基于B/S架构的高压变电站工频电场分析系统研究

韩　双，贺丹丹，李天阳，赵志锋，张贺伟

（1.国网河北省电力公司石家庄供电分公司，石家庄 050091；2.国网安徽省电力公司培训中心，合肥 230022；3.安徽电气工程职业技术学院，合肥 230051）

基于B/S架构的高压变电站工频电场分析系统研究

韩双1，贺丹丹2，3，李天阳1，赵志锋1，张贺伟1

（1.国网河北省电力公司石家庄供电分公司，石家庄 050091；2.国网安徽省电力公司培训中心，合肥 230022；3.安徽电气工程职业技术学院，合肥 230051）

针对日益突出的电场环境问题，提出开发基于B/S架构的高压变电站工频电场分析系统，介绍高压变电站电场环境数据管理与分析平台的主体框架和主要功能模块，分析该系统的建模、关键技术和电场强度计算方法，以某变电站500 k V设备区为例进行仿真计算，说明该系统可有效计算并展示设备不同方向上的电场强度。

高压变电站；电场强度；工频电场；B/S架构

0　引言

电场环境作为生态环境中的重要部分，与人的生活密切相关，尤其是随着电力输电线电压等级的不断提高，这些工频电场正日益加强。在这种复杂的电场环境中，电子、电气设备特别是以通信系统、控制系统和计算机系统为主的设备系统，也会受到外界电场干扰的影响出现误操作或故障，引起严重的后果。因此，有必要建立一个高压变电站工频电场分析系统，以便于对高压变电站电场环境进行研究，为以后输变电设施建设提供依据。

目前，国内外专家都开始了高压电网工频电场的研究，国外已有一些成功的研究经验和成果值得借鉴。文献［1-5］研究了美国对高压电场的试验和探索，包括电场、电晕、生态环境、绝缘水平等方面，确定了几种典型的高压输电线路工频电场的分布规律。文献［6-7］讨论了日本对高压电场的研究，日本电力中央研究所和生物环境技术研究所在赤城高压模拟试验线路下，对牛的行为等进行了研究，发现强电场会对家畜的健康状况有不利的影响。对于工频电场计算方法的研究，目前国外公认的方法主要有马克特-门格尔法、逐步镜像法和模拟电荷法，有专家也提出将数值模拟的方法用于计算场强［8-9］。国外还有很多成熟的软件包，如利用MOM求解短线电场数值计算的软件包NEC，用于解决电场兼容问题的加拿大CDEGS软件包、意大利生产的用来测试高压输电线路电场的PMM8053A便携式电场测试系统等。该文研究高压变电站电场分析系统的建立及变电站电场强度算法分析和仿真。

1　系统架构和主要功能设计

1.1总体架构设计

现有的高压电场分析系统可以分为两类：C/S（客户端/服务器）架构和B/S（浏览器/服务器）架构。C/S架构同时利用了客户端与服务器端硬件优势的模式，减小了服务器的压力以及通信开销。但是C/S架构在实际应用中，客户端和服务器需要安装特定的软件才能实现系统的功能；同时随着互联网的迅速发展，局域网的电脑用户越来越多，有时可能多达上百台，C/S架构的系统，软件升级的代价很高。B/S架构是随着互联网技术的发展而兴起的，它在一定程度上弥补了C/S的不足之处。使用者在B/S架构下通过浏览器就可以使用软件，软件的大部分功能在服务器端实现，不需要在客户端安装特定的软件，系统的维护与更新在服务器上实现，减少了用户的使用总成本。

高压变电站电场分析系统采用B/S架构，在作为服务器的计算机上，选择Microsoft SQL Server 2005数据库管理软件作为系统的数据库支持软件，以便记录和查询数据，实现对数据库的管理与配置。同时，通过IIS部署向导安装，将高压变电站电场分析系统安装在服务器计算机上，在变电站基本参数的图形模块采用了ActiveX技术与主系统交互，计算变电站工频电场模块采用动态链接库技术，实现matlab计算与图形交互的功能。高压变电站工频电场分析系统的主体架构如图1所示。

图1　高压变电站工频电场分析系统主体架构

1.2主要功能

高压变电站工频电场分析系统的重要功能是随时随地增加、查询、修改和计算电场数据，快速、高效的实现数据在不同地区之间的传递和处理，在对大量变电站的电场环境实测数据以及理论分析数据的基础上，建立一个测量数据的查询管理和电场理论计算分析系统。系统除了需要具有录入变电站的电场测量数据的功能以外，还需要一些其他功能，以使整个系统更加完善。该文研究的高压变电站工频电场分析系统的功能主要有用户管理、数据的录入与修改、数据查询、波形展示、计算工频电场等。

2　系统关键技术实现

2.1计算功能的实现

高压变电站电磁场分析系统中的一个重要的功能就是实现变电站工频电场的计算仿真。该计算模块采用matlab语言作为开发语言，编制相应的计算程序，将计算功能嵌入基于MFC的图形模块，实现图形模块与计算功能的交互。

具体实施方法是：在matlab中编写好计算函数，将函数的.m文件编译为.dll以及相关文件；将生成的.dll以及相关文件加入到MFC应用程序中，在MFC应用程序中加入matlab头文件，并对matlab进行初始化；使用mx Array等数据类型实现matlab函数与MFC应用程序的交互，实现在MFC应用程序中嵌入计算模块。

2.2图形模块的实现

高压变电站工频电场分析系统需要提供一个图形模块作为用户接口，方便录入变电站和输电线路的基本信息。该文采用MFC开发单文档形式作为图形模块，具有matlab软件接口。由MFC应用程序完成的图形模块不能直接与采用B/S构架的高压变电站电场分析系统的主体功能模块进行交互，将MFC应用程序转变为ActiveX控件，通过ActiveX控件可实现图形模块和采用B/S构架方式的Web应用程序交互。

具体实施方法是：首先新建一个MFC ActiveX工程，再将原MFC开发的图形模块代码文件与MFC ActiveX工程进行一系列的合并，使原MFC应用程序的功能以MFC Active X控件的形式展示出来；再将Active X控件嵌入HTML网页中运行，通过ActiveX控件实现图形模块和采用B/S构架方式的Web应用程序交互。

3　数学模型建立与电场算法研究

高压变电站的电气设备主要包括变压器、断路器、隔离开关、母线以及架空进出线等。变电站内的电场是由裸露的带电导体产生的，主要有母线、母线与隔离开关的连接线、隔离开关与断路器的连接线、断路器与架空线的连接线以及高压架空线。这些线状电极，裸露在外，距离地面较近，高压变电站内的工频电场主要是由这些导体产生的。这些导体均可以看作是由数个有限长导体组成，因此对有限长导体的电场强度进行单独研究。

3.1数学模型的建立

三相有限长导体的数学模型见图2，三相导体与大地平行，忽略弧垂。三相对地高度为H，三相导线长度为L，相间距为D。

图2　三相有限长导线的数学模型

3.2电场强度的计算

将三相有限长导体均划分为m段，连续编号，1…m表示U相，m+1…2m表示V相，2m+ 1…3m表示W相，第i个线段分界点坐标为（xi，yi，zi）。

在每一段导线中心设置一个模拟电荷，电势匹配点选择在导线的边界上。建立电位方程如下：

式中：τ为导线中的模拟电荷；UM为导线的电位；P为导线的电位系数。第j段模拟电荷在第i段中所对应的电位系数为：

因为模拟电荷都处于导线的中心，电势匹配点在导线表面，匹配点电势等于导线电势，有：

式中：U为线电压。因此模拟电荷可以表示为：

式中：［UM］为时间的函数，将式（5）的实部和虚部分开，有：

根据式（6），可以求出每段导线的模拟电荷［τ］。利用叠加原理，空间任意一点P（x，y，z）的电场强度在x方向的计算公式为：

同理可以求出y和z方向的电场强度。

4　仿真计算

以某进行分间隔分区域处理的敞开式布置变电站的500kV设备区为例，母线型号为LGKKT-578，两分裂，分裂间距400mm；对地高度为18.5m，母线、隔离开关、断路器、输电线路之间的连接线型号与母线相同；输电线路型号为LGJ-400/35，四分裂，分裂间距450mm，相间距11.5m，边相对地高度为20 m，中相对地高度为25m。计算-50≤x≤50，-50≤z≤50区域内对地高度为1.5m的电场。

该区域电气设备之间的连接见图3。图中对电气设备做了适当的简化，将高压变电站内的高压进出输电线、母线、隔离开关与断路器的连接线看作为有限长平行的直导线，将母线与隔离开关的连接线、断路器与架空线的连接线看作抛物线，可以将抛物线模型等效为数个有限长导线。

图3　500 k V变电站某区域电气设备连接

高压变电站工频电场分析系统界面如图4所示。将各电气设备的布置形式以及参数录入系统的图形界面，通过仿真计算便可得到该变电站电场环境示意。

图4　高压变电站工频电场分析系统界面

计算仿真结果展示见图5-8。

图5　x方向电场强度分量的三维图

图6　y方向电场强度分量的三维图

图7　z方向电场强度分量的三维图

图8 合成电场强度分量的三维图

图5中，在靠近输电线路一侧的断路器和隔离开关之间的边相连接线上，电场强度达到最大值，最大值为2.92 k V/m。在母线与隔离开关之间的连接线上，电场强度较小。

图6中，电场分布出现6个峰值，都出现在断路器和隔离开关之间的连接线上，在靠近输电线路侧的边相连接线上，电场强度达到最大值，为12.04 k V/m。在母线中相附近，电场强度较小。

图7中，电场出现4个峰值，最大值为4.14 k V/m，在母线中相附近，电场强度较小。

图8中，合成电场强度的大小主要由y方向上电场强度分量决定，其分布规律与y方向上电场强度分量相同，在靠近输电线路侧的边相连接线上，电场强度达到最大值，为12.51 k V/m。在母线中相附近，电场强度较小。母线对地高度为16.8 m，距离地面较远，而母线、隔离开关、断路器直接的连接线对地高度为5 m，距离地面较近，因此母线下方电场强度与连接线下的电场强度相比，数值较小。

我国现行的工频电磁场职业接触标准中规定，电场强度限值为6 k V/m。可以看出，500 k V变电站部分区域已经超标。

5　结论

该文介绍开发的基于B/S架构的高压变电站工频电场分析系统，构建高压电网电场环境分析平台的主体框架，实现了用户管理、数据的录入与维护、计算仿真等功能。对某个敞开式的变电站局部区域建立了简化的数学模型，对其仿真分析可知，变电站地面附近的电场强度主要是y方向上的分量，在隔离开关与断路器的连接线附近，电场强度最大。500 k V变电站部分区域已经超过我国现行的工频电磁场职业接触标准，亟需进行合理的电气设备布局规划与电磁辐射防护管理，以促进我国超高压、特高压电网的发展。

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本文责任编辑：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

韩 双（1988-），女，工程师，主要从事变电运维工作。