工頻電場抑制的在線式載電磁環境在線監測平臺

江世雄，吳飛，王重卿，龔建新，涂承謙

（國網福建省電力有限公司，福建福州 350007）

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

基于云計算監測的電磁環境在線監測平臺，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測儀，在不進行頻率選擇的情況下，經常會遇到中波畸變、電力線路或數據線干擾等問題，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境在線監測平臺。

1 硬件結構設計

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

圖1 在線監測平臺硬件結構

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

監控中心系統軟件通過對多個監控站點監控數據的存儲、處理和統計，將其實時地發送到用戶端和服務器端，實現了各監控站點與公共顯示屏的統一管理[7-9]。該網站的新聞宣傳平臺主要有公共屏幕、網頁、手機APP、微信等，可選擇一塊或多塊戶外LED或HDLCD 顯示屏，從監控中心獲取監測數據，根據公共顯示器需求，將其發布到一個或多個站點[10-12]。通過視頻、動畫、文字等形式，宣傳有關電磁環境、綠色變電站、綠色基站等方面的科學知識。監控數據也可通過網站向內部員工或公眾公開和公布[13]。

1.1 監控服務器

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

圖2 監控服務器結構示意圖

如圖2 所示，在監控服務器內安裝高效壓縮芯片，能夠壓縮攝像機傳輸的視頻信號，通過內置Web服務器可以直接接收內部總線傳輸的信號。使用該監控服務器，能夠通過監控端直接查看拍攝到的圖像，監控圖像清晰效果好[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，實現精確射頻測量。

1.3 數據采集儀

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象，采集器與監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務的RFID 數據采集器，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 數據采集器結構示意圖如圖3 所示。

圖3 RFID數據采集器結構示意圖

由圖3 可知，便攜式數據采集器作為一款高新技術產品，具有激光掃描和漢字顯示功能，實現數據的采集、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，然后傳輸到計算機的數據庫里，從而自動生成采集清單報告。

1.4 數據公示平臺

通過移動APP 和微信公眾終端可以實時發布監測數據，利用LED 顯示屏，公眾可實時了解周邊電磁環境，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、控制系統及屏幕三大部件構成，該顯示屏控制系統采用單線控制方式，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境監測可以展現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測系統的設計，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；其次是根據式（1）-式（6），可計算觀測點每根電纜段產生的工頻電場。

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，將計算后的t時間導數代入式（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 在線監測流程設計

根據在線監測平臺的實際情況，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來的信號后，若確定該定位系統已進入基站覆蓋的新區域，則定位系統進入新區域。

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，既解決了現有監測定位系統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，又能有效地監測電磁干擾，提高了定位系統的精度。

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境信息在線監測系統，并通過外部LED 顯示屏實時顯示數據，如表1 所示。

表1 監測數據

由表1 可知，福州變電站監測到的數據值遠低于國家標準。

3.2 實驗結果與分析

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

圖5 三種系統工頻電場強度監測結果

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

4 結束語

由工頻電場抑制的在線式載電磁環境在線監測平臺監測情況可以實時掌控用于電力、移動通信、環保等行業的電磁環境，通過計算工頻電場以及倒三角布置來抑制電場強度。電磁波環境在線監測平臺的建立，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據庫，為以后的數據積累提供有效的技術支持，為管理城市電磁輻射環境提供依據。