一種利用磁場(chǎng)數(shù)據(jù)逆推架空輸電線路三相電流的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于架空輸電線路電流測(cè)量領(lǐng)域，具體為一種逆推架空輸電線路三相電流 的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 三相電流的幅值和相位直接反映交流輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)和健康水平，是評(píng)估電 能質(zhì)量、判斷無(wú)功補(bǔ)償投切容量、啟動(dòng)繼電保護(hù)和進(jìn)行故障診斷的主要依據(jù)。目前輸配電線 路電量信號(hào)檢測(cè)主要是通過(guò)互感器實(shí)現(xiàn)的。如果安裝傳統(tǒng)的電磁式互感器，通常需要在停 電狀態(tài)下完成；大量使用電磁互感器存在引發(fā)鐵磁諧振的潛在危害。而隨著線路電壓等級(jí) 的升高，互感器的絕緣難度及價(jià)格也大幅提升。互感器長(zhǎng)期接入線路中，還存在發(fā)熱、老化 等問(wèn)題，測(cè)量準(zhǔn)確性降低，其本身可能成為電網(wǎng)的安全隱患。
[0003] 隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，沿架空輸電線路對(duì)其電流進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智 能預(yù)警和自動(dòng)控制的需求越來(lái)越迫切?？紤]傳統(tǒng)電流互感器的工作原理和電氣特性，在已 有線路中加裝電流互感器存在諸多困難，甚至根本不具備實(shí)現(xiàn)條件。面對(duì)這樣的瓶頸問(wèn)題， 有必要開(kāi)拓思路尋求新型的測(cè)量方式，實(shí)現(xiàn)安全而有效的架空輸電線路電流監(jiān)測(cè)。
[0004] 對(duì)高壓交流輸電線路電磁環(huán)境的大量研究證實(shí)，輸電線路工頻電流在其周圍空間 產(chǎn)生工頻磁場(chǎng)，源與場(chǎng)之間存在著顯著的正相關(guān)性。鑒于此，可以利用傳感器測(cè)量架空線路 下方空間若干個(gè)測(cè)量點(diǎn)的工頻磁場(chǎng)，建立逆推數(shù)學(xué)模型，通過(guò)優(yōu)化算法估算出線路電流、提 取特征參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)線路電流的非接觸測(cè)量。
[0005] 線路空間電磁場(chǎng)測(cè)量與線路不存在直接的電氣連接，不影響線路的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì) 測(cè)量設(shè)備本身沒(méi)有太高的絕緣要求；此外，測(cè)量位置可根據(jù)需要確定，操作方便靈活。這些 都體現(xiàn)了基于電磁場(chǎng)逆問(wèn)題方法反演輸電線路電流，進(jìn)行非接觸式測(cè)量的巨大優(yōu)勢(shì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種操作方便靈活、無(wú)需斷電、 在線測(cè)量計(jì)算、非接觸式測(cè)量的利用磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)逆推架空輸電線路三相電流的方法。本 發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種利用磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)逆推架空輸電線路三相電流的方法，其包括 以下步驟：
[0007] 101、獲取架空輸電線路三相導(dǎo)線之間的水平距離和垂直距離，并在架空輸電線路 正下方分別設(shè)置3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，獲取測(cè)量點(diǎn)與導(dǎo)線之間的垂直距離；
[0008] 102、根據(jù)架空輸電線路的位置結(jié)構(gòu)參數(shù)和測(cè)量點(diǎn)的位置參數(shù)計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)與導(dǎo) 線之間的距離，及測(cè)量點(diǎn)的各個(gè)磁場(chǎng)矢量與垂直方向的夾角Θ ;
[0009] 103、利用專用工頻磁場(chǎng)測(cè)量裝置測(cè)量3個(gè)測(cè)量點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度及其分量；
[0010] 104、預(yù)設(shè)架空輸電線路三相電流初值，然后結(jié)合步驟102計(jì)算得出的導(dǎo)線與測(cè)量 點(diǎn)之間的距離及夾角Θ計(jì)算測(cè)量點(diǎn)理論磁感應(yīng)強(qiáng)度及其分量，并且推導(dǎo)出測(cè)量點(diǎn)處磁感 應(yīng)強(qiáng)度分量與三相電流之間的約束關(guān)系；
[0011] 105、利用步驟103得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量值及其分量的測(cè)量值，和步驟104得 到的理論計(jì)算值構(gòu)造尋優(yōu)算法的適應(yīng)度函數(shù)FM，并在步驟104得到的約束條件下，采用多 目標(biāo)尋優(yōu)算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算；
[0012] 106、如果滿足迭代終止條件，則輸出逆推所得的三相電流最優(yōu)解；否則更新三相 電流值，返回步驟103。
[0013] 進(jìn)一步的，建立交流輸電線路空間磁場(chǎng)計(jì)算模型，采用疊加定理可計(jì)算三相電流 在測(cè)量點(diǎn)P點(diǎn)處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度
[0015] μ。= 4 π X 1〇 7;1為導(dǎo)線電流；h和L分別為導(dǎo)線與測(cè)量點(diǎn)垂直距離和水平距離； BJP B ￥分別為B的X方向和y方向分量；e p ex、ey、分別為三個(gè)方向的單位矢量。
[0016] 進(jìn)一步的，對(duì)于步驟101所述的3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)步驟104計(jì)算，可得磁感應(yīng)強(qiáng)度 分量與三相電流之間的約束關(guān)系，為
[0019] 式中也、k2、k3、k4是與輸電線路結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，^表示在測(cè)量點(diǎn)2處的產(chǎn)生的 磁感應(yīng)強(qiáng)度的y分量、表示在測(cè)量點(diǎn)3處的產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的y分量。
[0020] 進(jìn)一步的，以13為待識(shí)別參量，I b、I?？捎肐 3和測(cè)量得到的磁場(chǎng)值計(jì)算得到，由此 在步驟105所述的多目標(biāo)尋優(yōu)過(guò)程中，可將三個(gè)決策變量減為單個(gè)決策變量。
[0021] 進(jìn)一步的，步驟104設(shè)置三個(gè)適應(yīng)度函數(shù)Fsa
[0023] 式中：B、BX#分別為測(cè)量點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度合成值、X分量和y分量的理論計(jì)算值； B' B/、為對(duì)應(yīng)的測(cè)量值，多目標(biāo)尋優(yōu)問(wèn)題描述為
[0025] 進(jìn)一步的，步驟105的多目標(biāo)尋優(yōu)算法采用的是基于帶精英策略的快速非支配排 序遺傳算法的架空輸電線路電流逆推法。
[0026] 進(jìn)一步的，基于帶精英策略的快速非支配排序遺傳算法包括以下步驟：
[0027] Α1、初始化種群，a相待識(shí)別電流Ia、b相相待識(shí)別電流Ib、c相相待識(shí)別電流I。，設(shè) 置選擇概率、交叉概率、迭代次數(shù)、適應(yīng)度函數(shù)閾值、終止條件；
[0028] A2、帶入三相電流值計(jì)算適應(yīng)度函數(shù)值和誤差，判斷是否滿足終止條件即達(dá)到預(yù) 設(shè)的最大迭代次數(shù)或滿足適應(yīng)度函數(shù)閾值，如果滿足終止條件，則輸出線上電流的全局最 優(yōu)解Iabest、Ibbest、I，st，分別表示a相、b相、C相電流的最優(yōu)解；否則執(zhí)行步驟A3 ;
[0029] A3、基于序值和擁擠距離進(jìn)行選擇、交叉變異得到子種群，即新的Ia、Ib、I。電流 值；
[0030] A4、將父、子種群合并成為新的種群，再次進(jìn)行非支配排序和擁擠距離計(jì)算，然后 修剪種群，計(jì)算出新個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)值并篩選出新種群，得到本輪迭代計(jì)算的a相、b相、 c相電流的最優(yōu)解，程序跳轉(zhuǎn)到步驟A2。
[0031] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：
[0032] 本發(fā)明通過(guò)建立交流輸電線路空間磁場(chǎng)計(jì)算模型，選擇特定測(cè)量點(diǎn)，推導(dǎo)出特定 測(cè)量點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度分量與三相電流之間的約束關(guān)系；設(shè)置多目標(biāo)適應(yīng)度函數(shù)，采用帶精 英策略的快速非支配排序遺傳算法（NSGA- II )進(jìn)行多目標(biāo)函數(shù)尋優(yōu)，從而提高逆推反演的 準(zhǔn)確性；尋優(yōu)算法中增加所推導(dǎo)出的特定測(cè)量點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度分量與三相電流之間的約束 關(guān)系，將計(jì)算模型中的三個(gè)決策變量縮減為單個(gè)決策變量，降低算法復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)快速尋優(yōu) 計(jì)算。
【附圖說(shuō)明】
[0033] 圖1是本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例單導(dǎo)架空輸電線磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)構(gòu)圖；
[0034] 圖2是三相架空輸電線路磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)構(gòu)圖；
[0035] 圖3是基于NSGA- II算法的輸電線路電流逆推尋優(yōu)流程圖；
[0036] 圖4三相輸電線路和測(cè)量點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；
[0037] 圖5磁場(chǎng)測(cè)量含3%誤差時(shí)的三相電流逆推結(jié)果；
[0038] 圖6是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的逆推方法整體流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：
[0040] 如圖1所示，1架空輸電線路工頻磁場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型及特殊測(cè)量點(diǎn)選擇
[0041 ]圖1所示單導(dǎo)線路結(jié)構(gòu)中，將輸電線路視為無(wú)限長(zhǎng)，根據(jù)畢奧-沙伐爾定律可計(jì)算 測(cè)量點(diǎn)P(x，y)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度
[0043] 式中：^。=431 X10 為導(dǎo)線電流；h和L分別為導(dǎo)線與測(cè)量點(diǎn)垂直距離和水平 距離（已知量）成和B ￥分別為B的X方向和y方向分量；e p ex、ey、分別為三個(gè)方向的單 位矢量。
[0044] 當(dāng)P位于導(dǎo)線正下方，其By= 0,該點(diǎn)即為本發(fā)明所設(shè)定特定測(cè)量點(diǎn)。
[0045] 圖1所示為單導(dǎo)架空輸電線磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)構(gòu)圖
[0046] 對(duì)于三相輸電線路，采用疊加定理可計(jì)算三相電流在P點(diǎn)處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度
[0048] 2特殊測(cè)量點(diǎn)工頻磁場(chǎng)與電流的約束關(guān)系
[0049] 圖2所示三相架空輸電線路工頻磁場(chǎng)計(jì)算示意圖中，將測(cè)量點(diǎn)1、2、3分別位于a、 b、c三相線正下方。其中劣表示a相電流在測(cè)量點(diǎn)2處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度，其他類同。
[0050] 測(cè)量點(diǎn)2、3處的y分量<、< 分別為
[0053] 式（3a)和式（3b)所示即為磁感應(yīng)強(qiáng)