一種考慮地形影響的uhvdc線路地面三維合成電場計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電場的計算方法，尤其涉及一種考慮地形影響的UHVDC(Ultra High Voltage Direct Current:特高壓直流）線路地面三維合成電場計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力需求也隨之不斷增加。由于用電負荷距離能源基 地較遠，為實現(xiàn)資源優(yōu)化配置，在遠距離、點對點大容量輸電方面具有明顯的優(yōu)勢的特高壓 直流輸電技術(shù)得到了快速發(fā)展。我國目前已經(jīng)建成有多條特高壓直流輸電線路，由此帶來 的電磁環(huán)境問題也受到了人們的關(guān)注，尤其是表征路特高壓直流輸電線電磁環(huán)境重要參數(shù) 之一的合成電場。
[0003] 針對特高壓直流輸電線合成電場的計算，國內(nèi)外學者均開展了大量的研究。目前 有關(guān)高壓直流輸電線路合成電場的計算主要采用經(jīng)驗公式法、Deutsch假設(shè)的數(shù)值計算方 法以及其他數(shù)值計算方法。其中基于Deutsch假設(shè)的數(shù)值計算方法由于計算相對簡單，且 能夠滿足實際工程的需要，該方法以列入了能源部編制的國家電力行業(yè)標準《高壓直流架 空送電線路技術(shù)導(dǎo)則》(DL436-91)之中。但是在目前已有算法中都是假定高壓直流輸電線 路所經(jīng)過的區(qū)域的地面為平地，地面情況單一，忽略地形起伏對合成電場的影響。但是實際 輸電線路所經(jīng)過的區(qū)域地面情況呈現(xiàn)出多樣性，既有平地，也有山丘、山谷等地形。根據(jù)現(xiàn) 場實際測量發(fā)現(xiàn)，起伏的地面對高壓直流輸電線路的合成電場影響較大。然而，截至目前還 未發(fā)現(xiàn)有能夠考慮復(fù)雜地形的特高壓直流輸電線路地面三維合成電場計算方法。因此，為 實現(xiàn)特高壓直流輸電線路途經(jīng)復(fù)雜地形時電磁環(huán)境的準確評估，需要提出一種新的算法， 能夠?qū)⑤旊娋€路所經(jīng)過區(qū)域的地面情況均考慮到計算因素中，最終實現(xiàn)復(fù)雜地面合成電場 的三維計算。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種考慮地形影響的UHVDC線路地面三維合成電場計算方 法，該電場計算方法考慮了地形影響，能夠?qū)⑤旊娋€路所經(jīng)過區(qū)域的地面情況均考慮到計 算因素中，提高了對輸電線路的電磁環(huán)境評估的準確性。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，一種考慮地形影響的UHVDC線路地面 三維合成電場計算方法包括如下步驟：
[0006] S1.首先將復(fù)雜地形簡化成起伏形式的三維地面，建立三維合成電場計算模型；
[0007] S2.選定地面任意一個計算點，利用矩量法所求的三維標稱電場確定從該計算點 回到導(dǎo)線表面的電力線；
[0008] S3.設(shè)定輸電導(dǎo)線表面的電荷密度初值，并求出從輸電導(dǎo)線表面起且沿電力線的 空間各點的電荷密度和標量函數(shù)；
[0009] S4.更新導(dǎo)線表面電荷密度，直至空間電荷密度平均值滿足限定條件；
[0010] S5.根據(jù)求得的電荷密度和標量函數(shù)計算復(fù)雜地面處的三維合成電場。
[0011] 進一步，步驟S1中將復(fù)雜地形簡化成起伏形式的三維地面，是根據(jù)具體的地形進 行簡化，簡化的原則是將復(fù)雜地形采用具有一定角度的多個平面的組合來表示。
[0012] 進一步，所述步驟S1中建立的三維合成電場計算模型為三維標稱電場計算模型， 該三維標稱電場計算模型首先選定導(dǎo)線下方一段水平地面為鏡像地面，同時假定鏡像地面 延伸至起伏地面內(nèi)，其還包括確定的線路坐標參數(shù)和地形參數(shù)。
[0013] 進一步，步驟S2中，利用三維標稱電場確定從該點出發(fā)的電力線，具體步驟如下：
[0014] S21.將帶電導(dǎo)線離散成分段的線電荷，在非鏡像地面內(nèi)部上以正六邊形蜂窩狀形 式設(shè)置離散點電荷，同時依據(jù)鏡像原理設(shè)置相應(yīng)的鏡像電荷并建立三維電場積分數(shù)學模型 的離散方程；
[0015] S22.然后選定基函數(shù)為分域脈沖函數(shù)，按照配點法選權(quán)函數(shù)并在每個積分域求內(nèi) 積，形成矩陣方程；
[0016] S23.求解矩陣方程，計算電荷分布；
[0017] S24.計算匹配點最大電位誤差，如果誤差不滿足要求，返回步驟S21重新對場源 離散并設(shè)置離散電荷；如果滿足要求進行下一步；
[0018] S25.利用優(yōu)化方法對離散電荷開展進一步優(yōu)化配置；
[0019] S26.設(shè)定一步長，利用步驟S24中滿足最優(yōu)電荷分布來確定步長終點坐標為：
[0020] X(i+1) = X(i) -step*Ex(i)/(Ex'2+Ey'2+Ez'2)'0.5 (1)
[0021] y(i+1) = y(i) -step*Ey(i)/(Ex'2+Ey'2+Ez'2)'0.5 (2)
[0022] z(i+1) = z(i)-step*Ez(i)/(Ex'2+Ey'2+Ez'2)'0. 5 (3)
[0023] 式（1) (2) (3)中step為所選步長的大小，x(i)、y (i)、z (i)為步長起點坐標（即 地面計算點），x (i+1)、y (i+1)、z (i+1)為步長終點坐標；Ex, Ey, Ez為步長起點處x. y, z三 個方向的標稱電場.
[0024] S27.將每一步長的終點作為下一步長的起點，重復(fù)步驟S26直至步長終點的標稱 電位滿足導(dǎo)線電位邊界條件，連接每一步的步長終點，形成從輸電導(dǎo)線表面至地面計算點 的電力線；
[0025] S28.重新選定地面任意一個計算點，重復(fù)步驟S26-S27直至所有地面計算點至導(dǎo) 線表面的電力線確定完畢。
[0026] 進一步，所述步驟S21中在非鏡像地面內(nèi)部上以正六邊蜂窩狀形式設(shè)置的離散點 電荷與地表面垂直，同時對應(yīng)的正六邊蜂窩狀的邊長根據(jù)電場計算精度進行改變。
[0027] 進一步，步驟S21中建立的三維電場積分數(shù)學模型的離散方程的場源包括導(dǎo)線電 荷和非鏡像地面內(nèi)部電荷，同時方程還考慮了地形的影響，該離散方程如下：
[0029] 其中為F場點矢量，$導(dǎo)線線源矢量，?導(dǎo)線鏡像線源矢量，$非鏡像地面內(nèi)部點 源矢量，&鏡像點源矢量，1為線電荷所存在區(qū)域，1,為鏡像線電荷所在區(qū)域，q為離散點電 荷。
[0030] 進一步，步驟S22中，選定的基函數(shù)為分域脈沖函數(shù)，且函數(shù)式如下：
[0033] 進一步，步驟S22中，按照配點法選擇的權(quán)函數(shù)如下：
[0035] 其中t表示離散源點至計算點的矢徑，F(xiàn)表示空間任意一點至計算點的矢徑，當
[0036] 進一步，步驟S22中，矩陣方程的形成通過如下步驟實現(xiàn)：
[0037] 首先，將前述式（5)代入前述式（4)，得出電位積分方程的離散形式：
[0039] 其次，在積分區(qū)域內(nèi)對每個j與式（6)求內(nèi)積，則有：
[0041] 再次，根據(jù)δ ,函數(shù)性質(zhì)及式（5)可以將式（7)簡化成下式：
[0045] 進一步，所述矩陣方程的系數(shù)b通過如下方法實現(xiàn)：若以Ρ Α為起點，沿 PPiPPi方向建立局部坐標u，并設(shè)線單元長度為L。，設(shè)線電荷密度τ在單元內(nèi)按線性規(guī) 律分布；則 τ (u) = au+b (u 的范圍為（0, L。)），令 1 = X.廠X;，m = y.廠y;，η = ζ.廠Zp Ei =l2+m2+n2, -2(l(x -χ；)+m(y-y；)+n (z-z；)), (x -χ；) 2+(γ -γ；) 2+(z-ζ；)2, X\|·
開展積分計算有：
[0047] 進一步，步驟S24中，匹配點最大電位誤差應(yīng)當小于5%，如果大于5%，則重新布 置離散電荷通過如下方法實現(xiàn)：根據(jù)校驗電位誤差對離散電荷的位置及個數(shù)進行設(shè)置：重 新設(shè)置過程中，對誤差較大的區(qū)域，以離散點電荷為正六邊形的中心進行分裂，增加離散點 電荷的數(shù)量來提高計算精度。
[0048] 進一步，步驟S25中利用優(yōu)化方法對離散電荷開展進一步優(yōu)化配置，首先建立目 標函數(shù)，本發(fā)明