工频电场抑制的在线式载电磁环境在线监测平台

江世雄，吴飞，王重卿，龚建新，涂承谦

（国网福建省电力有限公司，福建福州 350007）

受长期电磁环境干扰，电力、移动通信的质量都受到影响。通信基站占据着网络通道，只要发生链路故障，就会影响整个区域的信息传递[1]。所以要保证通信环境不受电磁环境的干扰，提升通信质量，因此监测电磁环境的变化是具有一定现实意义的[2]。

基于云计算监测的电磁环境在线监测平台，受金属及其他元件的影响，其局部畸变场的分布必然会影响测量结果，在电磁场中，金属电缆的电磁串扰也会影响测量结果[3]。使用非选频式宽带的监测仪，在不进行频率选择的情况下，经常会遇到中波畸变、电力线路或数据线干扰等问题，导致测量值明显大于实际值。针对这一问题，提出了工频电场抑制的在线式载电磁环境在线监测平台。

1 硬件结构设计

在平台结构设计中，根据不同通信基站、车载运行和环境中的电磁环境在线监测需求，设计了工频电场抑制的在线式载电磁环境在线监测系统[3]。在线监测平台具有监测效率高、精准性高、抗干扰能力强等优点，不仅能够满足各个领域对监测的需求，还起到了科普宣传、良好沟通的效果，促进相关行业的快速发展，保证了人们的生活质量和生态环境的健康[4]。由多个电磁环境监测子站、监控中心及数据公示平台组成在线监测平台硬件结构，如图1 所示。

图1 在线监测平台硬件结构

电磁式环境监控器通过无线或有线通信连接到远程监控器的数据采集中心[5]。其由电磁环境监测站、数据采集与传输设备、供电设备等组成，主要功能是监测与控制[6]。

监控中心系统软件通过对多个监控站点监控数据的存储、处理和统计，将其实时地发送到用户端和服务器端，实现了各监控站点与公共显示屏的统一管理[7-9]。该网站的新闻宣传平台主要有公共屏幕、网页、手机APP、微信等，可选择一块或多块户外LED或HDLCD 显示屏，从监控中心获取监测数据，根据公共显示器需求，将其发布到一个或多个站点[10-12]。通过视频、动画、文字等形式，宣传有关电磁环境、绿色变电站、绿色基站等方面的科学知识。监控数据也可通过网站向内部员工或公众公开和公布[13]。

1.1 监控服务器

利用嵌入式实时操作系统、嵌入式网络服务器和单晶硅太阳能电池构成监控服务器。服务器的显示屏采用独立太阳能电源，不受外界光缆干扰，监控服务器结构示意图如图2 所示。

图2 监控服务器结构示意图

如图2 所示，在监控服务器内安装高效压缩芯片，能够压缩摄像机传输的视频信号，通过内置Web服务器可以直接接收内部总线传输的信号。使用该监控服务器，能够通过监控端直接查看拍摄到的图像，监控图像清晰效果好[14]。

1.2 工频电磁场探头

为了避免支架在高湿度环境下测量电场，OSLF-01 工频电磁场探头采用全绝缘支架，并设计了特殊的悬挂结构。该探头对低频电场具有很强的抑制能力，甚至在高压线等高强度电场环境中，也能抵抗工频干扰[15]。该设备可与OS-LF-01 系列手持式场强计（便携式电磁辐射测试仪）配合使用，可测量1～400 Hz 范围内的工频电磁场，不需切换光纤接口，即可同时显示测量的频率场、磁场值，实现精确射频测量。

1.3 数据采集仪

为确保测试值的准确性，避免金属光缆带来的场效应和串扰等现象，采集器与监视器之间采用光纤连接，使测试值不会受到影响[16]。利用可支持多站检测业务的RFID 数据采集器，对RFID 电子标签信息进行快速有效读取，为不同情况下的检测需求提供检测中心、检测分站等多种形式的保障工作。

RFID 数据采集器结构示意图如图3 所示。

图3 RFID数据采集器结构示意图

由图3 可知，便携式数据采集器作为一款高新技术产品，具有激光扫描和汉字显示功能，实现数据的采集、处理以及通信等。它是在小型计算机的基础上，结合了计算机技术和条形码技术，利用物品上的条形码作为快速获取信息的手段。也就是说，它可以兼作PDA 和条形码扫描，并对扫描到的标记条形码进行存储，然后传输到计算机的数据库里，从而自动生成采集清单报告。

1.4 数据公示平台

通过移动APP 和微信公众终端可以实时发布监测数据，利用LED 显示屏，公众可实时了解周边电磁环境，起到科普宣传的作用。LED显示屏如图4所示。

图4 LED显示屏

由图4 可知，为确保显示系统能流畅地播放高清视频文件，主控主机配置为17 寸显示器主流电脑LCD。LCD 显示屏由电脑、控制系统及屏幕三大部件构成，该显示屏控制系统采用单线控制方式，在DVI 显卡上的电脑主板上安装了一个PCI-E16X 插槽。母板设有足够的PCI-E 和PCI 等插槽，以便控制系统连接PCI-E 总线。

2 软件部分设计

工频电场的在线式载电磁环境监测可以展现围绕在电线周围的肉眼看不见的力线，其传播方向与电磁场无关。在线监测金属部件及其他元件，必然会影响场的分布，形成局部变形，进而影响测量结果。但在电磁场中，由于金属导体的电磁干扰，也会对测量造成影响，因此在设计时必须充分考虑工频电磁场的影响。在测量过程中，由于金属线缆的电磁串扰问题，必然会对测量产生影响，形成局部畸变场，给测量带来一定的影响，同时，在电磁场测量中，必须从整体上考虑在线监测系统的设计，做好工频电场的抑制工作。

2.1 工频电磁场抑制技术

为了抑制频率电磁场，必须先计算工频电磁场。根据实际情况，将其分为N个短电缆段，对各段的线电荷进行分别计算；其次是根据式（1）-式（6），可计算观测点每根电缆段产生的工频电场。

在工频电场的X、Y、Z三个方向上，存在具有时间变量t的矢量电场Ex、Ey、Ez，不同方向的电场合成后的电场值E的计算公式为：

式中，ω为变化频率，ωt是以2π周期变化的，α、β、γ分别表示不同方向正切值。设线电荷密度为ε，大地电位为0，所以在充分考虑线电荷的基础上，计算极化合差，公式如下：

式（6）中，m为实数，将计算后的t时间导数代入式（1）中，计算获取最大值就是工频电磁场最大值。

通过对不同观测点重复进行以上的测量，得到电缆系统周围工频电场分布。使用倒三角布置方案，使三相电路形成一个倒等边三角形，从而测量三相电路周围磁场强度。提高相位相对高度，缩短相位间距，可有效抑制磁场对相位高度的影响。

2.2 在线监测流程设计

根据在线监测平台的实际情况，其流程设计如下：

步骤一：获取地址坐标，表示为GPS 坐标。通过GPS 坐标与基站坐标的距离，可以判断当前定位平台的电磁干扰情况。

步骤二：计算全球定位系统坐标到基地坐标的距离为坐标差。

步骤三：该平台接收到基站发来的信号后，若确定该定位系统已进入基站覆盖的新区域，则定位系统进入新区域。

步骤四：通过GPS 定位和基站定位对当前位置的坐标进行三次测量，确定坐标差，取最低阈值，修正转换结果。

步骤五：监控GPS 定位与基站定位误差，在一定的电磁干扰条件下，GPS 定位和基站定位所获得的GPS 信号是一致的。这说明当前GPS 定位与基站定位误差增大，电磁干扰增强。利用GPS 还可进一步精确定位，既解决了现有监测定位系统存在的电磁干扰增加、电磁兼容性减弱、影响定位效果等问题，又能有效地监测电磁干扰，提高了定位系统的精度。

3 实 验

以福建供电局一500 kV 福州变电站为例，对该平台设计的合理性进行实验验证分析。

3.1 实验项目概况

在500 kV 福州变电站，正式启动福州变电站环境信息在线监测系统，并通过外部LED 显示屏实时显示数据，如表1 所示。

表1 监测数据

由表1 可知，福州变电站监测到的数据值远低于国家标准。

3.2 实验结果与分析

分别使用基于云计算监测平台、非选频式宽带电磁环境监测仪和基于工频电场抑制技术的监测平台对工频电场强度监测，监测结果如图5 所示。

图5 三种系统工频电场强度监测结果

由图5 可知，在正常情况下，基于云计算监测平台监测结果的范围为6～20 V/m；非选频式宽带电磁环境监测仪监测结果的范围为8～9 V/m；基于工频电场抑制技术的监测平台监测结果为9 V/m，并保持不变。在噪声干扰情况下，基于云计算监测平台监测结果的范围为11～40 V/m；非选频式宽带电磁环境监测仪监测结果的范围为20～90 V/m；基于工频电场抑制技术的监测平台监测结果的范围为7～9 V/m，并保持不变。通过上述监测结果可知，使用基于工频电场抑制技术与表1 所示的实际监测值最接近，说明该技术监测结果较为精准。

4 结束语

由工频电场抑制的在线式载电磁环境在线监测平台监测情况可以实时掌控用于电力、移动通信、环保等行业的电磁环境，通过计算工频电场以及倒三角布置来抑制电场强度。电磁波环境在线监测平台的建立，使人们可以直接了解其所在城市的电磁辐射状况。建立大型城市电磁辐射数据库，为以后的数据积累提供有效的技术支持，为管理城市电磁辐射环境提供依据。