CN108459192A

CN108459192A - 一种用于直流输电线路的非接触电流检测方法

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Publication number: CN108459192A
Application number: CN201810251837.1A
Authority: CN
Inventors: 陈坤隆; 项宇锴; 马啸宇
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2018-03-26
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2018-08-28
Anticipated expiration: 2038-03-26
Also published as: CN108459192B

Abstract

本发明涉及一种用于直流输电线路的非接触电流检测方法。将设计的磁场传感器(可用直流磁场测量的磁场传感器)阵列放置在地面上测量直流架空线的空间磁场，并且通过已知部分的架空线几何尺寸的基础上，通过设计的电流算法能够准确的估计架空线上的直流电流大小。本发明可以方便地放置在直流输电线路的现场环境中，大大提高了直流电流测量的方便性和安全性。

Description

一种用于直流输电线路的非接触电流检测方法

技术领域

本发明涉及一种用于直流输电线路的非接触电流检测方法，适用于直流架空线电流测量问题，属于电力***测量领域。

背景技术

近年来，由于材料科学、电力电子技术和制造技术的不断发展，直流输电技术得到了显着的提高[1-3]。直流输电***具有稳定性好、能量损耗低、对电网干扰小、输电线路投资和维护费用低等优点，在世界输电***中发挥着越来越重要的作用。

电流是监测电网的重要电参数，特别是多端直流输电***[4]。关于现有的直流电流测量技术，包括光学电流互感器[5-7]和零磁通直流电流互感器[8-10]，它们大多安装在变电站和换流站，由于其成本高，体积大。最近，[11][13]中的一些研究提出了一种基于大量低成本电流传感器的智能监测***。在[14]，[15]，大量的低精度电流微传感器被用来检测当前的条件。即使每个低精度电流传感器不能获得所有当前信息，仍然可以实现精确的电流状态检测，因为电流测量的高冗余度。因此，直流电流测量的安装位置有限，导致获取的电量信息较少，从而降低了现有直流电网的状态估计和检测精度[16]。因此，有必要研制一种具有以下特点的新型直流电流测量技术：(1)安装简便安全，2)低成本，3)便携性和灵活性。

参考文献：

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发明内容

本发明的目的在于提供一种用于直流输电线路的非接触电流检测方法，可以方便地放置在直流输电线路的现场环境中，大大提高了直流电流测量的方便性和安全性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于直流输电线路的非接触电流检测方法，包括如下步骤，

步骤S1、在架空线下方设置一垂直传感器阵列，该垂直传感器阵列的层数至少为三层，每层放置一个能够测量架空线下方直流磁场的三轴磁场传感器；

步骤S2、对垂直传感器阵列进行校正，校正包括两个步骤：第一步是三轴磁场传感器本身芯片内部偏置电压的校正；第二步是垂直传感器阵列的各层三轴磁场传感器的三轴方向校正；

步骤S3、完成垂直传感器阵列的校正后，利用基于Biot-Savart法则推导的公式进行数学求解，在数学求解过程中需要根据限制条件来进行迭代求解，从而获得最优解，限制条件为：(1)计算后得到的各个三轴磁场传感器获得的地磁大小与方向相等；(2)反推得到的架空线两条导线的电流应大小相等，方向相反；最后，通过在限制条件下多次迭代获得最优解，并估计电流的大小。

在本发明一实施例中，步骤S3中，基于Biot-Savart法则推导的公式的过程如下：

对于直流输电架空线采用正负两条导线进行输电，第1条导线上的电流I₁产生的磁场可以被分解为在第一三轴磁场传感器s₁(x_s1,y_s1,z_s1)处的矢量投影，表示为

其中，

式中：μ₀为空间磁导率；B_xs1，B_ys1，B_zs1为第一三轴磁场传感器三轴的磁场大小，L_1s1为第1条导线的中心点与第一三轴磁场传感器中心的距离，θ_1s1为第1条导线的中心点与第一三轴磁场传感器中心连接线与第1条导线位置水平面的夹角，α₁为第一三轴磁场传感器的x_s1轴与X轴的夹角；

利用叠加定理，将上述公式推广到两条导线对第一三轴磁场传感器s₁(x_s1,y_s1,z_s1)的矢量投影，有：

同理，可以将i个传感器和n条导线之间的函数关系建立为相应的系数矩阵，系数矩阵能够被表示为：

式中：n取1、2，A、B、C分别为第一至第三三轴磁场传感器与两条导线的几何关系矩阵；几何关系矩阵与常数(μ₀/4π)的乘积能够被推广为一个可逆矩阵P，因此上述可简化为：

B_i＝PI_n

I_n＝P^-1B_i。

在本发明一实施例中，步骤S1中，垂直传感器阵列设置于架空线的任一导线正下方。

在本发明一实施例中，步骤S2中，对三轴磁场传感器本身芯片内部偏置电压的校正的方式为：将三轴磁场传感器置于采用具有高磁导率的铁磁材料制成屏蔽机构中进行校正，校正完成后将三轴磁场传感器取出。

在本发明一实施例中，步骤S2中，对垂直传感器阵列的各层三轴磁场传感器的三轴方向校正是基于局布空间地磁会分布均匀的特性，各层三轴磁场传感器将感测到相同的地磁，因此根据各层三轴磁场传感器各轴的地磁分量来实现各层三轴磁场传感器的三轴方向校正。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明可以方便地放置在直流输电线路的现场环境中，大大提高了直流电流测量的方便性和安全性。

附图说明

图1为直流架空线示意图。

图2为硬件设计图。

图3为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的一种用于直流输电线路的非接触电流检测方法，包括如下步骤，

步骤S3中，基于Biot-Savart法则推导的公式的过程如下：

其中，

B_i＝PI_n

I_n＝P^-1B_i。

步骤S1中，垂直传感器阵列设置于架空线的任一导线正下方。

步骤S2中，对三轴磁场传感器本身芯片内部偏置电压的校正的方式为：将三轴磁场传感器置于采用具有高磁导率的铁磁材料制成屏蔽机构中进行校正，校正完成后将三轴磁场传感器取出。步骤S2中，对垂直传感器阵列的各层三轴磁场传感器的三轴方向校正是基于局布空间地磁会分布均匀的特性，各层三轴磁场传感器将感测到相同的地磁，因此根据各层三轴磁场传感器各轴的地磁分量来实现各层三轴磁场传感器的三轴方向校正。。

以下为本发明的具体实现过程。

本发明设计一垂直传感器阵列，此阵列的层数需至少三层，而每层放置一个可以测量直流磁场的三轴磁场传感器。此垂直传感器阵列用来测量架空线下方地平面位置的空间磁场，用以反推电流的大小。如图1所示(以三层传感器阵列来示意)，传感器阵列被置于水平地面上，水平摆放方向和位置可任意，但摆放位置最好设定于任一导线下，方便进行测量。此外，针对于磁场传感器的电路设计中，可以采用一定的增益电路提高灵敏度，采用一个滤波电路来降低噪声值，和采用电压基准来抑制电源噪声波动。

根据图1所示，每个长直导线对于传感器阵列中每个传感器的数学模型，可以先从单一导线对单独一个传感器开始分析。导线上流过的电流造成的空间磁场的分布可以利用Biot-Savart法则来解释。空间的磁场分布的矢量可以在被分解为三个分量(X,Y,Z)的投影。由于架空线有n条导线，因此，导线1上的电流I产生的磁场可以在被分解为在传感器s₁(x_s1,y_s1,z_s1)处的矢量投影，可表示为：

其中，

由于Biot-Savart法则是一个线性的关系，利用叠加定理，将上述公式推广到两条导线对第一三轴磁场传感器s₁(x_s1,y_s1,z_s1)的矢量投影，有：

B_i＝PI_n

I_n＝P^-1B_i。

因此，根据上述的算法，可以通过数学求解的方式来获取待测电流。

实际的硬件搭建流程图如图2所示，将所有的磁场传感器获取的磁场量通过一定的信号处理后接入数据采集卡上，数据采集卡与上位机相连。在上位机中通过设计的算法来反推实时电流。或者，信号处理后，可以经由无线通信的方式把数据送回上位机，再进行算法来反推实时电流。

然后此检测方法流程如图3所示，步骤细化如下：

1)首先对传感器阵列进行校正，校正包括两个步骤，第一步骤是传感器本身芯片内部偏置电压的校正。本专利采用具有高磁导率的铁磁材料制作成一个遮蔽机构，然后传感器放置在此遮蔽机构内。在屏蔽外界磁场下，从而获取准确的传感器内部偏置电压，并在计算过程中对偏置电压进行扣除。

2)第二步骤是传感器阵列的各层传感器的三轴方向校正。各层传感器通常存在三轴方向的角度偏差。本发明基于局布空间地磁会分布均匀的特性，各层磁场传感器将感测到相同的地磁。因此可以根据各层传感器各轴的地磁分量来实现各层传感器的三轴方向校正，这是本发明的创新点。

3)在完成校正步骤后，需要根据上文所推导的公式进行求解。在这个过程中，首先需要输入架空线几何初始值。由于架空线的下垂高度远小于杆塔的高度，其下垂高度可忽略不计，因此可根据杆塔的规格书来设定相应的几何初始值。

4)在数学求解过程中需要根据限制条件来进行迭代求解，从而获得最优解。限制条件被设计为：(1)计算后得到的各个磁场传感器获得的地磁大小与方向相等；(2)反推得到的架空线两条导线的电流应大小相等，方向相反。最后，通过在限制条件下多次迭代可以获得几何值最优解，并通过最佳的几何尺寸来估计电流的大小，这是本发明的创新点。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于直流输电线路的非接触电流检测方法，其特征在于：包括如下步骤，

2.根据权利要求1所述的一种用于直流输电线路的非接触电流检测方法，其特征在于：步骤S3中，基于Biot-Savart法则推导的公式的过程如下：

其中，

B_i＝PI_n

I_n＝P^-1B_i。

3.根据权利要求1所述的一种用于直流输电线路的非接触电流检测方法，其特征在于：步骤S1中，垂直传感器阵列设置于架空线的任一导线正下方。

4.根据权利要求1所述的一种用于直流输电线路的非接触电流检测方法，其特征在于：步骤S2中，对三轴磁场传感器本身芯片内部偏置电压的校正的方式为：将三轴磁场传感器置于采用具有高磁导率的铁磁材料制成屏蔽机构中进行校正，校正完成后将三轴磁场传感器取出。

5.根据权利要求1所述的一种用于直流输电线路的非接触电流检测方法，其特征在于：步骤S2中，对垂直传感器阵列的各层三轴磁场传感器的三轴方向校正是基于局布空间地磁会分布均匀的特性，各层三轴磁场传感器将感测到相同的地磁，因此根据各层三轴磁场传感器各轴的地磁分量来实现各层三轴磁场传感器的三轴方向校正。