一种直流下土壤电参量状态反演方法

摘要

本发明公开了一种直流下土壤电参量状态反演方法，属于电力系统接地技术领域，主要包括细柱状电极、直流电流发生装置、电压信号采集记录装置、滑块等；直流电流信号发生模块两端口通过导线与外侧两细柱状电极连接，电压信号采集记录模块两端口通过导线与内侧两细柱状电极连接，水平绝缘扁杆与滑块连接，滑块与电极卡扣连接，电极卡扣与细柱状电极连接，用于获取不同电极跨度下的土壤视在电参量的测量值；还包括对目标土壤的测线划分结构，用于测试未知土壤结构。本发明可简便计算直流下的大地电参量闭式解，能够有效对复杂土壤环境下的电参量结构进行综合估计，并能为大电网中智能变电站接地系统的设计及性能评估提供决策建议。

权利要求

1.一种直流下土壤电参量状态反演方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：搭建直流下土壤电参量测量试验平台，包括第一滑块(1)，电极卡扣一(2)，细柱状电极一(3)，第二滑块(4)，电极卡扣二(5)，细柱状电极二(6)，第三滑块(7)，电极卡扣三(8)，细柱状电极三(9)，第四滑块(10)，电极卡扣四(11)，细柱状电极四(12)，直流电流发生装置(20)，电压信号采集记录装置(21)，导线一(16)，导线二(17)，导线三(18)，导线四(19)，绝缘外壳(23)，把手一(14)，把手二(15)，水平绝缘扁杆(13)，中心轴线(22)；

所述直流电流发生装置(20)分别与导线一(16)的输入端和导线四(19)的输入端连接，电压信号采集记录装置(21)分别与导线二(17)的输入端和导线三(18)的输入端连接，中心轴线(22)为该平台的垂直中轴线；导线一(16)的输出端嵌入第一滑块(1)与细柱状电极一(3)的输入端相连，电极卡扣一(2)与细柱状电极一(3)的输入端相连，细柱状电极一(3)可在第一滑块(1)中垂直上下移动；导线二(17)的输出端嵌入第二滑块(4)与细柱状电极二(6)的输入端相连，电极卡扣二(5)与细柱状电极二(6)的输入端相连，细柱状电极二(6)可在第二滑块(4)中垂直上下移动；导线三(18)的输出端嵌入第三滑块(7)与细柱状电极三(9)的输入端相连，电极卡扣三(8)与细柱状电极三(9)的输入端相连，细柱状电极三(9)可在第三滑块(7)中垂直上下移动；导线四(19)的输出端嵌入第四滑块(10)与细柱状电极四(12)的输入端相连，电极卡扣四(11)与细柱状电极四(12)的输入端相连，细柱状电极四(12)可在第四滑块(10)中垂直上下移动；第一滑块(1)、第二滑块(4)、第三滑块(7)、第四滑块(10)均套在水平绝缘扁杆(13)上，第一滑块(1)、第二滑块(4)、第三滑块(7)、第四滑块(10)可在水平绝缘扁杆(13)上灵活的水平左右移动，水平绝缘扁杆(13)左右两端部分别装有把手一(14)和把手二(15)；

第二步：找到目标土地，将目标土地进行测线划分，后进行视在土壤电参量的测量，首先将目标大地用正方形加正方形对边中点连线的方式进行划分，共需六条测线，划分的测线分别为测线一(51)、测线二(52)、测线三(53)、测线四(54)、测线五(55)、测线六(56)，测线三(53)、测线四(54)、测线五(55)、测线六(56)分别构成正方形大地的四条边测线，测线一(51)、测线二(52)分别由正方形大地的两两对边中点连线构成，每条测线下，四个细柱状电极之间的距离两两相等，且细柱状电极一(3)与细柱状电极四(12)关于中心轴线(22)对称，且细柱状电极二(6)与细柱状电极三(9)关于中心轴线(22)对称，滑动第一滑块(1)、第二滑块(4)、第三滑块(7)、第四滑块(10)，使探针铜电极之间的距离均为l，测试时先选好目标测线，然后通过调节电极卡扣一(2)、电极卡扣二(5)、电极卡扣三(8)、电极卡扣四(11)使对应的四个细柱状电极插入待测测线下的土地，直流电流发生装置(20)发出直流电流信号I，电压信号采集记录装置(21)采集记录得到电压信号V，则在测线g中的不同电极跨度下，可测量得到探针铜电极之间的距离均为a下的等值视在电参数ρg1，将电极跨度离变为2a、

3a，所得等值视在电参数为ρg2、ρg3，且不同测线下的电极跨度均设置为a、2a、3a；

第三步：建立适应度函数，

其中：αi、βi分别为第i阶的下的复镜像系数，Z为测线总个数，B为每条测线下的测量总次数，agc为第g条测线中第c次测量下的电极跨度，ρgc为第g条测线中第c次测量下的土壤视在电参量的实际测量值，ρ1,ρ2,…,ρn为水平分层土壤下的1～n层土壤电阻率的概念解，h1,h2,…,hn为水平分层土壤下的1～n层土壤厚度的概念解；通过布谷鸟搜索机制得到使测线上的大地视在电参量理论值逼近大地视在电参量测量值时的大地电参数结构，可以获得各层土壤电参量的最优闭式解，优化方式为

xi,d为第d次迭代第i个土壤电参量解、xi,d+1为第d+1次迭代第i个土壤电参量解；r、ε是

0‑1之间的随机数，xl,d、xj,d是第d次迭代的任意两组解，P为发现概率；

第四步：评估目标土壤电参量结构，通过土壤电参量测量值随电极跨度变化曲线，首先均质土壤电参量结构评价因子Eh；

最终得到大地土壤电参量结构协同评判因子E：其中，Q为变换不同电极跨度的总测量次数，Fmin(ρ1,h1,ρ2,h2,…,ρn,hn)为适应度函数最小值，总测线个数Z＝6；每条测线测量次数B＝3；

当E∈(‑∞,‑0.3)∪(0.3,+∞)时，表征目标大地的土壤电参量结构为包含有特殊岩石块体或垂直裂缝存在的垂直分层土壤电参量结构；当E∈[‑0.3,0.3]时，满足水平分层模型结构，可获得相应的大地土壤电参量结构闭式解；对于E∈[‑0.3,0)时，表征目标大地的土壤电参量结构为水平三层土壤结构；对于E＝0时，表征目标大地的土壤电参量结构为单质均匀土壤结构；对于E∈(0,0.3]时，表征目标大地的土壤电参量结构为水平二层土壤结构；

第五步：不同目标场地下的土壤电参量状态反演，根据目标大地土壤情况设置不同测线长度，并重复第二步和第三步，即可进行不同目标大地环境下的土壤电参量状态反演。

说明书

一种直流下土壤电参量状态反演方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力系统接地分析技术领域，具体涉及一种直流下土壤电参量状态反演方法。

背景技术

[0002] 智能电网的接地系统是保障人身和设备安全的重要措施。随着接地技术的发展，过去过多关注接地电阻，现在发展为更多关注跨步电压和接触电压，对接地系统的设计也
从简单的运用经验公式设计转为复杂多样的数值解析化设计。

[0003] 接地区域的土壤结构参数是接地工程设计的主要依据之一，土壤的视在电参量反映了其电特性在电力系统接地技术中，为提高供电可靠性和安全性，了解地表面电位分布
和电流在地中的流散规律十分必要。而这些内容均与目标区域土壤的电参数结构密切相
关，在复杂非各向同性非均匀介质中，由于分界面两侧的土壤电参量的状态不同，会导致电
流密度矢量和电场强度矢量的方向不一致，从而会影响电流在地中的流散途径，可见随着
大电网的自动化、智能化程度的提高，剖析大地土壤电参量的状态反演十分重要。

[0004] 在实际中很少有均匀土壤存在，针对大地土壤模型的求解一直是电力系统工程应用领域的重要研究课题。目前世界上的各国学者对其相关性研究主要集中于单一化、固定
化的模型设定，而目前尚未有特殊工况下复杂多样类型的大地土壤电参量状态反演方法的
研究。为能够给大范围、大容量电网接地系统提供更加可靠的安全接地保障，急需一种智能
配合解析化同步大地电参量结构状态反演方法，可为大电网中智能变电站接地系统的设计
及性能评估提供决策建议。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种直流下土壤电参量状态反演方法。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

[0007] 第一步：搭建直流下土壤电参量测量试验平台，包括第一滑块，电极卡扣一，细柱状电极一，第二滑块，电极卡扣二，细柱状电极二，第三滑块，电极卡扣三，细柱状电极三，第
四滑块，电极卡扣四，细柱状电极四，直流电流发生装置，电压信号采集记录装置，导线一，
导线二，导线三，导线四，绝缘外壳，把手一，把手二，水平绝缘扁杆，中心轴线；所述直流电
流发生装置分别与导线一的输入端和导线四的输入端连接，电压信号采集记录装置分别与
导线二的输入端和导线三的输入端连接，中心轴线为该平台的垂直中轴线；导线一的输出
端嵌入第一滑块与细柱状电极一的输入端相连，电极卡扣一与细柱状电极一的输入端相
连，细柱状电极一可在第一滑块中垂直上下移动；导线二的输出端嵌入第二滑块与细柱状
电极二的输入端相连，电极卡扣二与细柱状电极二的输入端相连，细柱状电极二可在第二
滑块中垂直上下移动；导线三的输出端嵌入第三滑块与细柱状电极三的输入端相连，电极
卡扣三与细柱状电极三的输入端相连，细柱状电极三可在第三滑块中垂直上下移动；导线
四的输出端嵌入第四滑块与细柱状电极四的输入端相连，电极卡扣四与细柱状电极四的输
入端相连，细柱状电极四可在第四滑块中垂直上下移动；第一滑块、第二滑块、第三滑块、第
四滑块均套在水平绝缘扁杆上，第一滑块、第二滑块、第三滑块、第四滑块可在水平绝缘扁
杆上灵活的水平左右移动，水平绝缘扁杆左右两端部分别装有把手一和把手二；

[0008] 第二步：找到目标土地，将目标土地进行测线划分，后进行视在土壤电参量的测量，首先将目标大地用正方形加正方形对边中点连线的方式进行划分，共需六条测线，划分
的测线分别为测线一、测线二、测线三、测线四、测线五、测线六，测线三、测线四、测线五、测
线六分别构成正方形大地的四条边测线，测线一、测线二分别由正方形大地的两两对边中
点连线构成，每条测线下，四个细柱状电极之间的距离两两相等，且细柱状电极一与细柱状
电极四关于中心轴线对称，且细柱状电极二与细柱状电极三关于中心轴线对称，滑动第一
滑块、第二滑块、第三滑块、第四滑块，使探针铜电极之间的距离均为l，测试时先选好目标
测线，然后通过调节电极卡扣一、电极卡扣二、电极卡扣三、电极卡扣四使对应的四个细柱
状电极插入待测测线下的土地，直流电流发生装置发出直流电流信号I，电压信号采集记录
装置采集记录得到电压信号V，则在测线g中的不同电极跨度下，可测量得到探针铜电极之
间的距离均为a下的等值视在电参数ρg1，将电极跨度离变为2a、3a，所得等值视在电参数为
ρg2、ρg3，且不同测线下的电极跨度均设置为a、2a、3a；

[0009] 第三步：建立适应度函数如下，

[0010]

[0011] 其中αi、βi分别为第i阶的下的复镜像系数，Z为测线总个数，B为每条测线下的测量总次数，agc为第g条测线中第c次测量下的电极跨度，ρgc为第g条测线中第c次测量下的土壤
视在电参量的实际测量值，ρ1,ρ2,…,ρn为水平分层土壤下的1～n层土壤电阻率的概念解，
h1,h2,…,hn为水平分层土壤下的1～n层土壤厚度的概念解。通过布谷鸟搜索机制得到使测
线上的大地视在电参量理论值逼近大地视在电参量测量值时的大地电参数结构，可以获得
各层土壤电参量的最优闭式解，优化方式如下，

[0012]

[0013] xi,d为第d次迭代第i个土壤电参量解、xi,d+1为第d+1次迭代第i个土壤电参量解；r、ε是0‑1之间的随机数，xl,d、xj,d是第d次迭代的任意两组解，P为发现概率。

[0014] 第四步：评估目标土壤电参量结构，通过土壤电参量测量值随电极跨度变化曲线，首先均质土壤电参量结构评价因子Eh；

[0015]

[0016] 最终得到大地土壤电参量结构协同评判因子E为：

[0017]

[0018] 其中，Q为变换不同电极跨度的总测量次数，Fmin(ρ1,h1,ρ2,h2,…,ρn,hn)为适应度函数最小值，总测线个数Z＝6；每条测线测量次数B＝3；

[0019] 当E∈(‑∞,‑0.3)∪(0.3,+∞)时，表征目标大地的土壤电参量结构为包含有特殊岩石块体或垂直裂缝存在的垂直分层土壤电参量结构；当E∈[‑0.3,0.3]时，满足水平分层
模型结构，可获得相应的大地土壤电参量结构闭式解；对于E∈[‑0.3,0)时，表征目标大地
的土壤电参量结构为水平三层土壤结构；对于E＝0时，表征目标大地的土壤电参量结构为
单质均匀土壤结构；对于E∈(0,0.3]时，表征目标大地的土壤电参量结构为水平二层土壤
结构。

[0020] 第五步：不同目标场地下的土壤电参量状态反演，根据目标大地土壤情况设置不同测线长度，并重复第二步和第三步，即可进行不同目标大地环境下的土壤电参量状态反
演。

[0021] 本发明提供的反演方法，能够有效地对未知大地土壤电参量状态进行反演，根据反演结果就能进一步判定所需目标大地的土壤电参数结构，有利于提高智能大电网接地系
统的接地设计效果，有助于提高智能电网建设的安全性和经济性。

[0022] 本发明与现有技术相比，其有益效果为：

[0023] 1)本发明能够有效实现不同复杂结构大地土壤电参量状态配合化解析判定，协同评判因子具有便捷性和普适性；

[0024] 2)本发明中的实验平台装置操作方便，简单实用，对测量未知复杂区域目标大地视在电参量具有安全可靠性和简便性；

[0025] 3)通过测线划分和不同适应度函数，本发明系统中的优化机制能够准确可靠的的获得所需参量的适应度函数值最优解。

附图说明

[0026] 图1是本发明方法使用时的大地土壤电参量测量试验平台总体结构示意图；

[0027] 图2是针对目标大地土壤测线安排方式的布置示意图；

具体实施方式

[0028] 下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

[0029] 由图1、图2可知本发明提供的实验平台和方法，包括如下步骤：

[0030] 第一步：搭建直流下土壤电参量测量试验平台，包括第一滑块(1)，电极卡扣一(2)，细柱状电极一(3)，第二滑块(4)，电极卡扣二(5)，细柱状电极二(6)，第三滑块(7)，电
极卡扣三(8)，细柱状电极三(9)，第四滑块(10)，电极卡扣四(11)，细柱状电极四(12)，直流
电流发生装置(20)，电压信号采集记录装置(21)，导线一(16)，导线二(17)，导线三(18)，导
线四(19)，绝缘外壳(23)，把手一(14)，把手二(15)，水平绝缘扁杆(13)，中心轴线(22)；所
述直流电流发生装置(20)分别与导线一(16)的输入端和导线四(19)的输入端连接，电压信
号采集记录装置(21)分别与导线二(17)的输入端和导线三(18)的输入端连接，所述中心轴
线(22)为该平台的垂直中轴线；所述导线一(16)的输出端嵌入第一滑块(1)与细柱状电极
一(3)的输入端相连，电极卡扣一(2)与细柱状电极一(3)的输入端相连，细柱状电极一(3)
可在第一滑块(1)中垂直上下移动；导线二(17)的输出端嵌入第二滑块(4)与细柱状电极二
(6)的输入端相连，电极卡扣二(5)与细柱状电极二(6)的输入端相连，细柱状电极二(6)可
在第二滑块(4)中垂直上下移动；导线三(18)的输出端嵌入第三滑块(7)与细柱状电极三
(9)的输入端相连，电极卡扣三(8)与细柱状电极三(9)的输入端相连，细柱状电极三(9)可
在第三滑块(7)中垂直上下移动；导线四(19)的输出端嵌入第四滑块(10)与细柱状电极四
(12)的输入端相连，电极卡扣四(11)与细柱状电极四(12)的输入端相连，细柱状电极四
(12)可在第四滑块(10)中垂直上下移动；第一滑块(1)、第二滑块(4)、第三滑块(7)、第四滑
块(10)均套在水平绝缘扁杆(13)上，第一滑块(1)、第二滑块(4)、第三滑块(7)、第四滑块
(10)可在水平绝缘扁杆(13)上灵活的水平左右移动，水平绝缘扁杆(13)左右两端部分别装
有把手一(14)和把手二(15)；

[0031] 第二步：找到目标土地，将目标土地进行测线划分，后进行视在土壤电参量的测量，首先将目标大地用正方形加正方形对边中点连线的方式进行划分，共需六条测线，划分
的测线分别为测线一(51)、测线二(52)、测线三(53)、测线四(54)、测线五(55)、测线六
(56)，测线三(53)、测线四(54)、测线五(55)、测线六(56)分别构成正方形大地的四条边测
线，测线一(51)、测线二(52)分别由正方形大地的两两对边中点连线构成，每条测线下，四
个细柱状电极之间的距离两两相等，且细柱状电极一(3)与细柱状电极四(12)关于中心轴
线(22)对称，且细柱状电极二(6)与细柱状电极三(9)关于中心轴线(22)对称，滑动第一滑
块(1)、第二滑块(4)、第三滑块(7)、第四滑块(10)，使探针铜电极之间的距离均为l，测试时
先选好目标测线，然后通过调节电极卡扣一(2)、电极卡扣二(5)、电极卡扣三(8)、电极卡扣
四(11)使对应的四个细柱状电极插入待测测线下的土地，直流电流发生装置(20)发出直流
电流信号I，电压信号采集记录装置(21)采集记录得到电压信号V，则在测线g中的不同电极
跨度下，可测量得到探针铜电极之间的距离均为a下的等值视在电参数ρg1，将电极跨度离变
为2a、3a，所得等值视在电参数为ρg2、ρg3，且不同测线下的电极跨度均设置为a、2a、3a；

[0032] 第三步：建立适应度函数如下，

[0033]

[0034] 其中：αi、βi分别为第i阶的下的复镜像系数，Z为测线总个数，B为每条测线下的测量总次数，agc为第g条测线中第c次测量下的电极跨度，ρgc为第g条测线中第c次测量下的土
壤视在电参量的实际测量值，ρ1,ρ2,…,ρn为水平分层土壤下的1～n层土壤电阻率的概念
解，h1,h2,…,hn为水平分层土壤下的1～n层土壤厚度的概念解。通过布谷鸟搜索机制得到
使测线上的大地视在电参量理论值逼近大地视在电参量测量值时的大地电参数结构，可以
获得各层土壤电参量的最优闭式解，优化方式如下，

[0035]

[0036] xi,d为第d次迭代第i个土壤电参量解、xi,d+1为第d+1次迭代第i个土壤电参量解；r、ε是0‑1之间的随机数，xl,d、xj,d是第d次迭代的任意两组解，P为发现概率。

[0037] 第四步：评估目标土壤电参量结构，通过土壤电参量测量值随电极跨度变化曲线，首先均质土壤电参量结构评价因子Eh；

[0038]

[0039] 最终得到大地土壤电参量结构协同评判因子E为：

[0040]

[0041] 其中，Q为变换不同电极跨度的总测量次数，Fmin(ρ1,h1,ρ2,h2,…,ρn,hn)为适应度函数最小值，总测线个数Z＝6；每条测线测量次数B＝3；

[0042] 当E∈(‑∞,‑0.3)∪(0.3,+∞)时，表征目标大地的土壤电参量结构为包含有特殊岩石块体或垂直裂缝存在的垂直分层土壤电参量结构；当E∈[‑0.3,0.3]时，满足水平分层
模型结构，可获得相应的大地土壤电参量结构闭式解；对于E∈[‑0.3,0)时，表征目标大地
的土壤电参量结构为水平三层土壤结构；对于E＝0时，表征目标大地的土壤电参量结构为
单质均匀土壤结构；对于E∈(0,0.3]时，表征目标大地的土壤电参量结构为水平二层土壤
结构。

[0043] 第五步：不同目标场地下的土壤电参量状态反演，根据目标大地土壤情况设置不同测线长度，并重复第二步和第三步，即可进行不同目标大地环境下的土壤电参量状态反
演。