Synthesis of the spatial arrangement of magnetic field sensors for active magnetic field shielding systems of overhead power lines

Abstract

The purpose of the work is to develop a synthesis method for the spatial and angular arrangement of magnetic field sensors in order to ensure maximum efficiency of a robust system for active shielding of the magnetic field generated by overhead power lines, and to reduce the sensitivity of the synthesized system to initial uncertainties in changes in the level of the initial magnetic field, as well as system parameters while working. To achieve this goal, the spatial location coordinates and angular position of all magnetic field sensors, controller parameters, and gain vector for the compensating windings are determined. A synthesis of the spatial location and angular position of magnetic field sensors is created to solve a minimax vector optimization problem in which the vector objective function is calculated based on the Biot-Savart’s law. Solution of the minimax vector optimization problem, calculated on the basis of optimization algorithms for a multi-swarm of particles from Pareto-optimal solutions, taking into account the parameters of binary relations. Significant results obtained on the basis of the developed synthesis method are the effectiveness of a robust active shielding system for magnetic fields generated, as a consequence, by power lines with a synthesized spatial arrangement and angular position of magnetic field sensors obtained in the process of theoretical and experimental research. The significance of the results lies in the fact that practical recommendations are given for the reasonable choice of spatial location and angular position of magnetic field sensors, the spatial arrangement of shielding windings of a robust magnetic field shielding system for various characteristics of power lines.

Scopul lucrării este de a dezvolta o metodă de sintetizare a aranjamentului spațial și a poziției unghiulare a senzorilor de câmp magnetic pentru a asigura eficiența maximă a unui sistem robust de ecranare activă a câmpului magnetic generat de liniile electrice aeriene și pentru a reduce sensibilitatea sintetizată. sistem la incertitudinile inițiale și modificările parametrilor sistemului în timpul funcționării. Pentru a atinge acest obiectiv sunt determinate coordonatele locației spațiale și poziția unghiulară a tuturor senzorilor de câmp magnetic și câștigurile controlerului pentru înfășurările de compensare. Sinteza locației spațiale și a poziției unghiulare a senzorilor de câmp magnetic se reduce la rezolvarea unei probleme de optimizare vectorială minimax, în care funcția obiectiv vectorială este calculată pe baza legii Biot-Savart. Soluția problemei de optimizare vectorială minimax este calculată pe baza algoritmilor de optimizare a particulelor multiroi din soluții Pareto-optime ținând cont de relațiile de preferință binare. Cele mai importante rezultate obținute pe baza metodei de sinteză dezvoltate sunt studiile teoretice și experimentale ale eficacității unui sistem robust de ecranare activă a câmpului magnetic generat de diverse linii electrice aeriene, cu locații spațiale sintetizate și poziții unghiulare ale senzorilor de câmp magnetic. Semnificația rezultatelor obținute constă în faptul că se dau recomandări practice pentru alegerea rezonabilă a locației spațiale și a poziției unghiulare a senzorilor de câmp magnetic, aranjarea spațială a înfășurărilor de ecranare a unui sistem robust de ecranare a câmpului magnetic creat de diverse linii electrice aeriene. S-a arătat posibilitatea reducerii câmpului magnetic inițial la nivelul standardelor sanitare.

Целью работы является разработка метода синтеза пространственного расположения и углового положения датчиков магнитного поля для обеспечения максимальной эффективности робастной системы активного экранирования магнитного поля, генерируемого воздушными линиями электропередачи, и снижения чувствительности синтезируемой системы к исходным неопределенностям и изменениям параметров системы в процессе работы. Для достижения этой цели определяются координаты пространственного расположения и угловое положение всех датчиков магнитного поля и коэффициентов усиления контроллеров для компенсирующих обмоток. Синтез пространственного расположения и углового положения датчиков магнитного поля сводится к решению минимаксной векторной задачи оптимизации, в которой векторная целевая функция рассчитывается на основе закона Био-Савара. Решение минимаксной задачи векторной оптимизации рассчитывается на основе алгоритмов оптимизации мультироем частиц из Парето-оптимальных решений с учетом бинарных отношений предпочтения, на основе стохастических нелинейных алгоритмов Архимеда. Вектор целевой функции задачи минимаксной оптимизации и ограничений вычисляется на основе закона Био–Савара. Важнейшими результатами, полученными на основе разработанного метода синтеза, являются полученные в процессе теоретических и экспериментальных исследований значения эффективности робастной системы активного экранирования магнитного поля, генерируемого различными воздушными линиями электропередачи, с синтезированными пространственными расположениями и угловыми положениями датчиков магнитного поля. Значимость полученных результатов заключается в том, что даны практические рекомендации по обоснованному выбору пространственного расположения и углового положения датчиков магнитного поля, пространственного расположения экранирующих обмоток робастной системы экранирования магнитного поля, создаваемого различными воздушными линиями электропередачи. Экспериментально показано, что с помощью синтезированного пространственного расположения и углового положения датчиков МП в САЭ МП возможно снизить уровень исходного МП до безопасного для населения уровня МП с индукцией в 0,5 мкТл.