本发明涉及电力技术领域，尤其是一种基于电容修正原理的电场遥测系统及方法。
背景技术
当输电线路发生故障、负荷切换或其他情况时，往往会引起电场值的突然变化，因此通过对输电线路中各个监测点处的电场值的持续的在线监测，可以实现对整个输电线路的状态监控及故障监控。目前通常利用诸如暂态录波型故障指示器之类的电场遥测设备来获取10kv及以下电压的输电线路电场遥测值，根据电场遥测值来对输电线路的状态和故障进行监测和判断。
目前利用电场遥测设备对输电线路进行遥测时的工作示意图请参考图1，有两个电场平面分别为电场平面a和电场平面b，其中电场平面a的电场强度ea与输电线路的电场值一致，而电场平面b的电场强度eb与电场遥测设备的电场值一致，电场平面a的电压值为va、电场平面b的电压值为vb，电场平面a与电场平面b之间的电容值为cab，cab是已知量。规定电场平面a的电场强度ea为需要遥测的电场值，传统的测量方式是：测量电场平面b的对地电容cb，利用对地电容cb计算得到ea。在图1中，有如下关系，其中k是设备研发时在实验室标准环境以及标准高度下测量的修正系数：
ea-eb＝va-vb
因此有：
上式中，va、vb、cab和k均为已知量且为衡量，因此在测量得到导线b的对地电容cb后，就能得到需要遥测的电场值ea。
但输电线路的实际工作环境是非常复杂的，对地电容cb会受到环境的影响，比如会受到高度和介电常数等的影响，其中介电常数又与环境的温度、湿度、气压(空气密度)、空气成分均相关，但电场值实际却不受这些环境的影响，而这些变量的不同，亦导致在实验室中测量得到的k值与实际环境中的k值存在差异，从而导致遥测到的ea值存在较大的误差，可靠性较低。
技术实现要素：
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于电容修正原理的电场遥测系统及方法，本申请基于传统的遥测原理并加入了电容补偿的设计，可以实现对实际电场值的更精准的测量。
本发明的技术方案如下：
一种基于电容修正原理的电场遥测系统，该系统包括：电场遥测设备和主站系统，电场遥测设备与主站系统建立通信连接，电场遥测设备中包括电容遥测电路和环境参数检测传感器，电场遥测设备用于通过电容遥测电路测量输电线路的对地电容作为测量电容、通过环境参数检测传感器采集当前所在环境的环境实测数据，并将测量电容和环境实测数据发送给主站系统；主站系统还分别连接第三方环境监测系统和数据库系统，第三方环境监测系统用于提供空气质量数据，数据库系统中存储有电场遥测设备的安装高度，主站系统用于根据测量电容、环境参数以及安装高度确定修正电容，环境参数包括环境实测数据和空气质量数据，主站系统还用于根据修正电容确定输电线路的遥测电场值。
其进一步的技术方案为，电场遥测设备包括数据采集单元和数据汇集单元，数据采集单元安装在输电线路上，数据汇集单元与数据采集单元之间的安装距离小于预定距离，且数据采集单元与数据汇集单元之间建立无线通讯连接，数据汇集单元与主站系统之间建立通讯连接；数据采集单元中包括电容遥测电路，数据汇集单元中包括环境参数检测传感器，环境参数检测传感器包括但不限于温度传感器、湿度传感器和空气压强传感器。
其进一步的技术方案为，电容遥测电路包括运算放大器，运算放大器的同相输入端依次连接第三电阻、第二电阻和第一电阻后接地，第一电阻与第二电阻的公共端连接第一电容，第一电容的另一端接地，运算放大器的同相输入端还分别连接第四电阻和第二电容，第四电阻的另一端与第二电容的另一端分别连接第五电阻的两端，第四电阻与第五电阻的公共端连接恒压源，第二电容和第五电阻的公共端连接运算放大器的反相输入端，运算放大器的反相输入端还分别连接第六电阻和第三电容，第六电阻的另一端和第三电容的另一端分别连接运算放大器的输出端，运算放大器的输出端还连接第七电阻，第七电阻的另一端连接第四电容，第四电容的另一端接地，第七电阻和第四电容的公共端作为电容遥测电路的输出端。
一种基于电容修正原理的电场遥测方法，该方法应用于上述电场遥测系统中，该方法包括：
电场遥测设备通过电容遥测电路采集输电线路的测量电容、通过环境参数检测传感器采集当前所在环境的环境实测数据；
电场遥测设备将测量电容和环境实测数据发送给主站系统；
主站系统从第三方环境监测系统中获取空气质量数据、从数据库系统中获取电场遥测设备的安装高度；
主站系统按照预设公式根据测量电容、环境参数和安装高度计算得到修正电容，环境参数包括环境实测数据和空气质量数据；
主站系统根据修正电容计算得到输电线路的遥测电场值；
主站系统将遥测电场值发送给电场遥测设备，并将遥测电场值存储至数据库系统中。
其进一步的技术方案为，该预设公式为：
其中，c修正为修正电容，c测量为测量电容，h为安装高度，e为环境参数构成的集合，e为参数且用于表示集合e中的环境参数，kh1为安装高度的线性修正系数，kh2为安装高度的指数修正系数，ke1为环境参数e的线性修正系数，ke2为环境参数e的指数修正系数。
其进一步的技术方案为，该方法还包括：
在电场遥测设备处于模拟标况环境中且安装高度为标况安装高度的情况下测量输电线路的对地电容作为参考电容，模拟标况环境的环境参数为标况环境参数；
保持环境参数为标况环境参数不变，将安装高度的线性修正系数和指数修正系数均预设为1，依次调整安装高度为至少两个参考安装高度，至少两个参考安装高度相对于标况安装高度对称；在安装高度为各个参考安装高度的情况下测量输电线路的对地电容，并计算各个对地电容的平均值作为高度平均电容；调整安装高度的线性修正系数和/或指数修正系数直至ch×(kh1×hkh2)与参考电容之间的误差在第一误差范围内，ch表示高度平均电容，确定安装高度的线性修正系数和指数修正系数；
对于环境参数中的每个目标环境参数，保持安装高度为标况安装高度、其余各项环境参数为标况环境参数不变，将目标环境参数的线性修正系数和指数修正系数均预设为1，依次调整目标环境参数为至少两个参考环境参数，至少两个参考环境参数相对于标况环境参数对称；在处于各个参考环境参数的情况下测量输电线路的对地电容，并计算各个对地电容的平均值作为环境平均电容；调整目标环境参数的线性修正系数和/或指数修正系数直至ce×(ke1×hke2)与参考电容之间的误差在第二误差范围内，e表示目标环境参数，ce表示在调整目标环境参数e的过程中得到的环境平均电容，确定目标环境参数的线性修正系数和指数修正系数；
其进一步的技术方案为，调整安装高度的线性修正系数和/或指数修正系数直至ch×(kh1×hkh2)与参考电容之间的误差在第一误差范围内，包括：
调整安装高度的线性修正系数直至ch×(kh1×hkh2)与参考电容之间的误差达到最小值；
若ch×(kh1×hkh2)与参考电容之间的误差的最小值在第一误差范围内，则确定调整完毕，并确定安装高度的线性修正系数和指数修正系数；
若ch×(kh1×hkh2)与参考电容之间的误差的最小值超出第一误差范围，则调整安装高度的指数修正系数直至ch×(kh1×hkh2)与参考电容之间的误差在第一误差范围内。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种基于电容修正原理的电场遥测系统及方法，本申请基于传统的电场遥测原理，额外加入了电容补偿的设计，根据安装高度、环境的温度、湿度、气压(空气密度)和空气成分等修正对地电容，使得对地电容的测量更准确，从而使得测量得到的实际电场值更准确。
附图说明
图1是目前利用电场遥测设备对输电线路进行遥测时的工作示意图。
图2是本申请公开的电场遥测系统的系统示意图。
图3是本申请中的电容遥测电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种电场遥测系统，请参考图2，该系统包括：电场遥测设备10和主站系统20，电场遥测设备10与主站系统20建立通信连接，该电场遥测设备10可以实现为暂态录波型故障指示器，主站系统20即为该系统的后台设备，比如上位机、服务器等。进一步的，本申请的电场遥测设备10包括数据采集单元11和数据汇集单元12，数据采集单元11和数据汇集单元12中都包括用于数据处理的电路板，两者都可以基于型号为spp-pjyl-n000的电路板。数据采集单元11可以包括多个，比如暂态录波型故障指示器通常包括三个数据采集单元11和一个数据汇集单元12，数据采集单元11安装在输电线路上，数据汇集单元12通常采用架空导线悬挂安装或电杆固定安装方式，数据采集单元11与数据汇集单元12之间建立无线通讯连接，通常是通过422mhz实现无线通讯；数据汇集单元12与主站系统20之间建立通讯连接，通常是利用4g或gprs等方式实现通讯。
电场遥测设备10中包括电容遥测电路和环境参数检测传感器，实际实现时，电容遥测电路设置在数据采集单元11中，用于测量输电线路的对地电容作为测量电容c测量。请参考图3示出的电容遥测电路的电路图，电容遥测电路包括运算放大器d1，运算放大器d1的正电源端接供电端vcc、负电源端接地。运算放大器d1的同相输入端依次连接第三电阻r3、第二电阻r2和第一电阻r1后接地，第一电阻r1与第二电阻r2的公共端连接第一电容c1，第一电容c1的另一端接地，运算放大器d1的同相输入端还分别连接第四电阻r4和第二电容c2，第四电阻r4的另一端与第二电容c2的另一端分别连接第五电阻r5的两端，第四电阻r4与第五电阻r5的公共端连接恒压源+in，第二电容c2和第五电阻r5的公共端连接运算放大器d1的反相输入端，运算放大器d1的反相输入端还分别连接第六电阻r6和第三电容c3，第六电阻r6的另一端和第三电容c3的另一端分别连接运算放大器d1的输出端，运算放大器d1的输出端还连接第七电阻r7，第七电阻r7的另一端连接第四电容c4，第四电容c4的另一端接地，第七电阻r7和第四电容c4的公共端作为该电容遥测电路的输出端vout连接数据采集单元中的电路板。其采集对地电容的原理为：在无电场的情况下，可以测得该电容遥测电路的输出端vout输出电压值为v0；外接有场强的情况下，该电容遥测电路的输出端vout输出电压值变为v1，在该电路中存在有如下关系：v0/v1＝c1/c测量，而其中第一电容c1的电容值是已知且固定的，因此数据采集单元中的电路板根据该电容遥测电路输出的电压值v1即可以计算得到c测量。
申请人对影响实际对地电容的各项因素进行了总结归纳，发现主要的几个影响因素有：环境温度t、环境湿度hr、空气压强p、空气质量数据q和安装高度h。因此，本申请在电场遥测设备10中额外加装了环境参数检测传感器，由于数据采集单元11取电困难，且对设备体积和重量控制均有要求，且采用了低功耗和紧凑化设计，因此无法直接在数据采集单元11中再加装环境参数检测传感器，而数据汇集单元12与数据采集单元11之间的安装距离通常小于预定距离，该预定距离根据实际情况确定，通常不会超过20米，实际数据汇集单元12与数据采集单元11之间的安装距离在15米以内，因此可以认为数据汇集单元12与数据采集单元11所处环境基本一致，因此将环境参数检测传感器设置在数据汇集单元12中。本申请中的环境参数检测传感器包括但不限于温度传感器、湿度传感器和空气压强传感器，如图2以数据汇集单元12中设置温度传感器、湿度传感器和空气压强传感器为例，则通过环境参数检测传感器可以检测到当前所在环境的相应的环境实测数据，包括环境温度t、环境湿度hr和空气压强p。
空气质量数据q一般是空气污染指数，空气质量数据q通常难以通过加装传感器直接测得，因此本申请获取第三方环境监测系统30发布的数据，为此主站系统20还连接第三方环境监测系统30，第三方环境监测系统30一般是环保部门的系统，其用于提供空气质量数据q。
安装高度h在电场遥测设备10安装完成后通常就是固定的取值，而且安装高度h会写入该电场遥测系统的系统数据库40中，因此主站系统20还连接数据库系统40，数据库系统40中存储有电场遥测设备的安装高度h。
如图2还示出了该系统的信息流向，数据采集单元11通过电容遥测电路测量得到输电线路的测量电容c测量并发送给数据汇集单元12，数据汇集单元12通过环境参数检测传感器检测相应的环境实测数据，包括环境温度t、环境湿度hr和空气压强p。数据汇集单元12将接收到的测量电容c测量，以及检测到的环境温度t、环境湿度hr和空气压强p发送给主站系统20，主站系统20从第三方环境监测系统30中获取空气质量数据q、从数据库系统40中获取安装高度h，然后利用测量电容c测量、环境参数以及安装高度h确定修正电容c修正，环境参数包括环境实测数据和空气质量数据q，也即在本申请中包括环境温度t、环境湿度hr、空气压强p和空气质量数据q，并根据得到的修正电容c修正计算得到输电线路的遥测电场值ea。主站系统20会将遥测电场值ea下发给数据汇集单元12和数据采集单元11，以供电场遥测设备10进行故障诊断，同时还会将遥测电场值ea写入数据库系统40，以及在显示屏的平台界面上进行展示。
基于本申请公开的电场遥测系统，本申请还公开了一种基于电容修正原理的电场遥测方法，包括如下步骤：
步骤s01，电场遥测设备通过电容遥测电路采集输电线路的测量电容c测量、通过环境参数检测传感器采集当前所在环境的环境实测数据。具体的，电场遥测设备中的数据采集单元通过电容遥测电路采集测量电容c测量，电场遥测设备中的数据汇集单元通过环境参数检测传感器采集环境实测数据。在本申请中，环境参数检测传感器包括但不限于温度传感器、湿度传感器和空气压强传感器，对应的采集到的环境实测数据包括但不限于环境温度t、环境湿度hr和空气压强p。
步骤s02，电场遥测设备将测量电容c测量和环境实测数据发送给主站系统。具体的，电场遥测设备中的数据采集单元将采集到的测量电容c测量发送给数据汇集单元，数据汇集单元将接收到的测量电容c测量和采集到的环境实测数据一并发送给主站系统。
步骤s03，主站系统从第三方环境监测系统中获取空气质量数据q、从数据库系统中获取电场遥测设备的安装高度h。
步骤s04，主站系统按照预设公式根据测量电容c测量、环境参数和安装高度h计算得到修正电容c修正，环境参数包括环境实测数据和空气质量数据。预设公式如下：
其中，c修正为修正电容，c测量为测量电容，h为安装高度，e为环境参数构成的集合，e为参数且用于表示集合e中的环境参数，kh1为安装高度的线性修正系数，kh2为安装高度的指数修正系数，ke1为环境参数e的线性修正系数，ke2为环境参数e的指数修正系数。进一步具体的，当环境参数包括环境温度t、环境湿度hr、空气压强p和空气质量数据q时，该预设公式可以进一步细化表示如下：
c修正＝c测量×(kh1×hkh2)×(kt1×tkt2)×(khr1×hrkhr2)×(kp1×pkp2)×(kq1×qkq2)；
kt1为环境温度t的线性修正系数，kt2是环境温度t的指数修正系数；khr1为环境湿度hr的线性修正系数，khr2为环境湿度hr的指数修正系数；kp1为空气压强p的线性修正系数，kp2为空气压强p的指数修正系数；kq1为空气质量数据q的线性修正系数，kq2为空气质量数据q的指数修正系数。
其中，环境温度t、环境湿度hr、空气压强p和安装高度h的影响易于模拟和修正，且对对地电容的影响比较显著，因此这些因子的线性修正系数和指数修正系数可以通过实验室模拟各类环境后获得，并在安装后的日常校准工作中不断修正；而空气质量数据q的影响难以模拟和修正，且对对地电容的影响难以确定，因此空气质量数据q的线性修正系数和指数修正系数仅在今后安装使用时做粗略修正。具体如下：
第一部分：确定环境温度t、环境湿度hr、空气压强p和安装高度h的线性修正系数和指数修正系数，包括如下步骤：
1、将各项线性修正系数和指数修正系数均预设为1，也即线性修正系数kh1、kt1、khr1、kp1和kq1均预设为1，指数修正系数kh2、kt2、khr2、kp2和kq2均预设为1。
2、在电场遥测设备处于模拟标况环境中且安装高度为标况安装高度的情况下测量输电线路的对地电容作为参考电容c参考，模拟标况环境的环境参数为标况环境参数。标况环境参数和标况安装高度可以自定义配置，本申请中的模拟标况环境为恒温恒湿恒压房，标况环境参数包括：环境温度t为25℃、环境湿度hr为相对湿度50％、空气压强p为1.01325bar，空气质量数据q没有特定要求，只需维持在一个较优的稳定环境即可。标况安装高度为10米。
3、确定安装高度h的线性修正系数和指数修正系数，包括如下步骤：
(1)、保持环境参数为标况环境参数不变(也即保持环境温度t为25℃、环境湿度hr为相对湿度50％、空气压强p为1.01325bar不变)，依次调整安装高度为至少两个参考安装高度，至少两个参考安装高度相对于标况安装高度对称选取，也即参考安装高度既包括大于标况安装高度的取值、也包括小于标况安装高度的取值。本申请选取相对于标况安装高度对称的8个参考安装高度，取值根据实际需要确定，通常是等间距的匀称取值，比如本申请选择的参考安装高度分别为6、7、8、9、11、12、13、14米。
(2)、在安装高度为各个参考安装高度的情况下测量输电线路的对地电容，并计算各个对地电容的平均值作为高度平均电容ch，为了进一步提高准确性，在每个参考安装高度下，都会测量多次对地电容，通常为3次，然后再计算得到高度平均电容ch。
(3)、调整安装高度的线性修正系数和/或指数修正系数直至ch×(kh1×hkh2)与参考电容之间的误差在第一误差范围内，ch表示高度平均电容，第一误差范围为预设值，比如第一误差范围为±1％。本申请依照先调整线性修正系数、再调整指数修正系数的原则进行调整：先调整安装高度的线性修正系数直至ch×(kh1×hkh2)与参考电容之间的误差达到最小值，若该最小值在第一误差范围内，则确定调整完毕，确定此时安装高度的线性修正系数和指数修正系数；若该最小值超出第一误差范围，则调整安装高度的指数修正系数直至ch×(kh1×hkh2)与参考电容之间的误差在第一误差范围内。
4、确定各项环境参数的线性修正系数和指数修正系数，包括如下步骤：
(1)、对于环境参数中的每个目标环境参数，保持安装高度h为标况安装高度、其余各项环境参数为标况环境参数不变，依次调整目标环境参数为至少两个参考环境参数，至少两个参考环境参数相对于标况环境参数对称。
(2)、在处于各个参考环境参数的情况下测量输电线路的对地电容，并计算各个对地电容的平均值作为环境平均电容ce，同样的，为了进一步提高准确性，在每个参考环境参数下，都会测量多次对地电容，通常为3次，然后再计算得到环境平均电容ce。
(3)、依照先调整线性修正系数、再调整指数修正系数的原则调整目标环境参数的线性修正系数和/或指数修正系数直至ce×(ke1×hke2)与参考电容之间的误差在第二误差范围内，e表示目标环境参数，ce表示在调整目标环境参数e的过程中得到的环境平均电容，确定目标环境参数的线性修正系数和指数修正系数，第二误差范围为预设值，比如第二误差范围为±1％，各个目标环境参数对应的第二误差范围可以相同也可以不同。
每个目标环境参数的线性修正系数和指数修正系数的确定过程都与上述步骤3类似，本申请不再展开描述，在环境参数包括环境温度t、环境湿度hr、空气压强p的情况下，上述步骤4包括了如下过程：
a、确定环境温度t的线性修正系数kt1和指数修正系数kt2：保持安装高度为10米、环境湿度hr为相对湿度50％、空气压强p为1.01325bar，在环境温度t为5℃、10℃、15℃、20℃、30℃、35℃、40℃、45℃时测量对地电容并得到环境平均电容ce，依照先调整线性修正系数、再调整指数修正系数的原则得到环境温度t的线性修正系数kt1和指数修正系数kt2。
b、确定环境湿度hr的线性修正系数khr1和指数修正系数khr2：保持安装高度为10米、环境温度t为25℃、空气压强p为1.01325bar，在环境湿度hr为相对湿度10％、20％、30％、40％、60％、70％、80％、90％时测量对地电容并得到环境平均电容ce，依照先调整线性修正系数、再调整指数修正系数的原则得到环境湿度hr的线性修正系数khr1和指数修正系数khr2。
c、确定空气压强p的线性修正系数kp1和指数修正系数kp2：保持安装高度为10米、环境温度t为25℃、环境湿度hr为相对湿度50％，在空气压强p为0.9、0.925、0.95、0.975、1.025、1.05、1.075、1.1bar时测量对地电容并得到环境平均电容ce，依照先调整线性修正系数、再调整指数修正系数的原则得到空气压强p的线性修正系数kp1和指数修正系数kp2。
第二部分：确定空气质量数据q的线性修正系数kq1和指数修正系数kq2。空气质量数据q有地域性的差异，由于空气中特征污染物对介电常数的影响不唯一，但区域内的空气污染物的组成又相对固定，因此空气质量数据q的修正系数具有地域性差异的特点，具体为：将空气质量数据q的线性修正系数kq1和指数修正系数kq2预设为1，当某个区域(通常是地级市区域)内实际大规模安装电场遥测设备后，若发现由于空气质量数据q的变化导致对地电容相对于历史数据的变化大于预设阈值，比如大于10％，则依照先调整线性修正系数、再调整指数修正系数的原则调整kq1和kq2，直至对地电容与历史数据的偏差在预设阈值内，也即直至偏差低于10％，确定此时的空气质量数据q的线性修正系数kq1和指数修正系数kq2。
步骤s05，主站系统根据修正电容c修正计算得到输电线路的遥测电场值ea，计算原理如背景技术部分所述，计算方法如下：
va、vb、cab和k均为已知量且为衡量，在使用步骤s04计算得到c修正后即能计算得到ea。
步骤s06，主站系统将遥测电场值ea发送给电场遥测设备，以供电场遥测设备进行故障判断，故障判断的部分是现有操作，本申请不作赘述。同时，主站系统还将遥测电场值ea存储至数据库系统中。若主站系统存在显示屏，则主站系统还会在显示屏的平台界面上展示遥测电场值ea。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。