CN103995171B - 非接触式直流输电线路电流测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了非接触式直流输电线路电流测量方法，利用安装于直流输电线上方的磁感应强度测量模块测量直流输电线路周围的磁感应强度，并将数据上传至上位机；根据安培环路定则，利用输电线路周围磁感应强度计算电流值，在已知电流值的情况下，记录磁感应强度数据，并以该磁感应强度数据为基准，标定其他磁感应强度所对应的电流值；当再次测量得到的磁场数据时，根据步骤二中的基准，转换成输电线路实时电流数据并在上位机中存储及显示。本发明可以实现直流输电线路电流的非接触式测量，使得设备工作于对地零电位点，避免输电线路电场对于设备的干扰，又避免设备安装及维护时需要安装人员接触输电线路的危险操作，减轻工作强度，提高工作效率。

Description

非接触式直流输电线路电流测量方法

技术领域

本发明涉及非接触式直流输电线路电流测量方法。

背景技术

直流高压输电技术是当前最先进的远距离输电技术，采用直流输电，输送能力大，送电距离远，输电的功率和能量损耗小，但直流输电线路建设成本高，因此在实际运行过程中必须保证直流输电线路的安全运行。为了达到直流输电线路安全运行的目的，往往要在线路中加入很多状态监测系统，其中监测输电线路中的电流数据则尤为重要，但由于直流输电线路中存在高电压大电流，因此供电单位并不希望在导线上加装各种监测装置，并建议监测设备加装在距离输电线路一定距离以外。另一方面，由于直流输电线路的重要性，当输电线路出现故障时应尽快排查故障并及时恢复供电，但当直流输电线路出现对地放电故障时，难以寻找到故障点，使得难以短时间排除故障恢复生产。非接触式直流输电线路电流测量系统提供了一种直流输电线路的监测装置，能够在距离输电线路一定距离位置检测输电线路中的电流，并且当输电线路出现对地放电故障时，能够及时判断出故障点，提高维护输电线路故障的工作效率。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了非接触式直流输电线路电流测量装置及方法，利用直流输电线路周围磁感应强度与输电线路电流成正比的关系，检测直流输电线路周围的磁感应强度，并进而计算出输电线路电流值，实现直流输电线路电流值的非接触式测量。另外，可将该装置安装于各个杆塔之上，当输电线路出现对地放电故障时，通过判断相邻杆塔上线路电流测量值的变化情况，即可快速判断出故障点，提高维护输电线路故障的工作效率。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

非接触式直流输电线路电流测量方法，包括以下步骤：

步骤一：利用安装于直流输电线上方的磁感应强度测量模块测量直流输电线路周围的磁感应强度，并将数据上传至上位机；

步骤二：根据安培环路定则，利用输电线路周围磁感应强度计算电流值，在已知电流值的情况下，记录磁感应强度数据，并以该磁感应强度数据为基准，标定其他磁感应强度所对应的电流值；

步骤三：当再次测量得到的磁场数据时，根据步骤二中的基准，转换成输电线路实时电流数据并在上位机中存储及显示。

所述步骤一具体过程为：磁感应强度测量模块测量三维磁感应强度数据B_x，B_y，B_z，并将数据送至微控制单元MCU，在MCU中，利用公式将三维磁场数据处理为实际磁感应强度数据，再将数据通过CAN总线送入通讯模块，通讯模块取得磁场数据后，将数据利用Zigbee通讯模块无线远程发送至上位机。

所述步骤二中，对于单导线或两导线距离较远的情况下，需要用一个磁感应强度测量模块，利用输电线路周围磁感应强度计算电流值，对数据进行2次校准，在有2次已知电流值的情况下，记录磁感应强度数据，并以该磁感应强度数据为基准，标定其他磁感应强度所对应的电流值。

对于单导线或两导线相互影响不大的情况下，测量过程具体为：设第1次校准时，已知电流值为I₁，测得磁感应强度值为B₁；第2次校准时，已知电流值为I₂，测得磁感应强度值为B₂，则任意时刻，电流I与磁感应强度B之间的关系为：

$I=\frac{I_2-I_1}{B_2-B_1}(B-B_1)+I_1$

可见，I与B成线性关系，当测量出线路环境的磁感应强度，则可以得到对应的输电线路电流值。

对于两导线相互影响较大的情况下，由于直流输电线路存在两条输电线，其周围的磁场为两条输电线所产生磁场的叠加，此时，需要用两个磁感应强度测量模块，并且对数据进行3次校准，在有3次已知电流值的情况下，记录磁感应强度数据，并已该磁感应强度数据为基准，标定其他磁感应强度所对应的电流值。

对于两导线相互影响较大的情况下，测量过程具体为：设第1次校准时，已知第一线路的电流值为I₁₁，第二线路的电流值为I₂₁，第一磁感应强度测量模块测得磁感应强度值为B₁₁；第二磁感应强度测量模块测得磁感应强度值为B₂₁；第2次校准时，已知第一线路的电流值为I₁₂，第二线路的电流值为I₂₂，第一磁感应强度测量模块测得磁感应强度值为B₁₂；第二磁感应强度测量模块测得磁感应强度值为B₂₂；第3次校准时，已知第一线路的电流值为I₁₃，第二线路的电流值为I₂₃，第一磁感应强度测量模块测得磁感应强度值为B₁₃；第二磁感应强度测量模块测得磁感应强度值为B₂₃；三次校准电流值应满足根据方程

$\left\{\begin{array}{c}{k}_{11}(I_{12}-I_{11})+k_{12}(I_{22}-I_{21})=B_{12}-B_{11}\\ k_{11}(I_{13}-I_{11})+k_{12}(I_{23}-I_{21})=B_{13}-B_{11}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{k}_{21}(I_{12}-I_{11})+k_{22}(I_{22}-I_{21})=B_{22}-B_{21}\\ k_{21}(I_{13}-I_{11})+k_{22}(I_{23}-I_{21})=B_{23}-B_{21}\end{array}\right.$

计算得到系数k₁₁，k₁₂，k₂₁，k₂₂的值，当确定系数后，则第一线路的输电线路电流I₁、第二线路的输电线路电流I₂与两测磁模块测量的磁感应强度B₁，B₂的关系为

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1=\frac{k_{22}{B}_1-k_{12}{B}_2}{k_{11}{k}_{22}-k_{12}{k}_{21}}\\ I_2=\frac{k_{21}{B}_1-k_{11}{B}_2}{k_{12}{k}_{21}-k_{11}{k}_{22}}\end{array}\right.$

即可用两测量模块测得数据计算得到两输电线路电流值。

所述磁感应强度测量模块为HMC5843磁感应强度测量芯片。

本发明的有益效果：

本发明可以实现直流输电线路电流的非接触式测量，既可以使得设备工作于对地零电位点，避免输电线路电场对于设备的干扰，又可避免设备安装及维护时需要安装人员接触输电线路的危险操作，减轻工作强度，提高工作效率。

附图说明

图1，为非接触式直流输电线路电流测装置安装示意图；

图2，为硬件内部结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

以磁感应强度计算出输电线路电流值，直流输电周围产生恒定磁场，可以利用测量磁场的方法来判断电流状况。根据安培环路定则∮_LhdL＝Σi_k，可得电流I与磁场强度H之间的关系，而反应磁场大小并且可用测磁设备所能测量的量为磁感应强度B，其与磁感应强度的关系为式中μ为磁导率，由于输电线路一般都是暴露在空气中，在此我们采用空气中的磁导率μ₀＝4π×10^-7，将以上公式整理可得磁感应强度与传输电流关系为

在此我们采用HMC5843磁感应强度测量芯片测量输电线路周围的磁感应强度，测磁芯片HMC5843的测量范围为-6～+6gauss(-6×10^-4～6×10^-4T)，分辨率为120μgauss(1.2×10^-8T)，按上述指标推算，当线路中电流i＝3000A时，不致使HMC5843磁感应强度测量芯片满量程，设备安装位置应距主导线1m以上，并且可识别主传输线6mA以上的电流变化。

利用输电线路周围磁感应强度计算电流值，需要对数据进行2次校准，在有2次已知电流值的情况下，记录磁感应强度数据，并以该磁感应强度数据为基准，标定其他磁感应强度所对应的电流值。设第1次校准时，已知电流值为I₁，测得磁感应强度值为B₁；第2次校准时，已知电流值为I₂，测得磁感应强度值为B₂，则任意时刻，电流与磁感应强度之间的关系为：

$I=\frac{I_2-I_1}{B_2-B_1}(B-B_1)+I_1$

可得I与B成线性关系，当磁感应强度测量芯片HMC5843测量出环境的磁感应强度，则可以得到对应的输电线路电流值。

由于直流输电线路存在两条输电线，其周围的磁场为两条输电线所产生磁场的叠加，此时，磁感应强度测量模块简称测磁模块。需要用两个测磁模块，并且对数据进行3次校准，在有3次已知电流值的情况下，记录磁感应强度数据，并已该磁感应强度数据为基准，标定其他磁感应强度所对应的电流值。设第1次校准时，已知第一线路的电流值为I₁₁，第二线路的电流值为I₂₁，第一测磁模块测得磁感应强度值为B₁₁；第二测磁模块测得磁感应强度值为B₂₁；第2次校准时，已知第一线路的电流值为I₁₂，第二线路的电流值为I₂₂，第一测磁模块测得磁感应强度值为B₁₂；测磁模块测得磁感应强度值为B₂₂；第3次校准时，已知第一线路的电流值为I₁₃，第二线路的电流值为I₂₃，第一测磁模块测得磁感应强度值为B₁₃；第二测磁模块测得磁感应强度值为B₂₃；由于磁感应强度与电流大小成正比例关系，则对于第一测磁模块，有：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_{11}{I}_{11}+k_{12}{I}_{21}=B_{11}\\ k_{11}{I}_{12}+k_{12}{I}_{22}=B_{12}\\ k_{11}{I}_{13}+k_{12}{I}_{23}=B_{13}\end{array}\right.,$

为了消除环境误差，在此取差值形式， $\left\{\begin{array}{c}{k}_{11}(I_{12}-I_{11})+k_{12}(I_{22}-I_{21})=B_{12}-B_{11}\\ k_{11}(I_{13}-I_{11})+k_{12}(I_{23}-I_{21})=B_{13}-B_{11}\end{array}\right.,$ 当 $\frac{I_{13}-I_{11}}{I_{12}-I_{11}}\≠\frac{I_{23}-I_{21}}{I_{22}-I_{21}}$ 时，方程有解。

同理，对于测磁模块2，有 $\left\{\begin{array}{c}{k}_{21}{I}_{11}+k_{22}{I}_{21}=B_{21}\\ k_{21}{I}_{12}+k_{22}{I}_{22}=B_{22}\\ k_{21}{I}_{13}+k_{22}{I}_{23}=B_{23}\end{array}\right.,$ 为了消除环境误差，在此取差值形式， $\left\{\begin{array}{c}{k}_{21}(I_{12}-I_{11})+k_{22}(I_{22}-I_{21})=B_{22}-B_{21}\\ k_{21}(I_{13}-I_{11})+k_{22}(I_{23}-I_{21})=B_{23}-B_{21}\end{array}\right.,$ 当 $\frac{I_{13}-I_{11}}{I_{12}-I_{11}}\≠\frac{I_{23}-I_{21}}{I_{22}-I_{21}}$ 时，方程有解。

当确定系数k₁₁，k₁₂，k₂₁，k₂₂后，则线路1的输电线路电流I₁、线路2的输电线路电流I₂与两测磁模块测量的磁感应强度B₁，B₂的关系为 $\left\{\begin{array}{c}{k}_{11}{I}_1+k_{12}{I}_2=B_1\\ k_{21}{I}_1+k_{22}{I}_2=B_2\end{array}\right.,$ 变化后得

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1=\frac{k_{22}{B}_1-k_{12}{B}_2}{k_{11}{k}_{22}-k_{12}{k}_{21}}\\ I_2=\frac{k_{21}{B}_1-k_{11}{B}_2}{k_{12}{k}_{21}-k_{11}{k}_{22}}\end{array}\right.$

即可用两测量模块测得数据计算得到两输电线路电流值。

如图1-2所示，本发明非接触式直流输电线路电流测量装置，其硬件由2块磁感应强度测量模块和1块通讯模块两部分构成，每一个磁感应强度测量模块各安装于直流输电线上方，并且与通讯模块用CAN总线相连。装置工作过程中，由磁感应强度测量模块测量磁场强度，并且将测量数据送入通讯模块。其中磁感应强度测量模块由(1)MCU模块、(2)磁感应强度测量模块、(3)CAN总线通讯模块、(4)电源模块组成。通讯模块由(1)MCU模块、(2)Zigbee通讯模块、(3)CAN总线通讯模块、(4)电源模块组成。选取MSP430F149芯片作为MCU模块。选取HMC5843芯片作为磁感应强度测量模块。选用SJA1000作为CAN总线通讯模块。Zigbee模块选用通讯芯片JN5148。电源模块可产生3.3V和5V两种电压标准。

首先由磁感应强度测量模块HMC5843测量三维磁感应强度数据B_x，B_y，B_z，并将数据送至MCU单元。在MCU单元中，利用公式将三维磁场数据处理为实际磁感应强度数据。再将数据通过CAN总线送入通讯模块，通讯模块取得磁场数据后，将数据利用Zigbee通讯模块无线远程发送至上位机。

在上位机中，首先需要根据三次不同的电流数据做电流值与磁感应强度值的校对，当校对工作完成后，磁感应强度与输电线路的电流值即呈现对应关系，当再次得到磁感应强度数据时，即可推算得到电流值数据，实现输电线路电流的非接触式测量。

设备应安装与杆塔与地相同电位点上，测磁模块应距离输电线一定距离，约1～5米，且分别测量两条输电线的测磁模块应尽可能远，通讯模块应牢固固定与两测磁模块之间的某一位置，并且在封装时应注意做好电磁屏蔽。

由于此设备采用的Zigbee通讯模块JN5148，因此上位机应安装于距离设备不足1km的距离。

具体工作步骤如下：

1、设备实现初始化，并初始化通讯模块及测磁模块；

2、测磁模块测量当前磁场数据并将数据经CAN总线发送至通讯模块；

3、通讯模块将数据处理，并利用Zigbee模块远程发送至上位机；

4、上位机接收数据后，将磁场数据经过特定算法换算成电流值，存储在服务器并在屏幕上显示。

具体操作时，首先，在得知三次输电线路电流值的情况下，本装置测量磁场数据，并由上位机记录；然后，在上位机中利用特定算法，系统自动生成磁场与输电线路电流关系的方程；在完成上述两步骤之后，即可利用上述方程将再次测量得到的磁场数据转换成输电线路实时电流数据并在上位机中存储及显示，实现了非接触式直流输电线路电流测量。

Claims (7)

1.非接触式直流输电线路电流测量方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：利用安装于直流输电线上方的磁感应强度测量模块测量直流输电线路周围的磁感应强度，并将数据上传至上位机；

步骤二：根据安培环路定则，利用输电线路周围磁感应强度计算电流值，在已知电流值的情况下，记录磁感应强度数据，并以该磁感应强度数据为基准，标定其他磁感应强度所对应的电流值；

步骤三：当再次测量得到磁感应强度数据时，根据步骤二中的基准，转换成输电线路实时电流数据并在上位机中存储及显示。

2.如权利要求1所述的非接触式直流输电线路电流测量方法，其特征是，所述步骤一具体过程为：磁感应强度测量模块测量三维磁感应强度数据B_x，B_y，B_z，并将数据送至微控制单元MCU，在MCU中，利用公式将三维磁感应强度数据处理为实际磁感应强度数据，再将数据通过CAN总线送入通讯模块，通讯模块取得磁感应强度数据后，将数据利用Zigbee通讯模块无线远程发送至上位机。

3.如权利要求1所述的非接触式直流输电线路电流测量方法，其特征是，所述步骤二中，对于单导线或两导线距离较远的情况下，需要用一个磁感应强度测量模块，利用输电线路周围磁感应强度计算电流值，对数据进行2次校准，在有2次已知电流值的情况下，记录磁感应强度数据，并以该磁感应强度数据为基准，标定其他磁感应强度所对应的电流值。

4.如权利要求3所述的非接触式直流输电线路电流测量方法，其特征是，对于单导线或两导线相互影响不大的情况下，测量过程具体为：设第1次校准时，已知电流值为I₁，测得磁感应强度值为B₁；第2次校准时，已知电流值为I₂，测得磁感应强度值为B₂，则任意时刻，电流I与磁感应强度B之间的关系为：

$I=\frac{I_2-I_1}{B_2-B_1}(B-B_1)+I_1$

可见，I与B成线性关系，当测量出线路环境的磁感应强度，则可以得到对应的输电线路电流值。

5.如权利要求1所述的非接触式直流输电线路电流测量方法，其特征是，对于两导线相互影响较大的情况下，由于直流输电线路存在两条输电线，其周围的磁场为两条输电线所产生磁场的叠加，此时，需要用两个磁感应强度测量模块，并且对数据进行3次校准，在有3次已知电流值的情况下，记录磁感应强度数据，并以该磁感应强度数据为基准，标定其他磁感应强度所对应的电流值。

6.如权利要求5所述的非接触式直流输电线路电流测量方法，其特征是，对于两导线相互影响较大的情况下，测量过程具体为：设第1次校准时，已知第一线路的电流值为I₁₁，第二线路的电流值为I₂₁，第一磁感应强度测量模块测得磁感应强度值为B₁₁；第二磁感应强度测量模块测得磁感应强度值为B₂₁；第2次校准时，已知第一线路的电流值为I₁₂，第二线路的电流值为I₂₂，第一磁感应强度测量模块测得磁感应强度值为B₁₂；第二磁感应强度测量模块测得磁感应强度值为B₂₂；第3次校准时，已知第一线路的电流值为I₁₃，第二线路的电流值为I₂₃，第一磁感应强度测量模块测得磁感应强度值为B₁₃；第二磁感应强度测量模块测得磁感应强度值为B₂₃；三次校准电流值应满足根据方程

$\left\{\begin{array}{c}{k}_{11}(I_{12}-I_{11})+k_{12}(I_{22}-I_{21})=B_{12}-B_{11}\\ k_{11}(I_{13}-I_{11})+k_{12}(I_{23}-I_{21})=B_{13}-B_{11}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{k}_{21}(I_{12}-I_{11})+k_{22}(I_{22}-I_{21})=B_{22}-B_{21}\\ k_{21}(I_{13}-I_{11})+k_{22}(I_{23}-I_{21})=B_{23}-B_{21}\end{array}\right.$

计算得到系数k₁₁，k₁₂，k₂₁，k₂₂的值，当确定系数后，则第一线路的输电线路电流I₁、第二线路的输电线路电流I₂与第一磁感应强度测量模块及第二磁感应强度测量模块测量的磁感应强度B₁，B₂的关系为

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1=\frac{k_{22}{B}_1-k_{12}{B}_2}{k_{11}{k}_{22}-k_{12}{k}_{21}}\\ I_2=\frac{k_{21}{B}_1-k_{11}{B}_2}{k_{12}{k}_{21}-k_{11}{k}_{22}}\end{array}\right.$

即用第一磁感应强度测量模块及第二磁感应强度测量模块测得数据计算得到两输电线路电流值。

7.如权利要求1所述的非接触式直流输电线路电流测量方法，其特征是，所述磁感应强度测量模块为HMC5843磁感应强度测量芯片。