一种基于电流磁场的多输电线路参数测量方法与流程

本发明属于智能算法领域，具体涉及一种基于电流磁场的多输电线路参数(电流和位置)测量方法。

背景技术：

随着经济和社会的不断发展，对电能质量的要求不断提高，构建可靠，安全，清洁，经济的智能电网被越来越多的国家列为重要的发展战略。为了更好地保证电能质量，实现对电网状态的实时、准确描绘，对电力系统中各输电线路的电流测量方法得到越来越多的关注。为了兼顾电力系统正常运行和故障的情况，要求电流测量装置不仅可以测量正常的交流、直流电流，而且可以测量中高频的暂态信号，同时要求测量电流幅值范围尽可能大。

目前电力系统中传统的电流测量方法包括电流互感器和分流电阻等方法。然而传统的电流测量方法存在明显的不足，如电流互感器存在易饱和，由于铁芯的存在使得体积和重量较大，难以测量直流电流的缺点；而分流电阻不仅对能量的消耗较大，而且难以满足电气隔离的要求。因此，针对电力系统的新型电流测量装置已经成为智能电网研究的关键问题之一。

随着传感技术的不断发展，使用磁场传感器实现对电流的间接测量得到越来越多的关注，且使用磁场测量值计算电流的方法自身带有电气绝缘的特点，具有良好的性质。然而，电力系统输电线路常常集中分布(如在变电站等电力设施内)，使得各相邻输电线路之间的磁场相互影响，磁场传感器测量的磁场强度往往是多根输电线路产生的磁场强度的叠加，给后续的电流重构和测量造成困难。

为了解决这一问题，目前采用的主要方法是使用圆形传感器阵列和空间傅里叶变换的方法。然而，圆形传感器阵列布置困难，且空间傅里叶变换的实现需要待测输电线路位于传感器阵列的中心。

因此，提供一种新型的多输电线路参数测量方法具有重要意义。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于电流磁场的多输电线路参数测量方法，该方法使用隧穿磁阻(TMR)传感器测量输电线路周围产生的磁场来反演输电线路的电流和位置参数，设计了基于线性回归和优化算法的多输电线路参数反演算法，极大地减小了干扰输电线路对测量的影响，且使用的传感器良好的频响特性使得宽频带测量成为可能，对电力系统中的电流测量具有重大意义。

根据本发明的一个方面，提出了一种基于电流磁场的多输电线路参数测量方法，所述方法包括：布置多个磁场传感器，以获取所述多个磁场传感器的位置处的磁场强度测量值；根据安培环路定律获取所述多个磁场传感器的位置处的磁场强度理论值，其中所述磁场强度理论值是所述多输电线路的磁场的叠加并且与所述多输电线路的参数相关；将计算所述磁场强度理论值的等式转换为线性回归方程，其中以与所述多个磁场传感器的位置和磁场强度相关的量作为回归项，以与所述多输电线路的参数相关的量作为系数；求解所述线性回归方程以获得所述系数，并将所述多输电线路的参数表示为所述多输电线路中的一个输电线路的一个参数的函数；根据所述多个磁场传感器的位置处的磁场强度测量值和理论值，构建优化函数，其中所述理论值被表示为所述一个参数的函数；以及求解所述优化函数以获得所述一个参数，其中，所述参数包括电流和位置。

优选地，所述方法还包括根据所述一个参数求解所述多输电线路的其他参数。

优选地，所述多输电线路是两根输电线路，并且所述理论值被表示为：

其中，Hy和Hz分别为在垂直于所述两根输电线路的平面中相互垂直的两个方向上的磁场强度，I1和I2分别为所述两根输电线路的电流，并且y1，z1以及y2，z2分别表示所述两根输电线路在所述两个方向上的位置。

优选地，所述线性回归方程被表示为：

a0+a1yk+a2yk²+a3(-2πHy)+a4(-2πHyyk)+a5(-2πHyyk²)+a6(-2πHyyk³)＝2πHyyk⁴b0+b1yk+b2yk²+b3yk³+b4(-2πHz)+b5(-2πHzyk)+b6(-2πHzyk²)+b7(-2πHzyk³)＝2πHzyk⁴

其中，

a1＝-2I1z1y2-2I222y1

a2＝I1z1+I2z2

a6＝-2y1-2y2

b2＝-2I1y2-I1y1-2I2y1-I2y2

b3＝I1+I2。

优选地，所述一个参数为I1，I2，y1，y2，z1，z2中的任一个。

优选地，所述一个参数为I1，并且所述优化函数被表示为：

其中，Hy，m和Hz，m分别表示磁场传感器所获得的磁场强度测量值，并且Hy和Hz分别表示在所述磁场传感器的位置处的磁场强度的理论值。

优选地，所述磁场传感器是隧穿磁阻TMR传感器。

参考附图，根据以下对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。

附图说明

图1是磁场传感器阵列的布置及存在干扰电流时输电线路周围磁场分布的视图；以及

图2是存在多输电线路情况下参数求解步骤及示例性测量结果。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明进行清楚、完整的描述。但是，应当理解，以下描述仅仅是示例性的，并且不是要将本发明限制到以下实施例。

针对现有的基于分流电阻或电流传感器的电力系统输电线路参数测量方法存在的问题，如难以实现电气绝缘，测量装置体积较大，测量量程及频带较窄的困难，提出了一种新的基于电流磁场的多输电线路参数测量方法。通过在输电线路周围布置磁场传感器，收集磁场传感器测量的磁场强度，反演出输电线路的电流和位置参数，实现了对电力系统输电线路参数的高精度、宽频带测量。

考虑到工业应用中，待测电流周围经常存在着干扰电流，或存在着需要同时测量多根输电线路内部的参数的情况。在存在干扰电流时，对于基于电流磁场的输电线路参数测量方法，磁场传感器测量的磁场强度是待测电流和干扰电流产生的磁场强度的叠加，给后续的参数重构造成困难，本发明提出了一种结合线性回归和优化算法的新型参数重构算法，极大程度上消除了未知干扰电流对反演的影响，精确地解出了待测电流的大小和位置，同时对未知干扰电流的大小和位置也进行了估计，在电力系统电流测量中具有重要意义和应用价值。

本发明提出的方法由三部分组成：磁场测量部分，线性回归算法部分和优化算法部分。磁场测量部分的磁场传感器使用二维的TMR隧穿磁阻磁场传感器，以直线阵列的方式布置在多根输电线路的下方，采集各输电线路电流产生的磁场强度叠加后的总磁场强度。线性回归算法部分创新性地提出了基于线性回归的输电线路参数反演和测量方法。在已知磁场传感器阵列位置和方向参数以及输入磁场测量值的情况下，使用线性回归方式减小了待求参数的数量，且在一定程度上可以消除测量噪声的影响。最后通过优化算法部分对已经大幅度减少了的参数进行优化反演求解，最后得到待测输电线路和干扰输电线路的电流大小和位置。

本发明利用输电线路周围磁场强度大小与输电线路电流大小和输电线路与磁场传感器之间相对位置有关的特点，利用磁场传感器阵列测量得到的磁场强度反推出作为磁场源的输电线路的电流和位置。本发明提出的基于线性回归算法和优化算法的输电线路参数反演方法，不仅在一定程度上可以消除测量噪声的影响，更为重要的是减少了待求参数的数量，极大地减小了计算复杂度，并通过优化算法得到精度较高的测量结果。

不同于传统的电力系统中输电线路测量的分流电阻或电流互感器方法，本发明使用磁场传感器阵列测量的磁场值反演出作为磁场源的输电线路的电流和位置。此外，利用磁场传感器阵列测量的磁场强度值与电流之间的关系，实现了基于磁场测量的输电线路参数测量和反演。

在本发明中，通过使用高频带的TMR隧穿磁阻传感器，实现了测量频带的灵活性，足以应对电力系统中的直流，交流，暂态的多重测量要求。具有良好的时频域测量特性。

此外，使用基于线性回归的输电线路参数反演方法，在一定程度上消除了测量误差。并极大地减少了待求未知参数的数量，降低了计算复杂度。

另外，使用优化算法进行输电线路参数反演计算，不仅可以得到待测电流的大小和位置，也可以得到周围干扰电流的大小和位置，具有较高的精度。最终实现基于电流磁场的多输电线路参数反演方法，实现可应用于电力系统中的高量程宽频带非接触的输电线路电流测量。

以下，参考附图描述根据本发明的基于电流磁场的多输电线路测量方法。应当注意，在以下的描述中，以两根输电线路为例描述了根据本发明的方法，但是本发明不限于此，根据本发明的方法可以应用于三根或者更多根输电线路参数的测量。

另外，在以下的描述中，将两根输电线路中的一根描述为干扰输电线路，但是本发明不限于此，该根输电线路可以是正常的输电线路。也就是说所，本发明可以应用于多输电线路参数的测量，并且这些多输电线路被彼此平行地布置。

首先，建立如图1的(a)中所示的坐标系，其中，yz平面为垂直于输电线路的平面，y方向为水平方向，z方向为垂直方向，并且x方向为与输电输电线路一致的方向。

以下考虑两根输电线路(待测输电线路和干扰输电线路)，并且两根输电线路平行的情形。

可以如图1所示地布置磁场传感器。磁场传感器例如可以选用薄膜磁致电阻传感器、磁阻敏感器、电涡流式传感器或者其他类型的磁场传感器。优选地，在本示例性实施例中，磁场传感器采用TMR隧穿磁阻传感器，该传感器的测量频带灵活，能够应对电力系统中的直流、交流、暂态的多重测量要求。

如此布置的磁场传感器可以测量在该磁场传感器的位置处的磁场强度。具体地，磁场传感器测量y方向和z方向上的磁场强度Hz，m和Hy，m，并且该磁场强度是两根输电线路的电流产生的磁场的总和。

此外，根据安培环路定律，该磁场传感器的位置处的磁场可以表示为：

其中I1和I2分别表示待测输电线路和干扰输电线路的电流，(y1，z1)和(y2，z2)分别表示二者的坐标位置。在单根输电线路的情况下，使用线性回归的方法可以起到对噪声的抑制作用。然而，在存在干扰输电线路的情况下，磁场传感器测量的磁场强度是待测输电线路和干扰输电线路产生的磁场强度的叠加，更为复杂，解耦存在困难。因此难以直接通过简单的代数运算解耦。仍考虑线性回归的方法，将式(1)转化为：

2πHy[(y1-yk)²+z1²][(y2-yk)²+z2²]＝I1z1[(y2-yk)²+z2²]+I222[(y1-yk)²+z1²]

2πHz[(y1-yk)²+z1²][(y2-yk)²+z2²]＝I1(yk-y1)[(y2-yk)²+z2²]+I2(yk-y2)[(y1-yk)²+z1²]

(2)

容易发现，式(2)中的项可以分为两类，一类是由可测量数据，如Hy，Hz，yk组成的；另一类是由待计算量，如I1，I2，y1，y2，z1，z2组成的。因此，可以将(2)看作对可测量数据组成的项的线性回归，系数即为由待计算量组成的项：

其中，线性回归系数可以表示为：

因此，可以将所有未知参数表示为I1的函数。电流测量问题可以转化为如下优化问题：

其中Hy，m和Hz，m分别表示磁场传感器测量的y轴和z轴方向的磁场强度。Hy和Hz分别表示根据未知参数表出的在磁场传感器位置处的磁场强度的理论值，如式(1)，而未知参数又可由I1完全表出。由此将一个多变量优化问题转化为了单变量优化问题，算法的整体流程如图2的(a)所示。

应当注意，在以上的描述中，所有未知参数被表示为I1的函数，但是本发明不限于此。实际上，所有未知参数可以被表示为任一参数(例如，I1，I2，y1，y2，z1，z2)的函数，并且除了参数不同之外，后续的优化过程相同。

以下，根据图2的(a)中示出的流程具体描述根据本发明的方法。首先，获取多个磁场传感器位置处的磁场强度测量值，具体地，在本示例性实施例中，获取各个磁场传感器位置处的磁场强度Hy，m和Hz，m。应当注意，此时，各个磁场传感器的位置yk也是已知的。

接下来，采用线性回归方法计算式(3)中的待计算量的值，其中待计算量为a0，a1...a6以及b0，b1...b6。

在通过线性回归方法计算得到待计算量a0，a1...a6以及b0，b1...b6的值之后，根据式(4)可知，未知参数z1，z2，y1，y2以及I2可以被表示为单个参数I1的函数。

随后，可以求解式(5)所示的优化问题，其中式(5)表示在函数f取最小值时所对应的I1值。通过求解式(5)的优化函数，即可得到待测输电线路的电流I1。在获得待测输电线路的电流I1之后，可以根据式(4)获得待测输电线路和干扰输电线路的电流和位置参数。

在一个实施例中，通过MATLAB进行仿真实验。在该仿真实验中，取I1为10A，I2为2A。经过线性回归后，绘制最小化函数f与I1的关系如图2(b)。可以看出，函数最小值点出现的位置与电流实际大小相符，则通过选用合适的优化算法，计算可以得到较精确的电流值。

本发明提出的基于磁场传感器的多输电线路电流测量方法，基于TMR磁场传感器测量得到的待测输电线路和干扰输电线路产生的磁场的叠加值，利用线性回归和优化算法，极大地减小了未知参数的数量，提高了测量的精度。不仅可以得到待测电流的大小，也可以对干扰电流的强度进行估计，在电力系统多输电线路电流测量的实际应用，如变电站输电线路电流测量中，具有重大的应用价值。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。