CN101529259A

CN101529259A - 监视传输线的传感器、方法和系统

Info

Publication number: CN101529259A
Application number: CNA200780039330XA
Authority: CN
Inventors: S·J·西拉卡斯; R·克拉克; P·G·哈尔弗森; F·M·特斯克; C·V·巴洛
Original assignee: Promethean Devices LLC
Current assignee: Zhensi Gap; Genscape Intangible Holding Inc
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2027-09-07
Also published as: ATE467842T1; RU2009113018A; BRPI0716882A8; BRPI0716882B1; EP2059823B1; CN101529259B; RU2437105C2; US20090284249A1; WO2008031029A3; BRPI0716882A2; DE602007006514D1; US8280652B2; EP2059823A2; WO2008031029A2

Abstract

本发明提供了一种用于测量由多相电力线中的相导体生成的磁场的设备、方法和系统。该磁场测量用于确定导体上的电流负载。该磁场通过充分靠近线路而置的线圈进行感测从而不需要与线路进行接触就可以测量通过磁场在线圈中感应出的电压。该磁场的x分量和y分量用于计算导体垂度，并且然后该垂度与场强度数据一起能够用于计算线路上的电流负载和电流的相位。本发明的垂度计算与线电压和线电流测量无关。该系统对线圈上的测量和取样的电压应用计算机化拟合器例程以准确地确定与高架相导体关联的参数的值。

Description

监视传输线的传感器、方法和系统

对在先申请的交叉引用

本申请要求于2006年9月8日提交的共同未决美国临时专利申请No.60/825,093的利益，该专利申请以引用的方式全部并入本文中。

关于联邦政府资助的研究和开发

在美国能源部授予的第DE-FG02-05ER84159号合同的美国政府支持下作出了本发明。政府在本发明中具有一定权利。

技术领域

本发明涉及一种同时监视高压传输导体垂度、温度、最大载流能力(或“安培容量”)和相电流的可靠、低成本、非接触、非入侵、高准确度、高分辨率传感器。如果已经这个数据，则该系统能够估计可用的传输容量(“ATC”)并且动态评定电路。即使在安装最小数目的传感器的情况下本发明的系统仍良好地进行工作，并且该系统可以按完全便携的方式进行配置，或者可以被安装用于长期使用。要求保护的计算机化系统和方法利用从高架传输和配电线路发射出的磁场来确定高架相导体的特性及其上面的电流。该系统利用来自相导体的磁场要比导体的电场更加鲁棒(robust)的事实。电场或e-场容易受到天气和地面效应的影响，由此利用磁场提供能够用于多种环境中的更加稳定的系统。

背景技术

对电力的需求明显增长得比对可靠地传送电力的传输系统的能力的需求快。结果，高架传输和配电系统按照没有对其进行设计的方式进行工作；阻塞(bottle neck)和拥塞、中断、设备损坏和系统干扰变得非常普遍，并且出现得日益频繁。

对重要的拥塞传输电路的实时监视可以提高可靠性、减轻拥塞、增大可用的传输容量(“ATC”)，并且与当前情况相比较尽可能安全地在现有电路上移动更多电力。结果，现有系统可以服务于更多需求；运行收入(operating revenues)可以增加，并且一些需求驱动的新结构和升级成本可以被延迟。与此同时，能够提高系统操作安全性、可靠性和传递能力。

现有的实时(“RT”)监视和动态热电路评定(“DTCR”)系统具有非常高昂的总安装成本。作为成本和其它产品问题的结果，阻碍了这些技术的市场渗入、接受能力、使用和增长。本发明的传感器要比现有的传感器和DTCR技术便宜很多，将能够容易和迅速进行安装和定标，并且将能够实现普遍的低成本的DTCR。

已经彻底研究、详细报告并且反复推荐了用于减轻传输线中的阻塞和拥塞并同时保持可靠性所需的改进。最好，它是五百亿至一千亿美元，经过几十年的努力。尽管主要理解、详细描述和制定了所需的改进，但是它们仍不能够非常缓慢开始。尽管这些改进(包括明显的新构造)的一部分在20世纪90年代开始并且今天仍在进行中，但是这些改进速度仍然非常明显滞后于需求增长。

拥塞使得电流消费者每年近似花费四十亿美元。如果在保持可靠性的同时允许在拥塞的高架传输路径上传递更多电流，则拥塞相关成本能够显著减小。通过允许多个区域共享备用容量，增大的传输容量将提高电网可靠性。对拥塞电路参数的实时监视是通过改进测量和电网可视化来朝向更高电网效率和可靠性的努力焦点。参数包括导体垂度、温度、电流、安培容量和ATC(“可用的传输容量”)。当能够准确和实时地确定这些参数时，能够揭示潜在或“隐藏”的传输容量；然后能够对此进行监视、量化、记录和模拟。最终，更加重要的是，能够通过动态热电路评定和操作来利用这种传输容量。实时动态热电路评定(“RT-DTCR”)系统在保持可靠性的同时将传输电路性能(ATC、安培容量、效率)最大化。

尽管几个商用的高压传输线(“HVTL”)传感器和DTCR系统已经使用了几年，但是接受度、市场渗入、使用和使用成长受多个因素的阻碍。技术问题(例如，系统故障、对可靠性的传感器影响、差的准确度、定标的频率损耗、复杂/冗长/入侵安装或定标)已经困扰了一些技术。更加重要的是非常高的总安装成本。具有极低的成本的高架传输线(OHTL)传感器/DTCR产品将表示相对于现有的商用技术的显著改进。

针对测量导体容量、用途和实用性开发装置的努力受到设计或安装复杂度的阻碍。例如，Genscape公司已经针对它们的监视相导体中的电力和电流的方法提交了多个专利申请。Genscape公司的几个公开(例如，美国专利No.6,714,000、美国专利No.6,771,058、美国专利No.6,956,364、和美国专利申请No.20050162148)需要磁场测量和电场测量以推导出设备中的电力动态。Genscape的双重测量承担大量复杂的数据处理以估计高压传输电路中的功率通量(MW)。

Genscape的美国专利申请20070052493利用磁通量测量来确定高架导体之下的哪个位置对于检测磁场的变化是最佳的。‘493公开对于这种方式给出非常少细节：通过该种方式由其中处理聚集的数据能够用于确定诸如相导体幅值、相位角、线缆高度、温度和安培容量的附加有用参数。

Rostron的美国专利申请20050286190披露了一种利用远离相导体而置的电磁场传感器的电力监视系统。Rostron没有公开对未知系统变量的算术基础和算法。最好是，Rostron披露了能够使用从固定于地面上的底座或平台测量电磁场来预测相电流。Rostron提供了更少的细节。

发明内容

这里，本发明包括用于测量由相导体生成的磁场并且利用这些测量来确定相导体的幅值、相位和电流以及相导体的空间位置(垂度)的设备、计算机化方法和计算机实现系统。该方法既不需要准确地测量导体温度也不需要准确地测量电场。除了配电系统内的材料的已知标准以外，使用远程安置的传感器测量，这些值除了可以计算线路垂度以外还可以计算电流幅值和相位。当计算线路电流和垂度时，可以确定导体温度和容量以及安培容量。

通过利用用于测量从高架传输系统中的相导体发射出的磁场的三维相位和幅值的传感器来实现本发明的目的。该传感器利用具有由磁场产生的相反极性电流的至少两个并联导线线圈。这里也称作绕组的线圈消除电场和与该电场关联的噪声以实现更好的准确度。

这些传感器成对地使用，以测量来自高架输电和配电线路的磁场的x分量和y分量。这些磁场分量在每个传感器上感应出相应的开路电压，这些开路电压用作到更大计算机化系统的输入，用于计算模型中的关注的其它参数。

这里公开和要求保护的系统还实现了一种测量输电和配电系统中的三个或更多相导体的物理高度的计算机化方法。具体地讲，系统的数据获取和数据分析模块有效地将比较数据测量与已知操作参数进行拟合，以至少确定相导体的高度以及该导体上的电流的幅值和相位。还可以从下面公开和要求保护的系统确定诸如垂度、安培容量、容量和电流的频率的其它参数和导体温度。

附图说明

图1示意性示出了在高架相导体之下具有磁场传感器的场操作中安装的本发明的电路。

图2示出了位于水平定向的3相电力线之下的传感器的三部分表示(representation)和由该系统产生的关联输出。

图3A和3B示出了位于垂直定向的3相高架电力线之下的传感器的三部分表示和由该系统产生的关联输出。

图4示出了具有两个相反极性线圈的电场取消磁场传感器。

图5示意性示出了图4中的传感器的线圈布线。

图6示出了根据本发明安置在高架传输线之下的一对电场消除磁场传感器。

图7示出了用于长期安装的具有保护壳的图6的传感器对。

图8是由高架传输线产生的在地面上进行测量的图像磁场的垂直场分量的绘图。

图9是与已知值相比较的传感器系统计算平均电流的绘图。

图10是与测量的已知值相比较的传感器系统计算高度的绘图。

图11是用于从测量的传感器电压计算高架传输系统参数的数据拟合器(data fitter)的一个实施例中的计算机逻辑的示意图。

具体实施方式

高压高架相导体是非常长的，并且认真研究的高压高架相导体的平缓吊线(gentle catenary)、电磁特征和行为是非常清楚的¹。准线性相导体产生在60Hz可进行准静态处理的时变磁场。能够非常准确地测量出任何位置的场强，并且如果同时在多个空间不同位置进行测量，则可以用来准确地确定离导体的距离。又可以使用该距离来确定导体的垂度；据此，能够准确地确定平均导体温度、电流相位角度和电流的幅值。

相导体周围的磁场H的幅值为H＝I/2πr，其中，r是离导体的距离并且I是相电流。在三相传输电路中，相电流I₁、I₂和I₃异相120度，并且在一天的时间内大幅度变化。在实际系统中，将会存在在支持本发明的工作中解决的非平衡。尽管下面讨论的基本物理学主要针对平衡系统，但是本发明包含可存在于任何给定情况下的大量的非平衡参数。

H₁、H₂和H₃在基频(例如，在美国为60Hz，在欧洲为50Hz)处强度和翻转方向(flip direction)连续变化。为了确定任何位置处的合成的H场，必须通过将这三个起作用的场的矢量分解成水平(x)和垂直(y)分量并且分别将这些分量进行相加来计算这三个起作用场的矢量和。这个和表示为H_x＝H_1x+H_2x+H_3x以及H_y＝H_1y+H_2y+H_3y。应该注意，仅有磁场的x和y分量对于这里的目的而言是重要的，这是因为第三个z分量是非常小的以至于它对于这里的系统而言在统计上是不重要的。

对于例如图2的具有水平相导体配置的电路，直接位于中央相导体200的最低点之下的点的H_1x和H_1y由

H_{1 x} = \frac{I_{1}}{2 π} [\frac{h}{h^{2} + d^{2}}]

和

H_{1 y} = \frac{I_{1}}{2 π} [\frac{d}{h^{2} + d^{2}}]

(方程1.1)，其中，d是相导体200、210和220之间的固定距离，并且h是测试点之上的导体的高度，

H_{2 x} = \frac{I_{2}}{2 π} [\frac{1}{h}]

和H_2y＝0以及

H_{3 x} = \frac{I_{3}}{2 π} [\frac{h}{h^{2} + d^{2}}]

和

H_{3 y} = \frac{I_{3}}{2 π} [\frac{- d}{h^{2} + d^{2}}]

(方程1.2和1.3)。

由于I₁、I₂和I₃是正弦曲线，所以该系统必须对三个120度异相正弦纯量进行求和。考虑正弦变化并且120度异相的纯量V₁、V₂和V₃。在相图符号中，V₁、V₂和V₃可以分别表达为V₁＝V_1p[cos(0)+jsin(0)]＝V_1p、

和

其中，V_1p是V_1peak，V_2p是V_2peak等等。合成量的幅值给出为：

= {[(V_{1 p} - \frac{1}{2} V_{2 p} - \frac{1}{2} V_{3 p})}^{2} + {{(\sqrt{\frac{3}{4}} V_{2 p} - \sqrt{\frac{3}{4}} V_{3 p})}^{2}]}^{1 / 2}

= {[V_{1 p}^{2} + V_{2 p}^{2} + V_{3 p}^{2} - (V_{1 p} V_{2 p} + V_{1 p} V_{3 p} + V_{2 p} V_{3 p})]}^{1 / 2} .

丢掉“p”角标，结果是

V = {[V_{1}^{2} + V_{2}^{2} + V_{3}^{2} - (V_{1} V_{2} + V_{1} V_{3} + V_{2} V_{3})]}^{1 / 2}

(方程2)。

对于直接在中心相位最低点之下的测试位置，该系统将来自三个高架相位的场分量进行合成。通过将方程1.1、1.2和1.3的x分量插入到方程2中，我们发现水平场分量的幅值H_x是：

H_{x} = {[H_{1 x}^{2} + H_{2 x}^{2} + H_{3 x}^{2} - (H_{1 x} H_{2 x} + H_{1 x} H_{3 x} + H_{2 x} H_{3 x})]}^{1 / 2} = \frac{I}{2 π} \frac{\sqrt{3} d}{h^{2} + d^{2}}

(方程3x)

相似地，对于垂直场分量H_y，我们得到

H_{y} = \frac{1}{2 π} [\frac{1}{h} - \frac{h}{h^{2} + d^{2}}]

(方程3y)。分量的比率是

\frac{H_{y}}{H_{x}} = \frac{\sqrt{3} h}{d}

(方程4)。

重要的是，请注意，当导体上的负载平衡时，方程4独立于相导体中的电路电压和电流。对于具有水平相导体几何形状的AC传输电路，方程4说明了，通过同时测量直接中央相导体之下的AC幅值H_x和H_y，能够利用下面公式确定从相导体到检测线圈的距离，这个公式为

h = \frac{d}{\sqrt{3}} \frac{H_{y}}{H_{x}}

(方程5)，其中，d是相导体的固定间隔。给定h，我们于是能够从方程3y计算出相电流I，

I = 2 π H_{y} {(\frac{1}{h} - \frac{h}{h^{2} + d^{2}})}^{- 1} .

能够通过测量在位于至少一个相导体的磁场内的大面积线圈中形成的AC电压来确定H_x和H_y。能够利用这些线圈测量三维(即，“x”或左/右维度、“y”或上/下维度、以及“z”或向前/向后维度)中的磁场的幅值和相位。在这个实施例中，场的三维图能够被描述为矢量，这些矢量的尾部固定在空间中多个点，但是这些矢量的顶部例如以60Hz进行旋转以描绘出它们旋转的椭圆。本发明的系统的一个优选实施例仅仅利用轴处于水平和垂直方向的线圈。

给定H，n匝包围面积A的线圈的RMS电压V是V＝2πFμ₀HnA。F是60Hz，μ₀＝4πx 10^-7亨利/米，并且H是线圈轴方向上的磁场的分量的RMS幅值。为了测量H_x，利用图6所示的线圈12，该线圈的轴是水平的；对于H_y，需要具有垂直轴的线圈10。具有正交轴(“T”结构)的两个相同线圈(图6)可以用于连续地监视H_y/H_x，向我们提供了关于h和I_rms的连续信息。

尽管方程5仅仅应用到水平相导体配置，但是仍能够通过正确配置的线圈(10、12、14、16、18、20)监视垂直相导体配置(图3)。在这种情况下，直接相位之下的H_y将是零(通过对称)，从而不能够利用H_y/H_x方案。然而，能够同时在直接位于导体310和320之下并且非常靠近地面的两个高度y₁和y₂处测量H_x；于是比率H_x(y₁)/H_x(y₂)能够用于确定h以及由此确定I_rms。图1示出了场形成系统的布局和功能框图。

如图1和图2所示，本发明的一个实施例包括两个大面积线圈14和16(650-1000m²)，其中，这两个大面积线圈14和16直接位于水平配置的传输电路的中央相导体200的最低点之下。线圈14和16以“T”配置进行布置并且位于地面上或者刚好在地面上。线圈和传感器系统占据了大约1m³的体积，位于薄混凝土垫上，并且置于高可靠性、高强度、不受天气影响的外壳(非金属；低μ)中。计算进一步示出：以最小附加成本，传感器系统能够刚好位于地表面之下，其中，太阳电池板和天线位于最近的传输塔上。

彻底地研究并且广泛地模仿相导体垂度与平均导体温度之间的热机械关系^2，3，4。例如Sag10、LineAmps、EPRI’s DTCR包和ValleyGroup’s IntelliCat的几种商业软件包基于现有模型。给定对受监视的跨距和导体特定的机械、工程和维度信息(例如，线张力、导体类型和属性、跨距长度)，能够从准确的实时垂度测量确定跨距中的导体的平均温度。将I_rms与准确知道的垂度和温度进行组合并且引入导体的静态评定(后者，温度的函数)使得我们能够计算安培容量。如果受监视的跨距并非受间隙(垂度)的限制和/或受热的受限制，则实际实时安培容量与实际实时导体I_rms之间的差别是操作员能够测量的裕量或者附加传递能力。这是动态热电路分级(“DTCR”)和操作的基础。

参照图1，传感器系统的初始设计支持非常低的连续功率需求。子系统和部件经由睡眠、静止和开关操作模式支持低占空比操作。变换器自身不需要电力，并且对于大多数实施例，没有系统部件或者子系统需要主动(基于TEC)加热或冷却。通过高效30V Si太阳能面板60和可充电Ni：MH(或者Li离子)电池组65的组合对系统供电；这将会提供开关电源55。两个最耗电的系统部件分别是2.64W的单板计算机35和4W的无线通信发送器50。最大连续功耗小于7W。太阳能面板60和点滴式充电的高效电池组65的组合将在所有条件下提供系统电能。在黑暗中，充满电的电池组65能够向系统供电超过60小时；完全日光中的再充电时间小于或等于7小时。给定高架相导体的热机械时间常数，7.5或10分钟间隔的主动报告应该足以支持所有的终端用户监视和/或DTCR活动。在7.5分钟报告中，有效系统电源占空比将近似是6.7％。

对DTCR技术的技术讨论总是处理要受监视的参数和传感器类型，但是总是推测它们的数目、位置和间距。众所周知，电路的位置、路由、方向、海拔和地形以及它的通行权对温度具有非常明显的影响，由此，对高架高压导体跨距的垂度和间隙具有非常明显的影响。例如，如果在地面上具有5、10、20或可能更多的直通行权或电路英里，并且通过一个罗盘方向，似乎真实的是位于划线跨距(或临界跨距)上的单个传感器可以提供期望的实时安培容量限制垂度和温度信息。然而，在一种类型的地形和植被之上并且在恒定海拔的长的直的传输通行权并不表示美国的通行权和电路英里的重要部分。

更通常，沿着给定的电路的方向、地形和海拔存在大量变化；这些变化会影响入射的太阳辐射、风速、风向、周围温度和湿度。变化的地形、表面植被和表面/地貌地质对导体温度具有明显的影响并且由此对垂度具有明显影响；能够逐跨距地频繁观察到这些变化。这些因素组合使得导体温度和垂度是高度动态的和不可预测的。尽管天气系统、模式和周围条件在5、10或20英里内是非常相似的，但是在许多情况下，即使假定静态的通行权参数，在几分钟到几小时的整个时间过程中，在间隔这些距离的点能够看见明显不同的环境温度、湿度、风速/风向。

划线跨距(ruling span)是明显的初始或缺省传感器位置5。然而，划线跨距是假定的均匀设计跨距，它近似描绘尽头之间的跨距的热机械行为。它的目的在于线路的设计和构造(针对结构测定和导体放线计算垂度和间隙)而非几个季节和几年的操作。此外，尽管划线跨距是逻辑启动点，但是它的热机械状态和行为可能根本不可能代表整个电路。

响应于老化基础设施、平均负载的明显增大以及增长的拥挤问题，许多公共机构、独立服务操作员(“ISO”)和区域传输组织(“RTO”)现在具有关于它们的传输线和通行权的高准确度测量数据。许多最新测量集中关注了已知的重度负载和拥挤的路径，并且已经揭示了所谓“临界跨距”即并非频繁地是，垂度/间隙限制的跨距的存在。这些临界跨距是明显的传感器安置的候选。持有这种测量数据，通常可以分配一个最临界跨距，但是频繁存在统计上仍是临界的附加跨距。结果，给定的拥挤(或者重度负载)路径可以包含一打或更多可以指示进行传感器安置的临界跨距。

实际情况是，当前对传感器数目和间距没有清楚的规则或共识。每个公共机构、RTO和ISO是不同的，每个拥挤路径是唯一的，并且由于多个原因(其中一些原因是统计性的)而导致的用于指定传感器安置的术语“临界跨距”由不同实体进行不同定义。事实上可以确定，将逐个情况地即逐个RTO地、逐拥挤路径地确定传感器数目、位置和间距。如果传输和配电(“T&D”)系统应用的智能电子装置(“IED”)的购买的历史是任何指南，则事实上还可以确定，规定的传感器的数目与总安装成本成反比⁶。

当更多电流在电力线中进行流动时，导体中的I²R损耗导致线路温度升高，同时由于热膨胀导致线路导体相应地延长。由于导体在固定点(例如，在塔处)被支撑，所以当电流增大时导体高度会发生改变，并且导体高度的这种变化导致在地面进行测量的B场的较小改变。

利用三相电力传输线的简单的三导体模型，执行计算以示出该线路之下的地面上的B场的垂直和水平分量的行为。这个模型基于场的近似方案，它利用复杂图像理论以包括线路之下有损耗地面的效应。然而，这揭示了对于靠近传输线的场观察点，可以忽视地面效应。

线路几何形状和电流

这个研究利用两种配置，即如图2和图3所示的典型的500kV型传输线。如图2所示，一个线路具有相导体200、210和220的水平布局，并且可以存在对称地安装在相导体(未示出)之上的两个屏蔽导体。图3描绘了具有一个高架屏蔽导线和三个相导体300、310和320的垂直堆叠线路。

这个分析忽视了高架屏蔽导体和可以在它们中进行流动的任何电流。在图2的水平配置中，典型的线路高度h＝17.4m，并且相导体间隔d＝10.67m。对于图3的垂直导体配置，相位A导体高度h＝17.4m并且相导体间隔d＝9.14m。

图2的线路上的电压彼此120度异相。在相位B导体上采取0°相位基准，线路电压能够在相图符号(phaso notation)中表达为：

V_A＝V₀e^-j2π/3

V_B＝V₀e

V_C＝V₀e^+j2π/3 (1)

注意：由于它们的和是零：∑_iV_i＝0，所以这些电压是平衡的。

在这些线路中流动的电流取决于附到线路上的电负载。公共机构尝试平衡这些负载从而线路电流也是平衡的。然而，这并不总是可行的并且有时候将会出现下面的流动的总电流或零序电流I₀。

∑_iI_i＝I₀ (2)

此外，由于线路上的电负载是电抗性的(reactive)，所以不能够保证电流的相位与电压的相位相同，也不能够保证这些相位之间的相位差正好是120°。随着时间变化，电流相图的幅值和相对相位能够发生改变，这取决于线路的电负载的状态。

如果我们假定电流相位与电压相位相同，则零序电流能够被写为：

I_{0} = I_{A} e^{- j 2 π / 3} + I_{B} + I_{C} e^{+ j 2 π / 3}

= \sqrt{I_{A}^{2} + I_{B}^{2} + I_{C}^{2} {- I}_{A} I_{B} - I_{A} I_{C} - I_{B} I_{C}} - - - (3)

磁通量密度的估计

为了计算由高架电力线生成的B场，起始点是利用毕奥-萨伐尔定律⁷，它提供了承载准静态电流I的长导体附近的磁(H)场。对于理论上无限长的导体，由电流生成的离导线的距离r的H场处于方向上并且表达为：

H_{φ}^{(r)} = \frac{I}{2 πr} (A / m) - - - (4)

导线周围的对应磁通量密度(B场)由

\overset{&RightArrow;}{B} = μ_{0} \overset{&RightArrow;}{H},

其中，μ₀＝4π×10^-7(H/m)。因此，B场为：

通过楞次定律，在面积A的n匝导线线圈中感应的开路电压与链接该线圈的B场的时间导数之间的关系为：

对于频率f的时间谐波B场，感应的开路线圈电压的峰大小为：

|V(f)＝2πfnAB(伏特) (7)

方程(7)中的B场与环的开路电压之间的简单关系暗示出这个环能够用作测量由高架电力线生成的B场的传感器。因此，电力线能够被模拟为导电地面之上的位置(x_i，y_i)处的三个高架导体。对于线路中的每个导体，能够用方程(4)的形式中的直流成分外加源于有损耗地面的存在的成分表达观察位置(x₀，y₀)处的B场。对来自地面上的一个导体的B场的表达已经由Wait⁸得到，并且后来Olsen⁹将该表达用于与图2一样的三相线路。

根据Olsen，由源于每个导体中的电流的三项之和给出位置(x₀，y₀)处的B场的笛卡尔分量：

B_{x} = (x_{o}, y_{o}) = - 200 Σ_{i = 1}^{3} I_{i} [\frac{(y_{o} - y_{i})}{{r 1}_{i}^{2}} - \frac{(y_{o} + y_{i} + α)}{{y 2}_{i}^{2}}] (nT) - - - (8 a)

B_{y} = (x_{o}, y_{o}) = 200 Σ_{i = 1}^{3} I_{i} [\frac{(x_{o} - x_{i})}{{r 1}_{i}^{2}} - \frac{(x_{o} + x_{i})}{{y 2}_{i}^{2}}] (nT) . - - - (8 b)

在以上表达中，括号中的第一项来自导线的直接B场成分，并且第二项源于地面效应。该第二项看来像合成距离(y+α)处的地面上的高架导体的图像，其中，y是正被讨论的导体的高度，α是如下给出的频率相关复合距离：

α = (1 + j) 503 \sqrt{\frac{1}{σ_{g} f_{o}}} (m) - - - (9)

这两项r1和r2分别是从导线和图像到观察点的距离，并且给出为：

{r 1}_{i} = \sqrt{{(x_{0} - x_{i})}^{2} + {(y_{0} - y_{i})}^{2}} (m) - - - (10 a)

{r 2}_{i} = \sqrt{{(x_{0} - x_{i})}^{2} + {(y_{0} + y_{i} + α)}^{2}} (m) - - - (10 a)

地面对B场的效应

为了示出由高架电力线生成的B场行为并且评估导电地面的效应，需要指导性地考虑一个导体线路(例如，如图2所示的电流仅仅在相位B 200中进行流动的线路)。对于10.3m高线，图8呈现了利用Wait的严格分析和Olsen的近似图像分析的不同地面导电性的60Hz的标准化垂直B场(B_yI)的绘图。这个绘图的x轴表示远离线路和靠近线路的观察点的水平距离，注意到复合图像和精确模式非常一致并且地面效应不是非常明显。

真实地面的电导率σ在0.1和0.0001S/m之间。从图9中我们注意到：对于这种导电率的范围，与线路的距离小于200米的观察点的B场响应非常接近等于隔离的相导体的B场响应。因此，靠近线路，可以忽视地面效应并且能够省去方程(8)中的括号中的第二项。仅仅通过来自相导体电流的成分计算B场。

图2和图3的分析

需要绘制图2的3导体线路之下的B场。图2包括具有彼此120°相位差并且具有400A振幅的3相电流的3导体线路的磁场绘图。B场的垂直(y)分量在中心相位(200)之下最大，并且水平(x)分量在靠近外(210和220)相导体的水平位置的大约x＝±14米处最大。

可以在图2中注意到，最大B场振幅是大约小于具有相同电流幅值和相同相位的3导体情况的3倍。

需要考虑图3所示具有垂直堆叠的多个导体的交错线路之下的地面上的B场的行为。图3示出了这个线路之下的垂直和水平B场分量，并且应该注意到这些分量的行为与具有水平导体的线路的行为相反。也就是说，对于垂直堆叠的导体300、310和320的线路，B场的水平(x)分量在这个线路之下最大，并且垂直(y)场在x＝±14米处最大。

零序电流的效应

为了评估在图2的传输线中流动的零序电流的存在的重要性，针对等于几乎最大的1300A的相电流A和C利用计算模型。相位B200电流等于1300+I₀，其中，零序电流I₀可以在0到100A范围内进行变动。这些电流的每个彼此具有120°相位差。

B场(磁通量密度场)的峰值对零序电流的存在相对不敏感。通过在这些峰场位置安置磁通量密度传感器，该系统将提供估计线路垂度的有用数据。在这点上，这些传感器的第一位置不必是任意的，但是相反，该系统将接近最敏感位置以准确安置这些传感器。

线路垂度的估计

通过B场的计算模型，可以检查并且评估用于估计由于线路受热所导致的传输线垂度的各种策略。这些策略中的一些策略需要进一步研究，并且在研究估计线路垂度的方法中的第一步骤在于检查地面上测量的B场如何随着线路高度变动而改变。

另外，在本发明的系统中，如图10所示十分准确地计算线路高度的值以解决与线路垂度相关的问题。

分析高架传输和配电线路的计算机化方法

针对以上讨论的背景，应该注意到可以在本发明的范围内利用计算机化系统来实现用于确定任何给定的高架电和配电系统的电流幅值、电流相位和相导体高度的计算。然后能够使用这些参数模仿诸如线路温度、垂度、间隙、安培容量和线路容量的其它因数。如图1到图3所示，本发明的计算机化系统利用安置在高架相导体200、210、220、300、310和320之下的正交定向的多对电场消除磁场传感器10、12、14、16、18和20。一对传感器中的每个传感器感测从高架相导体发射出的磁场的x分量或y分量。这些传感器远离相导体而置并且由此不会干扰传输系统。从这些线路发射出的磁场分量分别在每个传感器上感应出相应的开路电压，该开路电压用作到更大计算机化系统以计算模型中关注的其它参数的输入。

该系统中的每个传感器(例如，10)是能够测量从相导体发射出的磁场的三维相位和幅值的设备。传感器10具有至少一对与公共地相反的极性的并联导电绕组21-23和22-24。相反极性绕组基本上消除了绕组上的电场信号并且在每个绕组的未接地端之间产生了开路电压。结果是来自线圈的两个良好磁场信号是彼此的正和负镜像。在线圈的两个引线上电场信号是相同的。通过在电子装置中利用差分输入装置，电场作为共模信号被丢弃而差模磁场信号被保留。

在一个实施例中，绕组21-23和22-24具有至少150匝·平方米的封闭区。这些绕组围绕基本柱形的绕线筒(bobbin)进行缠绕，从而每个绕组分别围绕绕线筒的相应的并行横断面厚度进行缠绕。在优选实施例中，这些绕组的材料、链接和匝半径相同。该绕线筒包括由铁氧体材料、镍与铁合金或者金属玻璃形成的芯。

在每个传感器上感应出的电压与它相对于高架相导体的位置、传感器线圈中的环或匝的数目以及来自相导体的磁场的变化率相关。应该记住，线圈对磁场信号的时间导数是敏感的。基于此，线圈对基频(例如，在这种情况下是60Hz基频)的二次谐波是双倍敏感的。线圈对三次谐波是三倍敏感的，诸如此类。在一个实施例中，传感器非常靠近高架相导体从而绕组之间的开路电压至少是100mV AC。在更加优选的实施例中，开路电压在大约100与大约400mV AC之间。

期望在避免每个传感器10内的线圈或绕组的谐振频率的频率范围内操作该系统。基于此，这些线圈被配置为具有以4kHz或更高频率为中心的谐振频率。通过大约60Hz的关注基频，根据本发明的系统在线圈的谐振频率之下针对更加受控和稳定响应能够进行良好操作。对本发明的传感器内的线圈进行设计从而使得绕组间的电容非常低(近似0.5nF)，并且这个低电容将谐振频率推到4kHz或更高的期望范围之外。

应该注意，传感器10的输出取决于该传感器10内的线圈上的负载，这由输入电子装置进行确定。如果负载是“高阻抗”，则几乎不会从线圈流出电流并且测量输出是电压。如果负载是“低阻抗”，则将从线圈流出大量电流。因此，存在如下可能性：基于从传感器感应出的电流测量的低阻抗系统能够用于计算高架传输和配电系统的期望值。

如上所述，传感器成对工作并且无交叉地进行正交定位，从而仅仅检测由相导体生成的AC磁场的x和y分量。垂直定位的传感器(例如，12)具有水平轴并且提供由磁场的x分量感应的可测量电压。水平定位的传感器(例如，10)具有垂直轴并且提供由磁场的y分量感应的可测量电压。如图1所示，最优选实施例利用定位在三个高架相导体之下的地面上的三对正交定向传感器10、12、14、16、18和20。

图4和图5进一步示出了根据本发明利用的传感器的细节。传感器10具有在传感器的截面厚度上并行的两个绕组10a和10b。第一绕组10a开始于最靠近传感器芯的端22并且在芯周围上缠绕期望数目的匝数，由此沿着传感器的外围在松端23结束。第二绕组在最靠近传感器芯的端24开始并且在芯周围上缠绕期望数目的匝数，从而沿着传感器10的外围在松端21结束。如图5所示，第二绕组10b的第一(芯)端22和第一绕组10a的松端21连接到公共地(commonground)。然后，可以在第二绕组10b的松端23和第一绕组10a的第一(芯)端24的绕组之间进行差分电压测量。

以这种方式进行差分电压测量的一个有用方面在于：相反极性绕组10a和10b取消在绕组上产生的电场。电场对于本发明的系统不是必需的并且仅仅扭曲了期望的电压测量。通过消除在绕组10a和10b上生成的电场，本发明的系统提供仅仅与从高架相导体发射出的的磁场相关的更加准确的电压测量。

继续讨论图1的公开，来自传感器的开路电压是每个传感器的各个低通滤波器的差分输入。这种滤波去除了更高谐波并且仅仅将关注数据提供给该过程中的下一个步骤。根据标准设计考虑事项，低通滤波器可以是RC低通滤波器，具体地讲，可以是截止频率是大约98Hz的低通滤波器。

然后通过模拟数字变换器25(ADC)对模拟电压测量进行取样以将数据处理进行数字化。在一个实施例中，该ADC具有8个通道并且以每秒8000样本对电压信号进行取样以生成表示跨接每个传感器上的绕组对测量的每个实时电压的16比特数字。通过将振荡器引入到硬件设计，本发明改进了ADC 25性能并且提供计算电压信号的频率的便利手段。

当然，响应于来自高架传输和配电系统中的相导体的磁场，跨接每个传感器的绕组感应出电压。根据本发明，以数字格式表示电压的数字被提供给计算机处理器35，以便分析。数字化表示的电压信号提供系统性能的基础以确定每个高架相导体上的电流的幅值、那些电流的相位和频率、每个相导体的高度、垂度和间隙、每个导体的容量和安培容量以及线路的温度。

为了对该系统提供定标工具、传感器数据和一般性检查，图1示出了用于从传感器手工测量导体的高度并且用于确定传感器的地理位置的激光测距仪。然而，本发明包括利用预设置数据库说明这个信息的可能性。场测量的所有数据可以经由传统或无线网络(例如，互联网)发送到远离数据收集点而置的其它计算机和其它数据处理中心。最后，图1还示出了电池备份和不需要连接到独立电源就可以进行场安装的太阳能供电面板。

该系统还包括用软件实现的用于处理表示来自传感器的实时电压信号输出的数字数据的数据处理模块。该数据处理模块分成两个可执行部分。第一可执行部分实现实时数据获取。第二可执行部分实现实时分析或者实现离线分析。

数据处理系统内的数据获取模块包括数字带通滤波器从而隔离表示每个实时电压信号的数据流的基频。该数据获取模块还可以进一步划分成用于识别每个电压信号的相位的相位确定模块和用于识别每个电压信号的振幅的振幅确定模块。在下文中更加详细地讨论这些模块中的每个模块。

在本发明的一个实施例中，相位确定模块计算数据样本的矢量(即，线性阵列)与包含60Hz正弦波的矢量的内积以获得值Q。该模块还计算数据样本与包含60Hz余弦波的矢量的内积以获得值I。最后，反正切(Q/I)的值产生数据的相位。“I”是指“同相”而“Q”是指“正交”。这还称为两个矢量的“点积”。这些相位由线圈相位偏移进行可选择的调整。

本发明还可以包括振幅确定模块，该振幅确定模块包括计算模拟数字变换器25内的每个通道的均方根伏特的装置。这些振幅由测量的线圈灵敏度进行标定，从而现在数据以每匝平方米的伏特为单位。于是，如果线圈X锯掉1伏特并且如果它具有1000匝每平方米，则新值将是0.001。这个步骤实现与模拟结果的轻松比较。接下来，通过有限响应滤波器使得振幅和相位数据平滑化(低通滤波)。

数据处理模块的更加详细例子包括模拟数字变换器(ADC)，其中，该模拟数字变换器(ADC)在4秒内以每秒8000读数收集电压读数。每ADC的这些32000个数字在进行1秒延迟以后发送到计算机处理器35，从而计算机每5秒接收到256000个数字。在优选实施例中，该系统中的六个传感器中的每个传感器向模拟数字变换器中的8个通道之一发送数据。第七个通道用于进行同步，而第八个通道是备用的。

尽管来自ADC的信号包含期望的60Hz正弦/余弦波，但是它们还包括为了使软件正常地工作而必须被滤掉的更高谐波。这样做，该软件滤掉了高于72Hz和低于48Hz的任何信号。通过将32000个数字与作为2001个数字的列表的“滤波器内核(filter kernel)”进行“卷积”完成这个操作。卷积是采取两个数字列表(两个阵列)并且从它们形成加权平均的列表的方法。因为根据已知标准的规定构建滤波器内核，所以加权平均保持在48与72Hz之间的信号。整理的数字列表短于原始列表，从而现在信号仅仅是29999个样本，这对于这里的目的足够了。

尽管在当ADC电压经历零时为了可以获得相位的检查，但是这些做的更加准确方法如下：

1.对先前滤波的ADC信号“开窗口”。也就是说，如果ADC信号是29999个数字长，则使得同样是29999长的另一个数字列表在零开始逐渐增大并且然后逐渐回到零。然后，将每个ADC数字与该列表中的对应数字进行相乘。这使得ADC信号在开始时变成零，逐渐增大，从而它看起来就像正弦波，然后逐渐下降并且最后的第29999个数字变成零。在一个实施例中，窗口函数是“布莱克曼”窗口。该布莱克曼窗防止会导致该系统的随后部分中的误差的数据的突然和陡峭变化(即，突然从零到更高值)。

2.在计算机存储器中形成理想的60Hz正弦波。这是“模型正弦波”，并且与ADC值一样，它是29999个数字长。

3.形成理想的60Hz余弦波，29999个数字，超前正弦波90度。

4.将模型正弦波的每个数字与对应的ADC数字进行相乘并且将所有这些乘积相加。这称作“I”或者“同相”分量。

5.相似地，将模型余弦波的每个数字与对应的ADC数字进行相乘，并且将所有这些乘积相加。这称作“Q”或者“正交相位”分量。

6.此时，可以获取I除以Q的反正切。这将会给我们弧度形式的信号的相位。然而，由于Q能够是零并且除以零会产生软件问题，所以更好的方法利用容易实现为“atan2”的特殊目的例程。这个例程采取I和Q并且计算角度而不会产生除以零的问题。该角度是弧度形式的，但是能够转换成角度。

为了计算信号振幅，在发现相位的过程中从步骤1的“开窗口”的输出开始。通过29999个数字的列表，计算列表的均方根(RMS)(即，将每个数字进行平方，将所有的平方相加，除以29999，并且获得平方根)。然后，与校正因子相乘以说明布莱克曼窗去除了开始和结束的一些信号的事实。这是我们需要的ADC信号振幅。单位是伏特RMS。

另一个细节是节省处理器资源，能够对拟合器进行各种优化。一种优化胜于拟合三个独立电缆电流，该软件实际上拟合外侧相导体210、220、310和320上的电流的比率。为了一致，线圈振幅部分“Q”于是基于线圈振幅的比率。效果在于将已知值和未知值的数目减小了。

相似地，除了拟合三个电缆相位以外，该系统拟合外侧相导体210和220的电流与中间导体200的电流之间的相位差。这将已知值和未知值的数目减小了。于是，该软件通过5个未知值和6个已知值进行工作。

综合看，本发明提供了一种计算机化方法，该计算机化方法不仅远程测量相导体上的电流的幅值和相位，还远程测量输电和配电系统中的至少三个相导体的物理高度。该方法包括将正交定向的一对电场消除磁场传感器定位在每个导体之下从而相导体的磁场在传感器中的线圈的各端之间产生开路电压的步骤。接下来，该方法测量每个传感器上的开路电压并且在计算机处理器上运行软件以确定系统的高度、幅值和相位参数。

本发明的这个软件利用拟合器技术来基于在传感器上感应出的电压计算关注的参数。拟合具有两个部分：磁场模拟和使得拟合与测量匹配的重复例程。图11中示出了拟合例程的一个例子。场模拟具有下面输入，初始时对这些输入进行如下推测：

·电缆高度。假定所有的高度相等。

·三个独立电缆电流，以RMS安培为单位。

·三个独立电缆相位，以度为单位。

此外，该模拟需要知道四个线圈的左右和上下位置以及它们的定向。激光测距仪能够用于收集这个数据。

基于该数据，该模拟预测线圈的输出应该是什么：四个线圈振幅(每匝平方米的电压)和相位(度)。在一个实施例中，该拟合例程执行下面的步骤：

1.通过对以上列出的7个未知值进行推测来提供该模拟。

2.将由该模拟进行预测的四个线圈相位和四个线圈振幅(8个已知值)与测量值进行比较以计算误差值。

3.拟合器改变7个未知值并且再次尝试。如果误差提高，则保持更好值。

4.继续一些合理的重复次数。

最佳拟合构成包括电缆高度、电流和相位的答案集合。能够容易地进行识别，该系统基于8个测量计算7个未知值。于是，在理论上，该问题是超定的(over-determined)。

在一个更加优选的实施例中，拟合器步骤包括：对系统参数分配初始估计值，该参数包括每个相导体的高度、相导体上的电流和这些电流的相位，并且通过在计算机软件内运行重复计算循环来确定相导体的高度、相导体上的电流和电流的相位的实际值。该重复计算循环包括下面步骤：

(i)计算应当由针对每个相导体高度、电流和相位分配的初始估计值所产生的传感器上的各个复合开路电压的期待值；

(ii)计算每个传感器上的测量开路电压与每个传感器上的期待开路电压之间的误差；

(iii)向相导体高度、电流和相位中的至少一个分配新的估计值；

(iv)经由计算机处理器重复计算步骤(i)、(ii)和(iii)以将期待复合开路电压与每个传感器上的测量复合开路电压之间的误差最小化。

(v)基于将所有系统参数的误差最小化的重复确定值确定每个相导体的高度、每个相导体上的电流的幅值和每个相导体上的电流的相位的值的实际集合。

分配初始值的步骤包括对三个相导体中的每个的高度、电流和相位分配初始值，并且计算每个相应线圈上的预测电压的步骤包括计算由每个线圈从三个相导体中的每个感测到的磁场。对相导体的高度、电流和相位分配新的初始估计值的步骤包括当估计值增大或减小称作该参数的抖动值的已知量时评估误差值是增大还是减小。

在另一个实施例中，本发明的特征在于远程测量与输电和配电系统关联的物理参数的计算机化方法，这些参数包括输电和配电系统中的至少三个相导体的物理高度和每个相导体上的电流的幅值和相位。根据本发明的方法包括定位至少三对正交定向的电场消除磁场传感器从而每个相导体的磁场在传感器中的线圈的各端之间产生开路电压，测量每个传感器上的开路电压，并且经由计算机处理器运行计算机控制软件命令以确定系统参数的实时值。

该软件可以包括实现下面步骤的命令：

(i)对这三个相导体中的每个的未知系统参数分配初始估计值，这些系统参数包括每个相导体的相应高度、各个相导体上的电流的幅值和各个电流的相位；

(ii)计算由于对系统参数分配的初始估计值产生的每个传感器上的各个复合开路电压的期待值；

(iii)计算每个传感器上的测量开路电压与每个传感器上的预测开路电压之间的误差E0；以及

(iv)通过针对每个传感器运行重复计算循环来计算系统参数的实际值。

在软件的一个优选实施例中，重复计算循环包括：

(i)选择用于调整的系统参数；

(ii)将选择的系统参数增加一个抖动值(dither value)；

(iii)结合为其余参数分配的初始估计值计算应当由增大的系统参数产生的传感器上的各个复合开路电压的预定值；

(iv)计算传感器上的测量开路电压与传感器上的预测开路电压之间的误差E+；

(v)将选择的系统参数减小抖动值；

(vi)结合为其余参数分配的初始估计值计算应当由减小的系统参数产生的传感器上的各个复合开路电压的预定值；

(vii)计算传感器上的测量开路电压与传感器上的预测开路电压之间的误差E-；

(viii)存储将误差值最小化的选择的参数的值；

(ix)选择用于调整的下一个系统参数，从而重复地选择系统参数；

(x)重复计算步骤(ii)-(ix)以确定系统参数值的哪个集合将传感器上的预测复合开路电压与传感器上的测量复合开路电压之间的误差值最小化。该计算机化方法针对每个传感器同时运行重复计算循环。

如上述实施例中所述，该方法包括对每个传感器上的开路电压进行数字取样(例如，每秒8000个样本)并且通过将实际系统参数与振荡器进行比较来确定每个相导体上的电流的频率的步骤。在计算开路电压的期待值的过程中，这里的方法和系统计算针对给定的系统参数集合每个传感器进行操作的磁通量密度。关于以上重复计算循环的步骤(viii)，计算将误差值最小化的选择的参数的值的步骤，优选方法从选择的系统参数值中减去差分方程的比率。更具体地讲，通过将系统误差函数的第一导数除以系统误差函数的第二导数来确定差分比率。基于在这个方法中利用的误差函数是二次方程的事实首先实现这个有用计算。

拟合器步骤的更加详细描述有助于理解本发明。当第一次调用拟合器时，必须提供关于“回答”的一些初始推测。推测如下：电缆高度是18米，电缆上的电流均是100安培，并且相位是+120、0、-120。这些相位还可以变换成-120、0、+120。下一个步骤是计算称作“误差”或缩写为“E”的数字。如果推测确实正确，则该误差尽可能小并且靠近零。在技术上，这称作“将误差最小化”。对于这里的目的，在迫使误差值尽可能靠近零的意义上利用术语“最小化”。该误差永远不可能真实为零，这是因为，如下所述，该误差是各个误差的平方和，并且平方函数使得所有误差分量为正，并且由于诸如ADC的噪声源和外部干扰而得到这些分量总是具有至少一些误差。在任何情况下，参数推测越差，数字E越大。

此时，计算是传统的逻辑循环。由于软件重复循环，所以它通过可调整参数的列表进行工作。这些是相导体高度(假定均相同)、导体电流和相位。对于这些参数中的每个，存在抖动尺寸(dithersize)Di的列表，该抖动尺寸Di是小的高度变化(1cm)、小的电流变化(1％变化)和小的相位变化(0.01度)。如果抖动尺寸是零，则该信号没有针对这个参数进行调整，并且循环什么也不做。由于中间电缆的相位总是零，所以这是有利的，从而它不需要进行调整。

开始时，参照已经计算为E₀的误差。该软件调整当前评估的参数并且将它减小了与该参数相关的抖动尺寸。接下来，软件针对该调整的参数值计算误差并且将该值称作E-。软件还通过将参数增加抖动尺寸并且计算误差E+在相反方向上前进。利用E₀、E-和E+，软件针对该参数计算新的更好的值。用于获得新值Xi的公式如下：

·新Xi＝Xi-(E’/E”)，其中，E’是E(Xi)的一阶导数，E”是E(Xi)的二阶导数。

·E’＝(E+-(E-))/(2Di)，其中，Di是抖动尺寸。

·E”＝((E+)+(E-)-(2E0))/(Di²)。

该系统现在具有新Xi，但是在相位的情况下，新Xi可能在“合法”-180到+180度范围之外。如果出现这种情况，软件增加或者减去360度以将它“转回”该范围内。新Xi用于计算新误差E0，并且循环持续直到误差位于定义的容许量内。

如果数据分析利用采用电流比率和相位差优化资源的上述步骤，则下一个步骤变换电缆中的电流与实际电流的比率。这样做，该系统从线圈之一(例如，Bx线圈)获得电压并且将它除以拟合器结果将使得那个电流成为的结果。该比率将是大数字，它与电缆中的电流相乘以获得电缆中的实际电流。

从另一个角度看，误差信号基本上是线圈的复合电压与称作“波形预测器”的程序的复合电压的比较，其中，该“波形预测器”基于通常称作Xi的参数的推测预测线圈将经历什么。如果预测的线圈电压与测量电压正好匹配，则误差是零。E的值(其中，D用于Δ)是：

·E＝(Dv12+Dv22+..+Dv62)Wv+(Dp12+Dp22+..+Dp62)Wp

·其中，Dvi＝(Vmi/VmBY)-(Vpi/VpBY)(这是线圈电压的误差)

·并且Dpi＝(Pmi-PmBY)-(Ppi-PpBY)(这是线圈相位的误差)

“i”角标的意义是线圈编号，它能够从0到5(因为存在6个线圈)。

“m”是指“测量”而“p”是指“预测”。

“W”是“权重”，用于调整我们对电压或相位是多么灵敏(例如，Wv＝1.0并且Wp＝10^-5)。

换言之，误差的第一部分是测量的线圈电压与预测的电压的比率的差的平方的和。线圈i的比率是线圈i的电压除以B_Y线圈的电压，其中，该B_Y线圈是位于感应磁场的垂直分量的中心导体之下的线圈。误差的第二部分是测量相对相位与预测相对相位之间的差的平方的和。相对是指B_Y线圈的相位，它是指从线圈i的相位减去B_Y线圈的相位。将这两个部分相加，并且该和是拟合器利用的误差。

预测线圈电压是“波形预测器”的工作。波形预测器获取电缆和线圈的空间位置作为输入。(当它上升或下降时，电缆位置能够改变。)它还利用线圈取向和电缆取向。它利用关于什么电流在电缆和相位中的推测。用于设计波形预测器的过程是传统的电磁理论的应用(麦克斯韦方程)，将在下面部分地进行总结。

在任何观察位置的B场是由每个相导体生成的场的和。

B_{x} (x_{o}, y_{o}) = - \frac{μ_{o}}{2 π} Σ_{i = A}^{C} I_{i} [\frac{(y_{o} - y_{i})}{{(x_{o} - x_{i})}^{2} + {(y_{o} - y_{i})}^{2}}] (T)

B_{y} (x_{o}, y_{o}) = \frac{μ_{o}}{2 π} Σ_{i = A}^{C} I_{i} [\frac{(x_{o} - x_{i})}{{(x_{o} - x_{i})}^{2} + {(y_{o} - y_{i})}^{2}}] (T) .

其中，μ₀＝4π×10^-7(H/m)。在这些方程中，x_i和y_i表示相导体的x坐标和y坐标。

基于静磁考虑因素推导出方程1a和1b。然而，能够示出：针对足够低频(kHz范围内)或者针对足够慢变化瞬时信号(与60Hz电力线电流一样)，静态表示仍然有效。因此，对于随时间改变的相导体电流，如Error！Reference source not found，在(x₀，y₀)处的瞬时B场响应书写如下：

B_{x} (t; x_{o}, y_{o}) = - \frac{μ_{o}}{2 π} Σ_{i = A}^{C} I_{i} (t) [\frac{(y_{o} - y_{i})}{{(x_{o} - x_{i})}^{2} + {(y_{o} - y_{i})}^{2}}] (T)

B_{y} (t; x_{o}, y_{o}) = \frac{μ_{o}}{2 π} Σ_{i = A}^{C} I_{i} (t) [\frac{(x_{o} - x_{i})}{{(x_{o} - x_{i})}^{2} + {(y_{o} - y_{i})}^{2}}] (T) .

磁场传感器具有与频域中的频率成比例的响应，

V(f)＝-j2πf A_eqB(f)，

其中，A_eq是传感器的等效面积。在时域中，这是如下的导数关系。

V_{x} (t; x_{o}, y_{o}) = \frac{μ_{o}}{2 π} A_{eq} Σ_{i = A}^{C} \frac{{dI}_{i} (t)}{dt} [\frac{(y_{o} - y_{i})}{{(x_{o} - x_{i})}^{2} + {(y_{o} - y_{i})}^{2}}] (T)

V_{y} (t; x_{o}, y_{o}) = - \frac{μ_{o}}{2 π} A_{eq} Σ_{i = A}^{C} \frac{d I_{i} (t)}{dt} [\frac{(x_{o} - x_{i})}{{(x_{o} - x_{i})}^{2} + {(y_{o} - y_{i})}^{2}}] (T)

结果，时域中的测量传感器电压能够用导体上的电流的形式表达为：

V_{x} (t; x_{o}, y_{o}) = \frac{μ_{o}}{2 π} A_{eq} Σ_{i = A}^{C} \frac{{dI}_{i} (t)}{dt} [\frac{(y_{o} - y_{i})}{{(x_{o} - x_{i})}^{2} + {(y_{o} - y_{i})}^{2}}] (T)

V_{y} (t; x_{o}, y_{o}) = - \frac{μ_{o}}{2 π} A_{eq} Σ_{i = A}^{C} \frac{d I_{i} (t)}{dt} [\frac{(x_{o} - x_{i})}{{(x_{o} - x_{i})}^{2} + {(y_{o} - y_{i})}^{2}}] (T) .

这些关系和其它相似技术被编程到用于本发明的优选实施例的波形预测器。

在现场测试中测试本发明，具有一致良好的结果。图9和图10示出了计算出的系统参数与现场高架输电和配电系统的操作中的实际相导体的已知值之间的关系。由这里公开和要求保护的技术所产生的计算的值以高度可接受的准确度跟踪已知值。

在说明书和附图中，公开了本发明的典型实施例。本发明不限于这些示例性实施例。特定术语仅仅用于一般和描述性意义而非限制的目的。本发明的范围在权利要求中进行阐述。

1 Mamishev，A.，Nevels，R.，Russell，D.，″Effects of Conductor Sag or Spatial Distribution of Power Line Magnetic Fields，″IEEE Trans，on Power Delivery，V.11，No.3，7/96

2Bush，R.，Black，W.，et al，″Experimental Verification of a RT Program for the Determination of Temperature and Sag ofOH Lines，″IEEE Trans.Power App.&Systems，V.PAS 102，No.7，7/83

3Seppa，T.0.，″Temperature-Sag Model for Operational Real Time Ratings，″IEEE Trans，on Pwr.Delivery，V.10，No.3，7/1995

4Chen，S.，Black，W.，″High Temp.Sag Model for OH Conductors，″IEEE Trans.Pwr.Del.，V.18，No.1，1/03

5Personal Communication，Whisonant，L.，Duke Power，November 2004

6Personal Communication，Roach，A.，Reliant Energy，April 1999

7Plonsey，R.and R.E.Collin，Principles and Applications of Electromagnetic Fields，McGraw-Hill，New York，1961.

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9.Robert G.Olsen，″Electromagnetic Fields from Power Lines，″Washington State University，Pullman，WA 99164-2752，1993，IEEE Power Conference Proceedings.

Claims

1.一种用于测量从高架传输和分配相导体发射出的磁场的三维相位和幅值的设备，包括：

至少一个磁场传感器，远离所述相导体进行定位，所述传感器包括具有与公共地相反的极性的至少一对并联导电绕组，所述相反极性绕组基本上消除所述绕组上的电场信号并且在每个绕组的未接地端之间产生开路电压。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述绕组包括至少150匝·平方米的封闭区。

3.如权利要求1所述的设备，还包括基本上柱形的绕线筒，其中，所述绕组围绕所述绕线筒的各个并列横断面厚度独立地进行旋转

4.如权利要求3所述的设备，其中，所述绕组的材料、长度和回转半径相同。

5.如权利要求3所述的设备，其中，所述绕线筒包括从包括中空芯、充气芯、铁氧体芯、由镍和铁的合金形成的芯、以及金属玻璃芯的组中选择的芯。

6.如权利要求1所述的设备，包括至少三对所述磁场传感器，用于定位在高架电力传输线之下，其中，每一对传感器定位在三相传输系统中的一个相导体之下。

7.如权利要求1所述的设备，其中，所述传感器充分靠近所述相导体而置，使得绕组之间的所述开路电压是至少100毫伏AC。

8.如权利要求7所述的设备，其中，所述开路电压在大约100与大约400毫伏AC之间。

9.如权利要求1所述的设备，其中，所述绕组被配置为具有以4kHz或更高频率为中心的谐振频率。

10.如权利要求1所述的设备，包括至少一对所述磁场传感器。

11.如权利要求10所述的设备，其中，所述传感器对正交无交叉地定位，以便仅仅感测由所述相导体产生的AC磁场的X分量和Y分量。

12.如权利要求10所述的设备，其中，所述传感器附着到安装台。

13.如权利要求1所述的设备，其中，所述开路AC电压表示由至少一个三相分配电路产生的在至少三个不同地面位置处的AC磁场的X分量和Y分量。

14.一种用于除了确定相导体上的电流的幅值、相位或频率以外还确定相导体的物理位置的计算机化系统，该系统包括：

用于测量从相导体发射出的磁场的三维相位和幅值的设备，所述设备包括远离所述相导体而置的至少一对正交定向的磁场传感器，所述传感器包括具有与公共中心地相反的极性的至少一对同轴导电绕组，所述相反极性绕组基本上消除所述绕组上的电场信号并且在每个绕组的相应的未接地端之间生成开路电压；

多通道模拟数字变换器，对所感应的开路电压进行取样；

数据处理模块，在计算机上实施，用于处理来自所述模拟数字变换器的数字信号，所述数字信号表示所述传感器的实时电压信号输出，所述数据处理模块包括：

至少一个数字带通滤波器，用于至少隔离每个电压信号的基频；

相位确定模块，用于识别来自每个所述传感器的每个所述电压信号的相位；

振幅确定模块，用于识别来自每个所述传感器的每个所述电压信号的振幅。

15.如权利要求14所述的计算机化系统，其中，所述开路电压是低通滤波器的差分输入。

16.如权利要求14所述的计算机化系统，还包括与所述至少一对磁场传感器中的每个相连接的低通滤波器，用于对由每个所述绕组生成的开路电压信号进行滤波。

17.如权利要求14所述的计算机化系统，还包括振荡器，用于提高所述模拟数字变换器的准确度。

18.如权利要求14所述的计算机化系统，其中，所述设备远离所述相导体而置，但是位于从所述相导体发射出的可测量磁场内。

19.如权利要求14所述的计算机化系统，其中，所述低通滤波器是RC低通滤波器。

20.如权利要求19所述的计算机化系统，其中，所述RC低通滤波器具有98Hz的截止频率。

21.如权利要求14所述的计算机化系统，其中，所述模拟数字变换器在4秒内以每秒8000样本对电压信号进行取样。

22.如权利要求23所述的计算机化系统，其中，每个所述模拟数字变换器的输出是表示电压的16比特数字。

23.如权利要求14所述的计算机化系统，其中，所述相位确定模块和所述振幅确定模块利用布莱克曼窗。

24.如权利要求14所述的计算机化系统，其中，所述振幅确定模块以伏特均方根提供电压信号幅值的输出。

25.如权利要求14所述的计算机化系统，其中，用于测量磁场的所述设备包括提供六个电压信号的至少三对传感器。

26.如权利要求25所述的计算机化系统，其中，一对传感器中的每个传感器与该对传感器中的另一个传感器进行正交定位，用于仅仅感测由相导体生成的AC磁场的X分量和Y分量。

27.如权利要求14所述的计算机化系统，其中，所述模拟数字变换器是八通道模拟数字变换器，从每个传感器接收电压测量。

28.如权利要求14所述的计算机化系统，所述系统由太阳能面板供电。

29.如权利要求14所述的计算机化系统，还包括完全加密的无线数据通信网络。

30.一种除了远程测量输电和配电系统中的三个或更多相导体上的电流的幅值和相位以外还远程测量所述导体的物理高度的计算机化方法，该方法包括：

定位至少一对正交定向的电场消除磁场传感器，使得相导体的磁场在所述传感器中的每个线圈的各端之间产生开路电压；

通过利用模拟数字变换器对开路电压进行取样来测量每个传感器上的开路电压；

通过利用计算机处理器确定将在传感器上产生测量电压的实际值来预测相导体的高度的实际值以及相导体上的电流的幅值和相位。

31.如权利要求30所述的计算机化方法，其中，从传感器测量高度。

32.如权利要求30所述的计算机化方法，还包括计算每个导体的垂度的步骤。

33.如权利要求30所述的计算机化方法，还包括计算每个导体的间隙的步骤。

34.如权利要求30所述的计算机化方法，还包括计算相导体上的电流的频率的步骤。

35.如权利要求30所述的计算机化方法，还包括计算相导体上的电流的幅值的步骤。

36.如权利要求30所述的计算机化方法，还包括计算相导体上的电流的相位的步骤。

37.如权利要求30所述的计算机化方法，还包括计算相导体的温度的步骤。

38.一种除了远程测量输电和配电系统中的至少三个相导体上的电流的幅值和相位以外还远程测量所述相导体的物理高度的计算机化方法，该方法包括：

在每个导体之下定位一对正交定向的电场消除磁场传感器，使得相导体的磁场在传感器中的线圈的各端之间产生开路电压；

测量每个传感器上的开路电压；

在计算机处理器上运行软件以确定系统的高度、幅值和相位参数，其中，软件包括下述步骤：

对于系统参数分配初始估计值，参数包括每个相导体的高度、相导体上的电流和这些电流的相位；

通过在计算机软件内运行重复计算循环来确定相导体的高度、相导体上的电流和电流的相位的实际值，其中，重复计算循环包括下述步骤：

(i)计算应该从对每个相导体高度、电流和电流相位角分配的初始估计值产生的传感器上的各复合开路电压的期待值；

(iii)向相导体高度、电流和电流相位角中的至少一个分配新的估计值，其中，新的估计值取决于误差相对零而进行变化的方向，并且新的估计值可以等于先前的估计值；

(iv)经由计算机处理器重复计算步骤(i)、(ii)和(iii)，以使每个传感器上的期待复合开路电压与测量复合开路电压之间的误差最小化；

(v)基于将针对所有的系统参数的误差最小化的重复确定值，确定每个相导体的高度、每个相导体上的电流的幅值和每个相导体上的电流的相位的值的实际集合。

39.如权利要求38所述的计算机化方法，其中，定位传感器的步骤包括在三个相应的相导体之下定位至少三对磁场传感器。

40.如权利要求38所述的计算机化方法，其中，分配初始值的步骤包括对三个相导体中的每个的高度、电流和电流相位角分配初始值。

41.如权利要求38所述的计算机化方法，其中，计算每个相应的线圈上的预测电压的步骤包括从三个相导体中的每个计算每个线圈感测的磁场。

42.如权利要求38所述的计算机化方法，其中，对相导体的高度、电流和电流相位角分配新的初始估计值的步骤包括当估计值增大或减小已知值时估计误差值是增大还是减小。

43.如权利要求38所述的计算机化方法，还包括通过利用与软件电子通信的时钟计算每个相导体上的电流的频率的步骤。

44.一种远程测量与输电和配电系统关联的物理参数的计算机化方法，参数包括输电和配电系统中的至少三个相导体的物理高度、每个相导体上的电流的幅值和相位，该方法包括：

定位至少三对正交定向的电场消除磁场传感器，使得每个相导体的磁场在传感器中的线圈的各端之间产生开路电压；

测量每个传感器上的开路电压；

通过计算机处理器运行计算机控制软件命令以确定系统参数的实时值，软件命令包括下述步骤：

针对三个相导体中的每个分配未知系统参数的初始估计值，系统参数包括每个相导体的相应高度、各个相导体上的电流的幅值和每个相应电流的相位角；

计算由针对系统参数分配的初始估计值所产生的每个传感器上的各复合开路电压的期待值；

计算每个传感器上的测量开路电压与每个传感器上的预测开路电压之间的误差E0；

通过针对每个传感器运行重复计算循环来计算系统参数的实际值，重复计算循环包括：

(i)选择用于调整的系统参数；

(ii)将选择的系统参数增加所述抖动值；

(iii)结合针对其余参数分配的初始估计值来计算应该由增大了的系统参数产生的传感器上的各个复合开路电压的预测值；

(v)将选择的系统参数减小抖动值；

(vi)结合针对其余参数分配的初始估计值计算应该由减小了的系统参数产生的传感器上的各个复合开路电压的预测值；

(viii)存储使误差值最小化的选择的参数的值；

(x)重复计算步骤(ii)-(ix)，以确定系统参数值的哪个集合使传感器上的预测复合开路电压与传感器上的测量复合开路电压之间的误差值最小化。

45.如权利要求44所述的计算机化方法，其中，针对每个传感器同时执行重复计算循环。

46.如权利要求44所述的计算机化方法，还包括对每个传感器上的开路电压进行数字取样的步骤。

47.如权利要求44所述的计算机化方法，还包括在4秒内以每秒8000个样本对传感器上的测量电压信号进行取样的步骤。

48.如权利要求44所述的计算机化方法，还包括通过将实际系统参数与振荡器进行比较来确定每个相导体上的电流的频率的步骤。

49.如权利要求44所述的计算机化方法，其中，计算开路电压的期待值包括针对给出的系统参数的集合计算每个传感器进行操作的磁通量密度。

50.如权利要求44所述的计算机化方法，其中，用于计算使误差值最小化的选择的参数的值的重复计算循环的步骤(viii)包括从选择的系统参数值减去差分方程的比率。

51.如权利要求50所述的计算机化方法，其中，通过计算系统误差函数的第一导数除以系统误差函数的第二导数来确定差分比率。

52.如权利要求51所述的计算机化方法，其中，所述误差函数是二次方程。

53.如权利要求44所述的计算机化方法，还包括在三个相导体上的电流平衡的时段的重新定标步骤，从而使得

\frac{H_{y}}{H_{x}} = \frac{\sqrt{3} h}{d},

其中，Hy是该时段影响传感器的磁场的y分量，Hx是该时段影响传感器的磁场的x分量，d是相导体之间的已知固定距离，h是导体在各个传感器之上的高度。