一种电性源时变接地负载的测量和参数提取方法转让专利
申请号 : CN202011484861.3
文献号 : CN112649883B
文献日 : 2021-11-23
发明人 : 嵇艳鞠 , 邱仕林 , 王世鹏 , 于一兵 , 吴琼 , 王远 , 李刚
申请人 : 吉林大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种电性源时变接地负载的测量和参数提取方法,其特征在于,该方法包括:
1)铺设长导线并测量长导线电感L和长导线电阻RL,长导线两端通过铺有锡纸、浇灌盐水的电极坑与大地连接,通过发电机经电性源发射系统与长导线相连;
2)根据电性源负载的构成,建立电性源负载等效电路模型;
3)控制电性源发射系统向电性源负载提供恒压直流电,通过电压电流传感器测量直流电压值Ud和通过长导线的电流值Id;
4)控制电性源发射系统向电性源负载分别提供n种不同频率ω1,ω2,……,ωn的正弦交流电,其中n≥6,通过电压电流传感器分别测量n种频率对应的交流电压幅值和通过长导线的电流幅值,以及电压相位和电流相位;
5)将电性源负载等效电路模型转换为相量模型,将恒压直流电和n种频率正弦交流电激励下的方程组作为目标函数,根据步骤1)、步骤3)和步骤4)的测量结果设定各个参数的初始约束范围,基于粒子群归一算法实现对7个未知参数的提取;
在工作前和每1小时的工作间隔都重复一次步骤3)至步骤5),记录电性源时变接地负载参数,并调整发射系统控制时序实现动态负载匹配,使发射电流波形保持较好的线性度;
步骤2)中的电性源负载等效电路模型,包括直接测得的长导线电感L和长导线电阻RL,以及未知的电极间大地电阻Ree和两个接地电极分别与大地的接触阻抗,其中每个接触阻抗的极化特性分别由Debye模型的3个参数表示,即分别为由土壤电阻Re1、极化电容Cp1和极化回路电阻Rp1构成的第一接触阻抗和由土壤电阻Re2、极化电容Cp2和极化回路电阻Rp2构成的第二接触阻抗,所述等效电路模型电性源负载等效电路模型的阻抗相量表达式为:式中,ω为频率。
2.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤3)中控制电性源发射系统向电性源负载提供恒压直流电,电性源负载等效电路模型在稳定状态下,被测电压Ud、电流Id与负载的关系为:
3.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤4)中电性源负载等效电路模型在正弦稳态下,n种频率对应的交流电压幅值Ucn和通过长导线的电流幅值Icn、以及电压对应的相位 和电流对应的相位 与负载的相量关系为:
4.按照权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤5)中粒子群归一算法具体包含以下步骤:
步骤Ⅰ将步骤3和步骤4联立得到的方程组构建为目标函数,初始化种群个体的数量、位置和速度,计算各个粒子的适应度,并初始化个体最优解pij和整体最优解pg,设置位置和速度的初始约束范围,其中空间维数为7维;
步骤Ⅱ迭代过程中,计算每个粒子适应度,根据下式更新粒子的速度和位置:式中,c1=c2=2,为学习因子;w=0.6,为适应度;r1和r2为[0,1]范围内的均匀随机数;
步骤Ⅲ迭代过程中,当粒子的速度或位置超出约束范围时,对速度或位置按照约束范围的上限或下限重新赋值,同时更新个体最优解pij和整体最优解pg;
步骤Ⅳ迭代过程中,每经过m次迭代,比较1次整体最优解pg的各维度数值的数量级,若n n
该粒子位置的7个维度中,最大数值是最小数值的10 ,n≥1倍,则分别成比例的按照10,n≥
1倍调整该粒子的位置和速度,使各维度的约束范围在同一数量级上,同时调整目标函数中该维度对应的比例;
步骤Ⅴ判断是否达到最大迭代次数或适应度小于目标值,若是,获得整体最优解pg,输出被提参数值;否则返回步骤Ⅱ继续执行。
说明书 :
一种电性源时变接地负载的测量和参数提取方法
技术领域
背景技术
经长导线向大地发射大电流,实现地下介质的激励。在实际野外工作中,发射电流的大小和
关断时间主要取决于负载电阻,其中负载电阻一般由供电电缆的阻抗、接地电极与土壤的
接触阻抗和地下地质体阻抗组成。为提高发射能量,需要减小负载电阻,而电极间的距离由
探测方案决定,因此可以人工调整的部分只有接触阻抗。实际施工中,采用大面积接地电极
和增加盐水来降低接触阻抗。过去通常认为电性源负载电阻的阻值是始终不变的。然而在
工作过程中电流会导致电极坑内的带电粒子移动,产生极化效应,使接触阻抗除了电阻特
性还体现出电容特性。随着电流大小与时间的累积,接地电极发热和盐水流失都会导致接
地电极与土壤的接触阻抗发生变化。随时间变化的电性源负载阻抗,不仅会影响发射电流
的幅值大小,也会改变发射电流的关断时间和上升沿、下降沿的波形,影响和干扰了对后续
被测数据的处理,无法准确剔除一次磁场。因此,针对以上情况,建立电性源负载阻抗的等
效电路模型,基于现有发射系统硬件条件,准确地实现电性源负载测量和阻抗参数提取是
十分必要的。
射端接地电阻的布置方法进行了分析,但其目的是研究如何降低接触电阻值,而忽略了大
面积接地电极和增加盐水的处理方法都会使接地阻抗随时间发生改变。陈文广研究了土壤
电阻率在交流电流下的变化规律,虽然仅适用于变电站接地网络的分析,仍在一定程度说
明接地电极与土壤的接触阻抗与发射电流密度有关,具有极化效应,并不是恒定不变的。
端接地长导线的电感值和电阻值。但是该方法只是简单的认为两端接地长导线的电抗只由
电阻和电感构成,参数的计算方法过于简单,忽略了接地电极与土壤的接触阻抗的极化效
应的复杂性。对于电性源负载阻抗而言,除了考虑供电长导线的阻抗的影响,还要考虑接地
电极与土壤的接触阻抗和地下地质体的阻性。
电阻值的准确性。但是该方法主要解决的问题是保存和对比同一测点的测量数据,显然对
于地球物理勘探领域来讲,大多数情况都是面临不同地域进行勘探,每次因为地下介质的
不同和接地电极的重新布置都会导致电性源的负载不同,因此虽然也要保存和对比被测阻
抗大小,更重要的是改进测量方法和提取各个结构的阻抗参数。
发明内容
有发射系统硬件条件,提供一种电性源时变接地负载的测量和参数提取方法。
长导线的电流幅值,以及电压相位和电流相位;
数的初始约束范围,基于粒子群归一算法实现对7个未知参数的提取;
线性度。
抗,其中每个接触阻抗的极化特性分别由Debye模型的3个参数表示,即分别为由土壤电阻
Re1、极化电容Cp1和极化回路电阻Rp1构成的第一接触阻抗和由土壤电阻Re2、极化电容Cp2和
极化回路电阻Rp2构成的第二接触阻抗,所述等效电路模型电性源负载等效电路模型的阻抗
相量表达式为:
与负载的相量关系为:
置和速度的初始约束范围,其中空间维数为7维;
级,若该粒子位置的7个维度中,最大数值是最小数值的10 ,n≥1倍,则分别成比例的按照
n
10 ,n≥1倍调整该粒子的位置和速度,使各维度的约束范围在同一数量级上,同时调整目
标函数中该维度对应的比例;
式和粒子群归一算法实现电性源时变接地负载的测量和模型参数的提取,通过电性源发射
系统负载动态匹配,保证发射电流波形的线性度和一致性,有利于剔除数据中的一次场和
实现目标地下介质的反演。
附图说明
具体实施方式
限定本发明。
实现模型中未知参数的提取,并通过基于提取结果计算的电性源发射系统的仿真电流波形
与实际电流波形比较,验证提取结果的准确性,流程图如图1所示。
两个接地电极分别与大地的接触阻抗。接触阻抗的极化特性分别由Debye模型的3个参数表
示,即分别为由土壤电阻Re1、极化电容Cp1和极化回路电阻Rp1构成的接触阻抗1和由土壤电
阻Re2、极化电容Cp2和极化回路电阻Rp2构成的接触阻抗2。该等效电路模型的阻抗相量如图3
所示,相量表达式为:
变化。对于电性源发射系统而言,存在两个接地极与大地相连,因此每个电极与大地的接触
阻抗分别由Debye模型表示,与频率和时间有关。所以,通过步骤1测量长导线电感L和长导
线电阻RL,通过步骤3‑5提取电性源负载等效电路模型的7个未知参数,其中未知参数包括
电极间大地电阻Ree、土壤电阻Re1、极化电容Cp1和极化回路电阻Rp1、土壤电阻Re2、极化电容
Cp2和极化回路电阻Rp2。
电压Ud、电流Id与负载的关系为:
(Uc1,Uc2,……,Ucn)和通过长导线的电流幅值(Ic1,Ic2,……,Icn),以及电压对应的相位
和电流对应的相位 此时电性源负载等效电路模型
在正弦稳态下,n种频率对应的被测数据与负载的相量关系为:
量结果设定各个参数约束范围,基于粒子群归一算法实现对7个未知参数的提取;
度的初始约束范围,其中空间维数为7维;
的数量级,若该粒子位置的7个维度中,最大数值是最小数值的10 (n≥1)倍,则分别成比例
n
的按照10 (n≥1)倍调整该粒子的位置和速度,使各维度的约束范围在同一数量级上,同时
调整目标函数中该维度对应的比例;
性度,为后续电磁探测数据的处理提供保障,有利于对地下介质的反演。
10Ω,Cp1=1×10 F,Rp1=10Ω,Re2=5Ω,Cp2=1×10 F,Rp2=5Ω。基于以上方法,对该电性
源负载进行测量和参数提取,适应度曲线如图5所示。并比较了提取结果与原参数在相同双
极性方波电压下的电流波形对比,如图6所示。图7是两者的相对误差。