一种确定特高压直流输电线附近公众电场暴露剂量的方法

本发明涉及环境暴露剂量评估技术领域，具体地说，涉及一种确定特高压直流输电线附近公众电场暴露剂量的方法。

背景技术：

发展特高压输电工程能有效促进能源互联互通。相较于特高压交流输电，特高压直流输电在经济和技术方面具有一定优势，与相同电压等级特高压交流输电线路相比，直流输电线容量更高，且当输电距离大于1000km，直流输电的经济效益更好。目前特高压直流输电的电压等级已达1100kv，输电线下最大地面合成场强可达30kv/m。当人体在电场强度较大区域活动时，皮肤会感觉到轻微刺痛，有些敏感人群甚至会感受到明显的电击感。我国人口密度较大，随着特高压直流输电干线网络的建设，跨越农田、公路、山地甚至直接邻近居民住宅的直流线路里程越来越大，线路附近公众可能的电场暴露强度和剂量也随之增大。长期暴露于特高压直流输电线附近电场所产生的健康风险备受公众关注。

特高压输电线附近电场的人体健康风险取决于电场的频率、强度和暴露时间。直流线路附近电场强度可采用场强测量仪进行测定，如公告号为cn110794225a的专利申请文献公开的一种高压直流电场检测装置，以及公告号为cn111579889a的专利申请文献公开的一种检测特高压直流输电线下电场强度的装置及方法。然而，上述专利申请测得的均是人体未在测点处的场强，由于电磁场的分布与边界条件密切相关，人体的存在会引起电场畸变，有无人体在测点处所测得电场是完全不同的，即场强测量仪测得的输电线下电场强度与人体实际暴露场强差距较大。有文献指出，输电线附近电场暴露剂量可采用电场剂量计进行测定。电场剂量计可采用头戴式、臂戴式、口袋式等方式佩戴于人体各部位。然而，电场剂量计成本较高且日常佩戴不便，公众一般不会购买并佩带用于测定日常生活中的电场暴露剂量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种确定特高压直流输电线附近公众电场暴露剂量的方法，无需采用电场剂量计就可确定特高压直流输电线引起的公众电场暴露剂量，更便捷、普适性更高。

为了实现上述目的，本发明提供的确定特高压直流输电线附近公众电场暴露剂量的方法包括以下步骤：

1)构建特高压直流输电线-建筑或交通工具-大地-人体电磁仿真模型，通过仿真计算分别建立室外、室内及汽车内的人体暴露场强e与特高压直流输电线电压等级u、导线离地高度h、回路数g、线路中心距人体水平距离x间的关系模型，分别为eout＝fout(u,h,g,x)、ein-b＝fin-b(u,h,g,x)和ein-c＝fin-c(u,h,g,x)；eout为室外人体暴露场强；ein-b为室内人体暴露场强；ein-c为汽车内人体暴露场强；

2)获取国内所有特高压直流输电线路电压等级、回路数及线路上各铁塔的位置、铁塔处架线高度信息，建立特高压直流输电工程信息库；

3)根据特高压直流输电线的铁塔位置，将铁塔从南至北依次用1,2,3,...,n-1,n编号；

4)按等采样时间间隔δt，通过手机定位系统依次获取人体位置，其中δt＝ti+1-ti，i＝1,2,3,…,m，i为人体位置采样点序号，ti为第i次获取人体位置的时刻；

5)在ti时刻，采用二分法搜索距人体位置最近的铁塔编号j(j∈[1，n])，根据铁塔j所在线路，在此基础上进一步找到该线路上与铁塔j相邻的两个铁塔编号(记为j’、j”)；

6)建立三维坐标系，分别确定人体及编号为j、j’、j”的铁塔坐标，并用连接相邻铁塔上架线高度点的直线段模拟两基铁塔间的直流线路，计算确定距人体最近的直流输电线路及其与人体的最近水平距离x；

7)搜索特高压直流输电工程信息库，获取ti时刻距人体最近的特高压直流输电线路的电压等级、回路数及导线离地高度；

8)通过手机定位系统获取gps或北斗卫星信号强度和人体定位位置，据此确定人体移动速度和加速度，并判定ti时刻的人体位置状态(室外、室内或汽车内)，并保存ti时刻的这些信息；

9)根据步骤8)判定的人体位置状态(室外、室内或汽车内)，将实际人体距最近特高压直流线路中心的水平距离、线路上与人体最近点的离地高度、线路电压等级和回路数代入步骤1)中所建立的相应电场暴露强度计算模型，计算得到采样时刻ti的人体暴露场强ei；

10)根据di＝ei·δt计算得到ti至ti+1时刻之间的电场暴露剂量di；根据计算得到时间t内的人体电场暴露剂量dt，其中m为时间t内的采样点数。

上述技术方案中，根据仿真计算结果，分别拟合建立室外、室内及汽车内的人体暴露场强e与特高压直流输电线电压等级u、导线离地高度h、回路数g、线路中心距人体水平距离x间的关系模型，根据手机定位信号确定距人体最近的直流输电线路和人体位置状态(室外、室内或汽车内)，计算公众电场暴露剂量。

其中，步骤1)中建立人体暴露场强与直流输电线路间关系模型，指运用专业软件对实际特高压直流输电线、大地、建筑、汽车和人体进行适当简化后，构建几何模型，设定模型参数，如直流线路电压等级、回路数及大地、建筑、汽车和人体的相对介电常数、电导率等，构建特高压直流输电线-建筑(或汽车)-大地-人体电磁仿真模型。考虑到电磁场的分布与边界条件密切相关，人体的存在会引起电场畸变，将位于空旷地面上(即室外)、建筑模型内(即室内)地面中心点处以及汽车模型内(即汽车内)底面中心点处的人体模型，分别置于距电压等级、导线离地高度、导线回路数均不同的直流输电线路不同水平距离处，基于无限大地面上直流导线附近电场计算模型仿真计算人体表面场强，根据人体模型在不同位置的人体表面最大电场拟合建立相应模型。

所述的建筑模型简化为空心平行六面体，其顶面和四个侧面厚度均相同，底面为大地，在建筑模型各侧面上开设多个矩形孔，用于模拟敞开的窗户。

所述的简化后构建的汽车模型为空心平行六面体，其六个面厚度均相同，在汽车模型各侧面上设多个矩形孔或介电常数和电导率不同的矩形区域，用于模拟敞开或关闭的玻璃窗户(含汽车前部挡风玻璃)。

所述的人体简化为由头部、颈部、上身、手臂和腿部五个部分组成的总高1.73m的男性人体模型，具体参照《中国成年人人体尺寸》(gb/t10000-1988)。其中，头部为半径0.11m的球体；颈部为底面半径0.05m、高0.06m(距头部球体最低处)的圆柱体；上身为长0.32m、高0.55m、厚0.23m的带有弧面的长方体；手臂为两个由圆柱体和弯曲圆柱体拼接成的柱体，底面半径0.045m，总高0.58m；腿部为两个底面半径0.07m、高0.9m的圆柱体。

步骤4)中，理论上采样间隔δt越短，各间隔内电场暴露剂量测定结果越准确。一般成年人最小移动速度约0.8m/s(慢步时)，而手机定位系统提供定位精度约为5～10m，为保证位置采样时间间隔δt内人体(非静止)移动距离大于定位精度，δt不宜过短，优选10～15s。

步骤7)中，距离人体最近特高压直流线路的导线离地高度，取该导线上与人体最近点的离地高度。

步骤8)所述的人体位置状态(室外、室内或汽车内)判定方法，指按手机卫星定位信号采样时间间隔δt(δt＝tk+1-tk，k＝1,2,3,…,l，k为卫星定位信号采样时刻序号，tk为第k次采样时刻，δt应取人体位置采样时间间隔δt的整数分之一，优选1/10)，通过手机定位系统依次获取某卫星在不同时刻tk的信号强度wk(即信噪比)、人体位置经纬度、人体移动速度vk和加速度ak。不妨设tk时刻位于人体位置采样时刻ti和ti+1之间，将ti时刻的人体位置经纬度、移动速度vi和加速度ai作为tk时刻的相应数据，其中vi＝si/δt，ai＝(vi+1-vi)/δt，si为ti至ti+1时刻间人体移动距离。通常情况下，汽车内和室外卫星信号强度大于临界值wmax(wmax为卫星信号较弱时的信噪比，优选20db)，室内和室外部分区域(如山区)卫星信号强度小于或等于wmax。此外，若tk-1至tk间人体从室内进入室外信号较强处，tk-1至tk间信号强度变化量的绝对值|δwk-1|

(δwk-1＝wk-wk-1)大于或等于临界值|δwmin|(|δwmin|为室内与室外信号较强处之间卫星信号强度差值的绝对值，优选20db)，若tk-1至tk间人体从室外信号较弱处进入信号较强处，|δwk-1|小于|δwmin|。若某卫星信号wk一直较小突然出现wk＞wmax或wk一直较大突然出现wk≤wmax，需结合人体移动速度、加速度、卫星信号强度等对tk时刻(含tk)之前的人体位置状态进行判定，具体判定步骤见附图2。

步骤9)中，若实际人体距离最近直流输电线路中心水平距离超过100m，取距离为100m时的暴露场强(其已接近背景值)。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

本发明提供的应用手机定位信号确定特高压直流输电线附近公众电场暴露剂量的方法，可基于电磁仿真结果、依托手机定位信号实现，能实时确定距离人体最近的特高压直流输电线路及人体位置状态(室外、室内或汽车内)，离线计算人体实际电场暴露剂量，无需使用专业电场剂量仪进行实测，成本低，更便捷，对位于特高压直流输电线附近公众更为适用。

附图说明

图1为本发明实施例中确定特高压直流输电线附近公众电场暴露剂量的方法的流程图；

图2为本发明实施例中人体位置状态(室外、室内、汽车内)判定流程示意图，其中(a)为总体流程图，(b)(c)(d)分别表示图(a)中的部分流程示意图；

图3为本发明实施例中建筑模型示意图；

图4为本发明实施例中人体模型示意图；

图5为本发明实施例中汽车模型示意图；

图6为本发明实施例中人体分别位于(a)建筑和(b)汽车模型内的示意图；

图7为本发明实施例中特高压直线输电线附近公众某日运动轨迹示意图，其中，右侧实线轨迹表示该情境下手机定位系统所识别的公众运动轨迹。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

本实施例对特高压直流输电线附近公众某日实际电场暴露剂量进行离线计算。

参见图3，本实施例中将建筑模型简化为长×宽×高为12m×10m×4m，顶面及四个侧面厚度均为0.2m的空心长方体，建筑模型面向输电线的侧面(12m×10m)中心处设一个长×宽为1m×0.8m的矩形孔，用于模拟敞开的窗户。

参见图4，本实施例中将人体简化为由头部、颈部、上身、手臂和腿部五个部分组成的总高1.73m的男性人体模型，具体参照《中国成年人人体尺寸》(gb/t10000-1988)。其中，头部为半径0.11m的球体；颈部为底面半径0.05m、高0.06m(距头部球体最低处)的圆柱体；上身为长0.32m、高0.55m、厚0.23m的带有弧面的长方体；手臂为两个由圆柱体和弯曲圆柱体拼接成的柱体，底面半径0.045m，总高0.58m；腿部为两个底面半径0.07m、高0.9m的圆柱体。

参加图5，本实施例中将汽车模型简化为长×宽×高为4m×1.7m×1.5m，六个面厚度均为0.03m的空心长方体，汽车模型两侧面设4个长×宽为0.6m×0.4m的矩形孔，用于模拟敞开的玻璃窗户，前部设1个长×宽为1.6m×0.6m的矩形区域，用于模拟挡风玻璃。

参见图6，本实施例中位于建筑模型内地面中心点处的人体模型面向窗户，位于汽车模型内底面中心点处的人体模型面向汽车前部挡风玻璃。

参见图1，根据特高压直流输电线附近公众某日的手机定位信号确定电场暴露剂量，步骤如下：

s100，使用comsolmultiphysics软件对特高压直流输电线、大地、建筑、汽车和人体进行适当简化后，构建几何模型，设定模型参数，构建特高压直流输电线-建筑(或汽车)-大地-人体电磁仿真模型。其中，直流输电线除电压等级、导线离地高度和回路数外，其它运行参数见表1。建筑模型的几何外形见图3，材料为混凝土，电导率取5×10^-2s/m。人体模型的几何外形见图4，介质参数见表2。汽车模型的几何外形见图5，汽车车身视为金属导体，前部挡风玻璃常温下不导电。大地视为无限大理想导体，地面电位为0，地势平坦，不包含树木、水流等介质。

表1实施例中特高压直流输电线运行参数

表2实施例中人体模型介质参数

s200，将位于空旷地面上(即室外)、建筑模型内(即室内)地面中心点处以及汽车模型内(即汽车内)底面中心点处的人体模型，分别置于距电压等级、导线离地高度、导线回路数均不同的直流输电线路不同水平距离x(m)的地面位置上，当0≤x<20时，邻近人体模型位置间隔d＝0.5m；当20≤x<40时，d＝1m；当40≤x<60时，d＝2m；当60≤x<100时，d＝4m。基于无限大地面上直流导线附近电场计算模型仿真计算人体表面场强，根据人体模型在不同位置的人体表面最大电场，分别拟合建立室外、室内及汽车内的人体暴露场强e与特高压直流输电线电压等级u、导线离地高度h、回路数g、线路中心距人体水平距离x间的关系模型，分别为eout＝fout(u,h,g,x)、ein-b＝fin-b(u,h,g,x)和ein-c＝fin-c(u,h,g,x)；式中，eout为室外人体暴露场强；ein-b为室内人体暴露场强；ein-c为汽车内人体暴露场强。

s300，获取国内所有特高压直流输电线路电压等级、回路数等参数及线路上各铁塔的位置、铁塔处架线高度等信息，建立特高压直流输电工程信息库。

s400，根据特高压直流输电线的铁塔位置，将铁塔从南至北依次用1,2,3,...,n-1,n编号。

s500，按等采样时间间隔δt(取10s)，通过手机定位系统依次获取人体位置，其中δt＝ti+1-ti，i＝1,2,3,…,m，i为人体位置采样点序号，ti为第i次获取人体位置的时刻，m为需计算电场暴露剂量的时间tt内的人体位置采样点数。用平滑曲线依次连接各采样时刻的人体位置得到人体运动轨迹(见图7)，结果显示本实施例中某日公众沿a点出发后，依次途径b、c、d、e点后返回a点。

s600，在每个采样时刻ti，采用二分法搜索距人体位置最近的铁塔编号j(j∈[1，n])，根据铁塔j所在线路，在此基础上进一步找到该线路上与铁塔j相邻的两个铁塔编号(记为j’、j”)。

s700，建立三维坐标系，分别确定人体及编号为j、j’、j”的铁塔坐标，并用连接相邻铁塔上架线高度点的直线段模拟两基铁塔间的直流线路，计算人体距铁塔j和j’间线路的水平距离dj&j’以及距铁塔j和j”间线路的水平距离dj&j”，设结果得到dj&j’<dj&j”且dj&j’<100m，故编号为j和j’的铁塔间直流输电线路为距人体100m范围内的最近直流输电线路，其与人体的最近水平距离为dj&j’。

s800，搜索特高压直流输电工程信息库，设本实施例中得到ti时刻距人体最近的特高压直流线路(即铁塔j和j’所在直流输电线路)为±1100kv双回路直流输电线，其导线离地高度(即该导线上与人体最近点的离地高度)为26m。

s900，基于手机定位信号对本实施例中不同人体位置采样时刻ti的人体位置状态(室外、室内或汽车内)进行判定，判定方法见图2。按手机卫星定位信号采样时间间隔δt(取1s)，通过手机定位系统依次获取某卫星在不同时刻tk(k＝1,2,3,…l，l＝10m)的信号强度wk(即信噪比)、人体位置经纬度、人体移动速度vk和加速度ak。不妨设tk时刻位于人体位置采样时刻ti和ti+1之间，将ti时刻的人体位置经纬度、移动速度vi和加速度ai作为tk时刻的相应数据，其中vi＝si/δt，ai＝(vi+1-vi)/δt，si为ti至ti+1时刻间人体移动距离)。通常情况下，汽车内和室外卫星信号强度大于临界值wmax(wmax为卫星信号较弱时的信噪比，本实施例中取20db)，室内和室外部分区域(如山区)卫星信号强度小于或等于wmax。此外，若tk-1至tk间人体从室内进入室外信号较强处，tk-1至tk间信号强度变化量的绝对值|δwk-1|(δwk-1＝wk-wk-1)大于或等于临界值|δwmin|(|δwmin|为室内与室外信号较强处之间卫星信号强度差值的绝对值，本实施例中取20db)，若tk-1至tk间人体从室外信号较弱处进入信号较强处，|δwk-1|小于|δwmin|。

公众从a出发后，卫星信号强度一直较小而在tk1(k1∈(1，l))时刻突然出现wk1>wmax，此时公众在b点。从tk1开始，按步长-δt依次获取每个时刻的人体位置状态，本实施例中在tp(p＜k1)时刻人体位置状态已知为室内，在tp时刻停止获取下一时刻的人体位置状态，此时公众位于a点，可确定从a点移动至b点间(即tp至tk1间(不含tk1))时公众位于室内。

需进一步判定tk1时刻人体位置状态。从tk1开始，按步长+δt依次获取每一时刻的人体加速度，直至某一时刻tq(k1＜q)人体加速度绝对值首次大于或等于汽车发动或制动时的加速度绝对值|amax|(本实施例中取2.7m/s²)，tk1至tq间人体移动速度均不为0，可确定在b点(即tk1时刻)时公众位于室外。

公众从b点出发后，卫星信号强度一直较大而在tk2(k2∈(k1，l))时刻突然出现wk2<wmax，此时公众在e点。tk2-1至tk2间卫星信号强度变化量的绝对值|δwk2-1|(δwk2-1＝wk2-wk2-1)大于室内与室外信号较强处之间卫星信号强度差值的绝对值|δwmin|(本实施例中取20db)，可确定在e点(即tk2时刻)时公众位于室内。

需进一步判定tk2时刻前(不含tk2)人体位置状态。从tk2开始，按步长-δt依次获取每个时刻的人体位置状态，在tk1(k1＜k2)时刻人体位置状态已知为室外，在tk1时刻停止获取下一时刻的人体位置状态，此时公众位于b点。

需进一步判定tk1至tk2间人体位置状态。从tk1到tk2，按步长+δt依次获取每一时刻的人体加速度，在tq(k1＜q＜tk2)时刻人体加速度绝对值大于或等于|amax|，在tq时刻停止获取下一时刻的人体加速度，此时aq＞0，公众在c点，且tq-1前不存在某时刻，使该时刻至tq-1间人体速度持续为0，可确定从b点移动至c点间(即tk1至tq-1间)时公众位于室外，tq时刻公众位于车内。

需进一步判定tq至tk2间人体位置状态。从tq到tk2，按步长+δt依次获取每一时刻的人体加速度，在tr(q＜r＜tk2)时刻人体加速度绝对值大于或等于|amax|，在tr时刻停止获取下一时刻的人体加速度，此时ar＜0，公众在d点，可确定从c点移动至d点间(即tq至tr间)时公众位于车内。

需进一步判定tr至tk2间人体位置状态。从tr到tk2，按步长+δt依次获取每一时刻的人体加速度，期间每一时刻的人体加速度大小均小于|amax|，且tr后不存在某一时刻，使tr至该时刻间人体速度持续为0，可确定从d点移动至e点间(即tr到tk2间(不含tk2))时公众位于室外。

公众从e点移动至a点间的卫星信号强度一直较小，未出现卫星信号强度突然大于wmax的情况，故不需对该时间段内的人体位置状态进行判定。当tk2时刻后卫星信号强度突然大于wmax时，再计算公众在该期间的电场暴露剂量。

s1000，计算公众在室外的电场暴露剂量。当公众从b移动至c点间以及从d移动至e点间时，公众在室外，期间人体位置采样次数为m1，取小于[(q-1-k1)+(k2-1-r)+2]/10的最大整数，将公众在人体位置采样时刻ti1(1≤i1≤m1)时距最近特高压直流输电线路(即铁塔j和j’间直流线路)中心水平距离xi1、线路电压等级u＝1100kv、导线离地高度h＝26m、回路数g＝2代入eout＝fout(u,h,g,x)，计算得到ti1时刻的暴露场强ei1，根据di1＝ei1·δt计算得到ti1至ti1+1时刻间的电场暴露剂量di1，根据计算得到公众在室外的电场暴露剂量dout。

s1100，计算公众在汽车内的电场暴露剂量。当公众从c移动至d点间时，公众在车内，期间人体位置采样次数为m2，取小于(r-q+1)/10的最大整数，将公众在人体位置采样时刻ti2(1≤i2≤m2)时距最近特高压直流线路(即铁塔j和j’间直流线路)中心水平距离xi2、线路电压等级u＝1100kv、导线离地高度h＝26m、回路数g＝2代入ein-c＝fin-c(u,h,g,x)，计算得到ti2时刻的暴露场强ei2，根据di2＝ei2·δt计算得到ti2至ti2+1时刻间的电场暴露剂量di2，根据计算得到公众在汽车内的电场暴露剂量din-c。

s1200，计算公众在室内的电场暴露剂量。当公众从a移动至b点间时(本实施例不考虑公众从e点移动至a点间的电场暴露剂量)，公众在室内，室内停留时间tin-b＝tt-(tk2-tk1)，其中tt为本实施例中需计算公众电场暴露剂量的时间，将公众住房内中心点处距最近的特高压直流线路(即铁塔j和j’间直流线路)中心水平距离xin-b、线路电压等级u＝1100kv、导线离地高度h＝26m、回路数g＝2代入ein-b＝fin-b(u,h,g,x)，计算得到公众在室内的暴露场强ein-b，根据din-b＝ein-b·tin-b计算得到公众在室内的电场暴露剂量din-b。