一种同塔多回输电线路故障识别方法与系统

摘要

本发明涉及一种同塔多回输电线路故障识别方法与系统。所述方法包括：获取各铁塔上各支架的位置、各相电流所在输电线路的位置和各铁塔上各测点的位置；对于输电线路中的任意一个铁塔，以铁塔的正算子矩阵的条件数最小为目标，以铁塔上各支架的位置为约束构建测点位置模型；正算子矩阵为由第i相电流所在输电线路的位置对铁塔上第y个测点的位置的积分组成的矩阵；对测点位置模型求解得到各铁塔的最优测点矩阵；获取最优测点矩阵内各测点处的磁感应强度；由磁感应强度确定输电线路的故障情况。本发明使用的磁传感器的数量少，节约成本，且提高了故障识别的精度。

权利要求

1.一种同塔多回输电线路故障识别方法，其特征在于，包括：对于输电线路中的任意一个铁塔，以所述铁塔的正算子矩阵的条件数最小为目标，以所述铁塔上各支架的位置为约束构建测点位置模型；所述正算子矩阵为由第i相电流所在输电线路的位置对所述铁塔上第y个测点的位置的积分组成的矩阵，i＝1，2，…，I，I表示相电流的总数，y＝1，2，…，Y，Y表示测点的总数量；

对所述测点位置模型求解得到各所述铁塔的最优测点矩阵；所述最优测点矩阵是所述铁塔的正算子矩阵的条件数最小时对应的测点的位置构成的矩阵；

获取所述最优测点矩阵内各测点处的磁感应强度；

由所述磁感应强度确定所述输电线路的故障情况，所述故障情况为无故障、断路故障或短路故障；所述由所述磁感应强度确定所述输电线路的故障情况，具体为：若所述磁感应强度小于第一设定阈值，则所述输电线路的故障情况为断路故障；

若所述磁感应强度大于第二设定阈值，则所述输电线路的故障情况为短路故障；

若所述磁感应强度大于第一设定阈值且小于第二设定阈值，则所述输电线路的故障情况为无故障。

2.根据权利要求1所述的一种同塔多回输电线路故障识别方法，其特征在于，在所述由所述磁感应强度确定输电线路的故障情况之后，还包括：若所述输电线路的故障情况为短路故障，则获取第一磁感应强度和第二磁感应强度；

所述第一磁感应强度为铁塔j的最优测点矩阵中第a行b列处测点的磁感应强度，所述第二磁感应强度为铁塔j+1的最优测点矩阵中第a行b列处测点的磁感应强度，j＝1,2,...,J，J表示铁塔的总数量，其中，所述第一磁感应强度大于第二设定阈值且所述第二磁感应强度大于第二设定阈值；

计算所述第一磁感应强度和所述第二磁感应强度的乘积；

当所述乘积小于设定数值时，则确定在铁塔j和铁塔j+1之间存在短路故障。

3.根据权利要求2所述的一种同塔多回输电线路故障识别方法，其特征在于，在所述确定在铁塔j和铁塔j+1之间存在短路故障之后，还包括：确定在设定时间段内发生变化的磁感应强度，得到故障磁感应强度集；

根据所述故障磁感应强度集和所有铁塔的正算子矩阵得到各相电流在各铁塔处重构的重构电流；

根据第i相电流在各铁塔处重构的重构电流和第i相电流所在输电线路无故障时传输的电流确定第i相电流的故障情况。

4.根据权利要求3所述的一种同塔多回输电线路故障识别方法，其特征在于，在所述根据第i相电流在各铁塔处重构的重构电流和第i相电流所在输电线路无故障时传输的电流确定第i相电流的故障情况之后，还包括：若所述第i相电流的故障情况为短路故障，则获取第一重构电流和第二重构电流；所述第一重构电流为所述第i相电流在铁塔k处的重构电流，所述第二重构电流为所述第i相电流在铁塔k+1处的重构电流，k＝1,2,...,J；

当所述第一重构电流的相位与所述第二重构电流的相位相反时，则确定在铁塔k与铁塔k+1之间存在短路故障。

5.根据权利要求3所述的一种同塔多回输电线路故障识别方法，其特征在于，所述根据第i相电流在各铁塔处重构的重构电流和第i相电流所在输电线路无故障时传输的电流确定第i相电流的故障情况，具体为：若γi>5σi，则所述第i相电流的故障情况为短路故障；若γi<0.5σi，则所述第i相电流的故障情况为断路故障，若0.5σi≤γi≤5σi则所述第i相电流的故障情况为无故障，其中γi表示第i相电流在任一铁塔处的重构电流，σi表示第i相电流所在输电线路在无故障时的电流。

6.一种同塔多回输电线路故障识别系统，其特征在于，包括：测点位置模型构建模块，用于对于输电线路中的任意一个铁塔，以所述铁塔的正算子矩阵的条件数最小为目标，以所述铁塔上各支架的位置为约束构建测点位置模型；所述正算子矩阵为由第i相电流所在输电线路的位置对所述铁塔上第y个测点的位置的积分组成的矩阵，i＝1，2，…，I，I表示相电流的总数，y＝1，2，…，Y，Y表示测点的总数量；

最优测点矩阵确定模块，用于对所述测点位置模型求解得到各所述铁塔的最优测点矩阵；所述最优测点矩阵是当所述铁塔的正算子矩阵的条件数最小时对应的测点的位置构成的矩阵；

磁感应强度获取模块，用于获取所述最优测点矩阵内各测点处的磁感应强度；

输电线路故障情况确定模块，用于由所述磁感应强度确定所述输电线路的故障情况，所述故障情况为无故障、断路故障或短路故障；

所述输电线路故障情况确定模块，具体包括：输电线路断路故障确定单元，用于若所述磁感应强度小于第一设定阈值，则所述输电线路的故障情况为断路故障；

输电线路短路故障确定单元，用于若所述磁感应强度大于第二设定阈值，则所述输电线路的故障情况为短路故障；

输电线路无故障确定单元，用于若所述磁感应强度大于第一设定阈值且小于第二设定阈值，则所述输电线路的故障情况为无故障。

7.根据权利要求6所述的一种同塔多回输电线路故障识别系统，其特征在于，还包括：磁感应强度集获取模块，用于若所述输电线路的故障情况为短路故障，则获取第一磁感应强度和第二磁感应强度；所述第一磁感应强度为铁塔j的最优测点矩阵中第a行b列处测点的磁感应强度，所述第二磁感应强度为铁塔j+1的最优测点矩阵中第a行b列处测点的磁感应强度，j＝1,2,...,J，J表示铁塔的总数量，其中，所述第一磁感应强度大于第二设定阈值且所述第二磁感应强度大于第二设定阈值；

乘积确定模块，用于计算所述第一磁感应强度和所述第二磁感应强度的乘积；

第一故障点确定模块，用于当所述乘积小于设定数值时，则确定在铁塔j和铁塔j+1之间存在短路故障。

8.根据权利要求7所述的一种同塔多回输电线路故障识别系统，其特征在于，还包括：故障磁感应强度集确定模块，用于确定在设定时间段内发生变化的磁感应强度，得到故障磁感应强度集；

重构电流确定模块，用于根据所述故障磁感应强度集和所有铁塔的正算子矩阵得到各相电流在各铁塔处重构的重构电流；

相电流故障情况确定模块，用于根据第i相电流在各铁塔处重构的重构电流和第i相电流所在输电线路无故障时传输的电流确定第i相电流的故障情况。

9.根据权利要求8所述的一种同塔多回输电线路故障识别系统，其特征在于，还包括：重构电流集获取模块，用于若所述第i相电流的故障情况为短路故障，则获取第一重构电流和第二重构电流；所述第一重构电流为所述第i相电流在铁塔k处的重构电流，所述第二重构电流为所述第i相电流在铁塔k+1处的重构电流，k＝1,2,...,J；

第二故障点确定模块，用于当所述第一重构电流的相位与所述第二重构电流的相位相反时，则确定在铁塔k与铁塔k+1之间存在短路故障。

说明书

一种同塔多回输电线路故障识别方法与系统

技术领域

[0001] 本发明涉及故障识别技术领域，特别是涉及一种同塔多回输电线路故障识别方法与系统。

背景技术

[0002] 同塔多回输电线路由于输电能力强，应用性价比高等特点而广泛用于西电东输等高压输电线路项目，但同塔多回输电线路也存在故障类型繁多、耦合情况复杂、故障特征复
杂的特点，因此需要研究同塔多回输电线路故障识别与定位，使之能够在故障发生之后准
确地找到故障点，及时进行修复，保障整个电力系统能够安全稳定的运行。

[0003] 传统故障识别方法主要分为基于稳态量和基于暂态量的识别方法。稳态量主要是指解耦后的分量和故障发生时的电压电流突变量，但稳态量的获取动作速度较慢，无法得
到大量的故障点的信息，无法发挥出较好的选相效果，不能适应未来超高速保护的需要。暂
态量主要是基于暂态量能量和小波分析的方法，目前准确识别出暂态分析所需要的高频的
高压分量仍然存在一定困难，装置的成本也相对较高，且基于暂态量的系统对外界的干扰
敏感性较高，当故障的暂态信号不明显时，有可能出现误判。传统故障定位方法按原理可分
为故障分析法、行波法和智能算法。故障分析法主要根据测得电气量构建测距方程，此方法
较为成熟，但是测距精度不高。行波法根据行波到达时间和速度确定故障点距离，此方法精
度受行波速度、行波到达时间的识别影响，且成本较高。智能算法即蚁群算法、机器学习等
智能算法与传统定位方法结合。但是，目前大多数的智能算法仅在实验仿真结果中进行验
证，仍需在电力系统中进行大量实践验证其效果。上述传统的故障识别与定位方法都是基
于接触式的做法，需要将设备连接到高压输电线路上，不便于安装、拆卸和维护，且设备通
常复杂、较昂贵。对于非永久性故障，如风筝等物体挂在线路上引起的故障，考虑其临时性，
可能在识别之前或者维修人员达到前系统已经恢复正常状态，传统方法对其识别和定位较
为困难，不能排查可能存在的隐患。而非接触式基于电磁关系的方法只需在输电线路周围
安装磁传感器，无需与输电线路接触，可在线监测永久性和非永久性故障，电气设备要求不
高，安装和维护方便、使用寿命长、成本低、精度高，目前已有相关研究。但是目前非接触式
方法的研究存在所需磁传感器过多、考虑不完全、大多在单回线路上等问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种同塔多回输电线路故障识别方法与系统，本发明使用的磁传感器的数量少，节约成本，且提高了故障识别的精度。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

[0006] 一种同塔多回输电线路故障识别方法，包括：

[0007] 对于输电线路中的任意一个铁塔，以所述铁塔的正算子矩阵的条件数最小为目标，以所述铁塔上各支架的位置为约束构建测点位置模型；所述正算子矩阵为由第i相电流
所在输电线路的位置对所述铁塔上第y个测点的位置的积分组成的矩阵，i＝1，2，…，I，I表
示相电流的总数，y＝1，2，…，Y，Y表示测点的总数量；

[0008] 对所述测点位置模型求解得到各所述铁塔的最优测点矩阵；所述最优测点矩阵是当所述铁塔的正算子矩阵的条件数最小时对应的测点的位置构成的矩阵；

[0009] 获取所述最优测点矩阵内各测点处的磁感应强度；

[0010] 由所述磁感应强度确定输电线路的故障情况，所述故障情况为无故障、断路故障或短路故障。

[0011] 可选的，在所述由所述磁感应强度确定输电线路的故障情况之后，还包括：

[0012] 若所述输电线路的故障情况为短路故障，则获取第一磁感应强度和第二磁感应强度；所述第一磁感应强度为铁塔j的最优测点矩阵中第a行b列处测点的磁感应强度，所述第
二磁感应强度为铁塔j+1的最优测点矩阵中第a行b列处测点的磁感应强度，j＝1,2,...,J，
J表示铁塔的总数量，其中，所述第一磁感应强度大于第二设定阈值且所述第二磁感应强度
大于第二设定阈值；

[0013] 计算所述第一磁感应强度和所述第二磁感应强度的乘积；

[0014] 当所述乘积小于设定数值时，则确定在铁塔j和铁塔j+1之间存在短路故障。

[0015] 可选的，在所述确定在铁塔j和铁塔j+1之间存在短路故障之后，还包括：

[0016] 确定在设定时间段内发生变化的磁感应强度，得到故障磁感应强度集；

[0017] 根据所述故障磁感应强度集和所有铁塔的正算子矩阵得到各相电流在各铁塔处重构的重构电流；

[0018] 根据第i相电流在各铁塔处重构的重构电流和第i相电流所在输电线路无故障时传输的电流确定第i相电流的故障情况。

[0019] 可选的，在所述根据第i相电流在各铁塔处重构的重构电流和第i相电流所在输电线路无故障时传输的电流确定第i相电流的故障情况之后，还包括：

[0020] 若所述第i相电流的故障情况为短路故障，则获取第一重构电流和第二重构电流；所述第一重构电流为所述第i相电流在铁塔k处的重构电流，所述第二重构电流为所述第i
相电流在铁塔k+1处的重构电流，k＝1,2,...,J；

[0021] 当所述第一重构电流的相位与所述第二重构电流的相位相反时，则确定在铁塔k与铁塔k+1之间存在短路故障。

[0022] 可选的，所述由所述磁感应强度确定输电线路的故障情况，具体为：

[0023] 若所述磁感应强度小于第一设定阈值，则所述输电线路的故障情况为断路故障；

[0024] 若所述磁感应强度大于第二设定阈值，则所述输电线路的故障情况为短路故障；

[0025] 若所述磁感应强度大于第一设定阈值且小于第二设定阈值，则所述输电线路的故障情况为无故障。

[0026] 可选的，所述根据第i相电流在各铁塔处重构的重构电流和第i相电流所在输电线路无故障时传输的电流确定第i相电流的故障情况具体为：

[0027] 若γi>5σi，则所述第i相电流的故障情况为短路故障；若γi<0.5σi，则所述第i相电流的故障情况为断路故障，若0.5σi≤γi≤5σi则所述第i相电流的故障情况为无故障，其
中γi表示第i相电流在任一铁塔处的重构电流，σi表示第i相电流所在输电线路在无故障时
的电流。

[0028] 一种同塔多回输电线路故障识别系统，包括：

[0029] 测点位置模型构建模块，用于对于输电线路中的任意一个铁塔，以所述铁塔的正算子矩阵的条件数最小为目标，以所述铁塔上各支架的位置为约束构建测点位置模型；所
述正算子矩阵为由第i相电流所在输电线路的位置对所述铁塔上第y个测点的位置的积分
组成的矩阵，i＝1，2，…，I，I表示相电流的总数，y＝1，2，…，Y，Y表示测点的总数量；

[0030] 最优测点矩阵确定模块，用于对所述测点位置模型求解得到各所述铁塔的最优测点矩阵；所述最优测点矩阵是当所述铁塔的正算子矩阵的条件数最小时对应的测点的位置
构成的矩阵；

[0031] 磁感应强度获取模块，用于获取所述最优测点矩阵内各测点处的磁感应强度；

[0032] 输电线路故障情况确定模块，用于由所述磁感应强度确定输电线路的故障情况，所述故障情况为无故障、断路故障或短路故障。

[0033] 可选的，所述同塔多回输电线路故障识别系统，还包括：

[0034] 磁感应强度集获取模块，用于若所述输电线路的故障情况为短路故障，则获取第一磁感应强度和第二磁感应强度；所述第一磁感应强度为铁塔j的最优测点矩阵中第a行b
列处测点的磁感应强度，所述第二磁感应强度为铁塔j+1的最优测点矩阵中第a行b列处测
点的磁感应强度，j＝1,2,...,J，J表示铁塔的总数量，其中，所述第一磁感应强度大于第二
设定阈值且所述第二磁感应强度大于第二设定阈值；

[0035] 乘积确定模块，用于计算所述第一磁感应强度和所述第二磁感应强度的乘积；

[0036] 第一故障点确定模块，用于当所述乘积小于设定数值时，则确定在铁塔j和铁塔j+1之间存在短路故障。

[0037] 可选的，所述同塔多回输电线路故障识别系统，还包括：

[0038] 故障磁感应强度集确定模块，用于确定在设定时间段内发生变化的磁感应强度，得到故障磁感应强度集；

[0039] 重构电流确定模块，用于根据所述故障磁感应强度集和所有铁塔的正算子矩阵得到各相电流在各铁塔处重构的重构电流；

[0040] 相电流故障情况确定模块，用于根据第i相电流在各铁塔处重构的重构电流和第i相电流所在输电线路无故障时传输的电流确定第i相电流的故障情况。

[0041] 可选的，所述同塔多回输电线路故障识别系统，还包括：

[0042] 重构电流集获取模块，用于若所述第i相电流的故障情况为短路故障，则获取第一重构电流和第二重构电流；所述第一重构电流为所述第i相电流在铁塔k处的重构电流，所
述第二重构电流为所述第i相电流在铁塔k+1处的重构电流，k＝1,2,...,J；

[0043] 第二故障点确定模块，用于当所述第一重构电流的相位与所述第二重构电流的相位相反时，则确定在铁塔k与铁塔k+1之间存在短路故障。

[0044] 根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过构建测点位置模型，得到最优的测点位置，使得使用的磁传感器的数量少，节约成本，使用最优测
点位置的磁感应强度得到输电线路的故障情况，提高了输电线路的故障识别精度。

附图说明

[0045] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图
获得其他的附图。

[0046] 图1为本发明实施例提供的同塔多回输电线路故障识别方法的流程图；

[0047] 图2为本发明实施例提供的铁塔的正视图；

[0048] 图3为本发明实施例提供的铁塔的右视图；

[0049] 图4为本发明实施例提供的更加具体的同塔多回输电线路故障识别方法的流程图；

[0050] 图5为本发明实施例提供的同塔多回输电线路故障识别系统的组成框图。

具体实施方式

[0051] 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，都属于本发明保护的范围。

[0052] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0053] 如图1所示，本实施例提供了一种同塔多回输电线路故障识别方法，所述方法包括：

[0054] 步骤101：对于输电线路中的任意一个铁塔，以所述铁塔的正算子矩阵的条件数最小为目标，以所述铁塔上各支架的位置为约束构建测点位置模型；所述正算子矩阵为由第i
相电流所在输电线路的位置对所述铁塔上第y个测点的位置的积分组成的矩阵，i＝1，
2，…，I，I表示相电流的总数，y＝1，2，…，Y，Y表示测点的总数量。

[0055] 步骤102：对所述测点位置模型求解得到各所述铁塔的最优测点矩阵；所述最优测点矩阵是当所述铁塔的正算子矩阵的条件数最小时对应的测点的位置构成的矩阵。

[0056] 步骤103：获取所述最优测点矩阵内各测点处的磁感应强度。

[0057] 步骤104：由所述磁感应强度确定输电线路的故障情况，所述故障情况为无故障、断路故障或短路故障。

[0058] 在实际应用中，步骤104具体为：

[0059] 若所述磁感应强度小于第一设定阈值，则所述输电线路的故障情况为断路故障。

[0060] 若所述磁感应强度大于第二设定阈值，则所述输电线路的故障情况为短路故障。

[0061] 若所述磁感应强度大于第一设定阈值且小于第二设定阈值，则所述输电线路的故障情况为无故障。

[0062] 在实际应用中步骤104之后，还包括：

[0063] 步骤1041：若所述输电线路的故障情况为短路故障，则获取第一磁感应强度和第二磁感应强度；所述第一磁感应强度为铁塔j的最优测点矩阵中第a行b列处测点的磁感应
强度，所述第二磁感应强度为铁塔j+1的最优测点集第a行b列处测点的磁感应强度，j＝1,
2,...,J，J表示铁塔的总数量，其中，所述第一磁感应强度大于第二设定阈值且所述第二磁
感应强度大于第二设定阈值。

[0064] 步骤1042：计算所述第一磁感应强度和所述第二磁感应强度的乘积。

[0065] 步骤1043：当所述乘积小于设定数值时，则确定在铁塔j和铁塔j+1之间存在短路故障。

[0066] 在实际应用中步骤1043之后，还包括：

[0067] 步骤10431：确定在设定时间段(若由磁场数据判断线路从故障恢复正常，则重构电流直到判定恢复正常结束。若由磁场数据判断线路仍处于故障中，当磁感应强度曲线变
化趋势大体保持一致，选取满30s即可；当磁感应强度出现不同变化趋势时，继续选取磁场
数据，直到磁感应强度变化趋势大体一致或线路恢复正常为止)内发生变化的磁感应强度，
得到故障磁感应强度集。

[0068] 步骤10432：根据所述故障磁感应强度集和所有铁塔的正算子矩阵得到各相电流在各铁塔处重构的重构电流。

[0069] 步骤10433：根据第i相电流在各铁塔处重构的重构电流和第i相电流所在输电线路无故障时传输的电流确定第i相电流的故障情况。

[0070] 在实际应用中，步骤10433具体为：

[0071] 若γi>5σi，则所述第i相电流的故障情况为短路故障。

[0072] 若γi<0.5σi，则所述第i相电流的故障情况为断路故障。

[0073] 若0.5σi≤γi≤5σi则所述第i相电流的故障情况为无故障，其中γi表示第i相电流在任一铁塔处的重构电流，σi表示第i相电流所在输电线路在无故障时的电流。

[0074] 在实际应用中步骤10433之后还包括：

[0075] 若所述第i相电流的故障情况为短路故障，则获取第一重构电流和第二重构电流；所述第一重构电流为所述第i相电流在铁塔k处的重构电流，所述第二重构电流为所述第i
相电流在铁塔k+1处的重构电流，k＝1,2,...,J。

[0076] 当所述第一重构电流的相位与所述第二重构电流的相位相反时，则确定在铁塔k与铁塔k+1之间存在短路故障。

[0077] 本实施例提供了一种更加具体的同塔多回输电线路故障识别方法包括：

[0078] (1)同塔多回输电铁塔磁阵列优化布局方法

[0079] 对于同塔多回输电线路，设有n条线路，对应n相电流，用I1，I2…In表示。磁场电流关系式的数学模型可表示为FI＝B，其中F表示正算子，与测点和线路位置等有关，I表示n相
电流的列向量，B表示铁塔上磁测量阵列中磁传感器测点所测量得到的磁感应强度。当由测
得磁感应强度B反推电流I时，就是求解方程组的逆。解方程组的n个未知电流变量，由数学
知识可知至少需要n个测点磁感应强度，所以设置n个测点，构成磁阵列(最优测点矩阵)，磁
阵列中的各个测点后面也称为各个元素。

[0080] (1.1)构建同塔多回塔架的相对位置模型

[0081] 以杆塔基底为中心构建三维直角坐标系，Y轴方向为输电线路传输方向，Z轴为垂直地面向上的方向，X轴垂直Y、Z轴构成的平面。首先标定杆塔结构s1,s2…sm表示1，2…m号
支架，1到m号支架构成了整个铁塔，m个支架的空间表达式构成整个铁塔模型。以图2和图3
为例，图2给出了简化的铁塔支架的xoz平面正视图，参见图2为铁架s1到铁架s20的结构，图3
给出了简化的铁塔支架的yoz平面右视图，参见图3为铁架s21到铁架s30的结构，铁塔为对称
模型，所以后视图表示铁架s1’到铁架s20’的结构，左视图表示铁架s21’到铁架s30’的结构，h1
为铁架s18、铁架s28、铁架s18’和铁架s28’的高度，h2为铁架s17、铁架s27、铁架s17’和铁架s27’的
高度，h3为铁架s12、铁架s26、铁架s12’和铁架s26’的高度，h4为铁架s9、铁架s25、铁架s9’和铁架
s25’的高度，h5为铁架s8、铁架s24、铁架s8’和铁架s24’的高度，h6为铁架s5、铁架s23、铁架s5’和
铁架s23’的高度，h7为铁架s4、铁架s22、铁架s4’和铁架s22’的高度，h8为铁架s1、铁架s21、铁架
s1’和铁架s21’的高度。

[0082] w1为铁架s1、铁架s21、铁架s1’和铁架s21’的长度,w2为铁架s4、铁架s22、铁架s4’和铁架s22’的长度，w3为铁架s8、铁架s24、铁架s8’和铁架s24’的长度，w4为铁架s12、铁架s26、铁架
s12’和铁架s26’的长度，w5为铁架s17、铁架s27、铁架s17’和铁架s27’的长度，w6为铁架s18、铁架
s28、铁架s18’和铁架s28’的长度，w7为铁塔底座的宽度。分别以s1,s2…s30标定正面和右端各
支架，s1',s2'…s30'表示对称后面和左端的各支架，其表达式分别为：

[0083]

[0084]

[0085]

[0086]

[0087]

[0088]

[0089]

[0090]

[0091]

[0092]

[0093]

[0094]

[0095]

[0096]

[0097]

[0098]

[0099]

[0100]

[0101]

[0102]

[0103]

[0104]

[0105]

[0106]

[0107]

[0108]

[0109]

[0110]

[0111]

[0112]

[0113]

[0114]

[0115]

[0116]

[0117]

[0118]

[0119] 其中x表示铁架在x轴的范围，y表示铁架在y轴的范围，z表示铁架在z轴的范围。

[0120] (1.2)构建磁阵列电磁关系方程组

[0121] 根据毕奥‑萨伐尔定律，第v相电流对第u个测点处(xt,yt,zt)的电磁关系式可表示为：

[0122]

[0123] 其中，dlv是第v相输电线路路径的微小长度，Ivdlv表示第v相电流的电流元，设其位置为(xv,yv,zv), 为第v相电流的电流元指向第u个测点的单位向量，μ0为真空磁导率，
ruv表示第v相电流的电流元到待求测点u的距离，
Iv表示第v相电流，(xv,yv,zv)代表的是
输电线路第v相电流的电流元Ivdlv在设置的坐标系中的坐标位置，(xt,yt,zt)表示第u个测
点在设置的坐标系中的坐标位置。对第v相输电线路路径电流元积分，积分区间为相邻两个
杆塔之间的输电线路路径。以Fuv表示第v相电流所在输电线路的位置对第u个测点的位置的
积分表达式，Fuv由输电线路位置方程和磁阵列位置共同决定，对于确定的输电线路，Fuv是
关于磁阵列位置的未知系数，则对铁架上的n个测点构成的磁阵列，可列方程组：

[0124]

[0125] B1 ,B2…Bn分别表示磁阵列中第1，2…n个测点的磁感应强度，令所以电磁关系方程组写为FI＝B。

[0126] (1.3)构建目标函数

[0127] 当由磁场信息对输电线路状态进行分析，外界干扰、仪器、人为等误差不可避免会使重构电流偏离甚至完全偏离真实解，为减小误差影响对步骤1.2的方程组进行预处理。设
置函数为：

[0128]

[0129] 其中，Ii为实际的第i相电流值， 表示由磁阵列磁场信息计算重构的第i相电流‑1
值， 其中F 表示F的逆矩阵。G表示对n相电流误差的求和，当G取最小值时，此时
误差影响最小，G的大小与逆问题的不适应度有关。已有的数学知识表明，当条件数cond(F)
取最小值时，方程组的不适应程度最低，此时G最小。即目标函数为：

[0130] cond(F)＝||F||||F‑1||   公式(3)

[0131] 其中||F||表示矩阵F的范数运算，||F‑1||表示矩阵F逆的范数运算。F仅与输电线路位置和磁阵列位置有关，对于确定的输电线路，F仅与磁阵列位置有关。当求得最小cond
(F)时，即可得到最优磁阵列。

[0132] (1.4)铁塔相对位置约束的测点寻优方法

[0133] 磁测点需要安装铁塔上，因此约束条件为步骤1.1的铁塔模型。求cond(F)最小值，转换为优化问题，即在约束条件下进行寻优：

[0134]

[0135] s.t表示约束条件，采用粒子群算法进行寻优，求得cond(F)最小值时的最优磁阵列位置(最优测点矩阵)。

[0136] (2)故障定位与识别方法

[0137] 按照步骤(1)的方法，在每个铁塔处建立坐标系，求出每个铁塔的最优磁阵列，在输电线路的每个铁塔上按照最优磁阵列布置磁测量装置，假设共有t个铁塔，对每一个铁塔
建立了坐标系，以在输电线路中间位置的铁塔处建立的坐标系为标准坐标系。其他铁塔上
的磁阵列均可转换为该坐标系下的标准磁阵列。由磁阵列磁感应强度相位相反确定故障区
间时，都在标准磁阵列中同一元素的磁感应强度上作比较。

[0138] (2.1)建立标准坐标系

[0139] 对于不同构造塔架，由于其结构差异，通过最优化磁阵列布局方法，得到的磁阵列有差异。为了方便分析，需要建立标准磁阵列，各塔架最优化的磁阵列通过对应的转移矩
阵，转换到标准磁阵列体系统一求解，既解决了同塔多回输电线路非接触故障定位于识别
系统中磁测量优化的问题，也满足统一体系求解问题。

[0140] 在输电线路中间位置的铁塔处建立标准坐标系λ，以铁塔基底为中心构建三维直角坐标系，Y轴方向为输电线路传输方向，Z轴为垂直地面向上的方向，X轴垂直Y、Z轴构成的
平面。以λi表示各铁塔的坐标系，αi为对应铁塔磁阵列转移矩阵，其中i为铁塔号，i＝1,2,
3,……t。则各坐标系和标准坐标系之间的转换表达式为：

[0141] λ＝αiλi

[0142] 由此可求出αi，以Γ为标准坐标系下建立的标准磁阵列矩阵，βi为各铁塔磁阵列矩阵，

[0143] Γi＝αiβi

[0144] 对于每一个铁塔的磁阵列位置均可由其转换矩阵变化为标准磁阵列位置，本文以后的磁阵列位置均为标准磁阵列位置，不同铁塔磁阵列中元素的比较可以统一。

[0145] (2.1)故障类型识别方法与短路故障快速定位

[0146] (2.1.1)设置判断阈值

[0147] 短路故障时，故障相电流呈数量级增长，远大于其他正常相电流，由电磁关系可知，此时磁阵列中元素的磁感应强度也会发生大幅度增长。输电线路正常状态下，磁阵列中
各元素的磁感应强度的幅值设为ε1，ε2，…εn，εn为第n个测点的磁感应强度的幅值。设定磁
阵列各元素的阈值表达式为ωn＝nεn(n∈3～6,多回线路电压等级相差越大，n值选取越
大)。断路故障时，故障相电流为0，远小于正常相电流，此时磁阵列中元素的磁感应强度也
会大幅减小，设定磁阵列各元素阈值表达式为ρn＝0.5εn。

[0148] (2.1.2)故障类型识别与短路故障定位

[0149] 设测量时磁阵列中各元素的磁感应强度幅值为θ1，θ2…θn，将各元素测量值与各元素阈值比较。若磁阵列中有元素出现θn<ρn，则判定此时发生断路故障；若磁阵列中有元素出
现θn>ωn，则判定此时发生短路故障，若磁阵列中各元素均为ρn<θ<ωn，则默认为正常状态。

[0150] 当发生短路故障时，故障点前后电流相位相反，故障相电流呈数量级增长，此时磁场信息受故障相的影响最大。因此故障点前后铁塔的标准磁阵列中，判定短路故障的两个
元素磁场相位也相反。当判定为短路故障时，以磁场正方向数值为正数，磁场负方向数值为
负数。第1至第t个铁塔的标准磁阵列中，同一元素磁场数据分别为M1，M2，…，Mt，Mi表示第t
个铁塔的标准磁阵列中同一元素的磁场数据，例如：一个最优测点矩阵中，若A11、A12、A13三
个测点处磁感应强度幅值均发生远大于正常状态时的幅值(θn>ωn)，则计算铁塔j或者铁塔
j+1中各自磁阵列中同一突变测点位置处的磁感应强度，如都计算A11，或者都计算A12，或者
都计算A13，即比较j铁塔和j+1铁塔对应的矩阵中相同矩阵位置处的测点的磁感应强度，且
此测点的磁感应强度θn>ωn，A11指的是矩阵的第1行第1列，A12指的是矩阵的第1行第2列，A13
指的是矩阵的第1行第3列。

[0151] 对于相邻铁塔上，Mj×Mj‑1<0则可以确定故障点的位置在第j个铁塔与第j‑1个铁塔之间。

[0152] (2.2)精确故障识别与定位校正方法

[0153] 输电线路电流信息能反映线路运行状态，由磁阵列磁感应强度重构电流信息能准确进行故障识别与定位。

[0154] (2.2.1)重构电流信息

[0155] 以第(2.1.2)小节中判定出现故障起，将各铁塔上的磁阵列数据(若由磁场数据判断线路从故障恢复正常，则重构电流直到判定恢复正常结束。若由磁场数据判断线路仍处
于故障中，当磁感应强度曲线变化趋势大体保持一致，选取满30s即可；当磁感应强度出现
不同变化趋势时，继续选取磁场数据，直到磁感应强度变化趋势大体一致或线路恢复正常
为止)带入电磁关系方程组FI＝B中重构电流。由步骤1.2可知，对于确定的输电线路，其位
置参数一定，即F一定，当由测点磁场信息求解电流时，即由F和B求解I，此为求解方程组问
题。将求得的各个时刻电流信息拟合得到各相电流的重构电流。

[0156] (2.2.2)验证故障相与定位校准

[0157] 以σ1，σ2，…σn分别表示第一至第n相电流在正常状态下的幅值，以γ1，γ2，…γn分别表示第一至第n相电流测量时的幅值。根据故障电流特征设定比较阈值，以5σ1，5σ2，…5σn
分别作为第一至第n相电流短路故障时的阈值；以0.5σ1，0.5σ2，…0.5σn分别作为第一至第n
相电流断路故障时的阈值。

[0158] 当第i相重构电流出现：γi>5σi则第i相为短路故障相。

[0159] 当第i相重构电流出现：γ1<0.5σi则第i相为断路故障相。

[0160] 当第i相重构电流出现：0.5σi≤γi≤5σi则第i相为正常相。

[0161] 当确定某相发生短路故障时，比较由各铁塔磁阵列磁场信息重构的该相电流。当相邻第k个铁塔与第k+1个铁塔重构的短路故障电流相位相反时，即可确定故障点在第k个
铁塔与第k+1个铁塔之间，对由磁场直接进行定位的方法进行校准。定位的依据为故障点前
后区域短路故障相电流的相位相反，当前后定位不一致时，以(2.2.2)的方法为准。

[0162] 如图5所示，本实施例还提供了一种与上述方法对应的同塔多回输电线路故障识别系统，所述系统包括：

[0163] 测点位置模型构建模块A1，用于对于输电线路中的任意一个铁塔，以所述铁塔的正算子矩阵的条件数最小为目标，以所述铁塔上各支架的位置为约束构建测点位置模型；
所述正算子矩阵为由第i相电流所在输电线路的位置对所述铁塔上第y个测点的位置的积
分组成的矩阵，i＝1，2，…，I，I表示相电流的总数，y＝1，2，…，Y，Y表示测点的总数量。

[0164] 最优测点矩阵确定模块A2，用于对所述测点位置模型求解得到各所述铁塔的最优测点矩阵；所述最优测点矩阵是当所述铁塔的正算子矩阵的条件数最小时对应的测点的位
置构成的矩阵。

[0165] 磁感应强度获取模块A3，用于获取所述最优测点矩阵内各测点处的磁感应强度。

[0166] 输电线路故障情况确定模块A4，用于由所述磁感应强度确定输电线路的故障情况，所述故障情况为无故障、断路故障或短路故障。

[0167] 作为一种可选的实施方式，所述同塔多回输电线路故障识别系统，还包括：

[0168] 磁感应强度集获取模块，用于若所述输电线路的故障情况为短路故障，则获取第一磁感应强度和第二磁感应强度；所述第一磁感应强度为铁塔j的最优测点矩阵中第a行b
列处测点的磁感应强度，所述第二磁感应强度为铁塔j+1的最优测点矩阵中第a行b列处测
点的磁感应强度，j＝1,2,...,J，J表示铁塔的总数量，其中，所述第一磁感应强度大于第二
设定阈值且所述第二磁感应强度大于第二设定阈值。

[0169] 乘积确定模块，用于计算所述第一磁感应强度和所述第二磁感应强度的乘积。

[0170] 第一故障点确定模块，用于当所述乘积小于设定数值时，则确定在铁塔j和铁塔j+1之间存在短路故障。

[0171] 作为一种可选的实施方式，所述同塔多回输电线路故障识别系统，还包括：

[0172] 故障磁感应强度集确定模块，用于确定在设定时间段内发生变化的磁感应强度，得到故障磁感应强度集。

[0173] 重构电流确定模块，用于根据所述故障磁感应强度集和所有铁塔的正算子矩阵得到各相电流在各铁塔处重构的重构电流。

[0174] 相电流故障情况确定模块，用于根据第i相电流在各铁塔处重构的重构电流和第i相电流所在输电线路无故障时传输的电流确定第i相电流的故障情况。

[0175] 作为一种可选的实施方式，所述同塔多回输电线路故障识别系统，还包括：

[0176] 重构电流集获取模块，用于若所述第i相电流的故障情况为短路故障，则获取第一重构电流和第二重构电流；所述第一重构电流为所述第i相电流在铁塔k处的重构电流，所
述第二重构电流为所述第i相电流在铁塔k+1处的重构电流，k＝1,2,...,J。

[0177] 第二故障点确定模块，用于当所述第一重构电流的相位与所述第二重构电流的相位相反时，则确定在铁塔k与铁塔k+1之间存在短路故障。

[0178] 作为一种可选的实施方式，所述输电线路故障情况确定模块，具体包括：

[0179] 输电线路断路故障确定单元，用于若所述磁感应强度小于第一设定阈值，则所述输电线路的故障情况为断路故障。

[0180] 输电线路短路故障确定单元，用于若所述磁感应强度大于第二设定阈值，则所述输电线路的故障情况为短路故障。

[0181] 输电线路无故障确定单元，用于若所述磁感应强度大于第一设定阈值且小于第二设定阈值，则所述输电线路的故障情况为无故障。

[0182] 作为一种可选的实施方式，所述相电流故障情况确定模块具体包括：

[0183] 相电流短路故障确定单元，用于若γi>5σi，则所述第i相电流的故障情况为短路故障。

[0184] 相电流断路故障确定单元，用于若γi<0.5σi，则所述第i相电流的故障情况为断路故障。

[0185] 相电流无故障确定单元，用于若0.5σi≤γi≤5σi则所述第i相电流的故障情况为无故障；其中γi表示第i相电流在任一铁塔处的重构电流，σi表示第i相电流所在输电线路
在无故障时的电流。

[0186] 鉴于非接触式方法的优点和目前存在的问题，本方法构建线路的电磁关系方程组(测点位置模型)，对方程组预处理得到磁阵列(最优的测点位置)，使用最优测点位置的磁
感应强度得到输电线路的故障情况，提高了输电线路的故障识别精度，且使用较少磁传感
器的磁场信息反推电流信息，从而反映输电线路状态。本方法在每个输电铁塔上安装较少
的传感器完成多回线路的故障识别，并通过与相邻铁塔的磁传感器信息关联分析，将短路
故障定位到铁塔跨距内。整个方法仅由磁传感器信息进行故障定位与识别，适用于混压多
回线路、且不受过渡电阻、故障类型等因素的影响。

[0187] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统
而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说
明即可。

[0188] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据
本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不
应理解为对本发明的限制。