CN111999543B - 一种适用于平行三相线故障选线的磁感式电流计算方法 - Google Patents

一种适用于平行三相线故障选线的磁感式电流计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于平行三相线故障选线的磁感式电流测量方法，涉及电网故障测量技术领域。通过在距离导线中心距离R的位置环向布置磁场传感器，同一根导线上相邻磁场传感器敏感方向各自相差90°；通过磁场传感器的测量值对三相导线的瞬时电流值进行解耦计算，得到解耦补偿后的三相电流测量值。该方法实现了在对平行三相导线进行磁感式电流测量时，减少平行三相导线产生的磁场相互影响所导致的测量误差，以此保证在进行小电流接地故障选线等对测量精度要求更高的测量场景中，获得更精确的测量值从而增加选线成功率。本算法将补偿计算中的许多复杂的量进行适应性简化，节约计算步骤和复杂度，降低对测量设备计算能力的需求。

Description

一种适用于平行三相线故障选线的磁感式电流计算方法
技术领域
本发明涉及电网故障测量技术领域，具体涉及一种适用于平行三相线故障选线的磁感式电流计算方法。
背景技术
多年来，接地故障选线及定位一直是国内外研究的课题。电力系统90%以上的故障发生在配电网，其中单相接地故障所占比例在70%以上。配电线路具有供电距离长、结构复杂、设备元件多等特点，且运行过程中受天气等因素影响元件易损坏，线路接地故障频繁发生，给供电可靠性带来较大影响。国内接地故障选线主要通过监测零序电流和两相电流实现。在正常运行状态下，三相电流保持平衡状态，当接地故障发生时，会产生零序电流，但是目前仅利用两个电流互感器监测两相电流，接地故障判断正确率仅为60%。
小电流接地系统选线困难，是由于单相接地故障故障电流是线路对地电容电流和电感电流，数值小，且故障前后变化微弱。且在配电网中，单相接地方式多样，接地故障状况复杂，不同系统在馈线长度、中性点接地方式等方面都有较大差异。现目前存在的一些选线方法，一般需要集中测量、比较各出线的零序电流。在我国，配电网中装设零序CT或三相CT的系统比例较小，而对于只装两相CT的小电流接地系统，由于现有算法需要对三相均进行对比，才能找到某一相的电流是与另外两相有差别的，如果没有办法同时对比三相，则很难通过算法决定是测量的两相中某一相发生故障还是未测量的一相发生故障，所以至今没有理想的选线方式。
现目前接地选线方式多采用基于故障后稳态基波或谐波信号进行分析，导致实际运行中选线精度较低。实际上，在小电流接地系统发生单相接地故障时，故障电压与电流的暂态过程含有丰富的故障信息。
另外，随着负荷的增加，以及配网自动化的需求，我国大多数配电网都面临改造的问题。接地选线装置的加装也是问题之一。若按照现有接地选线装置开入要求，需要先停电，并将原有线路的电流互感器输出接入接地选线装置，没有三相CT的线路需要停电加装第三相CT，影响供电可靠性，但由于CT/电流互感器为固定的圈状器件，不可拆卸，无法在线路运行时期进行安装，只能停电后把电流的通路截断套上去安装，安装方式复杂。
因此，要合理解决单线接地故障选线的问题，需要同时兼顾对电流的准确测量和安装方便等特点。而随着有关磁敏电阻材料的研究进一步深入，有越来越多的学者和工程师将磁场测量方法作为一种电流测量方案加以应用。
磁敏电阻材料电阻值随外旋磁场的变化而变化。与传统霍尔器件相比，磁敏电阻具有结构简单、温度漂移低、线性度更高、反应更灵敏等优点。而TMR（隧穿磁阻效应）传感器在众多磁敏电阻材料中又具有测量范围广、成本低的优势，非常适宜用于高带宽、高精度的磁场测量用途。
如2012年王建国申请，申请公布号为CN 102928651A的专利“TMR电流传感器”，将TMR磁场传感芯片应用于电流测量领域，并设计了传感器的结构。但该专利仅使用了一个TMR电流传感器，很容易受到背景噪声的干扰。周边无论有任何的干扰出现，设备都只能依赖唯一的传感器将其判定为电流的变化，完全无法对电流的深度特征进行分析，更无法应用于对测量精度要求十分高的单相接地故障选线领域。
但绝大多数研究均针对单个载流体进行研究，且基本均使用环绕多个磁场传感器求均值计算的算法进行电流测量，即用每相导线周围的几个传感器测量值求均值，直接计算电流值；对于一些具体场景，如三相平行直导线的电流测量问题并没有针对性的深入研究，而简单的将单个载流体测量方案套用至三相平行直导线上，即用每相导线周围的几个传感器测量值求均值，直接计算电流值而不考虑其他相电流对其产生的影响。
综上所述，单相接地选线对精度要求较高，在进行电流计算时，如果只考虑传感器的测量值，不考虑信号的干扰成分，则无法分辨待测电流是否耦合有其它相电流，势必造成结果存在偏差，最终导致接地故障判断错误，因此亟需提出一种用于三相故障选线测量电路的修正算法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于平行三相线故障选线的磁感式电流计算方法，解决断电安装过于复杂、现有测量方法无法同时测量三相、现有计算方法精度不足的问题，以基于磁测量传感器对平行三相线系统执行更为精确的电流测量，以适用小电流接地系统接地故障的准确定位，同时也能够满足类似结构系统的精确电流测量需求。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：一种适用于平行三相线故障选线的磁感式电流计算方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、加装磁传感器：平行三相导线且相邻导线中心距离为L，在距离导线中心距离r的位置环向布置磁场传感器，磁场传感器为单维度敏感方向的磁场强度传感器，同一根导线上相邻磁场传感器敏感方向各自相差90°，与对应导线所产生的环向磁场方向平行，其中，两个磁场传感器位于铅垂线方向上，另外两个磁场传感器位于垂直铅垂线的方向；
S2、通过磁场传感器的测量值对三相导线的瞬时电流值进行解耦计算，得到解耦补偿后的三相电流修正值。
更进一步的技术方案是步骤S2中所述的解耦计算具体过程如下：
S2-1、取同一导线对应的磁场传感器的测量值，求取平均值得到导线的磁场强度，通过毕奥-萨伐尔定律求取各导线的电流测量值初始值，电流测量值初始值从大到小依次排列为I1、I2、I3，电流测量值初始值对应的导线记为导线Ⅰ、导线Ⅱ、导线Ⅲ；
S2-2、计算I1、I2对导线Ⅲ的磁场影响，计算其在环绕导线Ⅲ且位于垂直铅垂线方向上两个磁场传感器处产生的磁场，大小记为B1、B2，在两个磁场传感器的测量值上加上一个与B1、B2方向相反、大小相等，得到磁场测量值修正值，通过磁场测量值修正值重新求平均值，通过毕奥-萨伐尔定律求取导线Ⅲ的电流测量值修正值I3＇；
S2-3、计算I1、I3＇对导线Ⅱ的磁场影响，计算其在环绕导线Ⅱ且位于垂直铅垂线方向上两个磁场传感器处产生的磁场，大小记为B1、B3＇，在两个磁场传感器的测量值上加上一个与B1、B3＇方向相反、大小相等，得到磁场测量值修正值，通过磁场测量值修正值重新求平均值，通过毕奥-萨伐尔定律求取导线Ⅲ的电流测量值修正值I2＇；
S2-4、计算I2＇、I3＇对导线Ⅰ的磁场影响，计算其在环绕导线Ⅰ且位于垂直铅垂线方向上两个磁场传感器处产生的磁场，大小记为B2＇、B3＇，在两个磁场传感器的测量值上加上一个与B2＇、B3＇方向相反、大小相等，得到磁场测量值修正值，通过磁场测量值修正值重新求平均值，通过毕奥-萨伐尔定律求取导线Ⅲ的电流测量值修正值I1＇。
更进一步的技术方案是所述R为3～10cm，L为架空线缆件的档距，L＜10m。
更进一步的技术方案是所述毕奥-萨伐尔定律对应的计算公式为
，
其中：I为产生磁场的电流大小、B为电流产生的磁场在某点处的强度、r为该点距离电流I的距离、u0为空气中的磁导率μ0=4π×10-7H/m。
更进一步的技术方案是所述磁场传感器为TMR磁场传感器。
工作原理：
根据毕奥-萨伐尔定律，无限长直载流导体周围某一点磁感应强度大小可由下式计算： ，
且该点的磁感应强度方向为以载流体中心点为圆心画圆的切线方向，通过环绕式的多个TMR磁场传感器测量电流的环绕磁场，并通过多个传感器测量到的磁场值对电流值进行计算。
但平行三相导线系统中，三相电流值均较大，且相互之间距离相对较近，三相各自的电流会对另外两相周围的磁场传感器测量值产生较为明显的影响，若需要进行接地故障选线等高精度测量时，三相电流的电磁耦合会导致测量不够精确。
因此本发明采用迭代逼近，对计算算法进行了重新设计。对于如图1所示的测量系统，每一次的电流瞬时值计算，首先采用环绕磁场传感器测量值求平均值作为电流环绕磁场计算的方式，初步计算出电流的初值I1，I2，I3，并按大小进行排序。
显然，电流较大的载流体产生的磁场对电流较小的载流体磁场测量产生的影响要大于电流小的载流体对电流大的载流体测量的影响，且电流较大的电流本身测量误差占自身比例更小，即其相对误差更小。
不妨设在某一时刻的瞬时值，初值I1＞I2＞I3，取较大的I1和I2，分别根据毕奥萨伐尔定律计算其在I3处的影响；为了简化计算，距离取导线与导线间的距离代替具体传感器与导体间的距离。经计算后，可得到I1对I3周边磁场传感器的影响B1，以及I2对I3周边磁场传感器的影响B2。将I3周边受影响的传感器测量值加上B1和B2进行补偿，分别得到四个传感器的补偿后测量值，再将其求均值计算出此时经过补偿后的载流体电流I3＇。
用补偿后的I3＇和I1用相同的方法求出对I2周边传感器的影响，并对各个传感器测量值分别进行补偿，重新计算均值并计算载流体电流得到I2＇。再利用I2＇和I3＇求出对I1周边传感器的影响，补偿并计算出I1＇。至此三相电流的瞬时值补偿完成，以I1＇，I2＇，I3＇三个电流测量值的修正值作为该次测量结果输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明在原来均值算法的基础上增添了基于三相平行导线间固有电磁耦合的解耦算法，针对三相平行导线这类具体却常见的研究对象做出了优化，提高了测量的准确性，使得磁感式电流测量结果能够更好地使用在对精度要求更高的接地故障选线中。
（2）本发明针对瞬时值的测量进行改进，但同时通过种种设计将计算过程和步骤简化，提高测量精度的同时极大得降低了计算复杂度，使得测量设备MCU能够保持高频测量的同时迅速计算结果并记录，更加适用于对测量频率和精度要求都高的单相接地故障选线。
附图说明
图1为本发明中磁场传感器的装配示意图。
图2为本发明中三相导线中其中两相的电流对第三相导线磁场影响的计算原理图。
图3为本发明实例中A相电流不同算法下绝对误差结果曲线图。
图4为本发明实例中B相电流不同算法下绝对误差结果曲线图。
图5为本发明实例中C相电流不同算法下绝对误差结果曲线图。
图6为本发明实例中A相电流不同算法下的数据对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了磁传感器的装配方法：平行三相导线导线Ⅰ、导线Ⅱ、导线Ⅲ且相邻导线中心距离为L，在距离导线中心距离r的位置环向布置磁场传感器，磁场传感器采用TMR传感器，磁场传感器为单维度敏感方向的磁场强度传感器。
图1中从左右到右依次是导线Ⅰ、导线Ⅲ、导线Ⅱ，磁场传感器设置有4个磁场传感器同一根导线上相邻磁场传感器敏感方向各自相差90°，与对应导线所产生的环向磁场方向平行，其中，上下方位的磁场传感器201、203位于铅垂线方向上，左右两个磁场传感器202、204位于水平方向上。
通过磁场传感器的测量值对三相导线的瞬时电流值进行解耦计算，得到解耦补偿后的三相电流测量值。所述的解耦计算具体过程如下：
S2-1、取同一导线对应的磁场传感器的测量值，求取平均值得到导线的磁场强度，通过毕奥-萨伐尔定律求取各导线的电流测量值初始值，电流测量值初始值从大到小依次排列为I1、I2、I3，电流测量值初始值对应的导线记为导线Ⅰ、导线Ⅱ、导线Ⅲ。（实施例中假设图1、图2中从左至右依次为导线Ⅰ、导线Ⅱ、导线Ⅲ）
S2-2、计算I1、I2对导线Ⅲ的磁场影响，计算其在环绕导线Ⅲ且位于水平方向上两个磁场传感器处产生的磁场，其中磁场大小分别为、，如图2所示，在两个磁场传感器的测量值上加上一个与上述磁场方向相反、大小相等的磁场值，得到磁场测量值修正值，通过磁场测量值修正值结合另两个磁感器的测量值重新求平均值，通过毕奥-萨伐尔定律求取导线Ⅲ的电流测量值修正值I3＇。公式中，d=L，当L在10m以上，可以每相间的影响可以忽略，无需进行修正。
S2-3、计算I1、I3＇对导线Ⅱ的磁场影响，计算其在环绕导线Ⅱ且位于水平方向上两个磁场传感器处产生的磁场，大小记为、，在两个磁场传感器的测量值上加上一个与上述磁场方向相反、大小相等的磁场值，得到磁场测量值修正值，通过磁场测量值修正值重新求平均值，通过毕奥-萨伐尔定律求取导线Ⅲ的电流测量值修正值I2＇。
S2-4、计算I2＇、I3＇对导线Ⅰ的磁场影响，计算其在环绕导线Ⅰ且位于导线中心连线上两个磁场传感器处产生的磁场，大小记为、，在两个磁场传感器的测量值上加上一个与上述磁场方向相反、大小相等的磁场值，得到磁场测量值修正值，通过磁场测量值修正值重新求平均值，通过毕奥-萨伐尔定律求取导线Ⅲ的电流测量值修正值I1＇。
S2-5、将I1＇，I2＇，I3＇三个电流测量值修正值作为该次测量结果输出。
上述算法适用于测量的数据处理端，例如单片机，FPGA等终端数据处理MCU设备上。在一组传感器完成每一次同步的瞬时值磁场测量后，使用该算法对三相电流进行解耦计算，并将计算结果作为一次测量的瞬时值储存。由于本算法能够提高测量精确度且对算力要求较低，可保持低成本的前提下大幅提升测量的准确率，从而提高依据高频高性能电流测量的故障选线成功率。
为求证本算法的准确性，设计matlab实验，设定导线间间距L=0.3m，导线距离传感器R=4cm，设计传感器的采样频率为0.1Mhz，即每过0.00001s进行一次采样，连续采样0.1s。设定三相电流为幅值3000A的正常电流，相关语句如下：
Ia=3000*sin(50*pi*t-2*pi/3)；
Ib=3000*sin(50*pi*t)；
Ic=3000*sin(50*pi*t+2*pi/3)。
分别对10000个采样点的传感器数据使用平均值算法和解耦算法（本算法）进行计算，并将两算法的计算结果与真实值进行比较，并得出两算法各自的绝对误差（即误差的绝对值），将三相电流的结果分别绘制在图3-5中。三张图中，平均值算法（用每相导线周围的四个传感器测量值求均值，直接计算电流值而不考虑其他相电流对其产生的影响）的误差曲线相较于解耦算法的误差曲线均更大，其中B相电流（处于中间位置的电流）使用解耦算法的效果更好，其误差曲线在与均值算法绘制于同一张图时几乎贴在x轴上。因此可以直观证明本解耦算法在电流测量上有明显的优势。
图6为A相将测量时电流的实际值、平均算法结果、本算法结果绘制在同一张图上的部分截图，可以看到在图6中，真实值黄色曲线Areal（图中最上方的曲线）与解耦算法值蓝色曲线Adecouple（图中中间位置的曲线）仍然非常接近，然而均值算法红色曲线Aave（图中最下方的曲线）则明显与另外两条曲线相距较远。因此可以直观证明本解耦算法在电流测量上有明显的优势。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种适用于平行三相线故障选线的磁感式电流计算方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、加装磁传感器：平行三相导线且相邻导线中心距离为L，在距离导线中心距离R的位置环向布置磁场传感器，磁场传感器为单维度敏感方向的磁场强度传感器，同一根导线上相邻磁场传感器敏感方向各自相差90°，与对应导线所产生的环向磁场方向平行，其中，两个磁场传感器位于铅垂线方向上，另外两个磁场传感器位于垂直铅垂线的方向；
S2、通过磁场传感器的测量值对三相导线的瞬时电流值进行解耦计算，得到解耦补偿后的三相电流修正值；
所述步骤S2中所述的解耦计算具体过程如下：
S2-1、取同一导线对应的磁场传感器的测量值，求取平均值得到导线的磁场强度，通过毕奥-萨伐尔定律求取各导线的电流测量值初始值，电流测量值初始值从大到小依次排列为I1、I2、I3，电流测量值初始值对应的导线记为导线Ⅰ、导线Ⅱ、导线Ⅲ；
S2-2、计算I1、I2对导线Ⅲ的磁场影响，计算其在环绕导线Ⅲ且位于垂直铅垂线方向上两个磁场传感器处产生的磁场，大小记为B1、B2，在两个磁场传感器的测量值上加上一个与B1、B2方向相反、大小相等的磁场，得到磁场测量值修正值，通过磁场测量值修正值重新求平均值，通过毕奥-萨伐尔定律求取导线Ⅲ的电流测量值修正值I3＇；
S2-3、计算I1、I3＇对导线Ⅱ的磁场影响，计算其在环绕导线Ⅱ且位于垂直铅垂线方向上两个磁场传感器处产生的磁场，大小记为B1、B3＇，在两个磁场传感器的测量值上加上一个与B1、B3＇方向相反、大小相等的磁场，得到磁场测量值修正值，通过磁场测量值修正值重新求平均值，通过毕奥-萨伐尔定律求取导线Ⅲ的电流测量值修正值I2＇；
S2-4、计算I2＇、I3＇对导线Ⅰ的磁场影响，计算其在环绕导线Ⅰ且位于垂直铅垂线方向上两个磁场传感器处产生的磁场，大小记为B2＇、B3＇，在两个磁场传感器的测量值上加上一个与B2＇、B3＇方向相反、大小相等的磁场，得到磁场测量值修正值，通过磁场测量值修正值重新求平均值，通过毕奥-萨伐尔定律求取导线Ⅲ的电流测量值修正值I1＇。
2.根据权利要求1所述的一种适用于平行三相线故障选线的磁感式电流计算方法，其特征在于：所述R为3～10cm，L为架空线缆件的档距，L＜10m。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于平行三相线故障选线的磁感式电流计算方法，其特征在于：所述毕奥-萨伐尔定律对应的计算公式为
，
其中：I为产生磁场的电流大小、B为电流产生的磁场在某点处的强度、r为该点距离电流I的距离、u0为空气中的磁导率，μ0=4π×10-7H/m。
4.根据权利要求1所述的一种适用于平行三相线故障选线的磁感式电流计算方法，其特征在于：所述磁场传感器为TMR磁场传感器。
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