基于B/S架構的高壓變電站工頻電場分析系統研究

韓　雙，賀丹丹，李天陽，趙志鋒，張賀偉

（1.國網河北省電力公司石家莊供電分公司，石家莊 050091；2.國網安徽省電力公司培訓中心，合肥 230022；3.安徽電氣工程職業技術學院，合肥 230051）

基于B/S架構的高壓變電站工頻電場分析系統研究

韓雙1，賀丹丹2，3，李天陽1，趙志鋒1，張賀偉1

（1.國網河北省電力公司石家莊供電分公司，石家莊 050091；2.國網安徽省電力公司培訓中心，合肥 230022；3.安徽電氣工程職業技術學院，合肥 230051）

針對日益突出的電場環境問題，提出開發基于B/S架構的高壓變電站工頻電場分析系統，介紹高壓變電站電場環境數據管理與分析平臺的主體框架和主要功能模塊，分析該系統的建模、關鍵技術和電場強度計算方法，以某變電站500 k V設備區為例進行仿真計算，說明該系統可有效計算并展示設備不同方向上的電場強度。

高壓變電站；電場強度；工頻電場；B/S架構

0　引言

電場環境作為生態環境中的重要部分，與人的生活密切相關，尤其是隨著電力輸電線電壓等級的不斷提高，這些工頻電場正日益加強。在這種復雜的電場環境中，電子、電氣設備特別是以通信系統、控制系統和計算機系統為主的設備系統，也會受到外界電場干擾的影響出現誤操作或故障，引起嚴重的后果。因此，有必要建立一個高壓變電站工頻電場分析系統，以便于對高壓變電站電場環境進行研究，為以后輸變電設施建設提供依據。

目前，國內外專家都開始了高壓電網工頻電場的研究，國外已有一些成功的研究經驗和成果值得借鑒。文獻［1-5］研究了美國對高壓電場的試驗和探索，包括電場、電暈、生態環境、絕緣水平等方面，確定了幾種典型的高壓輸電線路工頻電場的分布規律。文獻［6-7］討論了日本對高壓電場的研究，日本電力中央研究所和生物環境技術研究所在赤城高壓模擬試驗線路下，對牛的行為等進行了研究，發現強電場會對家畜的健康狀況有不利的影響。對于工頻電場計算方法的研究，目前國外公認的方法主要有馬克特-門格爾法、逐步鏡像法和模擬電荷法，有專家也提出將數值模擬的方法用于計算場強［8-9］。國外還有很多成熟的軟件包，如利用MOM求解短線電場數值計算的軟件包NEC，用于解決電場兼容問題的加拿大CDEGS軟件包、意大利生產的用來測試高壓輸電線路電場的PMM8053A便攜式電場測試系統等。該文研究高壓變電站電場分析系統的建立及變電站電場強度算法分析和仿真。

1　系統架構和主要功能設計

1.1總體架構設計

現有的高壓電場分析系統可以分為兩類：C/S（客戶端/服務器）架構和B/S（瀏覽器/服務器）架構。C/S架構同時利用了客戶端與服務器端硬件優勢的模式，減小了服務器的壓力以及通信開銷。但是C/S架構在實際應用中，客戶端和服務器需要安裝特定的軟件才能實現系統的功能；同時隨著互聯網的迅速發展，局域網的電腦用戶越來越多，有時可能多達上百臺，C/S架構的系統，軟件升級的代價很高。B/S架構是隨著互聯網技術的發展而興起的，它在一定程度上彌補了C/S的不足之處。使用者在B/S架構下通過瀏覽器就可以使用軟件，軟件的大部分功能在服務器端實現，不需要在客戶端安裝特定的軟件，系統的維護與更新在服務器上實現，減少了用戶的使用總成本。

高壓變電站電場分析系統采用B/S架構，在作為服務器的計算機上，選擇Microsoft SQL Server 2005數據庫管理軟件作為系統的數據庫支持軟件，以便記錄和查詢數據，實現對數據庫的管理與配置。同時，通過IIS部署向導安裝，將高壓變電站電場分析系統安裝在服務器計算機上，在變電站基本參數的圖形模塊采用了ActiveX技術與主系統交互，計算變電站工頻電場模塊采用動態鏈接庫技術，實現matlab計算與圖形交互的功能。高壓變電站工頻電場分析系統的主體架構如圖1所示。

圖1　高壓變電站工頻電場分析系統主體架構

1.2主要功能

高壓變電站工頻電場分析系統的重要功能是隨時隨地增加、查詢、修改和計算電場數據，快速、高效的實現數據在不同地區之間的傳遞和處理，在對大量變電站的電場環境實測數據以及理論分析數據的基礎上，建立一個測量數據的查詢管理和電場理論計算分析系統。系統除了需要具有錄入變電站的電場測量數據的功能以外，還需要一些其他功能，以使整個系統更加完善。該文研究的高壓變電站工頻電場分析系統的功能主要有用戶管理、數據的錄入與修改、數據查詢、波形展示、計算工頻電場等。

2　系統關鍵技術實現

2.1計算功能的實現

高壓變電站電磁場分析系統中的一個重要的功能就是實現變電站工頻電場的計算仿真。該計算模塊采用matlab語言作為開發語言，編制相應的計算程序，將計算功能嵌入基于MFC的圖形模塊，實現圖形模塊與計算功能的交互。

具體實施方法是：在matlab中編寫好計算函數，將函數的.m文件編譯為.dll以及相關文件；將生成的.dll以及相關文件加入到MFC應用程序中，在MFC應用程序中加入matlab頭文件，并對matlab進行初始化；使用mx Array等數據類型實現matlab函數與MFC應用程序的交互，實現在MFC應用程序中嵌入計算模塊。

2.2圖形模塊的實現

高壓變電站工頻電場分析系統需要提供一個圖形模塊作為用戶接口，方便錄入變電站和輸電線路的基本信息。該文采用MFC開發單文檔形式作為圖形模塊，具有matlab軟件接口。由MFC應用程序完成的圖形模塊不能直接與采用B/S構架的高壓變電站電場分析系統的主體功能模塊進行交互，將MFC應用程序轉變為ActiveX控件，通過ActiveX控件可實現圖形模塊和采用B/S構架方式的Web應用程序交互。

具體實施方法是：首先新建一個MFC ActiveX工程，再將原MFC開發的圖形模塊代碼文件與MFC ActiveX工程進行一系列的合并，使原MFC應用程序的功能以MFC Active X控件的形式展示出來；再將Active X控件嵌入HTML網頁中運行，通過ActiveX控件實現圖形模塊和采用B/S構架方式的Web應用程序交互。

3　數學模型建立與電場算法研究

高壓變電站的電氣設備主要包括變壓器、斷路器、隔離開關、母線以及架空進出線等。變電站內的電場是由裸露的帶電導體產生的，主要有母線、母線與隔離開關的連接線、隔離開關與斷路器的連接線、斷路器與架空線的連接線以及高壓架空線。這些線狀電極，裸露在外，距離地面較近，高壓變電站內的工頻電場主要是由這些導體產生的。這些導體均可以看作是由數個有限長導體組成，因此對有限長導體的電場強度進行單獨研究。

3.1數學模型的建立

三相有限長導體的數學模型見圖2，三相導體與大地平行，忽略弧垂。三相對地高度為H，三相導線長度為L，相間距為D。

圖2　三相有限長導線的數學模型

3.2電場強度的計算

將三相有限長導體均劃分為m段，連續編號，1…m表示U相，m+1…2m表示V相，2m+ 1…3m表示W相，第i個線段分界點坐標為（xi，yi，zi）。

在每一段導線中心設置一個模擬電荷，電勢匹配點選擇在導線的邊界上。建立電位方程如下：

式中：τ為導線中的模擬電荷；UM為導線的電位；P為導線的電位系數。第j段模擬電荷在第i段中所對應的電位系數為：

因為模擬電荷都處于導線的中心，電勢匹配點在導線表面，匹配點電勢等于導線電勢，有：

式中：U為線電壓。因此模擬電荷可以表示為：

式中：［UM］為時間的函數，將式（5）的實部和虛部分開，有：

根據式（6），可以求出每段導線的模擬電荷［τ］。利用疊加原理，空間任意一點P（x，y，z）的電場強度在x方向的計算公式為：

同理可以求出y和z方向的電場強度。

4　仿真計算

以某進行分間隔分區域處理的敞開式布置變電站的500kV設備區為例，母線型號為LGKKT-578，兩分裂，分裂間距400mm；對地高度為18.5m，母線、隔離開關、斷路器、輸電線路之間的連接線型號與母線相同；輸電線路型號為LGJ-400/35，四分裂，分裂間距450mm，相間距11.5m，邊相對地高度為20 m，中相對地高度為25m。計算-50≤x≤50，-50≤z≤50區域內對地高度為1.5m的電場。

該區域電氣設備之間的連接見圖3。圖中對電氣設備做了適當的簡化，將高壓變電站內的高壓進出輸電線、母線、隔離開關與斷路器的連接線看作為有限長平行的直導線，將母線與隔離開關的連接線、斷路器與架空線的連接線看作拋物線，可以將拋物線模型等效為數個有限長導線。

圖3　500 k V變電站某區域電氣設備連接

高壓變電站工頻電場分析系統界面如圖4所示。將各電氣設備的布置形式以及參數錄入系統的圖形界面，通過仿真計算便可得到該變電站電場環境示意。

圖4　高壓變電站工頻電場分析系統界面

計算仿真結果展示見圖5-8。

圖5　x方向電場強度分量的三維圖

圖6　y方向電場強度分量的三維圖

圖7　z方向電場強度分量的三維圖

圖8 合成電場強度分量的三維圖

圖5中，在靠近輸電線路一側的斷路器和隔離開關之間的邊相連接線上，電場強度達到最大值，最大值為2.92 k V/m。在母線與隔離開關之間的連接線上，電場強度較小。

圖6中，電場分布出現6個峰值，都出現在斷路器和隔離開關之間的連接線上，在靠近輸電線路側的邊相連接線上，電場強度達到最大值，為12.04 k V/m。在母線中相附近，電場強度較小。

圖7中，電場出現4個峰值，最大值為4.14 k V/m，在母線中相附近，電場強度較小。

圖8中，合成電場強度的大小主要由y方向上電場強度分量決定，其分布規律與y方向上電場強度分量相同，在靠近輸電線路側的邊相連接線上，電場強度達到最大值，為12.51 k V/m。在母線中相附近，電場強度較小。母線對地高度為16.8 m，距離地面較遠，而母線、隔離開關、斷路器直接的連接線對地高度為5 m，距離地面較近，因此母線下方電場強度與連接線下的電場強度相比，數值較小。

我國現行的工頻電磁場職業接觸標準中規定，電場強度限值為6 k V/m。可以看出，500 k V變電站部分區域已經超標。

5　結論

該文介紹開發的基于B/S架構的高壓變電站工頻電場分析系統，構建高壓電網電場環境分析平臺的主體框架，實現了用戶管理、數據的錄入與維護、計算仿真等功能。對某個敞開式的變電站局部區域建立了簡化的數學模型，對其仿真分析可知，變電站地面附近的電場強度主要是y方向上的分量，在隔離開關與斷路器的連接線附近，電場強度最大。500 k V變電站部分區域已經超過我國現行的工頻電磁場職業接觸標準，亟需進行合理的電氣設備布局規劃與電磁輻射防護管理，以促進我國超高壓、特高壓電網的發展。

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本文責任編輯：王洪娟

Study on System for Power-frequency Electric Field of High Voltage Substation Based on B/S Structure

Han Shuang1，He Dandan2，3，Li Tianyang1，Zhao Zhifeng1，Zhang Hewei1
（1.State Grid Hebei Electric Power Corporation Shijiazhuang Power Supply Branch，Shijiazhuang 050091，China；2.State Grid Anhui Electric Power Corporation Training Center，Hefei 230022，China；3.Anhui Electrical Enginering Professional Technique College，Hefei 230051，China）

As electric environmental issues caused by power frequency electromagnetic fields become increasingly prominent，this paper develops a system for substation electric field of high voltage based on B/S structure，and introduces the main framework of the electromagnetic environment data management and analysis platform for high voltage substation，establishes a simplified mathematical model，and analyses the key technology and calculation of electric field intensity.Simulation for a 500 k V substation shows that this system can calculate and show the electric field intensity in different coordinate directions.

high voltage substation；electromagnetic field strength；frequency electric field；B/S structure

TM835.4

A

1001-9898（2016）02-0026-04

2015-10-22

韓 雙（1988-），女，工程師，主要從事變電運維工作。