CN110261730B - 一种基于电流磁场的单根导线参数测量方法 - Google Patents

一种基于电流磁场的单根导线参数测量方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种基于电流磁场的单根导线参数测量方法。该方法包括在垂直于所述导线的平面内的第一方向上布置多个磁场传感器，其中所述多个磁场传感器在所述第一方向上的位置已知，获取所述多个磁场传感器的在所述第一方向和第二方向上的磁场强度，其中所述第二方向位于所述平面内并且与所述第一方向垂直；获取所述多个磁场传感器中的每个磁场传感器在第一方向和第二方向上的磁场强度的比值；以及利用最小二乘法，基于所述多个磁场传感器在所述第一方向上的位置以及所述比值计算所述导线的位置和电流。

Description

一种基于电流磁场的单根导线参数测量方法
技术领域
本发明属于智能算法领域，具体涉及一种基于电流磁场的单根导线参数(电流和位置)测量方法。
背景技术
20世纪90年代以来，化石能源的不断枯竭和环境的逐渐恶化，可再生能源接入电网的发电单元数的不断增多，电力***市场化和对电能质量逐渐提高的要求使得建设可靠、安全、经济、高效、环境友好的智能电网的目标成为国内外学者的共识。而先进的传感和测量技术，先进的设备技术和先进的控制方法的不断发展也使得智能电网的设想成为可能。对电力***的电流测量装置是电网全景数据采集***的重要组成部分。为了兼顾电力***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***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***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。
发明内容
针对现有的基于分流电阻或电流传感器的电力***导线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，提出了一种新的基于磁场的导线参数测量方法。通过在导线周围布置磁场传感器，收集磁场传感器测量的磁场强度，反演出导线的电流和位置参数，实现对电力***导线电流的高精度、宽频带测量。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于电流磁场的单根导线参数测量方法，该方法包括：在垂直于所述导线的平面内的第一方向上布置多个磁场传感器，其中所述多个磁场传感器在所述第一方向上的位置已知，获取所述多个磁场传感器的在所述第一方向和第二方向上的磁场强度，其中所述第二方向位于所述平面内并且与所述第一方向垂直；获取所述多个磁场传感器中的每个磁场传感器在第一方向和第二方向上的磁场强度的比值；以及利用最小二乘法，基于所述多个磁场传感器在所述第一方向上的位置以及所述比值计算所述导线的位置和电流。
优选地，所述多个磁场传感器是TMR隧穿磁阻传感器。
优选地，所述导线的位置为：
[y0 z0]＝(RTR)-1RY，
其中，
Y＝[y1 … yn]T
Figure BDA0002082045900000021
y0和z0分别为导线在第一方向和第二方向上的坐标值，并且
其中，yi为第i个磁场传感器在第一方向上的坐标，ri为第i个磁场传感器的在第一方向和第二方向上的磁场强度的比值，i＝1，2...n，n为磁场传感器的数量。
优选地，所述导线的电流为：
Figure BDA0002082045900000031
其中，Hy，k和Hz，k分别为第k个磁场传感器在第一方向和第二方向上的磁场强度。
优选地，在传感器的测量精度为δS，导线与所述多个传感器中的磁场传感器的最大距离为dmax，最小距离为dmin，磁场传感器感应到的磁场强度最大值和最小值分别为Hd-min和Hd-max，则以下表达式被满足：
Figure BDA0002082045900000032
|Hdmax-Hd-min|≥δS
优选地，以下表达式被满足：
|Hd-max-Hd-min|≥δS
Figure BDA0002082045900000033
Figure BDA0002082045900000034
其中，I为电流，d为导线到所述多个磁场传感器的中点的距离，导线与所述多个传感器中的磁场传感器的最大距离为dmax，最小距离为dmin，磁场传感器感应到的磁场强度最大值和最小值分别为Hd-min和Hd-max，ds为所述多个磁场传感器的总长，传感器的测量精度为δS。
根据本发明的基于磁场的导线参数测量方法使用隧穿磁阻(TMR)传感器测量的导线周围产生的磁场强度反演导线的电流和位置参数，传感器良好的频响特性使得宽频带测量成为可能，对电力***中的电流测量具有重大意义。
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是直线磁场传感器阵列及单根导线磁场分布；
图2是5％，10％，25％和50％叠加噪声下的拟合结果图；并且
图3是测量位置和电流误差随叠加噪声幅值的变化示意图。
具体实施方式
以下，参考附图描述根据本发明的实施例，但是应当理解，以下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。
本发明提出的基于磁场的单根导线参数测量方法，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，以直线阵列的方式布置在导线下方，采集导线电流产生的磁场强度。导线参数反演算部分创新性地提出了基于线性回归的导线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，使用线性回归方式消除了电力***测量中往往难以确定导线与磁场传感器阵列之间相对位置的问题，且在一定程度上可以消除测量噪声的影响。
本发明利用导线周围磁场强度与导线电流大小和导线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导线的电流大小和位置。基于线性回归算法的导线参数反演方法，不仅在一定程度上可以消除测量噪声的影响，更为重要的是解决了在实际测量中存在的难以确定磁场传感器阵列与导线之间相对位置的问题。
根据本发明的方法不同于传统的电力***中导线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导线电流测量和反演。
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***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，使用了基于线性回归的导线电流反演方法，消除了实际测量中存在的导线电流和磁场传感器阵列之间相对位置往往未知的情况下对测量精度的影响，在一定程度上还可以消除测量误差。最终实现基于磁场传感器测量的导线电流反演方法，实现可应用于电力***中的高量程宽频带非接触的导线电流测量。
以下，参考附图详细描述根据本发明的基于磁场的导线参数测量方法。
在本发明中，磁场传感器阵列被布置为简洁的直线结构，传感器结构及单根导线的磁场分布如图1所述。
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***中的直流、交流、暂态的多重测量要求。
对于单根直导线情形，在本发明中，主要研究传感器与导线之间位置关系未知的情况。由于磁场传感器与导线之间的位置关系未知，导致求解的参数增多，需要增加传感器的数量。考虑磁场传感器阵列成直线排布，使用数据预处理和基于最小二乘法的线性回归算法进行电流值和位置的计算。研究磁场传感器阵列的最优布置，测量范围和对噪声抑制作用。
首先，建立如图1的(a)所示的直角坐标系，其中x方向与导线的方向一致，y轴和z轴是yz平面内相互垂直的坐标轴，其中yz平面是与导线垂直的平面。
在本示例性实施例中，由n个磁场传感器组成的阵列位于z＝0的位置。可替代地，磁场传感器阵列可以位于y＝0的位置处。根据安培环路定律，得到第k个磁场传感器在y轴和z轴方向上的磁场强度Hy和Hz如下。
Figure BDA0002082045900000061
其中，yk为第k个磁场传感器在y轴方向上的坐标值，z0和y0分别为导线在z轴和y轴方向上的坐标值。为了去除Hy和Hz的耦合关系，将(1)中的两式相除，得到：
Figure BDA0002082045900000062
由(2)可知，各磁场传感器的y轴方向上的坐标yk与该传感器在z轴和y轴方向上的磁场强度之比rk成线性关系，其中斜率为未知导线在z轴方向上的坐标值z0，截距为未知导线在y轴方向上的坐标值y0。对于n个磁场传感器，将(2)中的线性回归问题表示成如下式(3)所示的矩阵的形式。
Figure BDA0002082045900000063
为了解决(3)中的线性回归问题，可使用最小二乘法，得到：
[y0 z0]＝(RTR)-1RY (4)
解得未知导线的位置参数后，可以进一步求解电流值I如下：
Figure BDA0002082045900000064
由于使用了最小二乘法拟合的方式，本测量方法对随机噪声有较好的抑制作用。
以下，以使用11个磁场传感器，各磁场传感器的y轴坐标分布在-0.5m到0.5m的范围内，间距为0.1m的情况进行描述。分别叠加5％，10％，25％和50％的随机白噪声，使用MATLAB仿真得到的拟合结果如图2。测量得到的导线位置和电流误差随叠加噪声幅度的变化如图3。
由图2和图3可以看出，基于最小二乘法的算法可以用于基于直线排列的磁场传感器阵列的电流测量中。且由于最小二乘法的性质，使得测量对叠加噪声有较好的抑制作用。
除了考虑精度外，还需要考虑此方法的测量范围。假设磁场传感器的测量精度为δS，导线与磁场传感器阵列中的磁场传感器的最大距离为dmax，最小距离为dmin。磁场传感器感应到的磁场强度最大值和最小值分别为Hd-min和Hd-max，则若要满足磁场传感器阵列得到足够的可用于测量的磁场强度信息的条件，需满足(6)。
Figure BDA0002082045900000071
设未知导线与磁场传感器阵列的距离足够远，则有dmax＝dmin≈d，dmax-dmin≈ds。其中d为未知导线到阵列中点的距离，ds为阵列y轴方向总长。则若要实现较准确的测量，需满足(7)。
Figure BDA0002082045900000072
对于实验室中使用的磁场传感器，认为δS＝0.005Oe。则I为10A，ds为1m时，测量范围d为2m，可以满足工业中测量的需要。
本发明提出的基于磁场的导线参数测量方法，使用采集导线周围的磁场传感器测量的磁场强度，通过设计的基于线性回归的电流反演算法，反演出磁场源导线的电流大小。该方法可以实现灵活的高频带的电流测量，使用的线性回归方法在一定程度上消除了噪声的影响，且可以应用于导线与磁场传感器阵列之间相对位置未知的情况，实现了可应用于电力***的新型导线参数测量方法。

Claims (3)

1.一种基于电流磁场的单根导线参数测量方法，其特征在于，包括：
在垂直于所述导线的平面内的第一方向上布置多个磁场传感器，其中所述多个磁场传感器在所述第一方向上的位置已知，
获取所述多个磁场传感器的在所述第一方向和第二方向上的磁场强度，其中所述第二方向位于所述平面内并且与所述第一方向垂直；
获取所述多个磁场传感器中的每个磁场传感器在第一方向和第二方向上的磁场强度的比值；以及
利用最小二乘法，基于所述多个磁场传感器在所述第一方向上的位置以及所述比值计算所述导线的位置和电流,
其中，所述导线的位置为：
[y0 z0]＝(RTR)-1RY，
其中，
Y＝[y1…yn]T
Figure FDA0002635123740000011
y0和z0分别为导线在第一方向和第二方向上的坐标值，并且
其中，yi为第i个磁场传感器在第一方向上的坐标，ri为第i个磁场传感器的在第一方向和第二方向上的磁场强度的比值，i＝1,2…n,n为磁场传感器的数量，
所述导线的电流为：
Figure FDA0002635123740000012
其中，Hy,k和Hz,k分别为第k个磁场传感器在第一方向和第二方向上的磁场强度，
并且，以下表达式被满足：
|Hd-max-Hd-min|≥δS
Figure FDA0002635123740000021
Figure FDA0002635123740000022
其中，I为电流，d为导线到所述多个磁场传感器的中点的距离，导线与所述多个传感器中的磁场传感器的最大距离为dmax，最小距离为dmin，磁场传感器感应到的磁场强度最小值和最大值分别为Hd-min和Hd-max，ds为所述多个磁场传感器的总长，传感器的测量精度为δS。
2.根据权利要求1所述的基于电流磁场的单根导线参数测量方法，其特征在于，所述多个磁场传感器是TMR隧穿磁阻传感器。
3.根据权利要求1所述的基于电流磁场的单根导线参数测量方法，其特征在于，在传感器的测量精度为δS，导线与所述多个传感器中的磁场传感器的最大距离为dmax，最小距离为dmin，磁场传感器感应到的磁场强度最小值和最大值分别为Hd-min和Hd-max，则以下表达式被满足：
Figure FDA0002635123740000023
|Hd-max-Hd-min|≥δS。
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