基于回声状态网络的变电站接地网地表电位分布计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及变电站接地网地表电位计算技术领域，尤其是设及一种基于回声状态 网络的变电站接地网地表电位分布计算方法。
【背景技术】
[0002] 接地网是变电站的重要组成部分，其工作的可靠性对电力系统的安全稳定运行影 响重大。由于变电站接地网长期埋于地下，不可避免地会受到±壤的电化学腐蚀。与此同 时，流经接地导体的杂散电流也会引起接地网腐蚀甚至断裂、接地引下线截面变小、接地体 之间接触不良等问题。此外，由于施工原因，接地网还可能存在脱焊或虚焊等故障隐患。该 些故障均会使得接地网性能大幅下降，进而可能会引发严重事故并带来巨大的经济损失。 如何及时有效检测变电站接地网的故障隐患、进而采取相应的防护措施已成为电力行业现 有接地网运维工作中最为突出的问题。
[0003] 目前，基于电场理论，通过向接地网注入激励电流，根据探测得到的地表电位分布 对接地网进行故障诊断是较为常用的变电站接地网故障诊断方法。该方法通过比较变电 站接地网地表电位分布的理论计算结果与现场实测结果，对接地网进行故障诊断与状态评 估。因此，有必要对变电站接地网地表电位分布的计算方法进行研究，从而能够准确、高效 地得到接地网的地表电位分布理论结果，进而对变电站接地网进行故障诊断与状态评估。
[0004] 现有对变电站接地网地表电位分布理论值的研究主要集中在两个方面，其一是根 据电场或电路理论，基于接地网的等电位或不等电位模型，对地表电位分布直接进行理论 计算，但该方法运算量大，且不同形状接地网在计算过程中变化较多，难W形成适应度较高 的算法；其二是在变电站接地网建成之初直接对其进行现场探测，通过设置足够多的测点 W得到较为完整的地表电位分布，但该方法工作量大且无法消除现场测量误差对接地网地 表电位分布结果所造成的影响。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于回声状态 网络的变电站接地网地表电位分布计算方法，该方法综合现场测试和计算分析能够实现变 电站接地网地表电位分布的高效、准确计算。
[0006] 本发明的目的可W通过W下技术方案来实现：
[0007] -种基于回声状态网络的变电站接地网地表电位分布计算方法，其特征在于，包 括W下步骤：
[0008] 步骤1、使用数值计算方法计算变电站接地网的地表电位分布；
[0009] 步骤2、确定回声状态网络结构，W接地网W节点为界剖分为n段导体后，将接地 网节点处、各导体中点处及网孔中屯、处的地表电位为输入量；输出量由两部分组成，其一为 接地导体部分，取其六等分点处地表电位为输出量；其二为网孔部分，取其平行导体对应六 等分点连线的六等分点处地表电位为输出量；
[0010] 步骤3、根据变电站接地网地表电位计算结果对回声状态网络进行训练，获取回声 状态网络输出权值矩阵，得到训练后的基于回声状态网络的接地网地表电位计算模型；
[0011] 步骤4、应用交流信号发生器通过一可及节点向变电站接地网注入工频激励电流， 由工频参数测试仪沿接地网上方测量地表电位；W节点为分割点将接地网分为n段导体， 选取节点处、各导体中点处及网孔中屯、处为测点；
[0012] 步骤5、根据训练后的回声状态网络结构对接地网进行区域划分，划分原则为确保 每个区域的网孔数与训练网络的网孔数一致；将每个区域内的测点测量值分别作为输入数 据输入回声状态网络，读取网络的输出值，即可得到接地网各导体六等分点处地表电位，及 网孔平行导体对应六等分点连线的六等分点处地表电位，进而得到变电站接地网的大致地 表电位分布；
[0013] 步骤6、应用最小二乘法对接地网导体及网孔的地表电位曲线进行拟合，从而得到 变电站接地网地表电位分布。
[0014] 所述的步骤1通过数值计算方法计算变电站接地网的地表电位分布，具体是：
[0015] la)将节点数目为m的接地网分为n段导体，计算该n段导体之间的互阻抗矩阵 R，其中，矩阵元素Ru表示i段导体和j段导体之间的互阻抗，其计算公式为；
[0016]
[0017] i=1, ???,n；j=1, ???,n
[0018] 式中，〇E为上壤电导率；e。为真空介电常数；e,为±壤相对介电常数；ec= e。?e,为±壤介电常数；1i与1j.分别为第i段及第j段导体长度；1为第i段导体的镜 像长度；Du为将第i段与第j段导体之间的距离；D 为将第i段导体镜像与第j段导体 之间的距离；
[0019] 化）使用T型等效电路分别表示该n段导体，即1段导体对应1个T型等效电路， 所述的T型等效电路由第i段导体的自电感L、自电阻Z。、第i段和第j段导体之间的互感 M、第i段导体的对地电容C和对地电导G组成，其中i= 1，…，n，j= 1，…，n;经T型电路 等效后，所述接地网共有m+n个节点及化段导体；
[0020] Ic)计算接地网经T型等效电路等效后各段导体的关联矩阵A，其中，关联矩阵A 的行对应于接地网经T型等效电路等效后的节点数目m+n，关联矩阵A的列对应于支路数目 2n，关联矩阵A中的任意元素au的定义为：
[0021]
[0022]Id)计算经T型等效电路等效后具有m+n个节点和化条支路的接地网的阻抗矩阵Z，其计算公式为：
[0023]
[0024] 式中，Mu为接地网各支路经T型等效后的互感矩阵；ki为经T型等效后第i段 导体长度，其中i=1，…，化；hu为第i段导体与第j段导体之间的距离；ZM为第i段 导体的内阻抗；4。为±壤磁导率，并假设±壤和空气磁导率相同；Y二扣如P';y= y。yt为导体磁导率；yt为导体相对磁导率；P。为导体电阻率；r。为导体半径；I。（丫r。)、Ii( 丫r。）分别为零阶及一阶贝塞尔函数；
[002引le)根据关联矩阵A和阻抗矩阵Z计算节点导纳矩阵，为Y"+m=AZ 根据阻抗 矩阵R计算导纳矩阵，为G=R-i;
[0026] If)计算接地网导体n段导体的中点电位护和节点电位^2?"，通过求解接地网数 学模型的基本方程得到，所述的接地网数学模型的基本方程为：
[0027]
[002引式中，G为nXn矩阵；庐?为n个中点电位列向量；户"为m个节点列向量；jm二扔心,J二。J,'二,,,]T为m个节点注入电流列向量；
[002引Ig)计算接地网导体n段导体的泄漏电流分布，通过方程知=疗"求得，其中， 互阻抗矩阵R为nXn矩阵；，…，/f"f为n维列向量，是每段导体上的 漏电流向量；梦"'为n个中点电位列向量；
[0030] 比）根据求得的接地网导体的漏电流分布使用叠加原理计算地面上的电位分布， 地面上任一点P处的电位计算公式为：
[0031]
[0032]式中，Uip为第i段导体漏电流在点P形成的地表电位；P为±壤电阻率；rP，Zp为 第i段导体中点与点P间距离的极坐标表示；
[0033] 分别计算每段导体的漏电流在接地网各地表点形成的电位，再将所有导体的计算 结果进行叠加，从而得到接地网的地表电位分布计算结果。
[0034] 所述的步骤2确定回声状态网络结构和输入、输出，具体是：
[00巧]2a)所述的回声状态网络结构包括输入层、储备池及输出层，所述的输入层的输入 信号通过输入连接权矩阵连接到由大量随机布置的神经元所组成的储备池，神经元通过内 部连接权形成储备池输出，构成网络的内部状态向量，并通过输出连接权将其连接到输出 层；
[0036] 2b)设置所述回声状态网络的各参数，包括状态储备池神经元数目、内部连接权谱 半径等；
[0037] 2c)根据具体接地网的导体数及网孔数确定回声状态网络的输入及输出单元数 目；
[0038] 2d)随机初始化输入与储备池单元间的连接权矩阵r\储备池内部单元间的稀疏 连接权矩阵W。
[0039] 所述的步骤3建立基于回声状态网络的接地网地表电位计算模型的方法，具体 是：
[0040] 3a)根据接地网地表电