- 頭條作者特稿｜接地網腐蝕診斷的新思路：引入醫學中的電阻抗成像技術2019-08-16 作者：李星、楊帆 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）、國網河南省電力公司電力科學研究院的研究人員李星、楊帆、余曉、董曼玲、姚德貴，在2019年第5期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“基于內源式電阻抗成像的接地網缺陷診斷逆問題研究”）指出，如何實現對接地網局部支路導體的腐蝕缺陷檢測是電力部門一直致力于解決的問題。該文研究了基于電阻抗成像（EIT）技術的接地網場域電阻率分布成像方法,并對接地網腐蝕缺陷進行診斷。首先針對接地網的開域場問題,建立其內源式電阻抗成像正、逆問題模型。其次對于其逆問題的病態性,提出一種基于改進正則化的牛頓-拉夫遜迭代方法對接地網的逆問題進行求解;針對接地網場域的大尺寸和土壤與扁鋼電阻率的高對比度問題,提出土壤分離和分區成像的方法,提高了圖像的分辨率。最后通過實驗對接地網的腐蝕缺陷進行了電阻抗成像診斷,實驗結果表明該方法能夠對腐蝕缺陷進行準確定位,驗證了該方法的正確性。
? DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180336 ?
研究背景
接地網是變電站、發電廠等的重要組成部分，是電力系統安全和穩定運行的保障。接地網埋于地下，由于焊接不良、泄露電流原電池效應和土壤腐蝕等原因，接地網支路易發生腐蝕、斷裂，從而降低接地性能，嚴重威脅人員和電力系統的安全。對于已經建設的老舊變電站，需要對接地網的腐蝕進行定位判斷，從而指導開挖檢修。
現有的基于磁場測量和電網路理論的接地網腐蝕診斷方法受到環境和理論算法的影響，其診斷效果還有待提高。為此，本文研究了生物醫學電阻抗成像與接地網腐蝕診斷的異同，將電阻抗成像（EIT）引入到接地網的腐蝕診斷中，主要研究了成像中的逆問題及其解決辦法，提高了成像質量，驗證了該方法的可行性。
論文所解決的問題及意義
通過引入醫學中的電阻抗成像技術對接地網的腐蝕診斷進行研究，在工程中為接地網的腐蝕診斷提出一種新的解決思路，發展了生物與電氣領域的交叉應用；在理論上，研究成像問題的病態性，提高成像的分辨率與抗噪能力，有利于成像技術的進一步發展。
論文方法及創新點
（1）成像場域對比分析與建模
通過對比分析，考慮到接地網腐蝕診斷的問題可以轉化為接地網場域的電阻率分布求解問題，因此與電阻抗成像技術具有相似性。同時，接地網場域存在大尺寸，電阻率高度比度等問題，會加重成像病態性。為了從物理建模上提高成像精度，分析了接地網場域的電流場分布，結合接地網支路與土壤的電阻率高對比度，提出了“土壤分離”的成像方法，建立起只含有支路網絡的成像場域，在此模型上進行成像，大大提高了成像分辨率和腐蝕定位的精度。
（2）成像病態性研究與改進正則化
電阻抗成像是一個數學病態問題，在接地網成像中，由于其接地網場域的自身特性，其病態性更加嚴重。為了抑制接地網電阻抗成像的病態性，從病態性的產生根源上分析了不同正則化的處理效果。將現有的兩種基本正則化方法與逆問題迭代求解過程中的解集相結合，提出一種改進正則化方法，對病態性算子的奇異值進行了不同程度的修正（如圖1所示），降低了病態算子的矩陣條件數，提高了成像穩定性與成像精度。
圖1 不同正則化下的病態奇異值
（3）成像方法完善與實施
接地網的成像激勵注入與數據采集均來自于接地引下線，因此是一種“內源式”成像。為了提高成像的圖像質量以滿足工程需要，提出了將接地網有意識地分區，并在重點關注區域進行分區成像，該方法結合土壤分離成像，使圖像質量大大提高。同時，針對實際中的接地網，可以有選擇性的成像檢測，提高了成像效率。實驗室進行了電阻抗成像的接地網腐蝕診斷模擬實驗，其成像結果如圖2所示，從圖像中可以清晰定位預置的腐蝕支路點，驗證了該方法的可行性。
圖2 接地網電阻抗成像腐蝕診斷結果
結論
提出了接地網的電阻抗成像方法：
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在接地網的電阻抗成像逆問題中，該改進正則化方法對病態算子奇異值進行了有效的修正，降低了成像病態性，提高了成像分辨率；
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土壤分離和分區成像提高了對腐蝕缺陷的定位準確度和診斷效率，能夠對接地網支路的局部腐蝕進行定位和腐蝕程度判定。
引用本文
李星,楊帆,余曉,董曼玲,姚德貴. 基于內源式電阻抗成像的接地網缺陷診斷逆問題研究[J]. 電工技術學報, 2019, 34(5): 902-909.Li Xing, Yang Fan, Yu Xiao, Dong Manling, Yao Degui. Research on the Inverse Problem of Grounding Grid Fault Diagnosis Based on Inner-Source EIT. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(5): 902-909.
團隊介紹
李星
博士，擔任Asia-Pacific Journal of Electronic and Electrical Engineering期刊審稿專家。先后參與國家自然科學基金項目、工信部專項項目、國家電網項目等6項，現主要從事生物醫電與電磁成像相關領域的研究。
楊帆
教授，博士生導師。中國電機工程學會理論電工專委會委員、《High Voltage》期刊Associate Editor、CIGRE電磁環境與保護工作組會員。研究方向為電磁熱多物理場與電磁環境。出版著作2部，發表論文70余篇，其中SCI論文30余篇，國內授權發明專利30余項。
團隊現有教授1名，博士后1名，博士/碩士研究生20余名。近五年先后承擔承擔國家973計劃、國家自然基金、青年基金等項目10余項，其他省部級橫向課題30余項。獲國家電網科技進步獎1項，其他省部級獎項3項，在SCI/EI期刊發表論文30余篇，國家發明專利授權30余項。
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