0  引言

    隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源消耗增加，對電力的需求快速增長，電網(wǎng)建設(shè)步伐也在突飛猛進(jìn)^[1]。以特高壓工程為骨干網(wǎng)架的大電網(wǎng)快速發(fā)展，一大批特高壓交、直流輸電線路相繼建設(shè)成網(wǎng)。至今為止，多條特高壓線路已落地投運(yùn)，同時(shí)有多條線路在開工建設(shè)，預(yù)計(jì)到2020年國家電網(wǎng)有限公司將建成“五橫五縱一環(huán)網(wǎng)”的特高壓交流電網(wǎng)以及27回直流特高壓輸電線路工程。

    與此同時(shí)，城市的快速擴(kuò)張使得線路走廊的選擇越來越困難，高壓輸電線路逐步走進(jìn)人們的視野。所以，工頻電磁場也成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)^[2]。國家電網(wǎng)公司于2005年開展了與特高壓輸電工程有關(guān)的技術(shù)研究和可行性研究^[3]。這些研究在特高壓電磁環(huán)境問題方面取得了許多成果：研究發(fā)現(xiàn)只要設(shè)計(jì)合理，可以使特高壓輸電工程的工頻電場強(qiáng)度、工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度和可聽噪聲水平與超高壓輸電工程相當(dāng)^[2]；提出了我國特高壓輸電線路的工頻電場強(qiáng)度、工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度和可聽噪聲的限值的建議^[4]；對陜北—晉東南—南陽—荊州—武漢和淮南—皖南—浙北—上海1 000 kV交流輸電示范工程進(jìn)行了環(huán)境試驗(yàn)，一致認(rèn)為該工程符合環(huán)境保護(hù)要求，輸電線路和變電站不會(huì)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成不利影響，但可能對沿線景觀有所影響^[5]；對單回路和雙回路同相序、逆相序布置方式下的特高壓輸電線路周圍的工頻電場強(qiáng)度、工頻磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行了研究，提出了線路最小離地高度等。目前國內(nèi)對特高壓輸電線路工頻電場強(qiáng)度強(qiáng)度的研究基本上是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室理想狀態(tài)下進(jìn)行的，因此，開展特高壓輸電線路對近地面電場強(qiáng)度的影響研究是十分必要的。

    試驗(yàn)表明，工頻電場強(qiáng)度的監(jiān)測值也隨著環(huán)境要素變化而變化。其中，彭繼文等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)線路在相對濕度較大的空間時(shí)，工頻電場強(qiáng)度測量值與計(jì)算值相差較大，工頻電場強(qiáng)度的測量值與相對濕度呈現(xiàn)正相關(guān)^[6]。彭一琦對相對濕度較大情況下的工頻電場強(qiáng)度計(jì)算值進(jìn)行了理論修正^[7]。張廣洲等理論分析后認(rèn)為工頻電場強(qiáng)度的分布與濕度具有無關(guān)性，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證認(rèn)為，同一電場情況下，支架的濕度對工頻電場的實(shí)際測量值影響較大^[8]。孫濤等對輸電線路下方的工頻電場分布進(jìn)行了理論分析，分析認(rèn)為儀器絕緣支架絕緣性能發(fā)生變化導(dǎo)致探頭附近電場產(chǎn)生畸變是使測量數(shù)據(jù)偏大的主要原因，為說明潮濕或雨水等氣象條件不會(huì)直接改變輸電線路附近的工頻電場強(qiáng)度的電場大小和分布特性，理論分析了電場強(qiáng)度的分布特征，并設(shè)計(jì)了模擬電位分布，利用不同絕緣狀態(tài)的測試儀器對相同電場進(jìn)行了測試和驗(yàn)證^[9]。陳其顥選取110 kV、220 kV、500 kV交流輸電線路的典型斷面作為研究對象，分析了溫度、濕度以及下墊面等環(huán)境因素對工頻電場的影響，認(rèn)為溫度對近地面工頻電場強(qiáng)度影響顯著，濕度則影響較小^[10]。雖然線路周圍環(huán)境要素的變化對工頻電場強(qiáng)度的影響機(jī)理存在爭議，但是對監(jiān)測值有影響是確定的，在室外環(huán)境下，同一天的不同時(shí)間的溫度和濕度均會(huì)變化，特別是不同天氣狀況下環(huán)境溫度、濕度變化較大，所以忽略環(huán)境因素而對輸電線路近地面的電場強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測在實(shí)際應(yīng)用匯總存在很大局限性，需要開展計(jì)及環(huán)境因素的輸電線路對近地面電場強(qiáng)度影響的研究，對原有預(yù)測模型進(jìn)行修正以提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，更好地為電網(wǎng)建設(shè)服務(wù)。

1  研究方法

1.1  模型構(gòu)建

    令神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入為X_i，輸出（工頻電場強(qiáng)度的預(yù)測值）為Y_i。把基于等效電荷法模型計(jì)算結(jié)果（E₁）及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)集，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，其中理論計(jì)算值（E₁）、環(huán)境要素（H、T…）、線路工況（U、I、AP、RP）作為模型輸入（X），現(xiàn)場測量值作為模型輸出（Y），構(gòu)成多輸入單輸出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

    因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、訓(xùn)練方法過于敏感, 本研究選擇一種自適應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及其訓(xùn)練方法^[11]。

1.1.1  自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理

    該研究中模型預(yù)測以檢驗(yàn)誤差最小為目標(biāo)，因?yàn)樽钚z驗(yàn)誤差是未知，需逐步試湊，從而需要較長時(shí)間。如果能夠事先估算最小檢驗(yàn)誤差（本文稱其為期望誤差），則可根據(jù)當(dāng)前誤差與期望誤差的差異判斷模型的優(yōu)化方向和需要調(diào)整的步幅, 從而可以達(dá)到顯著提高建模效率的目的。所以本研究利用一種基于期望誤差的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可定義模型的檢驗(yàn)誤差為：

    若MSEL<MSE_O<MSE_V且差距較大，則說明網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)冗余，應(yīng)減少隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)；若MSEL和MSEV均大于MSEO且差距較大，則說明網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于簡單，應(yīng)增加隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)。因此，通過比較期望誤差、實(shí)際訓(xùn)練誤差以及實(shí)際檢驗(yàn)誤差的大小關(guān)系，能夠大致估計(jì)隱含節(jié)點(diǎn)數(shù)是否合適，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1.1.2  自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模過程如下：

    步驟1：模型的初始化。估算MSE_O，將訓(xùn)練集分為規(guī)模相當(dāng)?shù)膬蓚€(gè)子集DA和DB，構(gòu)造如圖1所示的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)定隱層神經(jīng)元數(shù)。

    步驟2：模型結(jié)構(gòu)自適應(yīng)優(yōu)化調(diào)整，以DA為學(xué)習(xí)集，DB為檢驗(yàn)集，利用提前終止法訓(xùn)練NNA。比較NNA的MSE_L，MSE_V和MSE_O，若相差不大，則繼續(xù)下一步（步驟3）；否則，調(diào)整隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)，重復(fù)步驟2。

    步驟3：模型優(yōu)化訓(xùn)練。以DA為學(xué)習(xí)集，DB為檢驗(yàn)集，選擇合適的方法訓(xùn)練NNA。隨機(jī)設(shè)定權(quán)重初值，多次訓(xùn)練后，選取與MSE_L， MSE_V和MSE_O接近的模型作為NNA的訓(xùn)練結(jié)果。以DB為學(xué)習(xí)集，DA為檢驗(yàn)集，以同樣方法訓(xùn)練NN??。最后，以兩次網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練值的平均值作為此次訓(xùn)練的輸出值。

    步驟4：終止訓(xùn)練過程，完成建模。

    在步驟3中采用多次訓(xùn)練是為了降低建模效果對權(quán)重初值的敏感性。事實(shí)上，因?yàn)椴捎昧穗p網(wǎng)結(jié)構(gòu)，與一般的單網(wǎng)模型相比，本方法的建模效果對權(quán)重初值的敏感性明顯減小。

1.2  模型訓(xùn)練和測試

    按照上述方法構(gòu)建一個(gè)多層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，先對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，再進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和測試，訓(xùn)練后得到的迭代誤差變化過程如圖2所示。

    輸入集為等效電荷法的計(jì)算值、電壓、電流、有功功率、無功功率、線路對地高度、溫度、濕度構(gòu)成的向量集、輸出集為實(shí)際測量值，共100個(gè)數(shù)據(jù)，選擇其中50個(gè)作為訓(xùn)練集，后50個(gè)作為測試集，測試誤差為0.000 1，由圖所示經(jīng)過三次迭代就可以達(dá)到誤差要求。

2  結(jié)果分析

    對模型進(jìn)行檢驗(yàn)，通過結(jié)果分析可得，該模型表現(xiàn)良好，相對誤差最大值為0.708 0，最小值為0.008 0，平均相對誤差是0.195 0，在工程應(yīng)用中，此誤差達(dá)到精度要求。最大誤差出現(xiàn)在線路中心線下，因特高壓線路線下一般不會(huì)有民房等環(huán)境敏感目標(biāo)，該處影響不大。由圖3可知，在邊導(dǎo)線外，特別是對變化趨勢的追蹤有較好效果。

    最大值處（邊導(dǎo)線處）的預(yù)測結(jié)果對比如圖4所示，相對誤差最大值為0.213 7，最小值為0.001 9，平均相對誤差是0.092，模型表現(xiàn)良好，特別是對變化較大點(diǎn)的追蹤與預(yù)測。

    對樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以得到濕度、溫度與工頻電場之間的關(guān)系，給出不同信息就可以利用訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)得出線路下距離地面高度為1.5 m處的工頻電場強(qiáng)度值。

    經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后，溫度、濕度與工頻電場強(qiáng)度關(guān)系如圖5、圖6所示，隨著溫度、濕度的變化，工頻電場強(qiáng)度變化較大。但是總體上還是呈現(xiàn)上升趨勢，特別是溫度、濕度在上升區(qū)間內(nèi)變化明顯，溫度在[15℃,20℃]、[20℃，30℃]、[30℃，38℃]的研究區(qū)間內(nèi)，工頻電場強(qiáng)度的平均值分別是3 347 V/m、3 345 V/m、4 240 V/m；濕度在[20%,35%)、[35%，45%)、[45%，55%]區(qū)間之間變化時(shí)，工頻電場強(qiáng)度平均值分別是3 782 V/m、3 938 V/m、4 042 V/m。

    通過分析可得，進(jìn)行多源信息的采集，基于多源信息融合的工頻電場強(qiáng)度預(yù)測較單一的理論計(jì)算有較高的精度，能夠滿足特高壓輸電線路的環(huán)境影響評(píng)價(jià)以及現(xiàn)場環(huán)保管理的需要。

3  結(jié)論與展望

    本研究開展了基于多源信息融合的特高壓輸電線路近地面工頻電場強(qiáng)度的分布規(guī)律及預(yù)測研究，通過研究發(fā)現(xiàn)同塔雙回線路近地面工頻電場強(qiáng)度呈“M”型分布，在邊導(dǎo)線附近達(dá)到最大值；通過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線對地距離對近地面工頻電場強(qiáng)度影響較大；通過對實(shí)際測量的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)溫度、濕度對工頻電場強(qiáng)度的測量值有較大影響；現(xiàn)有設(shè)計(jì)條件下，特高壓線路附近工頻電場強(qiáng)度有超標(biāo)現(xiàn)象（國家控制限值4 kV/m），在規(guī)劃和設(shè)計(jì)中應(yīng)該引起重視。

    通過分析可得，基于多源信息融合的工頻電場強(qiáng)度預(yù)測較單一的理論計(jì)算有較高的精度，能夠滿足特高壓輸電線路的環(huán)境影響評(píng)價(jià)以及現(xiàn)場環(huán)保管理的需要。

    本研究提出了計(jì)及特征環(huán)境要素的多源信息融合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型對近地面工頻電場強(qiáng)度有較好的預(yù)測效果，與傳統(tǒng)的理論模型對比，預(yù)測精度有很大提高，能夠滿足工程需要。

    通過分析可得，線路周圍環(huán)境中的溫度、濕度對工頻電場強(qiáng)度的監(jiān)測值有很大影響，其他要素不變的情況下總體上呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

    本文通過實(shí)際測量積累了大量數(shù)據(jù)，分別分析了溫度和濕度對工頻電場強(qiáng)度的測量帶來的影響，但是缺少兩者的交互性研究，下一步應(yīng)進(jìn)一步積累數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行多源分析，研究多源信息對特高壓線路近地面工頻電場強(qiáng)度測量的影響以及各信息之間的交互性影響。

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作者信息:

尹建光，劉  輝，張  永，謝連科，馬新剛，張國英，臧玉魏，江  紅，鞏泉泉

（國網(wǎng)山東省電力公司  電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002）