利用塔侧多测量点磁场频率与相位特征的非接触输电线路舞动检测方法

《Sensors》：Non-Contact Transmission Line Galloping Detection Method Utilizing Frequency and Phase Features of Tower-Side Multi-Measuring-Point Magnetic Field

　　

非接触磁感应技术（Magnetic Sensing）因其非接触测量能力、强环境鲁棒性和低部署成本，被广泛用于输电线路在线监测场景（包括电流测量和故障定位）。然而，现有基于磁感应的舞动监测方法存在两个关键局限：传感器布置缺乏理论指导，且在电流波动条件下误检率高。为解决这些问题，本文提出一种基于空间磁场分布特征的新型输电线路舞动监测方法。首先建立导线舞动-工频磁场（Power-Frequency Magnetic Field）耦合模型，推导最优磁传感器阵列布置策略。随后提出融合多节点频域特征和相位差信息的舞动检测算法，以消除电流波动引起的误检。基于实际500 kV输电线路参数的仿真以及缩比实验室平台上的验证测试证实，所提方法在电流低频振荡（Low-Frequency Oscillation）和随机波动（Random Fluctuation）场景下均能实现可靠的舞动检测。凭借非接触部署、高抗干扰性能和检测精度等优势，该方法在工程化高压输电线路监测中具有广阔的应用前景。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**

输电线路是能源互联网的核心传输载体，其安全运行直接关系电力系统可靠性与国民经济生产秩序。导线舞动（Conductor Galloping, CG）是覆冰导线在稳态层流风作用下引发的低频大振幅振荡现象，频率范围为0.1–3 Hz，振幅可达导线直径的20–300倍，轻则导致线路闪络、跳闸及金具磨损，重则引发断线、倒塔等严重事故。因此，高精度、高可靠性的实时舞动监测是实现舞动预警、主动干预及保障电网稳定运行的核心前提。

当前主流舞动监测技术分为三类：基于图像视觉的方法受低能见度/低照度环境（雨、雾、雪、夜间）影响，特征提取易失效，且边缘端算力与运维成本高；基于惯性测量单元（Inertial Measurement Unit, IMU）的方法需安装在高压带电导线上，安装运维需停电操作，且存在累积漂移误差；基于光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）的方法部署门槛极高，需更换原有光缆，仅适用于新建线路，且温度交叉灵敏度难以消除，导致野外宽温范围内测量精度不足。三类技术均存在适用场景有限、长期可靠性不足、部署运维成本过高等共性问题。

近年来，基于空间磁场（Magnetic Field, MF）反演的非接触传感技术被提出作为输电线路舞动监测的新方案。交流输电线路运行时，周围空间产生稳定的工频磁场，其分布特征与导线空间位置严格对应。通过在塔侧部署低功耗磁传感阵列，可反演磁场分布变化获得舞动参数。该技术无需接触高压带电导线，不受光照、温度、能见度等环境因素干扰，且无需改造现有线路结构，兼具高测量精度、强长期运行可靠性及易规模化推广等优势。然而，现有基于磁感应的舞动监测技术仍不成熟：传感器在塔上的部署缺乏可靠理论支撑，且电流波动或故障引起的磁场变化会导致舞动识别不准确。

**研究内容与结论**

针对上述两大瓶颈，本文提出一种基于空间磁场分布特征的输电线路舞动监测方法。首先，基于舞动-磁场分布模型探索空间位置对不同舞动模式（面内与面外）的灵敏度差异，确定磁传感器阵列的最优布置策略，为实际场景中传感器安装提供理论支持。其次，分析电流波动与正常舞动场景下磁场的频域特征，提出结合频域与相位信息的舞动检测方法，消除电流波动影响。通过实际线路参数仿真验证方法有效性，并在实验室搭建缩比实验平台进一步验证可行性。

**重要意义**：该方法解决了现有磁感测舞动技术缺乏部署指导和易受电流波动干扰的问题，为非接触、高抗干扰、高精度的工程化高压输电线路舞动监测提供了可行方向。论文发表在《Sensors》。

**关键技术方法概述**（不超过250字）

研究人员首先建立导线舞动-工频磁场耦合模型，基于毕奥-萨伐尔定律（Biot-Savart Law）推导空间磁场分布表达式，分析不同位置传感器对面内（in-plane）与面外（out-of-plane）舞动的响应差异，提出磁传感器阵列布置策略：每相导线部署上下两个传感器，上传感器安装于绝缘子串上方横担，下传感器置于水平距离约1/4相间距处。随后，提出融合多节点频域特征和相位差信息的舞动检测算法：利用快速傅里叶变换（FFT）提取两传感器磁场均方根（Root Mean Square, RMS）序列的频谱，依据同频分量相位一致性判别电流波动（相位一致）与面内舞动（相位不一致），而仅出现在下传感器的频率分量为面外舞动。仿真基于实际500 kV输电线路参数（表3），并搭建20:1缩比实验室模型（基于110 kV线路参数，电流15 A，传感器距离0.15 m，磁感应强度约20 μT），采用TMR2103隧道磁阻（Tunnel Magnetoresistance, TMR）传感器与信号处理电路（仪表放大器、巴特沃斯带通滤波器、模数转换电路）采集数据。

**研究结果**（保留小标题并简要说明）

**4. Simulation Validation**

**4.1 Simulation Parameter Configuration for Real-World Scenarios**
基于实际500 kV输电线路参数（表3）设置仿真，对生成磁场数据添加噪声使信噪比（SNR）约40 dB，以A相舞动为分析对象，B、C相频率不同以验证邻近相干扰。

**4.2 Galloping Detection Under Low-Frequency Current Oscillation**
设定电流振幅以0.2 Hz低频振荡，并叠加0.02 Hz趋势项。仿真显示，两传感器磁场RMS序列频谱中主频包括0.02 Hz、0.2 Hz、0.5 Hz、1 Hz，仅通过频谱无法区分。通过计算相位（表4）发现：0.02 Hz和0.2 Hz在上下传感器相位相同（电流波动导致），0.5 Hz相位不一致（面内舞动），1 Hz仅出现在下传感器（面外舞动）。验证方法可有效区分低频电流振荡与舞动。

**4.3 Galloping Detection Under Random Current Fluctuation**
设定随机电流波动，磁场RMS频谱低频部分（<0.25 Hz）出现大量频率分量。提取0.1–3 Hz范围内主频及相位（表5）发现：电流波动相关频率在两传感器相位一致，面内舞动频率相位明显不同，面外舞动频率仅出现在下传感器。验证方法在强电流波动干扰下的舞动监测能力。

**4.4 Performance Evaluation of the Proposed Method**
生成100个独立样本（20个仅电流波动、20个仅舞动、50个两者兼具），涵盖轻至极端振幅（面内2–10 m，面外1–5 m）。采用20 s滑动窗口FFT，相位差阈值±50°。结果（表6）：仅电流波动样本无虚警（虚警率0%），100个样本中成功检测97次，准确率97%。三次漏检发生在面内振幅接近检测边界（约2 m面内、1 m面外）且电流波动较大时。验证方法准确性与可行性。

**5. Experimental Validation**

**5.1 Experimental Setup**
搭建20:1缩比模型（基于实际110 kV线路），通过保持等效（电流与距离比值）使实验室磁场环境与真实线路可比。采用TMR2103传感器，信号处理电路包括仪表放大器、中心50 Hz带宽5 Hz的巴特沃斯带通滤波器及MCU进行模数转换与均方根计算。传感器布置如图10b所示（因塔上支撑限制调整下传感器位置，仍保持检测相位）。

**5.2 Experiments**
首先验证无电流波动下舞动检测：设定A相二阶舞动（面内0.85 Hz，面外1.7 Hz），B相1.6 Hz，C相1.4 Hz。六传感器磁场RMS时域波形呈现正弦波动，频谱（图12）显示：A相舞动频率出现于传感器S₁（上）和S₂（下），面外频率仅存在于S₂；B、C相类似，且无邻近相干扰。验证传感器阵列布局有效性。
其次验证电流波动下舞动检测：通过调压器使三相电流以约1 Hz频率变化，设定同上舞动参数。磁场RMS波形叠加复杂频率，频谱（图14）显示各传感器均出现1.03 Hz分量。相位计算（表7）表明该分量在上下传感器相位一致（电流波动），去除后剩余频率与预设舞动一致。验证方法在电流波动下的有效性。
50次实验（含仅电流波动、仅舞动、两者兼具）中正确识别48次，准确率96%，无虚警。两次漏检发生在磁场变化接近系统最小可检测水平（实验室对应舞动振幅约0.02 m）。

**6. Uncertainty Analysis in Engineering Scenarios**
讨论实际工程不确定性：忽略扭转运动（其空间位移小，难以用磁传感器检测；野外经验表明大幅横向振荡为主要危害）；采用单导线模型（传感器远场距离远大于子导线间距，误差<1%）；冰形与风向非研究重点（检测已发生的舞动而非气动激励）；不同电流工况（三相不平衡、谐波、故障暂态、邻近平行线干扰）下，电流引起磁场变化在上下传感器相位一致的假设经仿真验证保持鲁棒性；传感器布局策略适应不同档距、塔型、相间距及舞动阶次（短档距、三角形排列、双回路塔等有对应调整）；安装误差（±5%距离、±5°角度）使相位差变化最大5°，远低于50°判别阈值；长期稳定性与温度：TMR2103灵敏度温度系数约-13 ppm/°C，长期漂移优于±5%满量程，组合漂移在20 μT测量范围内可忽略；温度引起传感器位置漂移<2 mm（磁场变化<0.01 μT）；电磁干扰通过带通滤波器（中心50 Hz，带宽10 Hz）抑制，信噪比>40 dB。

**研究结论部分翻译**
准确可靠的输电线路舞动在线监测是保障大规模电网安全稳定运行的核心需求。针对现有基于磁场感测的舞动监测技术存在的两大核心瓶颈——传感器部署缺乏理论支撑以及易受电流波动干扰导致误检——本文提出一种基于空间磁场分布特征的非接触输电线路舞动监测方法，为复杂运行条件下的输电线路舞动监测提供了可行的技术方案。首先，建立了导线舞动与周围空间工频磁场分布的耦合映射模型，定量分析了不同空间点对导线面内与面外两种典型舞动模式的灵敏度差异，在此基础上提出磁传感阵列的最优布置策略，为输电塔侧磁场传感器的工程部署提供了理论依据，解决了现有技术缺乏实施布局指导的痛点。其次，针对随机电流波动、故障暂态等运行工况下磁场畸变导致舞动判别不准的问题，对比分析了电流波动与正常舞动两种场景下的磁场频域与相位分布特征，提出融合多节点磁场频域特征与相位差信息的舞动检测算法，利用电流波动引起的磁场变化在空间上具有全局相位同步而舞动引起的磁场变化在多传感器节点间具有明显相位差这一核心特征，实现了电流干扰下舞动信号的准确识别，从根本上消除了电流波动导致的误检风险。为验证所提方法的有效性，首先基于实际500 kV输电线路工程参数开展了多场景仿真验证，结果表明该方法在低频电流振荡、随机波动等典型干扰条件下均可有效识别舞动及其频率特征，验证了方法在真实电网参数下的可行性。其次，搭建了实际输电塔等比例缩小的实验室验证平台，利用自主研发的磁场传感元件开展了稳态电流与电流波动两种场景下的舞动模拟实验，获得的舞动频率及模式检测结果与预设参数一致，进一步验证了所提方法在实际应用中的可靠性。