一种输电线下复杂场景工频电场三维分析方法及系统与流程

技术特征：

1.一种输电线下复杂场景工频电场三维分析方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)建立输电线下复杂场景模型；

2)根据建立的输电线下复杂场景，设置多个模拟电荷和匹配电，建立电位和电荷量间的电位矩阵方程，求解该矩阵方程，得到模拟电荷的量值；

3)设置校验点并计算校验点与匹配点的电位误差，电位误差包括有绝对误差和相对误差；

4)判断电位误差是否达到预设要求限值，若没有达到，则返回步骤2)，若达到，则转向步骤5)；

5)根据计算得到的模拟电荷的量值，计算三维工频场。

2.如权利要求1所述的输电线下复杂场景工频电场三维分析方法，其特征在于，步骤1)中所述建立输电线下复场景模型的具体方法如下：

对输电线下的各个复杂场景进行简化，水平地面视为平整地面，凹凸地面简化成半球形地面，建筑物视为长方体，树木的树干视为圆柱体，树冠视为锥形；在建模过程中考虑铁塔本身、金具和绝缘子的影响，同时考虑输电导线的弧垂，将输电线简化为离散的点电荷模型；

对于分裂导线，将输电导线等效处理为圆柱导线，此时的等效圆柱导线半径可以采用等效半径Ri来代替，其计算公式如下：

$R_i=R^n\sqrt{\frac{nr}{R}}$

式中：R为分裂导线半径，n为次导线根数，r为子导线半径；

导线电压已知，不考虑线路电压降；同时将凹凸地面、斜坡地面、建筑物表面、树木表面等物体的表面上的感应电荷等效为模拟点电荷。

3.如权利要求1所述的输电线下复杂场景工频电场三维分析方法，其特征在于，步骤2)所述计算模拟电荷的量值的具体方法如下：

在设置模拟电荷和匹配点时：在计算场域设置多个模拟电荷，并在相关的导体表面设置匹配点，其匹配点的设置根据线型来设置匹配点与模拟电荷的距离、相位来设定匹配点的电位及线高来设定匹配点；

考虑导线上施加三相对称正弦电压，运用有效值相量表示电压，则输电线各相导线的相电压可表示成：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_A=U_{AR}+j{U}_{AI}\\ {\stackrel{\·}{U}}_B=U_{BR}+{\mathrm{jU}}_{BI}\\ {\stackrel{\·}{U}}_C=U_{CR}+{\mathrm{jU}}_{CI}\end{array}\right.$

各相电位实部和虚部计算公式如下：

式中的θ为初相角；考虑到输电线路的实际运行情况，以额定电压的1.05倍作为计算电压，相电压按下式计算：

在用模拟电荷法计算导线上的模拟电荷时，采用电位系数法,将导线上的电荷都用集中在导线中心的线电荷表示，可得下列方程：

$\left[\begin{array}{c}{U}_1\\ U_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ U_n\\ U_{n+1}\\ \·\\ \·\\ \·\\ U_{n+m}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccccc}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{11}}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{12}}& ...& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{1n}}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{1(n+1)}}& ...& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{1(n+m)}}\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{21}}& {\mathrm{\λ}}_{22}& ...& {\mathrm{\λ}}_{2n}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{2(n+1)}}& & {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{2(n+m)}}\\ \·& & & & \·& & \·\\ \·& & & & \·& & \·\\ \·& & & & \·& & \·\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{n1}}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{n2}}& ...& {\mathrm{\λ}}_{nn}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{n(n+1)}}& & {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{n(n+m)}}\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{(n+1)1}}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{(n+1)2}}& ...& {\mathrm{\λ}}_{(n+1)n}& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{(n+1)(n+1)}}& & {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{(n+1)(n+m)}}\\ \·& & & & \·& & \·\\ \·& & & & \·& & \·\\ \·& & & & \·& & \·\\ {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{(n+m)1}}& {\mathrm{\λ}}_{(n+m)2}& ...& {\mathrm{\λ}}_{(n+m)n}& {\mathrm{\λ}}_{(n+m)(n+1)}& ...& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{(n+m)(n+m)}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Q}_1\\ Q_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ Q_n\\ Q_{n+1}\\ \·\\ \·\\ \·\\ Q_{n+m}\end{array}\right]$

式中：[U]—各导线对地电压的列向量，其中n为架空导线的等效模拟电荷数目，m为复杂场景内设置的模拟电荷数目，其中U1、…、Un为n根架空导线的等效电荷的对地电压；Un+1、…、Un+m为m个复杂场景的各个模型中的模拟电荷对应的匹配点的对地电压，计算中视为零电位；[Q]—各导线上等效电荷的列向量，其中Q1、…、Qn为n根架空导线的等效的点电荷；Qn+1、…、Qn+m为m个复杂场景的表面的等效点电荷；[λ]—各导线(包括架空导线和复杂场景表面)的电位系数矩阵，此矩阵为n+m阶方阵。

4.如权利要求1所述的输电线下复杂场景工频电场三维分析方法，其特征在于，步骤5)中所述计算三维工频场的具方法如下：

在相应位置求得的模拟电荷量值的基础上，利用电荷计算周围空间电场的迭代算法，计算开关场中各点的电场强度值；计算出模拟电荷值，再由叠加原理计算出n+m个模拟点电荷，包括架空导线和地面及复杂场景表面内，在空间任意点P(x，y，z)产生的电位；

${\mathrm{\φ}}_{P_1}=\underset{V}{\∫}\frac{\mathrm{\ρ}}{4{\mathrm{\π\ϵ}}_0{R}_1}dv=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{q_i}{4{\mathrm{\π\ϵ}}_0{R}_i}+\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{q_j}{4{\mathrm{\π\ϵ}}_0{R}_j}$

在空间任意点P(x，y，z)产生的电场强度的分量分别为：

其中，

式中，x、y、z——空间任意点P的坐标；x_i、y_i、z_i——模拟电荷i的坐标(i＝1、2，…、m+n)；R_i——模拟电荷i至P点的距离；

按正弦电路的相量计算，将电压分为实部分量和虚部分量，模拟电荷亦存在实部和虚部分量，电场强度的各分量也有虚部分量和实部分量，即：

$E_{Px}=\sqrt{E_{xR}^2+E_{xI}^2}$

$E_{Py}=\sqrt{E_{yR}^2+E_{yI}^2}$

$E_{Pz}=\sqrt{E_{zR}^2+E_{zI}^2}$

式中，E_Px:P点电场强度的水平x分量；E_Py：P点电场强度的水平y分量；

E_Pz:P点电场强度的竖直z分量；E_xR:由各导线的实部电荷在P点产生的场强的水平x分量；E_xI:由各导线的虚部电荷在P点产生的场强的水平x分量；E_yR:由各导线的实部电荷在P点产生的场强的水平y分量；E_yI:由各导线的虚部电荷在P点产生的场强的水平y分量；E_zR:由各导线的实部电荷在P点产生的场强的竖直z分量；E_zI:由各导线的虚部电荷在P点产生的场强的竖直z分量；

P点的合成场强E_P为：

$E_P=\sqrt{E_{Px}^2+E_{Py}^2+E_{Pz}^2}.$

5.利用权利要求1至5任意一项所述方法的工频电场三维分析系统，其特征在于：所述系统包括有场景建模模块、数据处理模块、预测报告输出模块和优化计算模块；数据处理模块从场景建模模块中读取数据并进行数据计算，优化计算模块和预测报告输出模块利用数据处理模块生成的数据进行优化比对，并生成报告。

6.如权利要求5所述的输电线下复杂场景工频电场三维分析系统，其特征在于：所述场景建模模块，完成场景图形建模、包括斜坡、凹凸地形、山谷、水面场景、具有弧垂的输电线路、不同塔型设施的建立及属性设置，并能够完成铁塔与输电线路之间的精准定位连线。

7.如权利要求5所述的输电线下复杂场景工频电场三维分析系统，其特征在于：所述数据处理模块，进行空间任意位置的三维工频电场计算，完成电场的平面/立面网格数据计算；其中电场计算是整个计算的核心，负责计算特定场景下某条线路对某个接收点的电场影响，并将多条线路的计算结果进行合成得到某个接收点的最终三维工频电场值，且为3D电场实时输出提供数据；平面/立面网格数据计算按照用户指定的面和网格大小计算出该平面的电场分布数据。

8.如权利要求5所述的输电线下复杂场景工频电场三维分析系统，其特征在于：所述预测报告输出模块，包括电场衰减曲线、文档报告、等值线、3D虚拟漫游，电场衰减曲线能够计算出指定直线上的电场分布并生成电场分布曲线图；文档报告可输出按照用户需求定制的WORD2003/2007格式的计算报告；等值线能够根据平面/立面网格数据生成该面上的全局和局部等值线并以颜色等多种方式展现；3D虚拟漫游根据场景信息以视频和动画的方式实时展示场景及电场分布。

9.如权利要求5所述的输电线下复杂场景工频电场三维分析系统，其特征在于：所述优化计算模块，包括线路高度优化和多方案比选优化计算；线路优化能够辅助设计人员选择最合适的线路高度；多方案比选能够对多个方案对空间某些位置的电场/磁场影响进行的比较，辅助设计人员选择最优方案。