一种基于场域分解-协同搜索的三相电压非接触测量方法

1.本发明涉及电力测量技术领域，尤其涉及一种基于场域分解-协同搜索的三相电压非接触测量方法。


背景技术：

2.随着城市化进程的深入，电力电缆在电力系统和广大用户中使用越来越多，检测电力电缆运行状态，确保电缆安全运行的任务也越来越重。电缆的电压、电流作为最直接反映电缆运行状态的电参量对于电缆状态检测尤为重要。
3.一般地，直接测量电缆的三相电压不仅操作困难，且实际检测人员有可能在电缆的电压测量中由于操作失误导致触电，这对技术人员的生命安全造成严重威胁。
4.因此，采用非接触方式测量三相电压成为了当前研究热点，对于三相电压的非接触测量：现有技术存在一种基于先验知识库比对搜索的三相电压非接触测量方法，该方法通过比对实测曲线与先验知识库中的曲线最终计算得到三相估测电压。在实际测量过程中，该方法需要将实测曲线与大量先验曲线进行对比，这使得该方法测量所需时间大大增加，实际应用受限；同时该方法过于依赖于先验知识，当传感器与被测对象的相对位置改变时，可能导致先验知识库中没有与实测曲线相匹配的曲线，进而导致测量准确度下降。
5.现有技术还存在一种基于三相导体邻近电场分布逆计算三相电压的方法，该方法基于三相导体邻近电场测量值，构建目标函数，利用智能搜索算法寻优，求解得到最佳电压参数作为三相测量电压输出。虽然该方法相较于基于先验知识库对比的方法在电压求解速度上有所提升，但其将三相系统的电压、位置等参数作为整体进行迭代搜索，使得搜索速度较慢，想要求得全局最优解同样需要耗费较长的搜索时间。
6.可见，现有技术均存在测量耗时长，测量精度低等问题，实际应用受限。


技术实现要素：

7.本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于场域分解-协同搜索的三相电压非接触测量方法，实现了三相导体电压的非接触测量，解决了现有方法测量步骤繁琐、测量时间长以及测量准确度低等问题。
8.根据本发明的第一方面，提供了一种基于场域分解-协同搜索的三相电压非接触测量方法，包括：步骤1，基于环形阵列式电场传感装置获得电缆表面测量点的电场波形簇，对所述波形簇进行分解得到表征波形簇特征的幅值序列；步骤2，对所述幅值序列进行插值拟合还原得到电场域分布的测量曲线，并依据所述测量曲线的波谷位置将所述测量曲线划分为三个测量子曲线；步骤3，建立并初始化个体j，所述个体j的参数包括各相导体的电压参数，根据所
述个体的参数计算得到其对应的计算曲线；步骤4，根据所述测量曲线与所述计算曲线及各自的子曲线的协同运算结果更新所述个体j的参数，并重新计算所述个体j的计算曲线，直到确定最优个体后将所述最优个体的电压参数作为三相电压测量值输出。
9.在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。
10.可选的，所述环形阵列式电场传感器均匀地分布在三相导体外圆周上；所述环形阵列式电场传感装置的阵列个数n的取值条件为：n为3的倍数；n为使得所述测量曲线与实际曲线的平均相对相对误差不超过1%的最小值。
11.可选的，所述步骤1中得到所述幅值序列的过程包括：所述环形阵列式电场传感装置实时地采集表征测量点电场强度的模拟信号，利用快速傅里叶变换分解所述模拟信号得到的50hz基波分量的幅值，所有测量点的所述幅值构成所述幅值序列。
12.可选的，所述步骤2中依据所述测量曲线的波谷位置将所述测量曲线划分为三个测量子曲线的过程包括：计算所述测量曲线从起点到终点依次排序的三个波谷：波谷一、波谷二和波谷三的位置，将所述测量曲线上所述波谷一与所述波谷二之间的区间定义为子曲线一,将所述测量曲线上所述波谷二与所述波谷三之间的区间定义为子曲线二，将所述测量曲线上所述波谷三到所述终点以及所述起点到所述波谷一之间的组合区间定义为子曲线三。
13.可选的，所述个体j的参数包括：，其中，为第i相导体的几何中心坐标，第i相导体的电压参数。
14.可选的，所述步骤3还包括：设置所述个体j的初始参数，将所述个体j的初始参数代入多参量-空间电场耦合函数中，得到所述计算曲线；将所述计算曲线划分为三个计算子曲线。
15.可选的，所述步骤4中得到所述协同运算结果的过程包括：步骤401，判断所述计算曲线与所述测量曲线的曲线运算结果是否满足误差要求，若满足则将当前个体的参数作为最优参数输出,不满足则进入步骤402；步骤402，判断测量子曲线i与计算子曲线i的曲线运算结果是否满足误差要求，若满足则将子曲线i对应的参数保留并将其状态更改为已完成，若不满足则进入步骤403；步骤403，更新未完成子曲线的参数并计算当前个体的计算曲线后重新进入步骤401。
16.可选的，所述曲线运算结果的计算公式为：
其中，为测量曲线或其子曲线，为计算曲线或其子曲线，n为曲线的点数。
17.可选的，所述步骤4中更新所述个体j的参数的公式为：式中，为个体k的更新后参数；为个体k的当前参数；为区间[0,1]内的随机数；为个体k的历史运算结果最好的曲线对应参数。
[0018]
可选的，所述最优个体的参数满足如下关系：其中，为给定误差值。
[0019]
本发明提供的一种基于场域分解-协同搜索的三相电压非接触测量方法，通过阵列式电场传感装置获取实际的离散电场数据，基于离散电场数据插值还原三相导体邻近电场分布曲线，并通过提取三相导体邻近电场域分布特征，将原来作为整体的三相电压幅值、相位以及位置参数进行解耦划分，并采取三相分离、协同寻优的搜索策略，提高了算法搜索效率，保障了测量结果高准确性的同时，大幅缩短了测量所需时间；相较于直接测量方法，本方法无需破坏现有电缆结构，安装简单便携；相较于现有非接触测量方法，本方法采用场域分解的思想，通过场域波形的还原与划分，将三相参数的搜索分解为单相的协同搜索，提高测量准确性的同时大幅度的减少了计算资源与时间；可以解决现有三相电缆电压测量必须破坏电缆结构、测量步骤繁琐、准确度低等问题；可用于测量监测三相电缆的各相电压变化，对于电缆的状态监测有重要意义。
附图说明
[0020]
图1为本发明提供的一种基于场域分解-协同搜索的三相电压非接触测量的流程图；图2为本发明实施例提供的一种寻优算法的流程图；图3为本发明实施例提供的一种插值曲线与实际曲线的误差与测量点数量的关系的示意图；图4为本发明实施例提供的一种实测曲线及其子曲线划分的示意图；图5为本发明实施例提供的一种初始个体的计算曲线及其子曲线划分的示意图。
具体实施方式
[0021]
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0022]
图1为本发明提供的一种基于场域分解-协同搜索的三相电压非接触测量方法的流程图，如图1所示，方法包括：
步骤1，基于环形阵列式电场传感装置获得电缆表面测量点的电场波形簇，对波形簇进行分解得到表征波形簇特征的幅值序列。
[0023]
步骤2，对幅值序列进行插值拟合还原得到电场域分布的测量曲线，并依据测量曲线的波谷位置将测量曲线划分为三个测量子曲线。
[0024]
步骤3，建立并初始化个体j，个体j的参数包括各相导体的电压参数，根据个体的参数计算得到其对应的计算曲线。
[0025]
步骤4，根据测量曲线与计算曲线及各自的子曲线的协同运算结果更新个体j的参数，并重新计算个体j的计算曲线，直到确定最优个体后将最优个体的电压参数作为三相电压测量值输出。
[0026]
相较于将三相系统参数作为整体进行对比求解的现有方法，本发明提供的一种基于场域分解-协同搜索的三相电压非接触测量方法，依据电场域特征将原来作为整体的三相电压幅值、相位以及位置等参数进行解耦划分，并采取三相分离、协同寻优的搜索策略，极大地提升了算法的搜索效率，在保障测量结果高准确性的同时，大幅缩短了测量所需时间。
[0027]
实施例1本发明提供的实施例1为本发明提供的一种基于场域分解-协同搜索的三相电压非接触测量方法的实施例，结合图2可知，该实施例包括：步骤1，基于环形阵列式电场传感装置获得电缆表面测量点的电场波形簇，对波形簇进行分解得到表征波形簇特征的幅值序列。
[0028]
在一种可能的实施例方式中，环形阵列式电场传感器均匀地分布在三相导体外圆周上。
[0029]
环形阵列式电场传感装置的阵列个数n的取值条件为：n为3的倍数。
[0030]
n为使得测量曲线与实际曲线的平均相对相对误差不超过1%的最小值。
[0031]
在一种可能的实施例方式中，步骤1中得幅值序列的过程包括：环形阵列式电场传感装置实时地采集表征测量点电场强度的模拟信号，利用快速傅里叶变换分解模拟信号得到的50hz基波分量的幅值，所有测量点的幅值构成幅值序列。
[0032]
步骤2，对幅值序列进行插值拟合还原得到电场域分布的测量曲线，并依据测量曲线的波谷位置将测量曲线划分为三个测量子曲线。
[0033]
在一种可能的实施例方式中，步骤2中依据测量曲线的波谷位置将测量曲线划分为三个测量子曲线的过程包括：计算测量曲线从起点到终点依次排序的三个波谷：波谷一、波谷二和波谷三的位置，将测量曲线上波谷一与波谷二之间的区间定义为子曲线一,将测量曲线上波谷二与波谷三之间的区间定义为子曲线二，将测量曲线上波谷三到终点以及起点到波谷一之间的组
合区间定义为子曲线三。
[0034]
步骤3，建立并初始化个体j，个体j的参数包括各相导体的电压参数，根据个体的参数计算得到其对应的计算曲线。
[0035]
在一种可能的实施例方式中，个体j的参数包括：，其中，为第i相导体的几何中心坐标，第i相导体的电压参数。
[0036]
在一种可能的实施例方式中，步骤3还包括：设置个体j的初始参数，将个体j的初始参数代入多参量-空间电场耦合函数中，得到计算曲线。
[0037]
将计算曲线划分为三个计算子曲线。
[0038]
其中多参量-空间电场耦合函数为：其中，为模拟线电荷的总数，nc为单相导体模拟线电荷数量，(fij)x为模拟线电荷i在测量点j的沿x轴上的作用力，(fij)y为模拟线电荷i在测量点j的沿y轴上的作用力，为模拟线电荷i的大小，t为单位时间。具体的，多电场耦合函数的计算过程已经公开于名称为“三相电压非接触测量方法、系统、电子设备及存储介质（公开号：cn114778924a）”发明专利申请中。
[0039]
将计算曲线划分为三个计算子曲线。
[0040]
具体实施过程中，可以采用步骤2中测量曲线的划分测量子曲线方法对计算曲线进行划分。
[0041]
步骤4，根据测量曲线与计算曲线及各自的子曲线的协同运算结果更新个体j的参数，并重新计算个体j的计算曲线，直到确定最优个体后将最优个体的电压参数作为三相电压测量值输出。
[0042]
具体实施中，可以优先计算测量与计算曲线的运算结果，再分别计算测量子曲线i与计算子曲线i的运算结果。如图2所示为本发明实施例提供的一种寻优算法的流程图，结合图1和图2可知，在一种可能的实施例方式中，步骤4中得到协同运算结果的过程包括：步骤401，判断计算曲线与测量曲线的曲线运算结果是否满足误差要求，若满足则将当前个体的参数作为最优参数输出,不满足则进入步骤402。
[0043]
步骤402，判断测量子曲线i与计算子曲线i的曲线运算结果是否满足误差要求，若满足则将子曲线i对应的参数保留并将其状态更改为已完成，若不满足则进入步骤403。
[0044]
步骤403，更新未完成子曲线的参数并计算当前个体的计算曲线后重新进入步骤401。
[0045]
在一种可能的实施例方式中，曲线运算结果的计算公式为：
其中，为测量曲线或其子曲线，为计算曲线或其子曲线，n为曲线的点数。
[0046]
在一种可能的实施例方式中，步骤4中更新个体j的参数的公式为：式中，为个体k的更新后参数；为个体k的当前参数；为区间[0,1]内的随机数；为个体k的历史运算结果最好的曲线对应参数。
[0047]
在一种可能的实施例方式中，最优个体的参数满足如下关系：其中，为给定误差值，具体实施中该取值可以为1%。
[0048]
实施例2本发明提供的实施例2为本发明提供的一种基于场域分解-协同搜索的三相电压非接触测量方法的具体应用实施例，该非接触测量方法的具体应用实施例包括：步骤1，实际电场数据测量：基于环形阵列式电场传感装置获得电缆表面测量点的电场波形簇，并分解得到表征波形簇特征的幅值序列。
[0049]
电缆几何参数按照10kv电缆尺寸设置,d=8mm，=27mm，=10mm,其中d为导体直径，为电缆内半径，为导体中心到电缆中心的距离。
[0050]
参见图3，基于上述模型，利用软件测试了电场传感器的阵列个数n变化对于插值还原曲线与实际曲线之间误差的变化情况，由图可以看出，满足阵列个数取值条件的n应选取15。
[0051]
在本实施例中三相电压的参数设置为(10,90,311,0,10,210,311,120,10,330,311,240)电场传感装置由15个独立的电场传感器构成，且15个电场传感器均匀地分布在三相导体外圆周上，实时地采集表征测量点电场强度的模拟信号，并将模拟信号传输至计算模块。利用离散傅里叶变换分解得到的50hz基波分量的幅值,所有测量点的幅值构成幅值序列，得到实测幅值序列如下：=(11597.6，6530.1，8670.6，14557.7，16435.1，11901.0，6805.1，8503.3，14403.44，16361.9，11764.9，6688.5，8754.6，14597.1，16344.1)s200实际电场曲线拟合与划分：基于幅值序列插值拟合还原出电场域分布的测量曲线，并依据波谷位置将测量曲线划分为三个测量子曲线。
[0052]
参见图4，依据上述，利用软件插值还原出测量曲线，并计算出测量曲线的波谷位置，并将波谷1与波谷2的区间定义为子曲线1,将波谷2与波谷3的区间定义为子曲线2，将波谷3到终点与起点到波谷1的组合区间定义为子曲线3。
[0053]
s300理论电场曲线计算与划分：设置个体j的初始参数，计算初始个体j的计算曲线，并将计算曲线划分为三个计算子曲线。
[0054]
由s100中的结构参数，可将个体j的初始参数设置为：(10,80,248,2,10,220,248,120,10,330,248,240)将其带入多电场-空间环路耦合函数中，计算得到初始个体j的计算曲线，并采用s200中测量曲线的波谷位置和方法对初始个体j的计算曲线进行划分，结果参见图5。
[0055]
s400参数协同寻优与结果输出：依据测量与计算曲线及其子曲线的协同运算结果，更新个体j参数，并重新计算个体j的计算曲线，直到确定最优个体的电压参数作为三相电压测量值输出。
[0056]
参数寻优程序流程参见图2，首先计算测量曲线与计算曲线的运算结果，其公式为其中，为测量曲线或其子曲线，为计算曲线或其子曲线，n为曲线的点数。
[0057]
计算得到测量曲线与计算曲线的平均相对误差er=2.08%,不满足误差要求，进入协同运算流程，直至寻到最优个体。
[0058]
协同运算流程如下：1）判断计算曲线与测量曲线运算结果是否满足误差要求，若满足则将当前个体的参数作为最优参数输出,不满足则进入步骤2。
[0059]
2）判断测量子曲线与计算子曲线运算结果是否满足误差要求，若满足则则将子曲线对应的参数保留并将其状态更改为已完成，若不满足则进入步骤3。
[0060]
3）更新未完成子曲线的参数并计算当前个体的计算曲线。
[0061]
4）重复步骤1。
[0062]
更新个体参数的公式如下所示：式中，为个体k的更新后参数；为个体k的当前参数；为区间[0,1]内的随机数；为个体k的历史运算结果最好的曲线对应参数。
[0063]
最优个体的参数满足如下关系：
其中为给定误差值，取值为1%。
[0064]
最终，计算所得结果如表1所示：表1 三相电压测量结果本发明提供的一种基于场域分解-协同搜索的三相电压非接触测量方法，通过阵列式电场传感装置获取实际的离散电场数据，基于离散电场数据插值还原三相导体邻近电场分布曲线，并通过提取三相导体邻近电场域分布特征，将原来作为整体的三相电压幅值、相位以及位置参数进行解耦划分，并采取三相分离、协同寻优的搜索策略，提高了算法搜索效率，保障了测量结果高准确性的同时，大幅缩短了测量所需时间；相较于直接测量方法，本方法无需破坏现有电缆结构，安装简单便携；相较于现有非接触测量方法，本方法采用场域分解的思想，通过场域波形的还原与划分，将三相参数的搜索分解为单相的协同搜索，提高测量准确性的同时大幅度的减少了计算资源与时间；可以解决现有三相电缆电压测量必须破坏电缆结构、测量步骤繁琐、准确度低等问题；可用于测量监测三相电缆的各相电压变化，对于电缆的状态监测有重要意义。
[0065]
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0066]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
[0067]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0068]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0069]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或
其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0070]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0071]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。