关键词：
非接触式测量
磁场传感器
架空输电线路
扩展卡尔曼滤波
弧垂监测
摘要：
输电线路状态监测技术是智能电网安全运行的重要支撑技术之一。输电线路的电流、位置及弧垂等参数的精确测量直接关系到电力系统的健康运行和故障诊断能力。随着电力系统规模的扩大和运行环境的复杂化,传统接触式测量技术因安全性差、安装复杂、动态响应能力不足等缺陷,已难以满足现代电网对高效监测的需求。非接触式测量技术因无需与目标线路直接接触、响应速度快、成本低且安装便捷,成为输电线路状态监测领域的研究热点。然而,现有非接触式测量技术仍面临诸多挑战:单导体空间定位测量不确定度过高,多导体环境中线路间串扰与电磁干扰难以有效抑制,复杂弧垂场景下磁场空间分布与弧垂监测机理尚不明确。
针对上述问题,本论文从理论分析、算法设计和实验验证三个方面系统研究了非接触式测量技术在输电线路状态监测中的应用,提出了多种创新性测量方法。研究工作以单导体电流与空间位置测量为基础,逐步扩展至多导体系统的串扰抑制与动态定位,最终聚焦复杂弧垂场景的监测,形成了从基础算法理论到实物平台验证的完整技术体系。论文的具体工作和主要研究内容如下:
(1)单导体电流与空间位置测量方法:针对单导体场景中测量模型非线性导致的传统方法不确定度过高的问题,提出了一种基于频率辅助扩展卡尔曼滤波(FA-EKF)的非接触式测量方法。研究首先分析了磁场强度与距离、电流的非线性关系,建立了电流频率与测量信号的数学模型。在此基础上,设计了包含状态估计和频率融合的FA-EKF算法,通过对不同状态变量的精确预测和滤波机制,缓解过零点附近的误差放大问题,提升了测量抗噪能力并降低了不确定度。搭建了一维和二维测量实物实验场景以验证该方法的性能,结果表明FA-EKF方法的测量误差降低至约2%,为单导体高精度测量提供了可靠方案。针对传感器间距、目标线路空间位置、传感器角度偏差、空间中其他电流源等常见因素对测量精度的影响机理进行了深入分析并提出了对应解决方案。
(2)多导体系统串扰抑制技术:针对多导体环境中线路间串扰与电磁干扰的动态耦合问题,提出了适用于差分测量方法的三种串扰抑制算法。研究通过理论建模分析了并列三相线路的磁场分布特性,提出了基于迭代优化的串扰抑制策略,设计了基本串扰抑制算法、优化计算顺序算法及双重迭代抑制算法。利用压缩映射理论验证了算法的收敛性,并通过仿真与实验结合验证了算法的实际性能,实验结果显示,在三相平衡电流条件下,串扰抑制后RMS误差优化至0.5 A以下,相较传统方法降低约66%,其中中间相误差降低约74%,显著提升了多导体场景下的测量精度。
(3)自适应多导体定位与电流测量:针对多导体系统的空间位置实时测量问题,提出了一种自适应多导体定位电流测量算法。研究首先构建了线性阵列测量场景,分析了磁场强度与导线位置的映射关系,结合单导体定位算法与串扰抑制技术,设计了多导体迭代定位算法,并与卡尔曼滤波结合构建自适应非接触测量算法,实现导线位置的实时估计和高精度电流测量。仿真验证表明,在导线位移达2 m时,位置估计的均值误差控制在0.1 m以内,电流RMS误差从34.2 A降至3.7 A,降幅约89%,为动态多导体监测提供了高效解决方案。
(4)输电线路弧垂测量技术:针对复杂弧垂场景下的磁场空间分布与非接触式弧垂监测问题,建立了弧垂线路的有限元磁场模型,提出了基于塔杆垂线和档距中垂线的弧垂测量方法。其中塔杆垂线上的磁场强度方向一致,幅度较大且与弧垂大小呈高度线性相关,最适合非接触式弧垂监测。研究通过有限元仿真分析了弧垂参数对磁场强度的影响规律,设计了沿三条参考线的测量策略,并结合数值积分与信噪比分析优化了多导体场景下的弧垂测量方法。实验室中搭建的等比微缩平台实验在单导体与多导体场景下验证了该方法的有效性,塔杆垂线上的磁场强度与弧垂值之间的线性度达到0.978,斜率达到11.5μT/m,信噪比高于45 d B,完全满足在线测量需要,为弧垂状态感知提供了经济高效便捷的技术路径。
本研究的成果显著提升了非接触式测量技术的精度、鲁棒性和多个应用场景的适用性,为输电线路状态监测提供了高效可靠的技术支持,具有重要的理论意义和工程应用价值,为智能电网状态监测提供了新的技术路径。
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