电力系统中电压和电流能够直观反映电网的运行状态,因此,准确的测量电压和电流对运维人员判断电网的安全状态,对电网的稳定运行具有十分重要的意义。目前输配电系统中对于电压的检测主要是通过电压互感器实现的。随着我国“坚强智能电网”建设的深入,对输电线路电压进行在线监测的需求越来越迫切。然而在已有线路中加装电压互感器存在诸多弊端,甚至不可实现。面对这样的瓶颈问题,有必要开拓思路寻求新型的测量方式。本研究团队长期对架空交流输电线路电磁场正问题和逆问题进行研究,已经在理论方面论证了利用交流输电线路空间电场测量数据反演逆推线上工频电压的可行性,可达到线路电压非接触测量的目的。而该目标的实现,在很大程度上依赖于满足反演逆推算法特定需求的输电线路工频电场测量,因而有必要研制新型的电场测量系统,并研究测点布置方案。本文即围绕三维、多测点的同步、实时工频电场测量需求展开理论和实验研究,并讨论一些影响测量的因素,提高测量精度。主要研究内容包含以下几个部分:(1)根据三维电场测量的需要,设计了六面体型的三维电场传感器;基于电磁感应原理和测量原理推导了传感器三对极测量电压与对应三方向电场分量关系的数学模型,揭示了二者之间的比例关系;通过仿真验证了所设计的电场传感器在正弦交流环境中能够实现三维电场分量的实时测量。(2)设计了电场测量系统的硬件电路和控制程序。鉴于电场传感器等效阻抗较大,特别设计了信号提取电路,以及相应的自适应放大电路与电压钳制电路;为实现同步测量,提出了无线开启模式,并量化评估了各测量点由于距离差异引起的数据传输时间差。(3)建立实验平台模拟输电线路工频电场环境,对所研制的电场测量系统进行了实验研究。其中,完成了电场测量系统线性度校正;研究了人体和树木对电场测量的影响,总结出规律性。通过对某电厂三相输电线路电场的实地测量,验证了本电场测量系统的准确性、实时性和同步性。(4)鉴于电场测量点位置影响逆推算子方程中观测矩阵的条件数、进而影响逆推解的精度,研究了电场测量点的优化布置方案。提出了一种基于惯性权重自适应调整的改进型粒子群算法,在预设范围内搜索最佳的测量点位置使得观测矩阵的条件数达到最小,从而改善逆问题的非适定性。