多芯电缆电流非侵入测量方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种多芯电缆电流非侵入测量方法及系统，包括如下步骤：传感器布置步骤：将多个磁场传感器分布在电缆外周上；电流测量步骤：从每个磁场传感器的输出获得振幅和相位的测量值，用磁场传感输出的振幅和相位建立测量方程，求解电缆中导体的位置来确定传感磁场和电流关系，实现导体电流测量。本发明专利技术以最少的传感器数量，实现电缆内导体的位置以及被测电流的测量；由于不用是传感器的瞬时输出值而是用传感输出的最优估计参数来建立测量方程，抑制了传感噪声对导体位置测量的影响，可以显著提高电流测量的性能。著提高电流测量的性能。著提高电流测量的性能。

【技术实现步骤摘要】
多芯电缆电流非侵入测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及电缆电流测量的
，具体地，涉及一种多芯电缆电流非侵入测量方法及系统。

技术介绍

[0002]传感电流产生的磁场，实现电缆电流的非侵入式测量，在电流监测，尤其是电力线电流监测中有明显的技术优势和应用价值。根据电磁感应原理，在进行电流监测时，传感器固定在传导电流的导体外部，传感器周围只有一个电流导体，显然该处的磁场可以认为只由该导体电流产生。即使在同一环境中有多个负载电流的导体，只要能够形成只有单一导体穿过的闭合环路，都可以用一个传感器传感该导体电流感生磁场，实现电流的测量。
[0003]在实际工程应用，由于电力传输、线缆连接安装和使用的安全和方便性要求，一条电缆往往包含传输多相电流、相互绝缘的多个导体。例如常用的三相供电，就是分别用三根电线传输三个不同相位的电流，并且这三个电线相互绝缘，包裹成一条电缆。这样要非侵入式测量导体的电流，在电缆外任何一点传感的磁场，得到都只能是三个导体电流产生的磁场的叠加。要测量任何一条电线的电流，就必须要从传感输出中解耦出各个导体产生的磁场。所以，测量多芯电缆中导体的电流，必须采用多个传感器，传感环多导体的多点磁场才能分析出各导体的电流。
[0004]根据毕奥萨法尔定理，导体电流在空间某点产生的磁场大小和方向，由导体和该点的相对位置确定。虽然电缆内导体的位置是固定的，但是和传感器的相对位置难以确定，所以首先需要从传感输出中求解出导体位置，才能进行多导体电流测量。
[0005]对于多导体电流测量，实际上需要求解的参数包括：各个导体的坐标值和待测电流。对于交流电流，待测电流可由振幅、相位和频率表示，所以求待测电流，也可以通过求解其振幅、相位和频率获得。根据交流电产生机理和输、配、用电的条件，同一电缆中各导体电流的频率相同，相位不同，且相位差可能是变化的，振幅也可能不相同。每个传感器的输入是各导体电流产生的磁场的线性叠加，所以各个传感器的输出都是和被测电流同频率的信号，其振幅和相位由各导体电流振幅、相位以及与传感器的相对位置决定。所以任一传感器的输出可以估计导体电流的频率，根据各个传感器的输出振幅与相位和传感器输出建立的方程，就可以确定各导体电流振幅、相位以及与传感器的相对位置。
[0006]公开号为CN113820532A的中国专利技术专利文献公开了一种非接触式双芯电缆电流测量方法、装置、计算机设备和存储介质。所述方法包括：确定四个磁阻传感器芯片的位置圆环，根据位置圆环，获取位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离X以及四个磁阻传感器芯片的磁感应测量值，根据磁感应测量值，获得磁感应测量值的最终值B1、B2、B3、B4，根据位置圆环的半径R、测量导线中的任意一根导线到位置圆环的圆心距离X以及磁感应测量值的最终值B1、B2、B3、B4，获得双芯线旋转角度Θ1，根据双芯线旋转角度Θ1，获得双芯电缆电流I。
[0007]在现有测量多导体电流的技术中，仅仅是利用传感器的瞬时输出值和导体电流的
瞬时值之间的关系，建立测量方程，求解导体位置及待测电流。传感器的输出必然会带有噪声，噪声对导体位置的求解引入误差，甚至造成方程无法求解，这样就根本不能准确地实现多导体的测量。
[0008]上述中的相关技术也是这样的，利用磁场的瞬时测量值来确定双导体电线和4个磁传感器的位移位置参数：半径及旋转角度。另一方面，上述技术测量的双导体电流，是多导体电流测量中的一种特例：双导体电流的相位差固定不变，所以上述技术中用了4个传感器来实现双导体电流的测量。而针对两个导体以上的电流测量，现有技术需要的传感器数量远大于待测量导体的数量，一般都是导体数量两倍以上，才能实现电缆中多导体电流的测量，否则需要对电缆中导体和传感器相对位置做限定和假设，才能用和导体数量两倍以内的传感器实现多导体测量。前者不仅仅增加了测量系统的构成复杂度，而且运算过程复杂，容易引入、增大测量误差。而后者对导体和传感器相对位置的限定和假设，如果不符合实际情况，就会引入较大的测量误差。

技术实现思路

[0009]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种多芯电缆电流非侵入测量方法及系统。
[0010]根据本专利技术提供的一种多芯电缆电流非侵入测量方法，包括如下步骤：
[0011]传感器布置步骤：将多个磁场传感器分布在电缆外周上；
[0012]电流测量步骤：从每个磁场传感器的输出获得振幅和相位的测量值，用磁场传感器输出的振幅和相位建立测量方程，求解电缆中导体的位置来确定传感磁场和电流关系，实现导体电流测量。
[0013]优选的，在所述电流测量步骤中，多芯电缆中包含有N个导体电线，导体上流过的电流频率f相同，各个导体电流振幅I
n
和相位不同，n＝1,
…
,N；
[0014]N个导体电线中心在垂直于电缆轴线的平面上的坐标分别是(x
n
,y
n
)；
[0015]用M个传感器均匀分布在环电缆的一个圆周上，该圆周的直径大于等于电缆的直径，m＝1,
…
,M；
[0016]第n个导体电流信号i
n
(t)：
[0017][0018]其中，t表示时间；
[0019]第m个传感器的响应信号y
m
(t)：
[0020][0021]其中，第n个导体电流在第m个传感器产生的输入为C
nm
i
n
(t)，电流磁场转换系数C
nm
由传感器的灵敏度、第n个导体到第m个传感器的距离和与该传感器所在圆周点的切向夹角依据毕奥萨法尔定理确定，为导体坐标(x
n
,y
n
)的函数；
[0022]对N个导体，共有2N个坐标(x
n
,y
n
)值和N个电流i
n
(t)待求解；
[0023]从第m个传感器采集到的输出信号为：
[0024][0025]其中，n
m
(t)是传感输出噪声，为有限带宽的白噪声；
[0026]根据磁场传感器传感电流的原理，每个磁传感器的响应是各个导体电流产生的磁场信号的线性组合，表示如(2)式，所以各电流引起的磁信号的频率成分和电流信号相同；由于各导体电流的频率是相同的，而同频率的正弦信号的线性组合为同频率的正弦信号，因此(2)式表示为
[0027][0028]其中，A
m
是第m个传感器响应的振幅，θ
m
是第m个传感器响应的相位；
[0029]结合(1)式、(3)式和(4)式有：
[0030][0031]对(5)式两端分别与Cod(2πft)和SIN(2πft)做相关运算：
[0032][0033]当积分时长T为的整数倍时，(6)式成为
[0034][0035]进而建立方程：
[0036][0037]通过对传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多芯电缆电流非侵入测量方法，其特征在于，包括如下步骤：传感器布置步骤：将多个磁场传感器分布在电缆外周上；电流测量步骤：从每个磁场传感器的输出获得振幅和相位的测量值，用磁场传感器输出的振幅和相位建立测量方程，求解电缆中导体的位置来确定传感磁场和电流关系，实现导体电流测量。2.根据权利要求1所述的多芯电缆电流非侵入测量方法，其特征在于，在所述电流测量步骤中，多芯电缆中包含有N个导体电线，导体上流过的电流频率f相同，各个导体电流振幅I
n
和相位不同，n＝1,
…
,N；N个导体电线中心在垂直于电缆轴线的平面上的坐标分别是(x
n
,y
n
)；用M个传感器均匀分布在环电缆的一个圆周上，该圆周的直径大于等于电缆的直径，m＝1,
…
,M；第n个导体电流信号i
n
(t)：其中，t表示时间；第m个传感器的响应信号y
m
(t)：其中，第n个导体电流在第m个传感器产生的输入为C
nm
i
n
(t)，电流磁场转换系数C
nm
由传感器的灵敏度、第n个导体到第m个传感器的距离和与该传感器所在圆周点的切向夹角依据毕奥萨法尔定理确定，为导体坐标(x
n
,y
n
)的函数；对N个导体，共有2个坐标(x
n
,y
n
)值和N个电流i
n
(t)待求解；从第m个传感器采集到的输出信号为：其中，n
m
(t)是传感输出噪声，为有限带宽的白噪声；根据磁场传感器传感电流的原理，每个磁传感器的响应是各个导体电流产生的磁场信号的线性组合，表示如(2)式，所以各电流引起的磁信号的频率成分和电流信号相同；由于各导体电流的频率是相同的，而同频率的正弦信号的线性组合为同频率的正弦信号，因此(2)式表示为其中，A
m
是第m个传感器响应的振幅，θ
m
是第m个传感器响应的相位；结合(1)式、(3)式和(4)式有：对(5)式两端分别与cos(2πft)和SIN(2πft)做相关运算：当积分时长T为的整数倍时，(6)式成为
进而建立方程：通过对传感输出运算求得，将(9)式带入(8)式，共建立2M个方程，方程中的未知量是2N个坐标(x
n
,y
n
)值和N个电流幅值I
n
与N个电流相位共4N个未知量；当测量N个导体的电流时，共2N个布置在电缆外圆周上不同位置的磁传感器，检测多导体电流产生的磁场；通过解出2个坐标(x
n
,y
n
)，确定电磁转换系数C
nm
，从2N个传感器输出中选取或组合产生N个传感输出建立电流实时传感方程：其中，C
nl
是第n个导体电流对选取或组合产生的第l个传感器的电流磁场转换系数，根据选取的传感器，对应C
nm
；或者，根据组合的传感器，对应C
nm
的组合，用方程组表示：其中，
′
表示矩阵转置；由传感输出得到N个导体电流i
n
(t)的表达式3.根据权利要求2所述的多芯电缆电流非侵入测量方法，其特征在于，在所述电流测量步骤中，由于电缆中导体电流具有多次谐波，第n个导体中的电流为：其中，谐波次数为H，为第h次谐波的振幅，为第h次谐波的相位；传感器的输出同样包含各次谐波；由于各次谐波之间的正交性，当用一次谐波因子CoS(2πft)和SIN(2πft)和传感输出做相关时，同样得到(7)式，(8)式和(9)式；通过求解方程组(8)，确定各导体电流对传感器的电磁转换系数建立起电流测量方程(12)。4.根据权利要求1所述的多芯电缆电流非侵入测量方法，其特征在于，在所述传感器布置步骤中，在待测包含N个导体电缆的外圆周上不同位置布置2个磁传感器，传感器的敏感方向为圆周所在点的切线方向。5.根据权利要求1所述的多芯电缆电流非侵入测量方法，其特征在于，在所述传感器布置步骤中，所述传感器为磁阻磁场传感器、霍尔磁场传感器或者感应线圈磁场传感器。6.一种多芯电缆电...

【专利技术属性】
技术研发人员：文玉梅，李平，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：