的手段。也就是說，它可以兼作PDA 和條形碼掃描，并對掃描到的標記條形碼進行存儲，然后傳輸?shù)接嬎銠C的數(shù)據(jù)庫里，從而自動生成采集清單報告。

1.4 數(shù)據(jù)公示平臺

通過移動APP 和微信公眾終端可以實時發(fā)布監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用LED 顯示屏，公眾可實時了解周邊電磁環(huán)境，起到科普宣傳的作用。LED顯示屏如圖4所示。

圖4 LED顯示屏

由圖4 可知，為確保顯示系統(tǒng)能流暢地播放高清視頻文件，主控主機配置為17 寸顯示器主流電腦LCD。LCD 顯示屏由電腦、控制系統(tǒng)及屏幕三大部件構成，該顯示屏控制系統(tǒng)采用單線控制方式，在DVI 顯卡上的電腦主板上安裝了一個PCI-E16X 插槽。母板設有足夠的PCI-E 和PCI 等插槽，以便控制系統(tǒng)連接PCI-E 總線。

2 軟件部分設計

工頻電場的在線式載電磁環(huán)境監(jiān)測可以展現(xiàn)圍繞在電線周圍的肉眼看不見的力線，其傳播方向與電磁場無關。在線監(jiān)測金屬部件及其他元件，必然會影響場的分布，形成局部變形，進而影響測量結果。但在電磁場中，由于金屬導體的電磁干擾，也會對測量造成影響，因此在設計時必須充分考慮工頻電磁場的影響。在測量過程中，由于金屬線纜的電磁串擾問題，必然會對測量產(chǎn)生影響，形成局部畸變場，給測量帶來一定的影響，同時，在電磁場測量中，必須從整體上考慮在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計，做好工頻電場的抑制工作。

2.1 工頻電磁場抑制技術

為了抑制頻率電磁場，必須先計算工頻電磁場。根據(jù)實際情況，將其分為N個短電纜段，對各段的線電荷進行分別計算；其次是根據(jù)式（1）-式（6），可計算觀測點每根電纜段產(chǎn)生的工頻電場。

在工頻電場的X、Y、Z三個方向上，存在具有時間變量t的矢量電場Ex、Ey、Ez，不同方向的電場合成后的電場值E的計算公式為：

式中，ω為變化頻率，ωt是以2π周期變化的，α、β、γ分別表示不同方向正切值。設線電荷密度為ε，大地電位為0，所以在充分考慮線電荷的基礎上，計算極化合差，公式如下：

式（6）中，m為實數(shù)，將計算后的t時間導數(shù)代入式（1）中，計算獲取最大值就是工頻電磁場最大值。

通過對不同觀測點重復進行以上的測量，得到電纜系統(tǒng)周圍工頻電場分布。使用倒三角布置方案，使三相電路形成一個倒等邊三角形，從而測量三相電路周圍磁場強度。提高相位相對高度，縮短相位間距，可有效抑制磁場對相位高度的影響。

2.2 在線監(jiān)測流程設計

根據(jù)在線監(jiān)測平臺的實際情況，其流程設計如下：

步驟一：獲取地址坐標，表示為GPS 坐標。通過GPS 坐標與基站坐標的距離，可以判斷當前定位平臺的電磁干擾情況。

步驟二：計算全球定位系統(tǒng)坐標到基地坐標的距離為坐標差。

步驟三：該平臺接收到基站發(fā)來的信號后，若確定該定位系統(tǒng)已進入基站覆蓋的新區(qū)域，則定位系統(tǒng)進入新區(qū)域。

步驟四：通過GPS 定位和基站定位對當前位置的坐標進行三次測量，確定坐標差，取最低閾值，修正轉換結果。

步驟五：監(jiān)控GPS 定位與基站定位誤差，在一定的電磁干擾條件下，GPS 定位和基站定位所獲得的GPS 信號是一致的。這說明當前GPS 定位與基站定位誤差增大，電磁干擾增強。利用GPS 還可進一步精確定位，既解決了現(xiàn)有監(jiān)測定位系統(tǒng)存在的電磁干擾增加、電磁兼容性減弱、影響定位效果等問題，又能有效地監(jiān)測電磁干擾，提高了定位系統(tǒng)的精度。

3 實 驗

以福建供電局一500 kV 福州變電站為例，對該平臺設計的合理性進行實驗驗證分析。

3.1 實驗項目概況

在500 kV 福州變電站，正式啟動福州變電站環(huán)境信息在線監(jiān)測系統(tǒng)，并通過外部LED 顯示屏實時顯示數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 監(jiān)測數(shù)據(jù)

由表1 可知，福州變電站監(jiān)測到的數(shù)據(jù)值遠低于國家標準。

3.2 實驗結果與分析

分別使用基于云計算監(jiān)測平臺、非選頻式寬帶電磁環(huán)境監(jiān)測儀和基于工頻電場抑制技術的監(jiān)測平臺對工頻電場強度監(jiān)測，監(jiān)測結果如圖5 所示。

圖5 三種系統(tǒng)工頻電場強度監(jiān)測結果

由圖5 可知，在正常情況下，基于云計算監(jiān)測平臺監(jiān)測結果的范圍為6～20 V/m；非選頻式寬帶電磁環(huán)境監(jiān)測儀監(jiān)測結果的范圍為8～9 V/m；基于工頻電場抑制技術的監(jiān)測平臺監(jiān)測結果為9 V/m，并保持不變。在噪聲干擾情況下，基于云計算監(jiān)測平臺監(jiān)測結果的范圍為11～40 V/m；非選頻式寬帶電磁環(huán)境監(jiān)測儀監(jiān)測結果的范圍為20～90 V/m；基于工頻電場抑制技術的監(jiān)測平臺監(jiān)測結果的范圍為7～9 V/m，并保持不變。通過上述監(jiān)測結果可知，使用基于工頻電場抑制技術與表1 所示的實際監(jiān)測值最接近，說明該技術監(jiān)測結果較為精準。

4 結束語

由工頻電場抑制的在線式載電磁環(huán)境在線監(jiān)測平臺監(jiān)測情況可以實時掌控用于電力、移動通信、環(huán)保等行業(yè)的電磁環(huán)境，通過計算工頻電場以及倒三角布置來抑制電場強度。電磁波環(huán)境在線監(jiān)測平臺的建立，使人們可以直接了解其所在城市的電磁輻射狀況。建立大型城市電磁輻射數(shù)據(jù)庫，為以后的數(shù)據(jù)積累提供有效的技術支持，為管理城市電磁輻射環(huán)境提供依據(jù)。