基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统及方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统及方法，采用压缩感知重构算法的信号采集技术对工频电场信号进行采集、运算，可以对变电站设备运行参数或环境数据等发生的变化进行实时监测，并进行超限预报警，可以把不可见的电磁污染，形象、直观、正确公示于户外，让公众通过变电站周边的LED大屏直观了解当前的电场强度并与国家标准进行对比，形成直观、正确的概念，降低公众的心理恐慌程度，有效消除公众对电磁辐射的误解，促进公司输变电工程的顺利开展，同时，测量结果为变电站作业场所工频电磁场防护提供了数据支持，促使作业人员遵守相关电磁防护原则，并采取相应的防护措施有效抑制职业危害。
【专利说明】基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及变电站环评信息测量预警【技术领域】，尤其涉及基于压缩感知重构算法 的变电站环评预警系统及方法。
【背景技术】
[0002] 随着社会经济的发展、人们生活水平的提高，我国的电力需求持续增长，电网规模 也发生了重大变化。我国骨干电网已经由20世纪80年代的220kV发展到目前的500kV， 在未来几年我国的超特高压将步入跨越式发展之路。但另一面却导致了周边电磁环境的恶 化，引起公众的极大关注。随着城镇规模的快速扩张，越来越多的输电线路和变配电设施或 置于人口聚集区，伴随着公众环保意识的提高，人们对高压输变电系统的电磁环境问题和 可能引起的生态效应非常担忧，相关研究和媒体报道也给公众造成了巨大的心理压力。集 体妨碍和抵制新建电力设施，上访或进行法律诉讼的事件也时有发生，矛盾的激化影响社 会的安定和谐，由于公众对电磁污染的错误认识，及工频电磁场本身的不可见性和实时测 量公示的缺失，许多变电站周边的居民出现所谓"电磁辐射"等不安全因素担心的心理，对 变电站建设进行阻扰，从而造成了变电站进城难落地难。输电电压等级发展到特高压阶段， 环境电磁问题已经成为制约电网发展的主要因素之一。
[0003] 为了扭转原来接到公众投诉后再监测的"救火式"被动局面，对电磁场进行即时有 效的测量成为解决这一问题必不可少的手段。对重点变电站及周边电磁环境进行监测，为 公众提供开放信息，逐步消除公众对电磁辐射安全焦虑，不仅有利于社会和谐，还彰显了良 好、负责任的企业形象。
[0004] 申请号为201210094056. 9的中国专利涉及一种变电站现场暂态电磁环境的测试 方法。目前的稳态测试方法不适用于电力系统暂态过程中电磁场强度的测试和评价。本 发明在测试中采用非选频式宽带辐射测量仪，在变电站暂态过程发生前测试一个稳态的背 景数据，采用稳态测试方法来得到变电站工频和射频电、磁场背景值；变电站暂态过程发生 时，通过记录工频、射频电、磁场强度最大值的方法获得暂态数据，从而分析放置在该位置 的电子设备的抗干扰性能能否满足要求。本发明能有效测量变电站内暂态过程中工频、射 频电磁场变化，对变电站内智能设备就地化安装的电磁环境评估有实用意义。
[0005] 申请号为201110253480. 9的中国专利公开了一种基于压缩感知的电磁逆散射成 像方法，涉及微波成像技术，包括：步骤一、微波激励与测量阶段，在目标外用微波对目标进 行穿透照射，测量目标的散射回波，从而去感知目标内部结构和材质；步骤二、目标建模阶 段，建立目标介电常数和散射回波间的非线性观测模型，建立描述目标内部结构稀疏性的 表征模型；步骤三、计算成像阶段，使用目标模型和压缩感知处理方法对目标的介电常数分 布成像，由于不同介电常数对应目标的不同组成材料，故成像结果作为目标内部结构的表 征。相对于传统微波成像方法，本发明使用压缩感知处理技术，显著降低回波观测数据量， 同时显著提高目标内部结构的成像清晰度。
[0006] 传统的变电站电磁环评测量存在测量仪成本高、测量数据量大的缺点，且不易构 建直观准确的信息显示平台，故而，可以考虑将压缩感知理论应用于变电站工频电场计算， 从而实现电磁环境数据的分析、上传、显示、存储、查询、集中监控和共享功能，让公众及时 了解监测结果，打消疑虑，并且进一步实现智能分析、安全预警等运行智能化检测的管理目 标提供可靠依据。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于解决上述技术问题，提供基于压缩感知重构算法的变电站环评 预警系统及方法，将压缩感知理论应用于变电站工频电场计算，通过工频数据的采集，系统 实现了电磁环境数据分析、上传、显示、存储、查询、集中监控和共享功能，让公众及时了解 监测结果，打消疑虑，正确地认识输变电设施，降低公众的恐慌程度，有效消除市民对变电 站电磁辐射的误解和疑虑，从而顺利的推进各变电站工程建设。
[0008] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于压缩感知重构算法的变电站环 评预警系统，包括检测模块、分析模块与显示模块，所述检测模块包括交变工频传感单元及 其连接的处理电路，所述分析模块包括单片机组件及其连接的输出电路，所述显示模块包 括报警单元、显示单元及远程接口，所述处理电路连接所述单片机组件，所述输出电路连接 所述显示模块。
[0009]所述交变工频传感单元包括顺次连接的传感器、采样单元与控制器，所述处理电 路包括数据集中器与滤波放大电路，所述控制器连接所述数据集中器。
[0010] 所述单片机组件包括单片机芯片、模数转换芯片及数据存储器，所述输出电路包 括无线传输模块与双向网络通信接口。
[0011] 所述显示单元上设置光伏阵列，所述光伏阵列连接直流蓄电池。
[0012] 所述无线传输模块包括GSM数传模块与CDMA数传模块。
[0013] 基于压缩感知重构算法的变电站环评预警方法，包括如下步骤： 1) 构建变电站工频电磁场环境检测模块，即在电场中设置多个导体传感器，并由控制 器根据压缩感知重构算法原理对指定传感器进行采样； 2) 采样数据经过统一集中及滤波放大，通过无线手段或双向网络通信接口，进入单片 机组件中； 3) 单片机组件将数据进行分类及模数转换处理，调用数据存储器中的国标值，与测量 数据比对，并进行显示数据与超限报警数据的输出； 4) 显示数据进入显示单元进行实时显示，超限报警数据的开关量信号进入报警单元 中，进行环评预警。
[0014] 压缩感知理论在信号处理、通信、WSN等领域的应用比较广泛。基于压缩感知的系 统特点是：传感器节点直接采集少量数据，同时完成采样、压缩，不需要基于香农乃奎斯特 定理进行大量、高速采集，在本发明中，控制器可以选用可编程微处理器，存储基于压缩感 知理论的采样算法，通过采样单元对传感器的多个导体传感器进行有序取样，从而形成符 合本发明条件的交变工频传感单元，传感器的基本原理是：处于电场中的导体传感器表面 会产生感应电荷，根据测量电场的不同频率，由取样电路根据特定算法，将感应电荷转换成 与待测电场强度有一定对应关系的电流或电压信号，对信号进行分析，就可测得电场强度。
[0015] 在具体项目中，变电站交变电场的测量，是在位于交变电场中的导体，其表面感应 电荷与带刺电场按同频率随时间变化，对此感应电荷处理，便能得到与待测电场中成比例 关系的电压或者电流信号，利用压缩感知算法对信号进行重构，从而实现电场的测量。
[0016] 项目研制的三维交变电场传感器有三对电场测量单元，其中两对电极测量径向 (XY方向）的电场分量EX、EY,，另一对电极轴线与前两对电极构成的平面相垂直，测量轴向 (Z方向）的电场分量EZ,待测电场与上述三个矢量的关系为：
【权利要求】
1. 基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统，其特征在于：包括检测模块、分析 模块与显示模块，所述检测模块包括交变工频传感单元及其连接的处理电路，所述分析模 块包括单片机组件及其连接的输出电路，所述显示模块包括报警单元、显示单元及远程接 口，所述处理电路连接所述单片机组件，所述输出电路连接所述显示模块。
2. 如权利要求1所述的基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统，其特征在于： 所述交变工频传感单元包括顺次连接的传感器、采样单元与控制器，所述处理电路包括数 据集中器与滤波放大电路，所述控制器连接所述数据集中器。
3. 如权利要求1所述的基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统，其特征在于： 所述单片机组件包括单片机芯片、模数转换芯片及数据存储器，所述输出电路包括无线传 输模块与双向网络通信接口。
4. 如权利要求1所述的基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统，其特征在于： 所述显示单元上设置光伏阵列，所述光伏阵列连接直流蓄电池。
5. 如权利要求3所述的基于压缩感知重构算法的变电站环评预警系统，其特征在于： 所述无线传输模块包括GSM数传模块与CDMA数传模块。
6. 基于压缩感知重构算法的变电站环评预警方法，其特征在于：包括如下步骤： 1) 构建变电站工频电磁场环境检测模块，即在电场中设置多个导体传感器，并由控制 器根据压缩感知重构算法原理对指定传感器进行采样； 2) 采样数据经过统一集中及滤波放大，通过无线手段或双向网络通信接口，进入单片 机组件中； 3) 单片机组件将数据进行分类及模数转换处理，调用数据存储器中的国标值，与测量 数据比对，并进行显示数据与超限报警数据的输出； 4) 显示数据进入显示单元进行实时显示，超限报警数据的开关量信号进入报警单元 中，进行环评预警。
【文档编号】G01R29/08GK104330646SQ201410614685
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月4日 优先权日:2014年11月4日
【发明者】王佳音, 顾瑛 申请人:国网河南省电力公司南阳供电公司