专利名称：遥感电流装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种遥感交流电流(AC)装置和方法，根据在导体附近由这些电流产生的磁场，遥感一组实质上平行的导体的交流电流。
本发明的遥感电流(remotely sensing the currents)装置，所述电流流过一组具有N个独立的AC电流的实质上平行的导体，包括N个磁场传感器，所述N个磁场传感器位于相互独立地测量由导体产生的磁场的位置，并提供相应的信号，和处理装置，所述处理装置根据相对于每个导体的每个传感器的感测信号和位置以及角度方向，得到相应于导体电流的进一步的信号。
较佳的是进一步信号包括导体电流的基波频率的谐波成分，处理装置包括用于得到进一步信号的谐波成分的装置，这种装置调整谐波成分的幅度，以便减小在所述传感器中由所述谐波成分产生的失真，并对调整频率成分和基波频率成分进行重组，以便产生具有失真小的所述进一步信号。
较佳的是为得到传感器信号的谐波频率成分的装置包括富里埃分析装置。
前述“位于相互独立地测量的位置”是表示没有1个传感器提供与其它传感器提供的数据实质上相同或者这些数据简单地线性组合的数据。实际上，这是表示没有2个传感器具有相对于导体相同角度方向的坐标轴，并在正好投影在垂直于导体的平面上时接近。
在这一点应该理解为，磁传感器的轴线是相对于该传感器，当即向平行于通过传感器的变化磁场的磁力线时，在传感器中具有对于该磁场最大的感应信号的方向，并且传感器的平面是通过正交(normal)于它的轴线的传感器的平面。
较佳的是每个传感器的平面实质上平行于导体。
传感器较佳的是线圈，线圈平面是通过线圈的几何尺寸中心平行于线圈的线匝(turns)的平面，并且线圈轴线是在通过线圈中心的正交于该平面的方向上。
本发明的遥感电流的方法，所述电流流过一组具有N个独立的AC电流的实质上平行的导体，所述方法包括决定N个磁场传感器的位置，以便相互独立地测量由导体产生的磁场，并提供相应的信号，和根据相对于每个导体的每个传感器的探测信号和位置以及角度方向，得到相应于导体电流的进一步的信号。
下面，参照附图对本发明的实施例进行说明。
图1表示本发明实施例1的装置测量具有2条从上支持着的悬链线的AC轨道牵引系统中的电流和在轨道中返回电流的原理图。
图2表示用图1所示的装置和按照附录1的算法测量的几何尺寸参数。
图3表示图1的设备(instrument)中的电子电路的方框图。
图4表示在实施例中在设备和PC之间如何分开从传感器线圈来的信号的处理。
图5表示在电源线从上支持着的的场合用电流的遥感测量几何尺寸参数。
图6表示对由传感器线圈得到的信号进行富里埃分析。
图7表示本发明实施例2的包括后安装设备和相应的PC的装置的原理图。
图8表示按照附录2的算法测量的几何尺寸参数。
图9表示图7所示设备中的电子电路的方框图。
图10表示在实施例2中在设备和PC之间如何分开从传感器线圈来的信号的处理。
实施例1参照图1到图6，测量在双轨AC轨道牵引系统场合的电流的装置，包括设备10和相应的PC12’或者12”。设备10包括含有2个磁场传感器M1和M2的机箱或者外壳14。在本实施例中，传感器是线圈。设备10安装在AC轨道牵引系统的悬链线支架(未图示)上，或者安装在AC轨道牵引系统邻近的柱子上。
如图2所示，在本实施例中，牵引系统包括2个在上面实质上平行的悬链线50-1、50-2，每个对应于一对平行的轨道52-1、52-2，每个悬链线及其相应的一对轨道构成悬链线中的起始电流和轨道中的返回电流的电流回路。因为2个悬链线50-1、50-2中的电流是独立的，所以在本发明中2个传感器线圈、即线圈M1和M2位于相互独立地测量的位置是必要的。
但是，本发明能适用于具有任意数N的独立电流平行导体AC系统。在这种场合采用磁场传感器数N位于相互独立地测量的位置。附录1给出了本发明的这种一般化。当然，本发明不限于AC轨道牵引系统中的电流传感器，并且本发明的申请能一般化到从上支持着的电源线(overhead power line)，特别例如参照图5在附录1中给出了具有需要3个磁场传感器的4根导线(导体)的3相从上支持着的电源线。
回到参照图2，设备10具有参考点P和抽象的但是可知的通过点P的参考平面S。固定设备10，使得参考平面S实质上平行于悬链线50-1、50-2和轨道52-1、52-2(下面，都称为导体)。实际上，如图所示参考平面S近似于垂直，但这并不是必须的。将线圈M1和M2设置在外壳14中，使得每个线圈的平面也实质上平行于导体。
在外壳14中，每个线圈M1和M2相对于参考点P的位置是已知的(在制造时确定)。每个线圈位置由ΔXC和ΔYC(图2)给出，ΔXC和ΔYC是各个线圈M1和M2的中心离开设备参考点P的偏移，平行于设备参考平面S测量ΔY值，垂直于设备参考平面S测量ΔX值。在传统意义上这些值是正的、即参考点右上方是正的。每个线圈相对于参考面S的角度方向ΘC是已知的，ΘC是线圈M1和M2平面与设备参考点S之间的角度。这些角度在参考平面的逆时钟方向是正的。
一般地在感测N个独立电流的场合，设置并调整N个传感器线圈的方向，以便在导体的附近获得独立的磁场测量。为此，典型地使线圈方向角度变化90°，以便在靠近相同的位置获得不同的磁场测量。然后，将线圈设置在完全不同的位置，以便获得读之间的附加的区别。这种位移适合于根据外部导体排列对特别应用调整所要的灵敏度和所要的调整小型化。为了便于数据分析，使线圈的方向具有它们的平面平行以及垂直于设备参考平面、即在0°和90°的方向角度Θc上。但是，它们的方向也可以是所要的使得它们的平面实质上平行于导体的任意的方向角度Θc。关键在于所有的线圈精确地定向，或者能精确地测量它们的方向，并且能精确地知道它们的位置，最好至少精确到1mm。在本实施例中，2个线圈M1和M2分别平行和垂直于参考平面定向。线圈能在平行于导体的方向分开，以避免相互干扰。
当将外壳14固定在前述的位置上时，有必要知道每个导体离开参考点P的径向距离Rw，以及每个导体离开参考平面S的各个角度偏移αw。这最好由提供具有对接站(docking station)的设备10来实现，在这种对接站中能安装超声测量器件，以便测量到导体的距离，并能将其旋转，以便测量角度。这些角度在参考平面的逆时钟方向是正的。
在已知所有这些值后，应理解已具有相对于每个导体的每个线圈M1、M2的位置和角度方向的准确的知识。
在使用中，在每个线圈M1、M2中感应的瞬时电压Vc(t)正比于在各个线圈处的磁场的瞬时值。在线圈传感器的场合，感应的电压还正比于磁场中各个元件的频率或者谐波。能将线圈绕在铁氧体磁芯上，以便改善在相当接近的2个线圈之间不会引起相互失真的灵敏度。
机箱14包含由电池30供电的电子电路28，并具有用于通过电缆100连接PC12”、例如laptop PC的串联口进行通信的标准RS232接口32，或者通过在PC处调制解调器104，将例如调制解调器或者GSM模块102通信连接到PC12’。可见，PC12’和PC12”说明将PC连接到设备10的2种不同的方法，并且一般地，在任何给定的时间仅使用1个这种PC。端口32对于波特率范围(1200-33000bps)是可编程的，并且执行适当的流程控制和错误检查。
设备10能与PC12’或者PC12”中的主程序106(图4)进行通信，并根据请求下载数据到PC。它还能接收从PC用户可选的参数、例如将要述及的具有设备时钟检查或者复位的、表示登录数据的时间跨度的积分时间间隔等。
而主程序106能与设备10进行通信，用于评估设备的状态及其数据内容。它还能初始化来自设备的数据的下载和控制数据流。它还能对有问题的地方接收和处理几何尺寸数据(将要述及)。它还能根据需要将原始的设备数据转换成电流值。它还能在数据库入口处归档所有的数据。它还能根据需要恢复、显示和图形化数据。
图3是电子电路28的方框图。来自线圈M1、M2的电压首先在保护电路34中被箝位，以提供过电压保护，避免因故障损坏设备的电子电路。它们能对于等效于20000amp的故障电流进行保护。设备并不需要测量这种电流。它仅需要避免被其损害。
来自线圈的电压然后由滤波器36进行适当地滤波，以便50—60Hz的基波电流和所要的谐波电流通过。这通常包括直到第40次的例如2—2.4kHz的谐波。通带30—2500Hz是合适的。
接着，在同时采样和保持电路38中获得下一个传感器线圈电压。相继的采样将导致相应于延迟的相位角度错误，这将影响结果的精度。所以，最小采样频率最好使用5000Hz。
对数据块进行采样。这一般地为5个周期，但也能根据特殊的应用增加或减少到1个周期。为了在接着的rms计算和数据的富里埃变换中的精确性，重要的是采样整数的基本周期。采样频率应该适应于供给频率，以对于变化的供给频率达到数据块中采样和周期的完整数。这可以使用分开的模拟滤波器，以便从1个线圈提取基波50-60Hz成分，并对该信号进行零通过计数，以测量频率。
采样信号通过多路器40，并由AD变换器42变换成数字形式，用于进一步的数字处理。重复这种周期。连续地监视需要平行地运行2个处理。一个是不断地采样线圈数据块并将其传输到缓存器中。另一个是读这些缓存器并对数据进行处理，以便导出工程结果、即电流值。
在处理器44中数字地处理瞬时数字值Vc(t)，首先用线圈常数Fc对电压进行按比例标定，以给出磁场强度Hc(t)，然后通过线性变换，消除导体几何尺寸对于线圈的效应，参照图4的块60。详细的参照附录1。比例因子结合能外部定义的校正因子，实施设备的周期性的再校正。这产生接近于各导体电流的信号hw(t)。
线性变换60需要一定的几何尺寸因子G-1wc。如附录1所述，对于导体它们由外部几何尺寸参数Rw、αw、得到，对于线圈则由内部几何尺寸数据ΔXc、ΔYc、θc等得到。人工地将外部几何尺寸数据输入到装载在PC12’或者PC12”中的主程序106。内部几何尺寸数据存储在设备的内部。主程序计算组合几何尺寸因子(图4中72)，并将它们装载到设备10中。
在线圈作为磁传感器的场合，在传感器线圈M1、M2中感应的电压除去由导体电流的幅度外还由频率决定。探测到的电压正比于电流幅度和频率的乘积。因此，谐波电流产生信号成分，这种信号成分由它们的频率或者谐波阶数放大，例如10次谐波产生大于10倍等效基波电流的信号。调节这种信号hw(t)以补偿由这种谐波放大产生的失真，以精确完整地得到起始的电流。
更加详细的如图6所示，信号hw(t)经过富里埃分析62。当数据块中的采样数是2的幂、即2N，其中N是整数时，能用快速富里埃变换。能将采样频率设置成这样。例如，对于通常的50Hz电流和5个周期数据块，能用5120Hz采样频率或者每块512采样实现。富里埃变换分离信号hw(t)中的各个频率成分。例如，信号的基波成分一般地作为FFT变换数据中的第5个元素，而每个数据块有5个周期。谐波成分驻留在该位置的整数倍上，例如位置10用于每个数据块5个周期的场合的2次谐波等。每个频率成分的幅度能被谐波阶数整除，即f/fS其中fS是供给频率，以消除频率放大效果。
然后，进行逆富里埃变换来调节数据，以便再建初始电流。注意到FFT变换在每个频率产生多个值，以便在每个频率结合信号的幅度和相位角度。逆FFT变换结合调节的幅度和初始相位角度，以便精确地再现导体电流作为对于时间的序列值。
FFT变换及其逆变换是标准的数学方法。它们被记载在数字信号处理(DSP)书本中，并且在大部分DSP软件库中作为标准函数。能用DSP芯片或者在合成控制器的DSP成分中安装DSP元件来实现补偿谐波放大效果的数字信号处理。也能用安装在PC环境或者高功率微控制器中的软件实现。
结果的值Iw(t)将独立的导体电流表示为对于采样块覆盖的的期间的瞬时值的序列。作为FFT变换副产品还对于每个导体产生谐波电流幅度和相位角度。对于3相从上支持着的电源线的场合的3相电流，能将基波频率值转换成(图4中64)对称成分值，即描述导体电流的正、负和零的序列成分。这能用描述在公式概括中的以往的相位到序列变换实现。对于导体电流的谐波成分，FFT变换还产生幅度和相位角度。任何或者所有的这些数据能用于进一步的处理，例如电源质量分析或者事件记录，负载记录或者故障分析等。如图4的块66到70所示，例如能相应于事件触发存储瞬时电流值，来记录与扰动或者例如故障的事件相关的电流波形，即记录在扰动/事件记录器或者示波法应用中。正和零序列电流能被监视，以指示在指示器应用的故障阶段中的故障等，例如能将任何数据标上时间并存储在存储器46中，以便以后检索和处理。
另一方面，能够对于用户定义的典型地为10分钟的时间间隔，通过平均来浓缩数据。在这种场合，能集合瞬时值来计算开始用于每个块然后用于感兴趣的时间间隔内的均方根(rms)值。将感兴趣的电流信息或者参数结果的rms值标上时间，或者构造在确定的时间序列中，并存储在存储器46中以便进一步检索和分析。在这种场合，要有充分的存储器以存储至少4星期的10分钟间隔的数据。
根据主程序的106请求，设备10通过电缆连接100或者通信连接102/104，将存储在存储器46中的数据上装到PC12’或者PC12”中，并存储在74中。然后用于进一步的处理76和/或归档或者显示78。主程序106可以执行1个或者多个66到70的功能，以代替设备10。
除去由设备10对数据进行计算和分析外，主程序还提供用于传感器线圈的可编程的软件校正因子，因为这对于周期性地再校正设备是必须的。
此外，要求在设备10中要有低电池电压软件标记，以便在下一次连接时向主程序标记条件。
设备10以额定测量0-1000amp导体电流为佳，并能构造成运行在用户自选的范围、例如0-500和0-1000amps。
设备10能处理来自传感器线圈的信号，以达到相对于平衡线电流1％的设备精度。考虑到外部几何尺寸因子和主程序中的处理，最后的精度是5％。
如前所述，在实际上，将线圈平面和设备参考平面S之间的角度θc设置成0°或者90°。其理由是在这种场合，在附着的方程中Cosθc和Sinθc为0或1，使得执行项被相应地简化。这使得计算容易和加快。但是，如前所述，线圈能对于参考平面S具有任意的角度方向，并能给出全部方程。
即使如此，附着的方程仅处理每个线圈平面平行于导体的场合。但是，也可能方程进一步适合于不必平行于导线的线圈平面，而且本发明能扩展到包括这种情况。
前面已经说明了一般地根据情况变化能够测量电流的设备，例如如前所述的AC轨道牵引系统或者从上支持着的电源线。
实施例2下面，对本发明的实施例2进行说明。本实施例是用于遥测流过具有4个实质上平行的导线的AC从上支持着的电源线的电流。
参照图7—图10，本发明第2发明的遥感电流装置包括设备110和相应的PC112’或者112”。设备110包括包含3个磁场传感器a，b和c的机箱或者外壳114。在本实施例中，传感器是线圈。将设备110安装在具有4个实质上平行的导线R、Y、B和N的AC从上支持着的电源线的下面的柱子上(未图示)，这些导线的的电流被测量。在安装设备的柱子可以是具有导线的相同的电杆或者铁塔。
虽然遥感电流装置能测量在使用少于4根从上支持着的导线的AC电源分布系统中的导线电流，但由图可见，遥感电流装置用于使用4个实质上平行的导线R、Y、B和N的系统，其中导线R、Y、B分别流过3相电流，导线N是中线。这些导线能任意地构成，使它们实质上相互平行。将这些导线典型地安装成水平地相互隔开1m，并且在这种场合，较佳的是将设备110安装在其下面3到5m，典型的是4m。对于设备110，不必将设备110位于对导线对称。
参照图8，设备10具有参考点P和抽象的但是可知的通过点P的参考平面S。固定设备110使得参考平面S平行于导线R、Y、B和N。实际上如图所示，参考平面S接近于垂直，但是这不是必须的。将线圈a、b、c设置在外壳114内，使得每个线圈平面都平行于导线。
在外壳114中，每个线圈对于参考点的位置是已知的(在制造时决定)。线圈位置由(ΔXa，ΔYa)、(ΔXb，ΔYb)和(ΔXc，ΔYc)给出，它们分别是线圈a、b、c的中心离开设备参考点P的偏移，ΔY值由平行于设备参考平面S测量，ΔX值由垂直于设备参考平面S测量。
每个线圈对于参考平面S的角度方向是已知的。θa、θb和θc分别是线圈a、b、c的平面与设备参考平面S之间的角度。实际上如图8所示，如后所述为了简化起见，将线圈设置成，θa＝0°、θb＝90°和θc＝0°，但这不是必须的，可以将线圈设置成对于平面S的任意的方向，只要这些平面仍然实质上平行于导线就行。较佳的但是不是必须的是按照封装的方便，在小型的外壳114中线圈使a、b位置接近并且相互成直角，而线圈c位于线圈a、b的上面或者下面。能在平行于导线的方向上分开线圈，以避免相互干扰。
当将外壳114固定在前述的位置上时，必须知道参考点P离开每根导线R、Y、B和N的径向距离R1、R2、R3和R4，以及每根导线R、Y、B和N离开参考平面S的相应的角度位移α1、α2、α3和α4。这最好由具有对接(docking)站的设备110实现。在这种对接站中能够安装超声测量器件以便测量对导线的径向距离和将其旋转以测量角度。
另一方面，能将设备对准电杆地安装在电杆上，即其参考平面沿着电杆的轴。使用例如超声设备测量中心线下面的高度。由制造标准可知导线离开电杆中心的侧向的位移以及中心线上下的垂直位移。将这种数据输入到PC主程序中，用于得到相对于设备的导线几何尺寸。
当已知所有这些值时，应该理解已具有每个线圈a、b和c相对于每根导线R、Y、B和N的位置和角度方向的精确知识。
在使用中，在每个线圈a、b和c中感应相应的瞬时电压值Ha(t)、Hb(t)和Hc(t)正比于在相应的线圈中的磁场的瞬时值。能将线圈绕在铁氧体磁芯上，以便改善在相当接近的2个线圈之间不会引起相互失真的灵敏度。
机箱114包含由电池130供电的电子电路128，并具有用于通过电缆200连接PC112”、例如laptop PC的串联口进行通信的标准RS232接口132，或者通过在PC的调制解调器204，将例如调制解调器或者GSM模块202通信连接到PC112’。可见，PC112’和PC112”说明将PC连接到设备110的2种不同的方法，并且一般地，在任何给定的时间仅使用1个这种PC。端口132对于波特率范围(1200-19200bps)是可编程的，并且执行适当的流程控制和错误检查。
设备110能与PC112’或者PC112”中的主程序206(图10)进行通信，并根据请求下载数据到PC。它还能接收从PC用户可选的参数、例如将要述及的具有设备时钟检查或者复位的、表示登录数据的时间跨度的积分时间间隔等。
而主程序206能与设备110进行通信，用于评估设备的状态及其数据内容。它还能初始化来自设备的数据的下载和控制数据流。它还能对有问题的地方接收和处理几何尺寸数据(将被说明)。它还能根据需要将原始的设备数据转换成电流值。它还能在数据库入口处归档所有的数据。它还能根据需要恢复、显示和图形化数据。
图9是电子电路128的方框图。来自线圈a、b、c的电压首先在保护电路134中被箝位，以提供过电压保护，避免因故障损坏设备的电子电路。它们能从上支持着的线对于等效于20000amp的对称故障电流进行保护。设备并不需要测量这种电流。它仅需要避免被其损害。
来自线圈的电压然后由低通滤波器136进行适当地滤波，以便50—60Hz的基波电流，并截断这种频率范围以上的谐波。
接着，在同时采样和保持电路138中获得下一个传感器线圈电压。相继的采样将导致相应于延迟的相位角度错误，这将影响结果的精度。所以，最小采样频率用500Hz，最好采样频率为1000Hz。然后，采样数据通过多路器140，以便在AD变换器142中变换成数字形式。在图10的步骤300中，处理器144从3个瞬时数字线圈值Ha(t)、Hb(t)和Hc(t)的集合，得到6个导出的数字值和h1(t)、h2(t)、h3(t)、h12(t)、h13(t)和h23(t)的集合。附录2给出了从瞬时数字线圈值得到导出值的公式。
由附录2可见，导出值的计算需要一定的几何尺寸因子Δ1a、Δ1b、Δ1c、Δ2a、Δ2b、Δ2c、Δ3a、Δ3b、Δ3c。这些可以由先前涉及的几何尺寸参数R1、R2、R3、R4、α1、α2、α3和α4得到。人工地将这些几何尺寸数据输入到装载在PC112’或者PC112”中的主程序206(图10)。主程序计算几何尺寸参数，并将它们装载到设备110中。
在图10步骤302，由处理器144汇总计算得到的数字值，以得到对于用户选择的时间间隔等效的rms值。时间间隔选择是5、10、15、20和30分钟，并且在建立时将它们从主程序206编程到设备110中。在步骤304，将rms数据标记时间并登录到存储器146中，或者用确定的时间序列构造到存储器中以便以后检索。要有充分的存储器以存储至少4星期的10分钟间隔的数据。在溢出存储器空间时，设备重写最早存储的数据。
直到主程序206通过电缆连接200或者通信连接202/204进行请求，设备110将存储器146中的rms值装载到PC112’或者PC112”。参照图10的步骤306，主程序使用rms值计算3个所谓的时序电流，在故障或者4根导线电路中的中线电流的场合，正时序电流I+影响导线中平均电流，负时序电流I-影响负载不平衡电流，零时序电流I0影响对地漏电流。在步骤308，主程序206由这些时序电流以安培计算导线中的实际电流IR、IY、IB和IN。附录2给出了主程序用于进行计算的公式。
在步骤310，由主程序206将计算得到的电流值显示在PC监视器上，或者存储在PC存储器中。
除去计算导线中的电流外，主程序还提供用于传感器线圈的可编程的软件校正因子，因为这对于周期性地再校正设备是必须的。
此外，要求在设备110中要有低电池电压软件标记，以便在下一次连接时向主程序标记条件。
设备110以在从上支持着的全部3根线测量0-1000amps作为平衡电流、或者在任何1根具有返回到地的导线中的故障电流为佳，并具有2个或者多个用户可选择的范围、例如0-500和0-1000amps。用户能在制造时在它们之间进行选择。
设备110能处理来自传感器线圈的信号，以达到相对于平衡线电流1％的设备精度，考虑到外部几何尺寸因子和主程序中的处理，最后的精度是5％。
虽然如前所述，全部3个线圈a-c位于导线R、Y、B和N的下面，但这仅仅是为了容易地将它们安装到单个较小的外壳114中。每个线圈能够位于导线的上面或者下面，只要它们能满足前述指定的位置要求就可。
虽然，实施例2能用于4个从上支持着的导线R、Y、B和N的大部分要求的情况，但也能用于测量2根或者3根电源分布系统的电流。在2线或者3线电源分布系统的场合，例如使用导线R和N或者2个相位，并将几何尺寸参数R3和R4设置成无穷大，而在3线系统中，使用导线R、Y和B，并将几何尺寸参数R4设置成无穷大。
如前所述，在实际上，将各线圈a、b、c的平面和设备参考平面S之间的角度θa、θb和θc设置成θa＝0°、θb＝90°和θc＝0°。其理由是在这种场合，在附着的方程中Cosθa和Sinθa为0或1，使得Cosαa1等项被相应地简化。这使得计算容易和加快。但是，如前所述，线圈能对于参考平面S具有任意的角度方向，并能给出全部方程。
即使如此，附着的方程仅处理每个线圈平面平行于导体的场合。但是，也可能方程进一步适合于不必平行于导线的线圈平面，而且本发明能扩展到包括这种情况。
安装设备10或者110的外壳14或者114是能在现场使用的坚固的外壳。随着面板的关闭，能保护具有IEC标准529的线上的IP64。外壳和密封能够承受连续暴露在阳光、雨水和雾气等，而不会过度地降低10年的寿命。
安装设备10或者110安排支架的形式，支架能用方头螺丝固定在电杆上。另一方面，突出部分和安装带能将设备固定在任何种类的电杆上。在安装时应该容易取下设备。安装安排应该将设备保持在电杆上牢固的位置，使得在风中不会移动或者倾斜。
除了外部通信口32或者132，设备还有接通/断开开关。接通/断开开关能用作复位开关，以复制在设备安装时可能的锁定。通信口和接通/断开开关可以位于例如有机玻璃门的后面。并能对门进行标准的线密封，以避免设备损坏。
设备最好具有2个指示LED，1个用于指示电源导通，另一个指示设备完全地起动并且登录数据。它们也能安装在有机玻璃门的后面。
设备10或者110由电池30或者130供电，以便支持连续的正常运行5年以上。电池具有标准和现成有效的尺寸。能用标准的工具在现场更换电池。能从电杆取下设备，以便更换新的电池。
设备10或者110最好在以下工作条件内精确地运行最大温度40℃最小温度-10℃相对湿度0-85％海拔高度0-1000m最大风速50m/s本发明不限于在现场设备和远地处理器之间分开处理的装置。整个装置能够安装在现场的单个外壳内。数据处理部分和设备与PC中的主机软件之间的功能能随着特殊的应用变化。此外，能将基本电流测量功能作为分开的实体，并用作为前置或者与其它以往的设备一起，将遥感探测的电流数据提供给设备，以便进一步分析或者处理，例如电源质量分析、故障指示等。
此外，装置不必固定在电线杆那样的位置上。也能用手持设备的形式实施。在这种场合，能由测量设备例如超声、激光等测量几何尺寸参数，并构造在设备中，并且与磁场读出的同时进行读出。
本发明不限制于前述的实施例，只要在本发明精神的范围内能进行修改和变化。
附录1几何尺寸因子给出承载N个独立电流的一组导体(导线)。每个电流流过用下标W表示导线的主导体中。每个电流能够返回到用下标W’表示这种第1返回导体和用下标W”表示接着的导体的1个或者多个返回导体中。
Rw、αw测量与设备相关的主导体之一的导体几何尺寸。这些值分布是从设备参考点到导体中心的径向距离Rw和导体离开设备参考平面的角度位移αw。从设备参考平面逆时针方向，测量角度位移为正。Rw’、αw’，Rw”、αw”等测量相应的返回导体相对于设备的导体几何尺寸。这样，给出一组以下的几何尺寸R1，α1，R2，α2，R3，α3，……RN，αN.
R1’，α1’，R2’，α2’，R3’，α3’，……RN’，αN’.
R1”，α1”，R2”，α2”，R3”，α3”，……RN”，αN”.\ 此外，对于任何返回导体定义参数λW’，λW”等，这些参数确定这些导体返回讨论中电流的系数。例如，对于双轨的返回电流，一般地使得λW’＝λW”＝0.50。
一组N个磁场传感器或者感测线圈。用下标C表示线圈。ΔXc，ΔYc表示从设备参考点到这些感测线圈的几何尺寸中心的线圈偏移。在传统的意义上参考点的右上方为正。θc是这些线圈的平面与设备参考平面的方向的交角。在从设备参考平面、例如根据极性具有平行于参考平面的线圈为θc＝0°或者180°逆时钟方向测量为正。这样，给出一组以下的几何尺寸
ΔX1，ΔY1，θ1，ΔX2，ΔY2，θ2，ΔX3，ΔY3，θ3，….ΔXN，ΔYN，θN.
将测量到的导体几何尺寸变换成以下的探测线圈之一RCW＝√[RW2＋ΔXC2＋ΔYC2＋2.RW.(SinαW.ΔXC－CosαW.ΔYC)].
CosαCW＝[(RW.CosαW－ΔYC).CosθC＋(RW.SinαW＋ΔXC).SinθC]/RCW.
C＝1…N和W＝1…N.
这样，得到分开的一组几何数据，这些数据适合每个感测线圈的方向和位置。这样，对于N个感测线圈，全部外部导体几何尺寸变换N次。
计算几何尺寸项GCW＝Cos(αCW)/2πRCW－λW’.Cos(αCW’)/2πRCW’－λW”.Cos(αCW”)/2πRCW”-……C＝1…N和W＝1…N.
这样，得到对应于N个感测线圈和N个导体组中的独立电流的N×N矩阵。
对前述矩阵求逆，得到几何尺寸因子G-1cw。
注意到特殊的3相4导体电路(图5)的情况，仅有3个独立电流。在第4个导体中的电流依赖于3相导体。所以，能仅仅用3个感测线圈就能得到全部导体的全部电流特征。
在这种场合，对于每个相位电流不必分开返回导体。大部分电流、即正和负的时序电流对于负载来说其和为零。第4个导体用作共同返回导体，作为全部3相的剩余或者零时序电流。在这种场合，几何尺寸方程式稍微有点不同。用λ表示返回到第4或者中线导体中的剩余或者零时序电流的系数。其缺省值为1.0。
对于4个导体测量与设备相关的外部导体几何尺寸Rw、αw。这样给出4对值。将这些数据变换成以下给出的3个感测线圈的每一个RCW＝√[RW2＋ΔXC2＋ΔYC2＋2.RW.(SinαW.ΔXC－CosαW.ΔYC)]CosαCW＝[(RW.CosαW－ΔYC).CosθC＋(RW.SinαW＋ΔXC).SinθC]/RCW.
C＝1…3和W＝1…4.
这种场合，取θ1＝0°，θ2＝90°和θ3＝0°，使得前述的Cosθc，Sinθc为0或者1。这样能简化表达式Cosαcw。
这样，得到12对值。并能如前所述地计算几何尺寸GCW＝Cos(αCW)/2πRCW.
C＝1…3和W＝1…4.
这样能得到3行4列矩阵。第4导体中的电流是从3相导体来的剩余电流，即全部4个导体的电流总和为0。其中一些剩余电流实际上返回到地，因此有λ(I1＋I2＋I3)＋I4＝0.
现在，将这个方程的系数加入到几何尺寸矩阵中，即G4w＝〔λ，λ，λ，1)。
对4×4矩阵求逆，得到G-1w4。因为这些项乘以0，所以去除4×4矩阵的最右一列。这样，得到4×3矩阵G-1wc，用于从3个线圈读数得到4个导体电流的每一个。
在这种场合，能得到由于消除从感测线圈读数对导体几何尺寸的影响的几何尺寸因子G-1wc。结果的值直接与导体电流相关。
去除几何尺寸首先用线圈的比例因子将信号、例如电压即伏变换成磁场强度、即A/m单位。这些比例因子或者常数Fc提供每个线圈的圈数、校正常数等。
因此，Hc(t)＝Fc*Vc(t)用比例后的感测线圈读数Hc(t)变换这些读数，以便消除导体几何尺寸hw(t)=ΣC=1NGWC-1×HC(t)=GW1-1×H1(t)+GW2-1×H2(t)+…+GWN-1×HN(t)]]>W＝1…N.
其中，基波频率(50/60Hz)仅在这些值hw(t)为实际导体电流Iw(t)时被处理。因此，Iw(t)＝hw(t)。
富里埃分析在进一步的应用中，所要的电流也可以含有谐波或者瞬时成分。设备监视线圈中感应的电压。它们不仅正比于电流幅度，也正比于频率。因此，在基波频率上下与电流成分相关的信号成分以正比于这些频率对于基波频率的比例、即f/fs进行放大。这里，fs是基波频率。因此，必须补偿由于这种影响引起的失真。
用富里埃分析来分离电流信号的频率成分。用比例f/fs分开幅度，以便取消谐波放大。并且，能用逆富里埃变换来重新对调节值进行组合，以便产生全部补偿代表真正导体电流的信号。图6原理上说明了这种处理。
注意到能对于每个电流分别进行前述的处理。但是，在3相电流的场合，每个相位时序变换导出对称成分电流值，对于讨论中的3相电流数据必须对于变换处理有效。
选择数据块中的采样数为2的整数幂，使得能使用快速富里埃变换(FFT)及其逆变换。这样，能减少数据处理中的计算。
处理数据谐波放大调节处理产生一组描述各个导体电流Iw(t)的瞬时值。这能有效地描述导体电流对于采样率决定的精度的波形形状。这种瞬时数据能够被直接地存储、显示或者对于设备中的其它的处理，或者用于进一步分析的其它设备。
如果如下所述能特定的整数期间计算所要的rms值 则这种数据能典型地被时间标记并存储在存储器中。
作为富里埃分析副产品，在数据块采样期间提取谐波电流和它们的相位角度。这种数据能被存储、显示或者用于设备中的其它的处理，或者用于进一步分析的其它设备的其它处理。能在特定的整数期间计算所要的rms值。并且，这种数据能时间标记并存储在存储器中。
时序电流作为富里埃分析副产品，在数据块采样期间还提取基波电流IF和它们的相位角θF。对于3相电流，能将这种数据变换成讨论中的数据块的时序或者对称成分电流。相位电流幅度Iφ和相角θφ是最一般的组合，其中φ相位有1、2、3或者R、Y、B的下标，以便形成以X＋iY形式的相位电流的复数表示。取α＝-＋i√3/2和α2＝-－i√3/2然后L+＝(IR＋α.IY＋α2.IB)/3L＝(IR＋α2.IY＋α.IB)/3I0＝(IR＋IY＋IB)/3其中，I+是表示平衡负载条件下的正时序电流，I-是表示在3相电流中负载不平衡下的负时序电流，I0是表示零时序电流，这种时序列电流无论作为来自负载的不平衡的中线电流或者来自1个或者多个相的故障电流或者两者的组合都表示剩余电流。
这些对称成分电流也能在用户指定的时间间隔进行积分或者平均，以便提供rms值作为对于时间的分布。这种数据也能被时间标记和存储。
附录2几何尺寸因子给出λ＝零时序电流返回到中线导体中的部分，其缺省值为1.0。
(R1，α1)，(R2，α2)，(R3，α3)和(R4，α4)测量相对于设备的导线几何尺寸。R1，R2，R3和R4是从设备参考点P分别到导线R，Y，B和N的径向距离，α1，α2，α3，α4是导线R，Y，B和N离开设备参考平面S的角度偏移，并以逆时钟方向为正。
(ΔXa，ΔYa)，(ΔXb，ΔYb)和(ΔXc，ΔYc)是线圈a，b和c的中心分别离开参考点P的位移，平行于设备参考平面S测量ΔY值，垂直于设备参考平面S测量ΔX值。在传统意义上这些值是正的、即参考点右上方是正的。
θa、θb和θc分别是线圈a、b、c的平面与设备参考平面S之间的角度，并以逆时钟方向为正。在实际上取θa＝0°、θb＝90°和θc＝0°。使得Cosθa和Sinθa为0或1。因此，Cosαa1等项被相应地简化。
将测量的导线几何变换成每个线圈位置Ra1＝√[R12＋ΔXa2＋ΔYa2＋2.R1.(Sinα1.ΔXa－Cosα1.ΔYa)]Ra2＝√[R22＋ΔXa2＋ΔYa2＋2.R2.(Sinα2.ΔXa－Cosα2.ΔYa)]Ra3＝√[R32＋ΔXa2＋ΔYa2＋2.R3.(Sinα3.ΔXa－Cosα3.ΔYa)]Ra4＝√[R42＋ΔXa2＋ΔYa2＋2.R4.(Sinα4.ΔXa－Cosα4.ΔYa)]Cosαa1＝(R1.Cosα1－ΔYa)/Ra1.Cosθa＋(R1.Sinα1＋ΔXa)/Ra1.Sinθa.
Cosαa2＝(R2.Cosα2－ΔYa)/Ra2.Cosθa＋(R2.Sinα2＋ΔXa)/Ra2.Sinθa.
Cosαa3＝(R3.Cosα3－ΔYa)/Ra3.Cosθa＋(R3.Sinα3＋ΔXa)/Ra3.Sinθa.
Cosαa4＝(R4.Cosα4－ΔYa)/Ra4.Cosθa＋(R4.Sinα4＋ΔXa)/Ra4.Sinθa.
Rb1＝√[R12＋ΔXb2＋ΔYb2＋2.R1.(Sinα1.ΔXb－Cosα1.ΔYb)]Rb2＝√[R22＋ΔXb2＋ΔYb2＋2.R2.(Sinα2.ΔXb－Cosα2.ΔYb)]Rb3＝√[R32＋ΔXb2＋ΔYb2＋2.R3.(Sinα3.ΔXb－Cosα3.ΔYb)]Rb4＝√[R42＋ΔXb2＋ΔYb2＋2.R4.(Sinα4.ΔXb－Cosα4.ΔYb)]Cosαb1＝(R1.Cosα1－ΔYb)/Rb1.Cosθb＋(R1.Sinα1＋ΔXb)/Rb1.Sinθb.
Cosαb2＝(R2.Cosα2－ΔYb)/Rb2.Cosθb＋(R2.Sinα2＋ΔXb)/Rb2.Sinθb.
Cosαb3＝(R3.Cosα3－ΔYb)/Rb3.Cosθb＋(R3.Sinα3＋ΔXb)/Rb3.Sinθb.
Cosαb4＝(R4.Cosα4－ΔYb)/Rb4.Cosθb＋(R4.Sinα4＋ΔXb)/Rb4.Sinθb.
Rc1＝√[R12＋ΔXc2＋ΔYc2＋2.R1.(Sinα1.ΔXc－Cosα1.ΔYc)]Rc2＝√[R22＋ΔXc2＋ΔYc2＋2.R2.(Sinα2.ΔXc－Cosα2.ΔYc)]Rc3＝√[R32＋ΔXc2＋ΔYc2＋2.R2.(Sinα3.ΔXc－Cosα3.ΔYc)]Rc4＝√[R42＋ΔXc2＋ΔYc2＋2.R4.(Sinα4.ΔXc－Cosα4.ΔYc)]Cosαc1＝(R1.Cosα1－ΔYc)/Rc1.Cosθc＋(R1.Sinα1＋ΔXc)/Rc1.Sinθc.
Cosαc2＝(R2.Cosα2－ΔYc)/Rc2.Cosθc＋(R2.Sinα2＋ΔXc)/Rc2.Sinθc.
Cosαc3＝(R3.Cosα3－ΔYc)/Rc3.Cosθc＋(R3.Sinα3＋ΔXc)/Rc3.Sinθc.
Cosαc4＝(R4.Cosα4－ΔYc)/Rc4.Cosθc＋(R4.Sinα4＋ΔXc)/Rc4.Sinθc.计算几何项A＝{Cos(αoa1)/2πRa1－.Cos(αa2)/2πRa2－.Cos(αa3)/2πRa3}B＝{-√3/2.Cos(αa2)/2πRa2＋√3/2.Cos(αa3)/2πRa3}C＝{Cos(αa1)/2πRa1＋Cos(αa2)/2πRa2＋Cos(αa3)/2πRa3－3λCos(αa4)/2πRa4.}D＝{Cos(αb1)/2πRb1－.Cos(αb2)/2πRb2－.Cos(αb3)/2πRb3}E＝{-√3/2.Cos(αb2)/2πRb2＋√3/2.Cos(αb3)/.2πRb3}F＝{Cos(αb1)/2πRb1＋Cos(αb2)/2πRb2＋Cos(αb3)/2πRb3－3λCos(αb4)/2πRb4.}G＝{Cos(αc1)/2πRc1－.Cos(αc2)/2πRc2－.Cos(αc3)/2πRc3}H＝{-√3/2.Cos(αc2)/2πRc2＋√3/2.Cos(αc3)/2πRc3}I＝{Cos(αc1)/2πRc1＋Cos(αc2)/2πRc2＋Cos(αc3)/2πRc3－3λCos(αc4)/2πRc4.}对前述项的3×3矩阵求逆，得到几何因子Δ ＝A.(E.I－F.H)＋B.(F.G－D.I)＋C.(D.H－E.G)Δ1a＝(E.I－F.H)/ΔΔ1b＝(H.C－B.I)/ΔΔ1c＝(B.F－C.E)/ΔΔ2a＝(F.G－D.I)/ΔΔ2b＝(A.I－C.G)/ΔΔ2c＝(C.D－A.F)/ΔΔ3a＝(D.H－E.G)/ΔΔ3b＝(B.G－A.H)/ΔΔ3c＝(A.E－B.D)/Δ这些几何尺寸计算仅在设备建立或者如果设备移动、例如在移动单元的场合进行。
瞬时值用线圈读数Ha(t)，Hb(t)和Hc(t)变换读数，以便消除几何尺寸h1(t)＝Δ1a.Ha(t)＋Δ1b.Hb(t)＋Δ1c.Hc(t)h2(t)＝Δ2a.Ha(t)＋Δ2b.Hb(t)＋Δ2c.Hc(t)h3(t)＝Δ3a.Ha(t)＋Δ3b.Hb(t)＋Δ3c.Hc(t)h12(t)＝h1(t).h2(t)h13(t)＝h1(t).h3(t)h23(t)＝h2(t).h3(t)由h1，h2，h3，h12，h13和h23求得rms值，即h1＝√[(∑1Nh12(t))/N]，etc.
时序电流用h1，h2，h3，h12，h13和h23求得时序电流值χ＝(h12＋h22)/2δ＝√(h12－h22)2/4＋h122]I+＝{√[χ＋δ]＋√[χ－δ]}L ＝{√[χ＋δ]－√[χ－δ]}I0＝h3Sinθ-＝h12/(2.I+.I-)Cosθ-＝(h12－h22)/(4.I+.I-)ε ＝h13/(h1.h3)γ ＝h23/(h2.h3)W ＝(I+＋I-.Cosθ-)/h1X ＝I-.Sin(θ-)/h1Y ＝(I+－I-.Cosθ-)/h2Z ＝-I-.Sin(θ-)/h2Sin(θ0)＝(Z.ε＋W.γ)/(W.Y＋X.Z)Cos(θ0)＝(Y.ε－X.γ)/(W.Y＋X.Z)导线电流用I+，I-，I0，Sinθ-，Cosθ-，Sin(θ0)，Cos(θ0)得到各个导线电流IR＝√[(I+＋I-Cos(θ-)＋I0Cos(θ0))2＋(I-Sin(θ-)＋I0Sin(θ0))2]IY＝√[I+＋I-(-Cos(θ-)＋√3/2.Sin(θ-))＋I0(-Cos(θ0)－√3/2.Sin(θ0)))2＋(I-(-Sin(θ-)－√3/2.Cos(θ-))＋I0(-Sin(θ0)＋√3/2.Cos(θ0)))2]IB＝√[(I+＋I-(-Cos(θ-)－√3/2.Sin(θ-))＋I0(-Cos(θ0)＋√3/2.Sin(θ0)))2＋(I-(-Sin(θ-)＋√3/2.Cos(θ-))＋I0(-Sin(θ0)－√3/2.Cos(θ0)))2]IN＝3λI0
权利要求
1.一种遥感电流装置，所述电流流过一组具有N个独立的AC电流的实质上平行的导体，其特征在于，包括N个磁场传感器，所述N个磁场传感器位于相互独立地测量由导体产生的磁场的位置，并提供相应的信号，和处理装置，所述处理装置根据相对于每个导体的每个传感器的感测信号和位置以及角度方向，得到相应于导体电流的进一步的信号。
2.如权利要求1所述的遥感电流装置，其特征在于，所述处理装置包括用于得到进一步信号的谐波成分的装置，这种装置调整谐波成分的幅度，以便减小在所述传感器中由所述谐波成分产生的失真，并对调整频率成分和基波频率成分进行重组，以便产生具有失真小的所述进一步信号。
3.如权利要求2所述的遥感电流装置，其特征在于，所述得到传感器信号的谐波频率成分的装置，包括富里埃分析装置。
4.如权利要求1至3任一项所述的遥感电流装置，其特征在于，每个传感器的平面实质上平行于导体。
5.如权利要求1至4任一项所述的遥感电流装置，其特征在于，所述装置具有3个磁场传感器，以便遥感流包括4根具有3个独立AC电流的导线的电源线上的电流。
6.如权利要求5所述的遥感电流装置，其特征在于，2个传感器的轴线实质上相互平行，并且第3个传感器的轴线实质上垂直于第1和第2个传感器的轴线。
7.如权利要求1至6任一项所述的遥感电流装置，其特征在于，所述磁场传感器是线圈。
8.一种遥感电流方法，所述电流流过一组具有N个独立的AC电流的实质上平行的导体，其特征在于，所述方法包括决定N个磁场传感器的位置，以便相互独立地测量由导体产生的磁场，并提供相应的信号，和根据相对于每个导体的每个传感器的探测信号和位置以及角度方向，得到相应于导体电流的进一步的信号。
全文摘要
本发明揭示一种遥感电流装置,所述电流流过一组具有N个独立的AC电流的实质上平行的导体,包括N个磁场传感器M1、M2,所述N个磁场传感器位于相互独立地测量由导体产生的磁场的位置,并提供相应的信号。处理装置12或者12’,所述处理装置根据相对于每个导体的每个传感器的感测信号和位置以及角度方向,得到相应于导体电流的进一步的信号。
文档编号G01R15/20GK1333874SQ99815572
公开日2002年1月30日 申请日期1999年11月12日 优先权日1998年11月13日
发明者诺埃尔·派特里克·托平 申请人:苏派鲁尔斯有限公司, 诺埃尔·派特里克·托平