接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組合源磁場(chǎng)疊加成像檢測(cè)方法

田維光 劉龍歡 廖先 張靜 王浩文 付志紅

摘要：現(xiàn)有研究中常通過(guò)電磁感應(yīng)方法探測(cè)接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對(duì)該方法弱磁場(chǎng)測(cè)量困難，提出了一種組合源磁場(chǎng)疊加成像檢測(cè)方法。通過(guò)多根引下線向接地網(wǎng)周期性輪換注入電流，不同注入方式使電流在接地網(wǎng)中呈現(xiàn)不同流向，保證了接地網(wǎng)不同區(qū)域載流導(dǎo)體都能激發(fā)有效測(cè)量磁場(chǎng)，結(jié)合二次開(kāi)發(fā)的超寬帶定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位陣列式傳感線圈測(cè)量位置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地表水平x、y方向感應(yīng)磁場(chǎng)的掃描式測(cè)量，最后采用形態(tài)學(xué)濾波方法消除異常數(shù)據(jù)干擾，進(jìn)而通過(guò)Canny邊緣檢測(cè)算子進(jìn)行接地網(wǎng)拓?fù)涮崛?。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：文中所述方法能夠有效提高接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的成像效果，接地網(wǎng)網(wǎng)格導(dǎo)體定位精度誤差不高于3%。

關(guān)鍵詞：接地網(wǎng)；組合源；磁場(chǎng)；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；邊緣檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TM862????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A????? 文章編號(hào)：1000-582X（2023）11-090-12

Combined source magnetic field superposition imaging detection method for grounding grid topology

TIAN Weiguang1， LIU Longhuan1， LIAO Xian1， Zhang Jing1，WANG Haowen2， FU Zhihong1

（1. School of Electrical Engineering， Chongqing University， Chongqing 400044， P. R. China;2. Yangtze Normal University， Chongqing 408100， P. R. China）

Abstract： In response to the challenge of measuring weak magnetic field， this paper introduces a novel detection method， combining source magnetic field superposition imaging. The approach involves injecting current into the grounding grid through multiple down conductors in periodic rotation， each inducing different flow directions within the grounding grid. This variation ensures effective stimulation of measurement magnetic fields across different areas of the grounding grid. Integrated with an ultra-wideband positioning system， the method enables real-time location tracking of array sensing coil measurements in both x and y directions on the surface level. The induced magnetic field is scanned and abnormal data interference is eliminated using morphological filtering and Canny edge detection. Simulation and experimental results show that the proposed method effectively improve the imaging quality of grounding grid topology. Moreover， the positioning accuracy error for grounding grid conductors remains below 3%， validating the effectiveness of the proposed method.

Keywords： grounding grids; combined sources; magnetic field; topology; edge detection

碳鋼是變電站接地網(wǎng)常用材料，常年埋于地下容易發(fā)生腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致電氣性能下降，危及電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1?6]。因此對(duì)老舊變電站進(jìn)行接地網(wǎng)電氣性能評(píng)估必不可少，而現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)一般都基于接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已知的情況[7?11]。電磁場(chǎng)法作為接地網(wǎng)拓?fù)錂z測(cè)的常用方法，由國(guó)外學(xué)者率先提出，Dawalibi[12]通過(guò)向接地網(wǎng)引下線注入電流測(cè)量地表電位，依據(jù)電位分布特征進(jìn)行故障檢測(cè)。Zhang等[13]和劉洋等[14]在此基礎(chǔ)上提出了向接地網(wǎng)引下線注入正弦電流，測(cè)量地表磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值的方法獲取接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)，但安全規(guī)程限制了注入電流的幅值大小，遠(yuǎn)離注入點(diǎn)的弱磁場(chǎng)區(qū)域難以有效測(cè)量，同時(shí)地表磁場(chǎng)需要進(jìn)行高密度測(cè)量才能保證導(dǎo)體定位精度，工作量大。王文東[15]研制了組合脈沖源發(fā)射機(jī)，通過(guò)測(cè)量獲取感應(yīng)電壓信號(hào)后使用有效值的方式進(jìn)行成像，然而有效值的計(jì)算過(guò)程引入了新的誤差且失去了原有感應(yīng)電壓信號(hào)特征。Fu等[16]針對(duì)變電站電磁干擾大，由感應(yīng)磁場(chǎng)直接獲取接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)困難，提出計(jì)算磁梯度應(yīng)用小波邊緣檢測(cè)方法提取接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該方法對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)的精確性要求較高且抗干擾性差。王文東等[17]提出通過(guò)形態(tài)學(xué)分水嶺算法提取接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，要求根據(jù)實(shí)際情況構(gòu)建函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行背景補(bǔ)償和信號(hào)增強(qiáng)，過(guò)程繁瑣且容易造成誤判。

綜上，現(xiàn)有接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電磁探測(cè)方法主要有以下幾點(diǎn)不足之處：一是遠(yuǎn)離電流注入點(diǎn)和抽出點(diǎn)區(qū)域弱磁場(chǎng)測(cè)量困難；二是磁場(chǎng)需要進(jìn)行高密度測(cè)量，工作量大且數(shù)據(jù)處理繁雜；三是變電站電磁干擾大，容易產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)。針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種基于組合源的注入式電磁檢測(cè)方法，保證了接地網(wǎng)不同區(qū)域載流導(dǎo)體都能激發(fā)有效測(cè)量磁場(chǎng)，在100 kHz的采樣率下通過(guò)陣列式傳感線圈對(duì)地表水平x、y方向感應(yīng)磁場(chǎng)進(jìn)行掃描式測(cè)量，極大地提高了測(cè)量效率，考慮到變電站電磁干擾嚴(yán)重，提出了一種形態(tài)學(xué)邊緣檢測(cè)方法，能夠有效消除異常數(shù)據(jù)干擾，提取出完整的接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1 載流地網(wǎng)磁場(chǎng)分布特征

接地網(wǎng)導(dǎo)體的尺寸很小，一般使用截面為60 mm×6 mm 的鍍鋅扁鋼，相對(duì)于整個(gè)接地網(wǎng)地下空間而言可視為不計(jì)尺寸的有限長(zhǎng)導(dǎo)體。如圖1（a）為接地網(wǎng)的等效模型，網(wǎng)格邊長(zhǎng)L 為5 m，埋于磁導(dǎo)率為μ0 的單層土壤中，土壤電阻率為100 Ω·m，埋深h 為0.8 m，取接地網(wǎng)網(wǎng)格中的一段豎直導(dǎo)體建立載流長(zhǎng)直導(dǎo)體模型如圖1（b）所示。

圖1（b）中長(zhǎng)直導(dǎo)體oc 段中有電流I 流動(dòng)，P 為地表任意一點(diǎn)，其中r 表示電流元Idy 到P 點(diǎn)的距離，er 表示其單位向量，r0 為P 點(diǎn)到導(dǎo)體的垂直距離，q1、q2 分別表示P 點(diǎn)同導(dǎo)體首末二端點(diǎn)連線與導(dǎo)體形成的夾角。忽略載流導(dǎo)體在土壤中的泄露電流，則依據(jù)畢奧-薩伐爾定律，該載流導(dǎo)體在空間某點(diǎn)P 激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

則可推導(dǎo)出有限長(zhǎng)的載流導(dǎo)體在P點(diǎn)激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與P點(diǎn)位置的函數(shù)關(guān)系式為

網(wǎng)格形狀的接地網(wǎng)由多段導(dǎo)體組成，地表某點(diǎn)P的磁場(chǎng)可以看成是所有導(dǎo)體激發(fā)的3個(gè)方向磁場(chǎng)求矢量和組成。由平行于y軸的載流導(dǎo)體磁場(chǎng)分布特征可知，在空間P點(diǎn)激發(fā)的磁場(chǎng)可以正交分解成x、z兩個(gè)方向，其中

同理，對(duì)于平行于x軸的載流導(dǎo)體，磁場(chǎng)可以分解成y、z兩個(gè)方向。

對(duì)圖1（a）中的接地網(wǎng)注入幅值為10 A的電流，A端口引下線作為注入點(diǎn)，C端口引下線作為抽出點(diǎn)。根據(jù)接地網(wǎng)導(dǎo)體中的電流分布情況進(jìn)行地表磁場(chǎng)計(jì)算，得到如圖2所示的地表不同方向合成磁場(chǎng)分布圖?？梢钥闯?，圖2（a）中地表水平x、y方向合成磁場(chǎng)能夠準(zhǔn)確地反映接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖2（b）中地表x、y、z方向合成磁場(chǎng)在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)附近磁場(chǎng)相互干擾較大，導(dǎo)致導(dǎo)體定位會(huì)存在較大偏差，而圖2（c）中x、z方向合成磁場(chǎng)和圖2（d）中y、z方向合成磁場(chǎng)則難以直接反映出接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量水平x、y方向合成磁場(chǎng)來(lái)獲取接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

地表水平x、y 方向合成磁場(chǎng)Bxy 為

從圖2中還可以看出，遠(yuǎn)離注入點(diǎn)的弱磁場(chǎng)區(qū)域磁場(chǎng)峰值與注入點(diǎn)附近磁場(chǎng)峰值相差數(shù)倍，對(duì)于大型接地網(wǎng)來(lái)說(shuō)差距更大，會(huì)造成弱磁場(chǎng)區(qū)域拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)識(shí)別困難的問(wèn)題。

2 組合源磁場(chǎng)疊加成像檢測(cè)方法

2.1 組合源的磁場(chǎng)激發(fā)原理

接地網(wǎng)的電路結(jié)構(gòu)可以近似看成純電阻網(wǎng)絡(luò)，向接地網(wǎng)注入電流構(gòu)成的回路可以等效成線性電路，線性電路具有可加性和齊次性這2個(gè)重要特點(diǎn)。根據(jù)線性電路的疊加定理可對(duì)不同激勵(lì)在接地網(wǎng)中的響應(yīng)電流進(jìn)行疊加，同理對(duì)電流激發(fā)的磁場(chǎng)也可以進(jìn)行疊加。

由此，基于線性電路的疊加定理提出一種多點(diǎn)輪換發(fā)射方法。如圖3所示，組合源發(fā)射機(jī)在一個(gè)發(fā)射周期T內(nèi)通過(guò)4個(gè)通道輪換輸出電流，不同通道連接了不同引下線，每次發(fā)射選取A、B、C、D中2個(gè)通道作為一次組合，共6種組合方式。在不移動(dòng)設(shè)備位置的情況下，一個(gè)發(fā)射周期內(nèi)可以多次改變電流注入方式，從而達(dá)到地網(wǎng)有效測(cè)量區(qū)域全覆蓋的效果，其結(jié)果類似于多個(gè)單源組合注入，稱其為組合源。

2.2 組合源仿真分析

建立圖1（a）中4×4網(wǎng)格大小的接地網(wǎng)電磁仿真模型，相關(guān)參數(shù)不變。圖4為接地網(wǎng)不同注入方式下的地表水平合成磁場(chǎng)仿真結(jié)果，圖4（a）為A-B注入電流、圖4（b）為A-C注入電流、圖4（c）為A-D注入電流、圖4（d）為組合源注入電流。從圖中可以看出，單源注入電流情況下存在部分弱磁場(chǎng)區(qū)域成像不清晰，A-B和A-D注入電流的情況下還存在對(duì)稱區(qū)域?qū)w磁場(chǎng)峰值特征消失等情況，如圖中紅色虛線標(biāo)記處。組合源磁場(chǎng)疊加后明顯增強(qiáng)了單源弱磁場(chǎng)區(qū)域的網(wǎng)格特征，所有網(wǎng)格導(dǎo)體上方的磁場(chǎng)峰值特征也都清晰可見(jiàn)，在不改變?cè)型負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上使整片磁場(chǎng)數(shù)值上分布更加均衡。

圖5表示單源A-D、B-D、C-D注入與組合源注入在y=12.5 m處的水平磁場(chǎng)分布曲線，可以看出，組合源測(cè)線標(biāo)記3、4處水平磁場(chǎng)最大最小峰值差約為0.32 μT，而單源CD測(cè)線標(biāo)記1、2處水平磁場(chǎng)最大最小峰值差約為0.81 μT，進(jìn)一步表明了組合源磁場(chǎng)分布更加均衡，可以提高成像效果。

綜上，組合源不僅為弱磁場(chǎng)區(qū)域的有效測(cè)量提供了一種解決方法，也能夠提高磁場(chǎng)的整體成像效果，在一定程度上還能夠避免漏判或誤判。

2.3 組合源激發(fā)磁場(chǎng)的陣列式測(cè)量方法

通過(guò)對(duì)超寬帶定位系統(tǒng)裝置的二次開(kāi)發(fā)，使其與自身研發(fā)的數(shù)據(jù)采集與處理軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了陣列式接收線圈對(duì)地表水平x、y方向感應(yīng)磁場(chǎng)的掃描式測(cè)量。陣列式線圈共12組通道，每組通道含2個(gè)相互正交的線圈分別測(cè)量水平x，y方向的磁場(chǎng)，測(cè)量寬度可達(dá)1.2 m，每組線圈間距固定，線圈直徑8 cm，匝數(shù)600匝。如圖6所示，超寬帶定位系統(tǒng)采用A、B、C、D四個(gè)基站放于接地網(wǎng)地表四周，2個(gè)定位基站標(biāo)簽位于陣列式線圈裝置兩端，可滿足陣列式線圈裝置任意方向拖動(dòng)，每組線圈位置都能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)定位，相較于固定測(cè)線的測(cè)量方式，該方法測(cè)量磁場(chǎng)更加靈活、高效。

超寬帶系統(tǒng)定位原理如公式（5），坐標(biāo)（ x1 ，y1 ，z1 ）～ （ x4 ，y4 ，z4 ） 分別表示4 個(gè)定位基站的位置信息，（ x，y，z ） 表示標(biāo)簽的位置，R1、R2、R3、R4分別表示標(biāo)簽位置到4 個(gè)基站之間的距離，測(cè)量時(shí)通過(guò)快速求解方程組實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的實(shí)時(shí)定位。

每組線圈位置公式為

式中：N 表示線圈傳感器組數(shù)；x1、y1 分別表示定位標(biāo)簽1 的x 坐標(biāo)和y 坐標(biāo)，同時(shí)也是第一組線圈的坐標(biāo)；同理xN、yN 代表標(biāo)簽2 的坐標(biāo)，也是最后一組線圈的坐標(biāo)；m 代表第m 組線圈，xm、ym 表示第m 組線圈的坐標(biāo)信息。

陣列式接收裝置測(cè)量過(guò)程如圖6所示，測(cè)量人員推動(dòng)陣列式接收裝置在100 kHz的采樣率下連續(xù)測(cè)量，經(jīng)過(guò)的每一個(gè)位置都能夠采集到大量不同組合注入方式下的感應(yīng)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，同時(shí)上位機(jī)可對(duì)測(cè)量到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，并繪制出測(cè)量區(qū)域的地表磁場(chǎng)分布圖，有助于測(cè)量過(guò)程中判斷出地下導(dǎo)體的大致位置和走向。

3 基于形態(tài)學(xué)的接地網(wǎng)拓?fù)溥吘墮z測(cè)方法

邊緣檢測(cè)能夠有效地提取圖像邊緣蘊(yùn)含的豐富信息，其實(shí)質(zhì)是提取圖像中對(duì)象與背景間的交界線。邊緣檢測(cè)在直接處理圖像時(shí)易受噪聲干擾，致使邊界檢測(cè)不完整。形態(tài)學(xué)濾波器作為一種非線性濾波器，能夠在保留圖像原有信息的基礎(chǔ)上，消除異常數(shù)據(jù)干擾，突出圖像的幾何特征，把形態(tài)學(xué)與邊緣檢測(cè)相結(jié)合可用于接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提取。

3.1 形態(tài)濾波磁場(chǎng)特征提取原理

形態(tài)學(xué)操作一般都是基于腐蝕與膨脹運(yùn)算，定義如下。

1）腐蝕運(yùn)算：

腐蝕運(yùn)算使圖像高亮區(qū)域范圍縮小，在消除毛刺和小橋的同時(shí)可突出磁場(chǎng)分布的網(wǎng)格特征。

2）膨脹運(yùn)算：

膨脹運(yùn)算使圖像高亮區(qū)域擴(kuò)張，通過(guò)膨脹可以將磁場(chǎng)分布中的裂縫進(jìn)行填補(bǔ)。

3）開(kāi)運(yùn)算：

先腐蝕后膨脹即為開(kāi)運(yùn)算，它可以平滑對(duì)象的輪廓并抑制信號(hào)的峰值噪聲，用來(lái)消除信號(hào)的散點(diǎn)和毛刺，不改變?cè)型負(fù)涮匦浴?/p>

4）閉運(yùn)算：

閉運(yùn)算能夠消除圖像中狹窄的間斷和細(xì)小的孔洞，并填補(bǔ)輪廓線中的斷裂。

5）頂帽運(yùn)算：

頂帽運(yùn)算是圖像減去圖像的開(kāi)運(yùn)算。圖像經(jīng)頂帽運(yùn)算后可以獲取原圖像灰度值較周?chē)叩牧咙c(diǎn)。接地網(wǎng)磁場(chǎng)峰值位于網(wǎng)格導(dǎo)體正上方，在灰度圖中也是最亮的區(qū)域，因此可以通過(guò)頂帽運(yùn)算提取出磁場(chǎng)圖像的峰值區(qū)域。

3.2 邊緣檢測(cè)接地網(wǎng)拓?fù)涮崛?/p>

形態(tài)學(xué)邊緣檢測(cè)拓?fù)涮崛×鞒倘鐖D7所示，選取不同大小的結(jié)構(gòu)元素按流程操作后進(jìn)行頂帽運(yùn)算獲取磁場(chǎng)分布圖像的峰值區(qū)域，再通過(guò)Canny邊緣檢測(cè)算子提取出接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

對(duì)圖4中A-C注入電流的仿真結(jié)果進(jìn)行拓?fù)涮崛?，圖8（a）為拓?fù)涮崛×鞒讨械捻斆边\(yùn)算結(jié)果，圖8（b）為拓?fù)涮崛×鞒讨衳=1 m處的磁場(chǎng)分布曲線變化情況。從圖中可以看出，形態(tài)學(xué)處理后弱磁場(chǎng)峰值區(qū)域梯度變化明顯增強(qiáng)，峰值特征更加容易識(shí)別。

圖9（a）為直接Canny提取的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖9（b）為形態(tài)學(xué)邊緣檢測(cè)提取的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，直接進(jìn)行Canny邊緣檢測(cè)能夠獲取大部分的接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是對(duì)于弱磁場(chǎng)區(qū)域來(lái)說(shuō)，由于其磁場(chǎng)峰值區(qū)域梯度變化緩慢和易受異常數(shù)據(jù)干擾，導(dǎo)致難以有效識(shí)別。形態(tài)學(xué)邊緣檢測(cè)方法在消除干擾的同時(shí)加劇了磁場(chǎng)峰值區(qū)域梯度變化，提取到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加完整、準(zhǔn)確，魯棒性也更好。

4 實(shí)驗(yàn)分析

研發(fā)的整套探測(cè)系統(tǒng)主要由組合源發(fā)射機(jī)、陣列式傳感線圈、接收機(jī)、上位機(jī)、超寬帶定位裝置、數(shù)據(jù)采集與處理軟件等組成，如圖10所示。

在接地網(wǎng)試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，接地網(wǎng)由4×3的網(wǎng)格組成，網(wǎng)格導(dǎo)體使用截面為60 mm×8 mm的鍍鋅扁鋼，埋深h為0.8 m，其他相關(guān)信息如圖11所示。電流注入點(diǎn)如圖選取A、B、C、D，組合源發(fā)射機(jī)4個(gè)通道分別連接注入點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的引下線，選取以D為公共點(diǎn)的組合發(fā)射方式，即A-D、B-D、C-D在一個(gè)周期內(nèi)輪換發(fā)射幅值10 A、頻率200 Hz的脈沖電流。

圖12（a）為接地網(wǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中上位機(jī)簡(jiǎn)化處理數(shù)據(jù)后，實(shí)時(shí)顯示的測(cè)量區(qū)域感應(yīng)電壓分布圖，圖12（b）是接地網(wǎng)試驗(yàn)場(chǎng)，紅色實(shí)線表示接地網(wǎng)部分網(wǎng)格位置區(qū)域，紅色標(biāo)記1、2、3處都有引下線。

接收線圈感應(yīng)電壓可以表征感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度，后續(xù)通過(guò)感應(yīng)電壓信號(hào)峰值直接成像。掃描式測(cè)量在獲取到大量無(wú)規(guī)則分布的感應(yīng)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)后，與傳統(tǒng)固定測(cè)點(diǎn)一樣，在繪圖時(shí)先網(wǎng)格化平面，然后再求每一個(gè)劃分網(wǎng)格點(diǎn)的感應(yīng)磁場(chǎng)數(shù)值。假設(shè)網(wǎng)格距離為d，則對(duì)于坐標(biāo)為（ x0 ，y0 ）的網(wǎng)格點(diǎn)M，其感應(yīng)磁場(chǎng)數(shù)值等于其半徑r（r ≤ d）內(nèi)的所有測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)的感應(yīng)磁場(chǎng)取均值。為了保證定位精度，本次實(shí)驗(yàn)d 取0.1 m，r 取0.1 m。

圖13為陣列式測(cè)量的一條與y軸平行的x測(cè)線，x坐標(biāo)位于（3.3 m，4.5 m）范圍內(nèi)。由于測(cè)量到的感應(yīng)電壓峰值一般小于100 mV，因此對(duì)y方向磁場(chǎng)的線圈感應(yīng)電壓峰值平方和取自然常數(shù)e為底的對(duì)數(shù)后成像，圖中顏色圖數(shù)值即表示感應(yīng)電壓取對(duì)數(shù)后的值。通過(guò)圖中黑色實(shí)線標(biāo)記處的峰值可以明顯看出導(dǎo)體位置，如y在3.35 m處存在一根導(dǎo)體。

研發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件可以提取出組合源不同注入方式下的感應(yīng)電壓數(shù)據(jù)，在對(duì)感應(yīng)電壓數(shù)據(jù)峰值取對(duì)數(shù)后繪制出如圖14所示的感應(yīng)電壓分布圖。其中接地網(wǎng)小部分邊緣區(qū)域由于存在障礙物未測(cè)量，未測(cè)量到的部分用白化區(qū)域表示。

從圖14中可以看出：A-D注入情況只能夠得到水平方向?qū)w拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無(wú)法獲取豎直方向；C-D注入情況由于受到斷點(diǎn)的影響，只能獲取到注入點(diǎn)附近區(qū)域的部分網(wǎng)格特征；B-D注入情況雖然能夠獲取到大部分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是對(duì)于斷點(diǎn)無(wú)法識(shí)別，同時(shí)也有可能產(chǎn)生誤判；而組合源注入能夠獲取到測(cè)量區(qū)域完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)于斷點(diǎn)也能夠準(zhǔn)確識(shí)別，如組合源標(biāo)記1、2處斷點(diǎn)磁場(chǎng)陷落明顯，同時(shí)組合源可結(jié)合單源成像結(jié)果對(duì)組合源成像斷點(diǎn)位置進(jìn)行復(fù)查，排除誤判的可能性，提高拓?fù)渥R(shí)別的準(zhǔn)確率。因此，組合源相較于單源在拓?fù)涮崛〉耐暾群蜏?zhǔn)確率上都有巨大優(yōu)勢(shì)，對(duì)于大型接地網(wǎng)則更加明顯。

圖15為組合源感應(yīng)電壓分布圖的拓?fù)涮崛〗Y(jié)果，從接地網(wǎng)拓?fù)涮崛〗Y(jié)果來(lái)看，形態(tài)學(xué)邊緣檢測(cè)方法能夠有效提取出測(cè)量區(qū)域完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，抗干擾能力強(qiáng)。

結(jié)合不同測(cè)線的感應(yīng)電壓分布曲線和拓?fù)涮崛〗Y(jié)果對(duì)接地網(wǎng)網(wǎng)格導(dǎo)體進(jìn)行定位，可得到測(cè)量區(qū)域完整的接地網(wǎng)導(dǎo)體位置信息如表1所示，其中誤差率定義為網(wǎng)格導(dǎo)體實(shí)際位置與定位位置之間的差值和網(wǎng)格長(zhǎng)度的比值。

綜上，組合源能夠準(zhǔn)確探測(cè)出測(cè)量區(qū)域完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，結(jié)合形態(tài)學(xué)邊緣檢測(cè)方法進(jìn)行拓?fù)涮崛?，提取到的接地網(wǎng)網(wǎng)格導(dǎo)體位置誤差不超過(guò)3%，表明了整套探測(cè)系統(tǒng)和檢測(cè)方法的可靠性。

5 結(jié)論

1）針對(duì)單源探測(cè)接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)弱磁場(chǎng)區(qū)域難以有效測(cè)量，以及容易造成漏判或誤判等問(wèn)題，文中疊加定理提出了一種組合源磁場(chǎng)疊加成像檢測(cè)方法，并搭建了仿真模型，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明組合源探測(cè)效果優(yōu)于單源，能探測(cè)到測(cè)量區(qū)域完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、準(zhǔn)確度高。

2）開(kāi)發(fā)的整套探測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)化的探測(cè)流程，陣列式線圈結(jié)合超寬帶定位系統(tǒng)掃描式測(cè)量地表水平x、y方向感應(yīng)磁場(chǎng)，解決了傳統(tǒng)固定測(cè)線、測(cè)點(diǎn)測(cè)量磁場(chǎng)時(shí)工作量大和效率低下問(wèn)題。

3）編寫(xiě)的軟件首先在數(shù)據(jù)采集時(shí)可實(shí)時(shí)成像，有利于測(cè)量過(guò)程中判斷出網(wǎng)格導(dǎo)體大致位置和走向，在數(shù)據(jù)處理時(shí)可直接提取出感應(yīng)電壓數(shù)據(jù)矩陣，減少了繁雜的工作量。

4）提出的基于形態(tài)學(xué)的接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)邊緣檢測(cè)方法，能夠有效消除異常數(shù)據(jù)干擾和增強(qiáng)磁場(chǎng)峰值區(qū)域的梯度變化，邊緣檢測(cè)則可準(zhǔn)確地提取出接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該方法抗干擾能力強(qiáng)，檢測(cè)結(jié)果精確。

參考文獻(xiàn)

［1］? 方乙君， 柳松， 王雄文， 等. 沿海地區(qū)變電站腐蝕現(xiàn)狀及防腐措施研究[J]. 電氣技術(shù)， 2018， 19（12）： 97-99， 102.

Fang Y J， Liu S， Wang X W， et al. Study on corrosion status and anti-corrosion measures of substations in coastal areas[J]. Electrical Engineering， 2018， 19（12）： 97-99， 102. （in Chinese）

［2］? Hu H Z， Li Y Y， Fang M G， et al. Research on grounding grid corrosion detection based on hybrid artificial intelligence algorithm[J].International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics， 2022，68（2）：241-262.

［3］? Chen C， Wu D， Pan B L， et al. Research on grounding grid conductor positioning based on pcb coil magnetic field sensor[C]// 5th International Conference on Electromechanical Control Technology and Transportation. IEEE， 2020：269-275.

［4］? Lu C J， Li L F， Liu Z X， et al. Location and corrosion detection of tower grounding conductors based on electromagnetic measurement[J].Measurement， 2022，199： 111469.

［5］? Song L B， Zhang C， Zhao C， et al. Influence of current on soil corrosion of galvanized steel of grounding grids[J].Micromachines， 2022， 13（2）：190-200.

［6］? Zhang C， Liao Y X， Gao X， et al. Research advances of soil corrosion of grounding grids[J]. Micromachines， 2021， 12（5）：513-518.

［7］? 李星， 楊帆， 余曉， 等. 基于內(nèi)源式電阻抗成像的接地網(wǎng)缺陷診斷逆問(wèn)題研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2019， 34（5）：902-909.

Li X， Yang F， Yu X， et al. Research on inverse problem of grounding grid fault diagnosis based on inner-source EIT [J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2019，34（5）：902-909. （in Chinese）

［8］? 詹花茂， 郭明鑫， 劉春江， 等. 基于正則化最小二乘法的接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)評(píng)估方法[J]. 腐蝕與防護(hù)， 2022， 43（6）：79-85， 113.

Zhan H M， Guo M X， Liu C J， et al. Corrosion state assessment method of grounding grid based on regularized least square method[J]. Corrosion and Protection， 2022，43（6）：79-85，113. （in Chinese）

［9］? Xie H P， Yang F， Hua M S， et al. Grounding grid corrosion detection based on mini-batch gradient descent and greedy method[J]. AIP Advances， 2021， 11（6）： 065034.

［10］? 孟憲峰. 基于電網(wǎng)絡(luò)法的分布式接地網(wǎng)腐蝕檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)[D]. 長(zhǎng)春： 吉林大學(xué)， 2022.

Meng X F. Design of distributed corrosion detection device of grounding grids based on electric network theory[D]. Changchun： Jilin University， 2022. （in Chinese）

［11］? Souza F A， Neto T R F， Magalh?es F R P， et al. Predicting the grounding topology based on grounding impedance and the pattern recognition framework： a case study on one to four ground rods in straight line[J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2017， 32（4）：1748-1757.

［12］? Dawalibi F. Electromagnetic fields generated by overhead and buried short conductors part 2： ground networks[J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 1986， 1（4）： 112-119.

［13］? Zhang B， Zhao Z B， Cui X， et al. Diagnosis of breaks in substations grounding grid by using the electromagnetic method[J]. IEEE Transactions on Magnetics，2002，38（2）：473-476.

［14］? 劉洋， 江明亮， 崔翔. 變電站接地網(wǎng)導(dǎo)體與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)探測(cè)方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2013， 28（5）： 167-173.

Liu Y， Jiang M L， Cui X. Detecting method of conductors and mesh structure of substation's grounding grids[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2013， 28（5）： 167-173. （in Chinese）

［15］? 王文東. 接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)的組合脈沖源電磁檢測(cè)方法與裝置研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)， 2021.

Wang W D. Research on detecting method and equipment of grounding grids structure using combined pulse source electromagnetic method[D]. Chongqing： Chongqing University， 2021. （in Chinese）

［16］? Fu Z H， Song S Y， Wang X J， et al. Imaging the topology of grounding grids based on wavelet edge detection[J]. IEEE Transactions on Magnetics， 2018， 54（4）： 1-8.

［17］? 王文東，胡緒權(quán)， 徐正玉， 等. 基于形態(tài)濾波的接地網(wǎng)拓?fù)錂z測(cè)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2021，36（17）：3685-3692.

Wang W D， Hu X Q， Fu Z H， et al. Topology detecting method of grounding grids based on morphological filtration [J].Transactions of China Electrotechnical Society， 2021，36（17）：3685-3692. （in Chinese）