一种基于电流磁场的三相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三相输电线路参数(电流和位置)测量方法。

背景技术：

近些年来，随着经济、社会的不断发展，对电能的需求不断提高，输电系统的规模不断扩大。作为输电系统的主要组成部分，架空输电线路不仅规模庞大，而且分布广泛，所处地形多变，自然环境复杂，容易由于雷击闪络，材料老化，人为破坏等因素出现故障，影响电力系统的正常运行。因此，对架空输电线路的工作状态进行监测具有重大意义。架空输电线路在大电流运行的情况下常出现输电线温度升高，硬度降低，长度增大的情况，进一步增大了自身的弧垂，减小了其与地面植被及建筑物之间的距离，可能出现短路等故障，危害电力系统的安全和正常运行。因此对架空输电线路中流过的电流大小的监测具有重要的意义。

目前，对输电线路电流测量主要采用电流互感器或分流电阻测量的方式。电流互感器存在着装置体积较大，成本较高的问题，且只适合于低频或工频的测量，在高频测量中常会出现饱和的情况，难以应对电力系统中存在的故障和暂态问题。分流电阻测量的方式消耗的能量较大，难以实现电气绝缘，且会对工作人员或检修人员的人身安全构成危害，因此急需新的输电线路参数测量方法。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于磁场的三相输电线路参数测量方法，该方法使用隧穿磁阻(TMR)传感器测量三相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。

本发明提出的基于电流磁场的三相输电线路参数测量方法由两部分组成：磁场测量部分和导线参数反演算部分。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，优选以直线阵列的方式布置在输电线路下方，采集导线电流产生的磁场强度。导线参数反演算部分使用优化算法，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，通过优化算法得到三相输电线路导线的电流和位置，通过该方法得到的结果具有较高的精度。

根据本发明的一个方面，基于电流磁场的三相输电线路参数测量方法包括：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与所述三相输电线路的电流和位置相关；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，其中所述优化函数与所述三相输电线路的电流幅值、相位以及所述三相输电线路的位置相关；以及采用启发式优化算法求解所述优化函数以获取所述三相输电线路的电流和位置。

优选地，所述多个磁场传感器是TMR隧穿磁阻传感器。

优选地，所述方法还包括：将所述多个磁场传感器的在垂直于所述输电线路的平面上的投影位置作为所述多个磁场传感器的位置。

优选地，所述多个磁场传感器的位置处的磁场强度理论值被表示如下：

其中，Hy和Hz分别表示在yz平面内的坐标(ym，zm)处于y方向和z方向上的磁场强度，yz平面为垂直于所述三相输电线路的平面，y方向和z方向上彼此垂直，并且Ii，i＝1，2，3为三相输电线路的电流，yi，zi，i＝1，2，3分别为三相输电线路在yz平面内的坐标值。

优选地，所述三相电流的幅值为Imax，相位差为120°，所述优化函数被表示为：

其中Hky，z表示第k个磁场传感器的位置处的磁场强度理论值，Hmky，z表示第k个磁场传感器的位置处的磁场强测量值，φA表示三相输电线路中的一相输电线路的初始相位，yA、yB、yC和zA、zB、zC分别表示三相输电线路在y轴和z轴上的坐标值。

优选地，所述方法还包括对所述优化函数进行正则化，正则化后的优化函数被表示为：

其中，α代表正则化系数。

优选地，当所述多个磁场传感器被布置于地面，所述三相输电线路距离地面高度分别为28.66m和38.66m，并且三相输电线路在水平方向上的距离为7.1m的情况下，α为0.1。

优选地，所述启发式优化算法为遗传算法GA。

优选地，所述启发式优化算法为遗传算法GA，并且初始种群数量被设为200，交叉概率和变异概率为0.8。

优选地，所述启发式优化算法为粒子群算法PSO。

参考附图，通过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500kV输电线路结构示意图；

图2是遗传算法的计算结果的图示；并且

图3是粒子群算法的计算结果的图示。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。应当理解，所描述的实施例仅仅是示例性的，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电流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，本发明提出了一种新的基于磁场传感器测量的三相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，实现对电力系统输电线路电流的高精度、宽频带测量。

具体地，本发明利用输电线路周围磁场强度大小与导线电流大小和输电线路相对于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，基于优化算法反推出作为磁场源的输电线路的电流大小以及输电线路的位置。

根据本发明的方法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，使用磁场传感器阵列测量的磁场值反演出磁场源的位置和电流的大小。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，实现基于磁场测量的输电线路参数的测量和反演。

此外，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。

另外，使用了基于优化算法的导线参数反演方法，将导线电流和位置重构的问题转化为优化问题，并使用优化算法进行解决，具有较高的精度。最终实现基于电流磁场测量的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参数测量。

以下，参考附图对本发明进行详细完整的描述。

首先，参考图1，其示出了三相输电线路的结构示意图，该输电线路的电压例如可以是20kV、200kV、500kV或者任何其他值，并且输电线路是采用杆塔结构的三相输电线路。在图1中，三相输电线路距离底面的高度分别为28.66m和38.66m，并且三相输电线路在水平方向上的距离为7.1m。

建立如图1中所示的yz直角坐标系，其中yz平面是垂直于三相输电线路的平面，并且y方向是水平方向，z方向为垂直方向，坐标原点被设置在地面，并且使得三相输电线路相对于z轴对称。

在实际的电力系统中，输电线路会由于重力的作用出现弧垂。然而相比于整个线路而言，弧垂的量较小(4.85m/380m)，因此在本示例性实施例中，三相输电线路被视为直导线。

此外，在本示例性实施例中，三相输电线路被视为无限长的导线。

在根据本示例性实施例的方法中，根据安培环路定律，计算得到三相输电线路周围各点处磁场强度的分布，如图1中的右边视图所示。也就是说所，首先获得三相输电线路周围各点处磁场强度的理论值。

在本示例性实施例中，获取三相输电线路周围要布置磁场传感器的位置(测量点)处的磁场强度的理论值，该理论值与三相输电线路的电流和位置相关。

具体地，根据安培环路定律，三相输电线路周围位置(ym，zm)处磁场强度可被计算如下：

其中Ii为三相输电线路的电流，yi，zi分别为三相输电线路在y轴和z轴上的坐标值，其中i＝1，2，3。

此外，通过磁场传感器测量位置(ym，zm)处的磁场强度。在本示例性实施例中，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。

根据一个实施例，考虑将测量点设置在地面高度上(即z＝0)，y轴坐标从-10m到10m，间隔0.5m。每隔1ms采集一次磁场强度数据，并收集0.1s内的所有数据进行计算。为了贴近实际应用中的需要，在测量数据上叠加0.5％的随机白噪声。

虽然在本示例性实施例中，将测量点设置在地面高度上，但是本发明不限于此，而是可以将测量点设置在任何其他高度上。此外，虽然在以上的描述中，将传感器描述为以直线阵列的方式布置在输电线路下方的TMR隧穿磁阻传感器，但是传感器可以不采用直线阵列的形式，而是可以采用点阵的形式。在这种情况下，可以将传感器的在垂直于输电线路的平面上的投影位置作为磁场传感器的位置，也就是说，可以忽略yz坐标以外的坐标。

具体地，例如，测量点在z方向上可以被设置在z＝10cm，20cm或者其他数值的位置处，这对于y方向以及垂直于yz平面的方向(x方向)上的布置同样适用。应当注意，测量位置在x方向上的布置不会对测量结果产生影响，也就是说，在本示例性实施例中，只有y和z方向上的位置会对磁场强度产生影响。

为了降低问题的复杂性，减少考虑的参数的数量，引入约束条件，假设三相电流的幅值相等，为Imax，相位各相差120°。则对位置未知的三相输电线路位置和电流的求解可以转化为如下优化问题：

其中Hky，z表示在参数模型作用下根据式(1)计算出的第k个测量点处的磁场强度，Hmky，z表示在第k个测量点处通过磁场传感器测量的磁场强度真实测量值。此外，在式(2)中，yA、yB、yC和zA、zB、zC分别表示三相输电线路(A、B和C相输电线路)在y轴和z轴上的坐标值，并且φA表示A、B和C三相输电线路中的一相输电线路的初始相位。

由(2)可以看出，在该优化问题中，相位的非线性程度较大，可能使计算结果精度变差。因此考虑对相位进行正则化处理，将上述优化问题转化为下式。

其中min表示求解最小值。α代表正则化系数，调整其大小可以对结果进行微调。当α过小时，正则化效果不明显，由于噪声的存在使得结果相对于最优解出现较大偏移；当其过大时，对实测值贴合的效果不好。因此α的选择可以通过验证集的方法进行选取。在图1所示的情况下，经过仿真实验，可将α选为0.1。

将求解三相输电线路的电流和位置的问题转化为优化问题后，可以使用多种优化算法求解。首先选用传统的优化方法(内点法)。传统的优化算法虽然求解耗时短，计算量较小，但是需要人工设定初始值。在仿真过程中可以发现，当初始值选取与最优解偏离较远时，算法不再收敛。考虑到本问题中电流大小和导线位置均未知的情况，将初始值设定为在一定范围内的随机数。仿真实验50次，发现共有19次得到接近最优解的结果。在其余的31次中，计算结果与最优解的偏差较大，呈现发散的特点。因此可以看出，使用传统优化方法求解本问题时，初始值的不同选取使得结果出现不稳定的情况，有时会发散，有时会陷入局部极小值。而为了保证算法的普适性，初始值的选取必须具备一定的随机性，这二者之间的矛盾给传统优化求解本问题带来较大的困难。因此相比于传统优化算法，自带一定随机性的启发式算法是更好的选择。

启发式算法(heuristic algorithm)是相对于最优化算法提出的。现阶段，启发式算法以仿自然体算法为主，主要有模拟退火算法(SA)、遗传算法(GA)、列表搜索算法(ST)、进化规划(EP)、进化策略(ES)、蚁群算法(ACA)、人工神经网络(ANN)等。

遗传算法(GA)是Holland教授在20世纪70年代初期提出并使其发展起来的，利用了大自然“适者生存”的进化过程规律，引入染色体，基因，适应度等概念求解优化问题。调整算法参数，在不同的初始种群数量，交叉概率，变异概率下进行计算，使用该方法求解优化问题(3)，最后得到结果的位置误差可以控制在0.29m，电流误差在3％以下。对于如图1所示的示例而言，初始种群数量从100增加到500时，位置计算精度和电流计算精度并没有明显提高，说明初始种群数量设为100也可以满足计算需要。然而，随着交叉概率和变异概率的增加，位置计算精度和电流计算精度不断提高，说明随着交叉概率和变异概率的增加，在迭代的过程中，与上一代种群不同的个体的出现增多，新个体的出现使得算法可以更好地跳出局部最优解，得到更接近全局最优解的结果。然而，在仿真的过程中也发现，随着初始种群数量，交叉概率和变异概率的增加，计算时间也不断增长。因此，在实际应用中需要兼顾准确度和计算时间的要求。在仿真实验中，暂时不考虑耗时的影响，最后将算法参数设置为最大迭代次数仍为10000次，初始种群数量为默认值200，设置交叉概率和变异概率均为0.8，得到反演结果位置误差为0.33m，电流幅值误差为3.8％。结果如图2。可以看出，达到了较好的计算精度要求。

除了遗传算法外，也可以使用其他的启发式优化算法，如粒子群算法(PSO)等。使用粒子群算法得到的结果如图3。可以看出，由于粒子群算法相对于遗传算法更为简单，不涉及复杂的交叉和变异过程，因此计算结果的精确度不如遗传算法，但计算时间较短。在实际应用中，可以考虑计算精度和时间的需要，合理选用使用的算法。

本发明提出的基于电流磁场的输电线路参数测量方法，根据磁场传感器测量的空间中一些位置点处的磁场强度，反演出磁场源(即输电线路)的位置和电流大小，使用优化的算法，取得较高的反演精度，同时具有良好的效率和灵活性，为电力系统输电线路的电流测量提供了一种新的解决方案。

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。