CN118091238A - 一种多导体电缆电流测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多导体电缆电流测量系统和方法，多层磁传感器阵列环绕多导体电缆分布，多层磁传感器阵列用于测量多导体电缆在不同空间位置的磁场信号。多个模拟前端模块与多层磁传感器阵列中的多个磁传感器一一对应连接，模拟前端模块用于放大磁场信号。信号处理模块与多个模拟前端模块连接，信号处理模块用于对多个模拟前端模块输出的放大的磁场信号进行去噪处理。反演计算模块与信号处理模块连接，反演计算模块用于根据信号处理模块输出的信号反演计算每一导体的位置和电流。本发明可以根据去噪处理的磁场信号利用反演算法推导出各个导体的位置和电流大小，能够实现对各个导体和电流的精准测量，有利于减少测量误差。

Description

一种多导体电缆电流测量系统和方法

技术领域

本发明实施例涉及传感器技术领域，尤其涉及一种多导体电缆电流测量系统和方法。

背景技术

数字化已成为电力系统全球趋势，全面状态感知和高度智能化的操作需要对电力系统中大量的节点和线路进行测量，因此必须建立广泛的传感网络，其中电流是最重要的传感量之一。多芯电缆是电力系统中用于传输和分配电能的重要工具，针对多芯电缆电流在线测量可以帮助电网工作人员及时发现和排查故障，保障电力系统安全稳定运行。

现有技术中，传统电流互感器和罗氏线圈已经得到广泛的应用。然而，传统电流互感器和罗氏线圈在测量多个导体时，仅靠单一传感器无法完成对多个相电流的测量，且由于多个导体电流相互抵消，无法得到测量信号，因此，现有技术中无法精确测量电缆内部的各个导体位置和电流信息，无法满足电力系统对与多导体电流测量的需求。

发明内容

本发明实施例提供了一种多导体电缆电流测量系统和方法，可以根据去噪处理的磁场信号利用反演算法推导出各个导体的位置和电流大小，能够实现对各个导体和电流的精准测量，有利于减少测量误差。

第一方面，本发明实施例提供了一种多导体电缆电流测量系统，包括：

多层磁传感器阵列，多层磁传感器阵列环绕多导体电缆分布，每层磁传感器阵列中的磁传感器与多导体电缆之间的间距相等，多层磁传感器阵列用于测量多导体电缆在不同空间位置的磁场信号；

多个模拟前端模块，与多层磁传感器阵列中的多个磁传感器一一对应连接，模拟前端模块用于放大磁场信号，抑制共模干扰；

信号处理模块，与多个模拟前端模块连接，信号处理模块用于对多个模拟前端模块输出的放大的磁场信号进行去噪处理；

反演计算模块，与信号处理模块连接，反演计算模块用于根据信号处理模块输出的信号反演计算每一导体的位置和电流。

可选的，多层磁传感器阵列为双层磁传感器阵列，内层传感器阵列中的磁传感器与外层传感器阵列中的磁传感器一一对应设置。

可选的，模拟前端模块包括仪器放大器、滤波单元和模数转换器；

仪器放大器与磁传感器连接，仪器放大器用于对磁传感器输出的磁场信号进行差动放大，并输出差动放大信号；

滤波单元与仪器放大器连接，滤波单元用于对差动放大信号进行滤波；

模数转换器与滤波单元连接，模数转换器用于对滤波后的信号进行模数转换；

其中，磁传感器包括隧道磁阻传感器，磁场信号为差动信号。

可选的，仪器放大器包括第一放大器、第二放大器、第三放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻和第七电阻；

第一放大器的第一输入端和第二放大器的第一输出端分别接入差动信号，第一放大器的输出端与第一电阻的第一端连接，第二放大器的输出端与第二电阻的第一端连接，第三电阻的第一端与第一放大器的输出端连接，第三电阻的第二端与第二放大器的输出端连接，第一放大器的第二输入端经第四电阻与第三电阻的第一端连接，第二放大器的第二输入端经第五电阻与第三电阻的第二端连接；

第三放大器的第一输入端与第二电阻的第二端连接，第三放大器的第二输入端与第一电阻的第二端连接，第三放大器的输出端为仪器放大器的输出端，第一电阻的第二端还经第六电阻与第三放大器的输出端连接，第二电阻的第二端还经第七电阻接地。

可选的，滤波单元包括窄带滤波器；

窄带滤波器器包括第四放大器、滤波电路、第五放大器、相敏检波器、低通滤波器、第六放大器、整形电路和移相器，第四放大器的输入端与仪器放大器的输出端连接，第四放大器的输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与第五放大器的输入端连接，第五放大器的输出端与相敏检波器的第一输入端连接；

整形电路的输入端接入参考信号，整形电路的输出端经移相器与相敏检波器的第二输入端连接，相敏检波器的输出端经低通滤波器与第六放大器的输入端连接，第六放大器的输出端为滤波单元的输出端。

可选的，多导体电缆电流测量系统还包括：开合结构固定装置，多层磁传感器阵列均匀分布在开合结构固定装置上。

第二方面，本发明实施例提供了一种多导体电缆电流测量方法，包括：

通过多层磁传感器阵列测量多导体电缆在不同空间位置的磁场信号；其中，多层磁传感器阵列环绕多导体电缆分布，每层磁传感器阵列中的磁传感器与多导体电缆之间的间距相等；

控制多个模拟前端模块分别放大对应的磁传感器生成的磁场信号；

控制信号处理模块对多个模拟前端模块输出的放大的磁场信号进行去噪处理；

控制反演计算模块根据信号处理模块输出的信号反演计算每一导体的位置和电流。

可选的，控制反演计算模块根据信号处理模块输出的信号反演计算每一导体的位置和电流包括：

根据电缆内部各个导体的预设位置和预设电流计算对应的磁传感器处的预设磁感应强度；

根据信号处理模块输出的信号计算磁传感器处的实际磁感应强度；

根据预设磁感应强度和实际磁感应强度确定各导体的实际位置和实际电流。

可选的，根据预设磁感应强度和实际磁感应强度确定各导体的实际位置和实际电流包括：

若预设磁感应强度和实际磁感应强度之间的差值的平方大于预设值，则更新导体的位置和电流，重新计算磁感应强度，直到预设磁感应强度和实际磁感应强度之间的差值的平方小于或等于预设值为止；

根据更新后的导体位置计算导体的实际电流。

可选的，采用粒子群优化算法更新导体位置。

本发明实施例所提供的技术方案，多导体电缆电流测量系统采用多层磁传感器阵列(如，双层磁传感器阵列)测量多导体周围的空间磁场的磁场信号，并且通过多个模拟前端模块分别放大相对应的磁传感器测量到的磁场信号，同时通过信号处理模块进行去噪处理，以提高磁场信号的信噪比，然后采用粒子群优化算法和内点结合法的反演计算方法，将多导体电缆电流测量系统输出的高信噪比的磁场信号作为反演数据计算出各个导体的位置，再结合各个导体的位置计算出各个导体中的电流。本发明实施例能够对各个导体的位置和电流实现精准测量，有利于减少测量误差。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种多导体电缆电流测量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种TMR磁传感器电路原理图；

图3是本发明实施例提供的一种多导体电缆电流测量系统中多层磁传感器阵列的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的又一种多导体电缆电流测量系统的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种仪器放大器电路原理图；

图6是本发明实施例提供的一种窄带滤波器电路原理图；

图7是本发明实施例提供的一种多导体电缆电流测量方法流程图；

图8是本发明实施例提供的又一种多导体电缆电流测量方法流程图；

图9是本发明实施例提供的一种内点法算法流程图；

图10是本发明实施例提供的一种粒子群优算法流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1是本发明实施例提供的一种多导体电缆电流测量系统的结构示意图，该测量系统可以应用于城市多导体电缆的安全监测、故障诊断和电能管理、智能电网、工业和国民经济等领域。图2是本发明实施例提供的一种TMR磁传感器电路原理图。参见图1和图2，多导体电缆电流测量系统包括：多层磁传感器阵列，多层磁传感器阵列环绕多导体电缆分布，每层磁传感器阵列中的磁传感器与多导体电缆之间的间距相等，多层磁传感器阵列用于测量多导体电缆在不同空间位置的磁场信号。多个模拟前端模块11，与多层磁传感器阵列中的多个磁传感器一一对应连接，模拟前端模块11用于放大磁场信号，抑制共模干扰。信号处理模块12，与多个模拟前端模块11连接，信号处理模块12用于对多个模拟前端模块11输出的放大的磁场信号进行去噪处理。反演计算模块13，与信号处理模块12连接，反演计算模块13用于根据信号处理模块12输出的信号反演计算每一导体的位置和电流。

其中，图1仅示出了一个模拟前端模块11与一个磁传感器对应连接的情况，模拟前端模块11的数量可与磁传感器的数量相同。磁传感器可以为隧道电阻(Tunnel MagnetoResistance，TMR)磁传感器。如图2所示，每个TMR磁传感器包括4个隧道磁阻(R1、R2、R3和R4)。隧道磁阻是两个磁性层之间夹着非磁性层形成的一个磁阻，非磁性层作为传感器的探头。TMR磁传感器原理是电源Vcc向隧道磁阻的磁性层输入电流，在磁性层中产生磁场，当没有外加磁场时，4个隧道磁阻中的磁性层方向没有发生改变，同相输出Vout+和反相输出Vout-的信号完全相等，没有差动信号输出。当外加磁场作用到4个隧道磁阻时，4个隧道磁阻中的磁性层方向发生改变，同相输出Vout+和反相输出Vout-的信号不相等，从而产生差动信号。每个TMR磁传感器测量的磁场信号为各个导体在该TMR磁传感器位置上的磁场信号的叠加。反演计算法包括内点法和粒子群优化算法。

可选的，多层磁传感器阵列为双层磁传感器阵列，双层磁传感器阵列包括内层传感器阵列和外层传感器阵列，内层传感器阵列中的磁传感器与外层传感器阵列中的磁传感器一一对应设置。例如，内层传感器阵列和外层传感器阵列分别包括4个磁传感器，其中，外层传感器阵列包括磁传感器1、磁传感器3、磁传感器5和磁传感器7，内层传感器阵列包括磁传感器2、磁传感器4、磁传感器6和磁传感器8。以下实施例均以双层磁传感器阵列为例进行说明。

具体的，当每个磁传感器测量出各个导体在该磁传感器位置上的磁场信号时，多个模拟前端模块11分别放大相对应的磁传感器测量到的磁场信号(例如，第一个模拟前端模块11放大磁传感器1测量到的磁场信号，第二个模拟前端模块11放大磁传感器2测量到的磁场信号……第八个模拟前端模块11放大磁传感器8测量到的磁场信号)，各模拟前端模块11分别将放大的磁场信号传输给信号处理模块12。信号处理模块12对接收到的放大的磁场信号进行去噪处理，以得到具有较高信噪比的磁场信号(去噪后的磁场信号即为电信号)，并将去噪后的磁场信号传输给反演计算模块13。反演计算模块13根据信号处理模块12输出的信号计算出对应磁传感器位置上的磁感应强度，并根据该磁感应强度计算出各个导体的位置。

示例性地，以粒子群优化算法快速确定各导体的位置。根据输出的各个导体的位置获取磁传感器1检测到的针对m个导体的第一磁感应强度，磁传感器2检测到的针对m个导体的第二磁感应强度……磁传感器8检测到的针对m个导体的第八个磁感应强度。其中，m为电缆内部导体的数量，m大于或等于2。第一磁感应强度包括第一分量，第二磁感应强度包括第二分量，第三磁感应强度包括第三分量……第八个磁感应强度包括第八分量。第一分量、第二分量、第三分量……第八分量依次为第一通电导体在磁传感器1、磁传感器2、磁传感器3……磁传感器8上产生的磁感应强度分量，将第一分量、第二分量、第三分量……第八分量作为粒子群中每个粒子的位置变量，通过粒子群算法对粒子群中每个粒子的位置变量进行迭代计算，得到粒子群的全局最优位置。反演计算模块13再根据全局最优位置对应的第一分量、第二分量、第三分量……第八分量，以及第一磁感应强度、第二磁感应强度、第三磁感应强度……直至第八磁感应强度和八个磁传感器中两两之间的相对距离，快速的确定出各个导体的位置，根据各个导体的位置结合内点法计算出各个导体中的电流。

本发明实施例所提供的技术方案，多导体电缆电流测量系统采用多层磁传感器阵列(如，双层磁传感器阵列)测量多导体周围的空间磁场的磁场信号，并且通过多个模拟前端模块11分别放大相对应的磁传感器测量到的磁场信号，同时通过信号处理模块12进行去噪处理，以提高磁场信号的信噪比，然后采用粒子群优化算法和内点结合法的反演计算方法，将多导体电缆电流测量系统输出的高信噪比的磁场信号作为反演数据计算出各个导体的位置，再结合各个导体的位置计算出各个导体中的电流。本发明实施例能够对各个导体的位置和电流实现精准测量，有利于减少测量误差。

图3是本发明实施例提供的一种多导体电缆电流测量系统中多层磁传感器阵列的结构示意图。参见图3，在上述实施例的基础上，可选的，多导体电缆电流测量系统还包括：开合结构固定装置14，多层磁传感器阵列均匀分布在开合结构固定装置14上。

其中，开合结构固定装置14固定在多导体电缆外表面，方便拆卸。在测量结束后，可以通过开合结构固定装置14将多个磁传感器与多导体电缆外表面分开。

图4是本发明实施例提供的又一种多导体电缆电流测量系统的结构示意图。参见图4，在上述各实施例的基础上，可选的，模拟前端模块11包括仪器放大器111、滤波单元112和模数转换器113。仪器放大器111与磁传感器连接，仪器放大器111用于对磁传感器输出的磁场信号进行差动放大，并输出差动放大信号。滤波单元112与仪器放大器111连接，滤波单元112用于对差动放大信号进行滤波。模数转换器113与滤波单元112连接，模数转换器113用于对滤波后的信号进行模数转换。

其中，磁传感器包括隧道磁阻传感器，磁场信号为差动信号。差动信号为同相磁场信号与反相磁场信号的差值。噪声信号可以理解为一种干扰磁场信号测量的电子信号。(干扰不仅限于磁场干扰，也可以是其它噪声产生的噪声和干扰)。

具体的，当每个磁传感器测量出各个导体在该磁传感器位置上的磁场信号时，各个导体电流产生的磁场会使磁传感器产生差动信号，磁传感器输出的差动信号接入仪器放大器111的同相输入端和反相输入端，经过仪器放大器111对输入的差动信号进行放大，仪器放大器111输出的差动放大信号输入至滤波单元112，滤波单元112将滤除差动放大信号以外的噪声信号，然后将滤波后的差动放大信号输入到模数转换器113，模数转换器113将模拟信号形式的差动放大信号转换为数字信号。

在本发明实施例中，通过仪器放大器111实现了对差动信号放大以及对噪声信号的抑制，并通过滤波单元112和模数转换器113分别实现了对差动信号的滤波和模数转换，能够准确的反应各个导体在电缆外的磁场信号，有利于提高电流测量分辨率。

图5是本发明实施例提供的一种仪器放大器电路原理图。参见图5，在上述实施例的基础上，可选的，仪器放大器111包括第一放大器111-1、第二放大器111-2、第三放大器111-3、第一电阻111-4、第二电阻111-5、第三电阻111-6、第四电阻111-7、第五电阻111-8、第六电阻111-9和第七电阻111-10。第一放大器111-1的第一输入端和第二放大器111-2的第一输出端分别接入差动信号，第一放大器111-1的输出端与第一电阻111-4的第一端连接，第二放大器111-2的输出端与第二电阻111-5的第一端连接，第三电阻111-6的第一端与第一放大器111-1的输出端连接，第三电阻111-6的第二端与第二放大器111-2的输出端连接，第一放大器111-1的第二输入端经第四电阻111-7与第三电阻111-6的第一端连接，第二放大器111-2的第二输入端经第五电阻111-9与第三电阻111-6的第二端连接。第三放大器111-3的第一输入端与第二电阻111-5的第二端连接，第三放大器111-3的第二输入端与第一电阻111-4的第二端连接，第三放大器111-3的输出端为仪器放大器111的输出端，第一电阻111-4的第二端还经第六电阻111-8与第三放大器111-3的输出端连接，第二电阻111-5的第二端还经第七电阻111-10接地。

其中，第一放大器111-1和第二放大器111-2为前置放大器，第一放大器111-1和第二放大器111-2用于提供高输入阻抗、低噪声和增益。第三放大器111-3为差分放大器，用于抑制共模噪声。

具体的，当差动信号通过同相输入端和反相输入端分别输入第一放大器111-1和第二放大器111-2时，第一放大器111-1的输入阻抗和第二放大器111-2的输入阻抗都很高，以使得同相输入差动信号和反相输入差动信号在电路中衰减很小，通过调节第一电阻111-4、第二电阻111-5、第三电阻111-6、第四电阻111-7、第五电阻111-8、第六电阻111-9和第七电阻111-10的阻值以增大差动信号的增益，进而使得同相输入端输入的差动信号(即，VIN+)和反相输入端输入的差动信号(VIN-)放大，再经过第三放大器111-3对同相输入端输入的差动信号和反相输入端输入的差动信号进行去噪处理，以使得差动信号与噪声信号抑制之比提高。在本发明实施例中，通过仪器放大器111抑制了对共模干扰和噪声信号，有利于提高磁场信号测量的准确性。

图6是本发明实施例提供的一种窄带滤波器电路原理图。参见图6，在上述实施例的基础上，可选的，滤波单元112包括窄带滤波器。窄带滤波器包括第四放大器1122、滤波电路1123、第五放大器1124、相敏检波器1125、低通滤波器1126、第六放大器1127、整形电路1128和移相器1129，第四放大器1122的输入端与仪器放大器111的输出端连接，第四放大器1122的输出端与滤波电路1123的输入端连接，滤波电路1123的输出端与第五放大器1124的输入端连接，第五放大器1124的输出端与相敏检波器1125的第一输入端连接。整形电路1128的输入端接入参考信号，整形电路1128的输出端经移相器1129与相敏检波器1125的第二输入端连接，相敏检波器1125的输出端经低通滤波器1126与第六放大器1127的输入端连接，第六放大器1127的输出端为滤波单元112的输出端。

其中，参考信号用于与输入信号进行比较。输入信号即为仪器放大器111输出的差动放大信号，当仪器放大器输出的差动放大信号输入窄带滤波器时，经过第四放大器1122、滤波电路1123和第五放大器1124对差动放大信号进行放大滤波，同时整形电路1128和移相器1129将参考信号的频率匹配到与差动放大信号的频率一致，并与参考信号在相敏检波器1125中进行相敏检波，得到调制信号，然后经过低通滤波器1126将调制信号以外频带的噪声滤掉，经过第六放大器1127将微弱的调制信号进行放大后输出。

在本发明实施例中，在窄带滤波器中参考信号与差动放大信号进行比较，将参考信号的频率调整到与差动放大信号频率一致后，在相敏检波器1124中进行相敏检波，然后通过低通滤波器1125进行滤波。在解调过程中窄带滤波器将调制信号在窄带信号内进行解调。因此，可以将调制信号以外频带的噪声大幅度抑制，从而大大提高信噪比，有利于提高差动放大信号测量的精确度。

可选地，信号处理模块12和反演计算模块13可以集成在计算机中，在得到反演计算结果后，计算机还可将计算结果进行输出显示。

图7是本发明实施例提供的一种多导体电缆电流测量方法流程图，参见图7，可选的，本发明实施例提供了一种多导体电缆电流测量方法，包括：

S110、通过多层磁传感器阵列测量多导体电缆在不同空间位置的磁场信号。其中，多层磁传感器阵列环绕多导体电缆分布，每层磁传感器阵列中的磁传感器与多导体电缆之间的间距相等。

S120、控制多个模拟前端模块分别放大对应的磁传感器生成的磁场信号。

S130、控制信号处理模块对多个模拟前端模块输出的放大的磁场信号进行去噪处理。

S140、控制反演计算模块根据信号处理模块输出的信号反演计算每一导体的位置和电流。

具体的，结合图1，当双层磁传感器阵列环绕多导体电缆分布时，控制双层磁传感器阵列中每一个磁传感器测量多个导体在该磁传感器上的磁场信号。然后控制多个模拟前端模块11分别放大相对应的磁传感器测量到的磁场信号，并且控制多个模拟前模块11将放大的磁场信号传输给信号处理模块12，信号处理模块12接收到放大的磁场信号后，控制信号处理模块12对放大的磁场信号进行去噪处理。反演计算模块13接收到信号处理模块输出的磁场信号后，控制反演计算模块13计算出对应磁传感器位置上的实际磁感应强度，并根据磁感应强度计算出各个导体的位置。

本发明实施例所提供的技术方案，多导体电缆电流测量系统采用多层磁传感器阵列(如，双层磁传感器阵列)测量多导体周围的空间磁场的磁场信号，并且通过多个模拟前端模块11分别放大相对应的磁传感器测量到的磁场信号，同时通过信号处理模块12进行去噪处理，以提高磁场信号的信噪比，然后采用粒子群优化算法和内点结合法的反演计算方法，将多导体电缆电流测量系统输出的高信噪比的磁场信号作为反演数据计算出各个导体的位置，再结合各个导体的位置计算出各个导体中的电流。本发明实施例能够对各个导体的位置和电流实现精准测量，有利于减少测量误差。

图8是本发明实施例提供的又一种多导体电缆电流测量方法流程图。参见图8，在上述实施例的基础上，可选的，控制反演计算模块根据信号处理模块输出的信号反演计算每一导体的位置和电流包括：

S1401、根据电缆内部各个导体的预设位置和预设电流计算对应的磁传感器处的预设磁感应强度。

S1402、根据信号处理模块输出的信号计算磁传感器处的实际磁感应强度。

S1403、根据预设磁感应强度和实际磁感应强度确定各导体的实际位置和实际电流。

具体的，结合图4，控制磁传感器根据各个导体的预算位置和预设电流测量出各个导体周围的磁感应强度，再根据各个导体周围的磁感应强度计算出各个导体在对应磁传感器位置上的预设磁感应强度。根据信号处理模块12输出的磁场信号计算出同一磁传感器上的实际磁感应强度。根据预设磁感应强度和实际磁感应强度确定导体的实际位置和实际电流。

在本发明实施例中，通过预设电缆各个导体的位置和电流计算出各个导体在对应磁传感器位置上的预设磁场感应强度，并通过信号处理模块12输出的信号计算磁传感器处的实际磁感应强度。根据预设磁感应强度和实际磁感应强度确定各导体的实际位置和实际电流，有利于提高测量的准确性。

图9是本发明实施例提供的一种内点法算法流程图。在上述各实施例的技术上，可选的，根据预设磁感应强度和实际磁感应强度确定各导体的实际位置和实际电流包括：若预设磁感应强度和实际磁感应强度之间的差值的绝对值平方大于预设值，则更新导体的位置和电流，重新计算磁感应强度，直到预设磁感应强度和实际磁感应强度之间的差值的平方小于或等于预设值为止。根据更新后的导体位置计算导体的实际电流。

其中，预设值为ε，其值可根据实际需求进行设置。实际电流可以理解为在预设磁感应强度和实际磁感应强度之间的差值的平方小于或等于预设值的条件下，根据确定各个导体的位置所计算出的电流。

具体的，根据预设磁感应强度和实际磁感应强度确定各导体的实际位置和实际电流具体方法为：判断预设磁感应强度和实际磁感应强度的差值绝对值是否小于或等于ε，若预设磁感应强度和实际磁感应强度的差值绝对值大于，则需要更新各个导体的预设电流值和预设位置，重新计算出各个导体在对应磁传感器位置上的磁感应强度，重新进行判断，直至满足预设磁感应强度和实际磁感应强度的差值绝对值小于或等于ε，输出各个导体的实际位置和实际电流，并结束运算。若判断预设磁感应强度和实际磁感应强度的差值绝对值小于或等于ε，则直接输出各个导体的实际位置和实际电流。

在本发明实施例中，利用内点法从多个磁传感器的磁场信号反演计算出各个导体的位置，结合实际测量结果，选取实验数据与仿真数据进行比对分析，将计算值与真实值进行对比，对磁传感器阵列模型进行验证和修正，从而能够准确的测量出各个导体的位置，有利于提高测量的精准度。其中，实验数据为根据信号处理模块12输出的实际磁场感应强度结合内点法和粒子群优算法计算出各个导通的位置和电流(即为真实值)。仿真数据为根据预设的各个导体的位置和电流测量出的磁感应强度结合内点法和粒子群优算法计算出各个导体的位置和电流(即为计算值)。

图10是本发明实施例提供的一种粒子群优算法流程图，参见图10，在上述实施例的基础上，可选的，采用粒子群化算法更新导体位置。

其中，预设磁感应强度包括第一磁感应强度、第二磁感应强度……直至第八磁传感应强度。第一磁感应强度为磁传感器1检测到m个导体在磁传感器1位置上的磁场强度，第二磁感应强度为磁传感器2检测到m个导体在磁传感器2位置上的磁场强度……第八磁感应强度为磁传感器8检测到m个导体在磁传感器8位置上的磁场强度。第一分量、第二分量、第三分量……第八分量依次为第一通电导体在第一个磁传感器、第二个磁传感器、第三个磁传感器……第八个磁传感器上产生的磁感应强度分量。

其中，终止条件为：当前全局最优位置对应的适度值达到设定的适应度要求，或者迭代次数达到预设的最大迭代次数。

具体的，粒子群优算法的具体计算过程为：开始时，对各个粒子的最优位置和粒子群的全局最优位置对应的第一分量、第二分量、第三分量……第八分量，以及第一磁感应强度、第二磁感应强度、第三磁感应强度……第八磁感应强度和八个磁传感器中两两之间的相对距离等参数进行初始化，并随机生成粒子位置。获取每个粒子的初始位置和每个粒子的初始速度，确定粒子群中每个粒子的个体最优位置(即，粒子群中每个粒子的初始位置作为当前个体最优位置)，根据适应度函数计算每个粒子的适应值，取最小适应值对应的粒子位置作为整个粒子群的全局最优位置。判断是否满足迭代终止条件，若满足，停止迭代，输出全局最优位置，若不满足，将迭代次数加1，根据粒子群中每个粒子的当前位置和当前速度以及当前个体最优位置、粒子群的全局最优位置，对粒子群中每个粒子的位置和速度进行更新，得到更新后的每个粒子的当前位置和当前速度，根据更新后每个粒子的当前位置和当前速度以及适应度函数计算出每个粒子的适应度值。重新确定粒子群中每个粒子的个体最优位置和整个粒子群的全局最优位置，再次进行判断直至满足终止条件，输出全局最优位置。这里的全局最优位置即为确定的导体位置。

最后，结合内点法根据全局最优位置对应的第一分量、第二分量、第三分量……第八分量，以及第一磁感应强度、第二磁感应强度、第三磁感应强度……第八磁感应强度和八个磁传感器中两两之间的相对距离，反演计算出各个导体中的电流。

在本发明实施例中，粒子群优算法开始后初始化各个参数并随机生成多组初始点，粒子拥有“记忆”功能，计算各个粒子适应度值，找出个体和群体最优值，结合自己的历史最优与当前的全局最优确定下一步的位置。如果没有满足判定条件，更新各个粒子的速度和位置，从新计算，直到满足判定条件，输出最优解，从而实现为灵活的迭代。得到更加准确多导体电流测量结果，提高了多导体电缆电流测量的分辨率。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多导体电缆电流测量系统，其特征在于，包括：

多层磁传感器阵列，所述多层磁传感器阵列环绕所述多导体电缆分布，每层所述磁传感器阵列中的磁传感器与所述多导体电缆之间的间距相等，所述多层磁传感器阵列用于测量所述多导体电缆在不同空间位置的磁场信号；

多个模拟前端模块，与所述多层磁传感器阵列中的多个磁传感器一一对应连接，所述模拟前端模块用于放大所述磁场信号，抑制共模干扰；

信号处理模块，与所述多个模拟前端模块连接，所述信号处理模块用于对所述多个模拟前端模块输出的放大的磁场信号进行去噪处理；

反演计算模块，与所述信号处理模块连接，所述反演计算模块用于根据所述信号处理模块输出的信号反演计算每一导体的位置和电流。

2.根据权利要求1所述的多导体电缆电流测量系统，其特征在于，所述多层磁传感器阵列为双层磁传感器阵列，内层传感器阵列中的磁传感器与外层传感器阵列中的磁传感器一一对应设置。

3.根据权利要求1所述的多导体电缆电流测量系统，其特征在于，所述模拟前端模块包括仪器放大器、滤波单元和模数转换器；

所述仪器放大器与所述磁传感器连接，所述仪器放大器用于对所述磁传感器输出的磁场信号进行差动放大，并输出差动放大信号；

所述滤波单元与所述仪器放大器连接，所述滤波单元用于对所述差动放大信号进行滤波；

所述模数转换器与所述滤波单元连接，所述模数转换器用于对滤波后的信号进行模数转换；

其中，所述磁传感器包括隧道磁阻传感器，所述磁场信号为差动信号。

4.根据权利要求3所述的多导体电缆电流测量系统，其特征在于，所述仪器放大器包括第一放大器、第二放大器、第三放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻和第七电阻；

所述第一放大器的第一输入端和所述第二放大器的第一输出端分别接入所述差动信号，所述第一放大器的输出端与所述第一电阻的第一端连接，所述第二放大器的输出端与所述第二电阻的第一端连接，所述第三电阻的第一端与所述第一放大器的输出端连接，所述第三电阻的第二端与所述第二放大器的输出端连接，所述第一放大器的第二输入端经所述第四电阻与所述第三电阻的第一端连接，所述第二放大器的第二输入端经所述第五电阻与所述第三电阻的第二端连接；

所述第三放大器的第一输入端与所述第二电阻的第二端连接，所述第三放大器的第二输入端与所述第一电阻的第二端连接，所述第三放大器的输出端为所述仪器放大器的输出端，所述第一电阻的第二端还经所述第六电阻与所述第三放大器的输出端连接，所述第二电阻的第二端还经所述第七电阻接地。

5.根据权利要求3所述的多导体电缆电流测量系统，其特征在于，所述滤波单元包括窄带滤波器；

所述窄带滤波器包括第四放大器、滤波电路、第五放大器、相敏检波器、低通滤波器、第六放大器、整形电路和移相器，所述第四放大器的输入端与所述仪器放大器的输出端连接，所述第四放大器的输出端与所述滤波电路的输入端连接，所述滤波电路的输出端与所述第五放大器的输入端连接，所述第五放大器的输出端与所述相敏检波器的第一输入端连接；

所述整形电路的输入端接入参考信号，所述整形电路的输出端经所述移相器与所述相敏检波器的第二输入端连接，所述相敏检波器的输出端经所述低通滤波器与所述第六放大器的输入端连接，所述第六放大器的输出端为所述滤波单元的输出端。

6.根据权利要求1所述的多导体电缆电流测量系统，其特征在于，还包括开合结构固定装置，所述多层磁传感器阵列均匀分布在所述开合结构固定装置上。

7.一种多导体电缆电流测量方法，其特征在于，包括：

通过多层磁传感器阵列测量所述多导体电缆在不同空间位置的磁场信号；其中，所述多层磁传感器阵列环绕所述多导体电缆分布，每层所述磁传感器阵列中的磁传感器与所述多导体电缆之间的间距相等；

控制多个模拟前端模块分别放大对应的所述磁传感器生成的磁场信号；

控制信号处理模块对所述多个模拟前端模块输出的所述放大的磁场信号进行去噪处理；

控制反演计算模块根据所述信号处理模块输出的信号反演计算每一导体的位置和电流。

8.根据权利要求7所述的多导体电缆电流测量方法，其特征在于，所述控制反演计算模块根据所述信号处理模块输出的信号反演计算每一导体的位置和电流包括：

根据所述电缆内部各个导体的预设位置和预设电流计算对应的磁传感器处的预设磁感应强度；

根据所述信号处理模块输出的信号计算所述磁传感器处的实际磁感应强度；

根据所述预设磁感应强度和所述实际磁感应强度确定各所述导体的实际位置和实际电流。

9.根据权利要求8所述的多导体电缆电流测量方法，其特征在于，所述根据所述预设磁感应强度和所述实际磁感应强度确定各所述导体的实际位置和实际电流包括：

若所述预设磁感应强度和实际预设磁感应强度之间的差值的平方大于预设值，则更新所述导体的位置和电流，重新计算所述预设磁感应强度，直到所述预设磁感应强度和所述实际磁感应强度之间的差值的平方小于或等于预设值为止；

根据更新后的导体位置计算所述导体的实际电流。

10.根据权利要求9所述的多导体电缆电流测量方法，其特征在于，

采用粒子群优化算法更新所述导体位置。