CN107179434B - 一种电流测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电流测量方法，包括采用电流传感器来测量电缆电流的步骤：其特征是：电流传感器包括安装座、电流检测组件、DSP信号处理器、示波器、电压跟随器和分压电阻；还包括以下步骤：步骤S1：由四个电流检测单元测得四个测点的(Bx,By)，随后根据各个测点的(Bx,By)来求取该点的合成场B；步骤S2:计算安装座上同一径向上的两个测点的合成场的比值：kx，ky；步骤S3:计算待测电缆在穿孔内的部分的中心点坐标(x0,y0)；步骤S4：求得待测电缆在穿孔内的部分的中心点坐标(x0,y0)后，分别计算各个测点与(x0,y0)的距离，推算出四个测点的电流值；步骤S5：取上述四个电流值的平均值，求得电缆的电流值。通过本发明的电流测量方法测得的电流值能够更为精确。

Description

一种电流测量方法
技术领域
本发明涉及电力参数测量领域，特别涉及一种电流测量方法。
背景技术
配电网电流检测是系统安全运行的基础，通常配网正常运行电流为几kA、在发生短路故障时电流高达几十kA。传统电磁式传感器因铁芯的带宽和饱和问题造成测量失准，且它对含直流和谐波的电流测量有较大局限。对动态范围、带宽较大，交、直流量同测的需求，采用分流器方式需要接入待测回路而不便安装；基于电磁感应的罗氏线圈又不能测直流量；光纤电流传感器工作稳定性不。因此，采用霍尔元件测磁场并推算电流就具有一定优势。
现有常用的线电流测量，通常从安培环路定律出发，在以电流轴线为轴向的圆周上等距放置霍尔传感器阵列，每个霍尔传感器测量切向磁场，根据安培环路定律将上述线积分用求和近似求得到电流值。但在实际测量中，待测电缆在由“霍尔传感器阵列”之间圆孔内的中心点与该圆孔的圆心之间通常为偏心(放置)，致使通过上述计算方法求得的电流值存有较大的误差。
基于此，申请人考虑设计一种测量更为精确的电流测量方法。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种测量更为精确的电流测量方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，具体步骤如下：
一种电流测量方法，包括采用电流传感器来测量电缆电流的步骤：其特征在于：
所述电流传感器包括安装座、电流检测组件、DSP信号处理器、示波器、电压跟随器和分压电阻；
所述安装座整体呈圆环形结构，所述安装座的中部具有供电缆贯穿的穿孔；
所述电流检测组件包括有八个霍尔元件，所述八个霍尔元件构成有四个电流检测单元，其中，每个电流检测单元包括磁场敏感轴相互垂直且呈T型布置的两个霍尔元件；所述四个电流检测元件均固定安装在所述安装座上，并在所述穿孔的圆周方向均匀分布；
所述DSP信号处理器包括信号采集模块和信号处理模块，所述八个霍尔元件的输出端分别与所述信号采集模块上各个对应的接线端口相连接，所述信号采集模块用于采集所述八个霍尔元件检测到的磁场信号，并将处理后的信号输出至所述示波器并显示；
所述电压跟随器包括四个运算放大器，所述四个运算放大器的同相输入端分别与所述信号采集模块上对应的接线端口相连接，每个运算放大器的电路结构中连接有所述分压电阻；所述四个运算放大器用于增大被测电流的电压线性空间，并将处理后的信号输出到分压电阻输入端，所述分压电阻用于对电压跟随器输出信号进行分压，并将分压后的信号输出到所述DSP信号处理器中的输入端；
测量时，将待测的电缆穿过所述安装座的所述穿孔；
还包括采用快速估算方法来测得电缆中通过的电流值的步骤，所述快速估算方法包括以下步骤：
步骤S1：由所述四个电流检测单元测得四个测点的(Bx,By)，随后根据各个测点的(Bx,By)来求取该点的合成场B；
步骤S2:计算安装座上同一径向上的两个测点的合成场的比值：kx，ky；
步骤S3:计算待测电缆在所述穿孔内的部分的中心点坐标(x0,y0)；
步骤S4：求得待测电缆在所述穿孔内的部分的中心点坐标(x0,y0)后，分别计算各个测点与(x0,y0)的距离，推算出四个测点的电流值；
步骤S5：取上述四个电流值的平均值，求得电缆的电流值。
作为优选，步骤S1的计算公式为：
式中(x0,y0)为待测电缆在所述穿孔内的部分的中心点坐标，(xt,yt)为各个电流检测单元的坐标。实施时，(xt,yt)具体为各个电流检测单元呈T型结构的两个霍尔元件的交点坐标。图1与图2中电流传感器仅为结构示意图，实际在制作本方案所涉及的电流传感器时，各个电流检测单元中呈T型结构的两个霍尔元件相交且具有交点坐标。
作为优选，步骤S2的计算公式为：
作为优选，步骤S3的计算公式为：
式中R0 2＝xt 2+yt 2。
作为优选，步骤S4的计算公式为：
作为优选，电流测量方法还包括采用精确计算方法来测得电缆中通过的电流值的步骤，所述精确计算方法包括以下步骤：
S1：将非线性模型转换为线性模型，将场分量相除消去电流变量，得到线性方程组；
S2:用线性最小二乘法给出线性方程组的最优解(x0,y0)；
S3：求得导线位置后，分别计算各测点与导线距离，推算出四个电流值；
S4：取上述四个电流的平均值，求得电缆的电流值。
作为优选，S1中的线性方程组为：
作为优选，S3中的计算公式为：
由于采用了上述技术方案，本发明的电流测量方法具有如下的优点：
1、动态范围大、带宽宽、功耗与体积小。在电流监测和保护控制应用中有广阔的前景。本电流测量方法所采用的电流传感器中没有气隙铁芯聚磁，被测电流磁场空间分布分散，本发明的测量方法即利用八个霍尔元件的阵列方式来检测电缆的电流，提高测量的精度。同时也因为失去了铁芯对外部磁场屏蔽，对测量准确度造成显著影响，其信噪比相对有铁芯会低很多，使得测得的电流值更为精准。
2、本发明的电流测量方法能够对待测电缆在所述穿孔内的部分的中心点的位置进行计算，经确定待测电缆在所述穿孔内的部分的中心点的位置后再求得的电流值的计算精度大幅提高。
3、相比安培环路定律，现有的电流传感器挂接在电缆上，重力作用导致电缆的偏心达到最大，从而使得测得的电流值值的精度不高。安培环路定律只有当导线在圆心或偏心较小时才可保证精度。
本发明的电流测量方法的测量精度受被测电缆位置影响小，导线处于圆环中的任何位置都可获得较高的精度。
附图说明
图1为本发明的电流测量方法所采用的电流传感器的结构示意图；
图2为本发明的电流测量方法所采用的电流传感器(局部拆开状态)的结构示意图；
图3为本发明的电流测量方法所采用的电流传感器中霍尔元件的电源U1、电源传输P1、接地传输P3的电路原理图；
图4为本发明的电流测量方法所采用的电流传感器中霍尔元件01～04的电路原理图；
图5为本发明的电流测量方法所采用的电流传感器中霍尔元件05～08的电路原理图；
图6为图3和图4与传输模块P2的电路原理图；
图7为本发明的电流测量方法所采用的电流传感器中电压跟随器中运算放大器U3、U4的电路原理图；
图8为本发明的电流测量方法所采用的电流传感器中电压跟随器中运算放大器U2、U5的电路原理图；
图9为本发明的电流测量方法所采用的电流传感器中电压跟随器与DSP信号处理器连接的传输模块的电路原理图；
图10为本发明的电流测量方法所采用的电流传感器的测量示意图；
图11为本发明的电流测量方法所采用的电流传感器的源测试图；
图12为一次侧输入100A时电流磁场平行方向上PAC12交直流电流钳输出波形图；
图13为其中一个霍尔元件输出波形图。
图14为一次侧输入100A时采用安培环路定律、本发明的电流测量方法中快速估算方法和精确计算方法得到的电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
首先，详细说明下本发明的电流测量方法测量时需采用的电流传感器：
如图1至图9所示，该电流传感器包括安装座1、电流检测组件、DSP信号处理器2、示波器(图中未示出)、电压跟随器3和分压电阻；
所述安装座整体呈环形结构，所述安装座的中部具有供电缆4贯穿的穿孔；
所述电流检测组件包括有八个霍尔元件，所述八个霍尔元件5构成有四个电流检测单元，每个电流检测单元包括两个磁场敏感轴相互垂直且呈T型布置的霍尔元件；所述四个电流检测元件均固定安装在所述安装座上，并在所述穿孔的圆周方向均匀分布；
所述DSP信号处理器包括信号采集模块和信号处理模块，所述信号采集模块与所述八个霍尔元件的输出端分别相连，所述信号采集模块用于采集所述八个霍尔元件检测到的磁场信号，所述信号处理模块用于处理采集模块检测到的磁场信号，并将处理后的信号输出至所述示波器并显示；
所述电压跟随器包括四个运算放大器，所述四个运算放大器的同相输入端分别与所述信号采集模块上对应的接线端口相连接，每个运算放大器的电路结构中连接有所述分压电阻；所述四个运算放大器用于增大被测电流的电压线性空间，并将处理后的信号输出到分压电阻输入端，所述分压电阻用于对电压跟随器输出信号进行分压，并将分压后的信号输出到所述DSP信号处理器中的输入端。
实施时，所述安装座为整体呈圆环形结构的PCB板，且该PCB板由两个扇形块可拆卸连接而成。
实施时，所述霍尔元件采用自带温度补偿的宽量层线性霍尔元件。
实施时，所述电压跟随器采用轨到轨运算放大器，使被检测电压的线性空间为0-5V电压。
实施时，所述分压电阻把电压跟随器输出的0-5V电压分压为0-3V电压。
实施时，所述DSP信号处理器通过集成的A/D模块采集八路霍尔元件的输出信号，通过非线性最小二乘法算出被测电流。
实施时，所述无铁芯霍尔电流传感器采用单电源+5V供电。
实施时，如图3至图9所示，所述电流传感器的电路连接结构包括：
1)U1电源座模块中，U1对霍尔电流传感器提供电源，U1引脚1接电源VCC，引脚3接地GND；
P1 Header 8X2的引脚2与引脚4连接同时接电源VCC，引脚1与引脚3连接，起电源传输作用；
P3 Header 8X2的引脚2与引脚4连接，引脚1与引脚3连接同时接地GND，起接地传输作用；
2)八个霍尔元件，分别标记为01-08，用于测量被检测电流产生的磁场，输出检测到的磁场；
霍尔元件01引脚1接电源VCC，引脚2接地GND，引脚3接P2 Header 8X2的引脚2；同时P2 Header 8X2的引脚1接输入端IN1，将霍尔元件01检测到的电流输入DSP信号处理器中进行信号处理；
霍尔元件02引脚1接电源VCC，引脚2接地GND，引脚3接P2 Header 8X2的引脚4；同时P2 Header 8X2的引脚3接输入端IN2，将霍尔元件02检测到的电流输入DSP信号处理器中进行信号处理；
霍尔元件03引脚1接电源VCC，引脚2接地GND，引脚3接P2 Header 8X2的引脚6；同时P2 Header 8X2的引脚5接输入端IN3，将霍尔元件03检测到的电流输入DSP信号处理器中进行信号处理；
霍尔元件04引脚1接电源VCC，引脚2接地GND，引脚3接P2 Header 8X2的引脚8；同时P2 Header 8X2的引脚7接输入端IN4，将霍尔元件04检测到的电流输入DSP信号处理器中进行信号处理；
霍尔元件05引脚1接电源VCC，引脚2接地GND，引脚3接P2 Header 8X2的引脚10；同时P2 Header 8X2的引脚9接输入端IN5，将霍尔元件05检测到的电流输入DSP信号处理器中进行信号处理；
霍尔元件06引脚1接电源VCC，引脚2接地GND，引脚3接P2 Header 8X2的引脚12；同时P2 Header 8X2的引脚11接输入端IN6，将霍尔元件06检测到的电流输入DSP信号处理器中进行信号处理；
霍尔元件07引脚1接电源VCC，引脚2接地GND，引脚3接P2 Header 8X2的引脚14；同时P2 Header 8X2的引脚13接输入端IN7，将霍尔元件07检测到的电流输入DSP信号处理器中进行信号处理；
霍尔元件08引脚1接电源VCC，引脚2接地GND，引脚3接P2 Header 8X2的引脚16；同时P2 Header 8X2的引脚15接输入端IN8，将霍尔元件08检测到的电流输入DSP信号处理器中进行信号处理；
3)所述电压跟随器模块中，有U2、U3、U4、U5四个放大器，增大霍尔元件中被检测电压的线性空间；
U3LM358的引脚OUT1与引脚IN1-连接并与阻值为1K的电阻R2相连接，电阻R2同时与阻值为2.2K的电阻R10连接，电阻R10同时与阻值为4.7K的电阻R18连接，电阻R18同时接地GND，电阻R10与电阻R18之间接输出端OUT1；U3LM358的引脚IN1+接P2 Header 8X2引脚1的IN1；U3LM358的引脚GND接地GND；另外，U3LM358的引脚VCC接电源VCC，引脚OUT2与引脚IN2-连接并与阻值为1K的电阻R8相连，电阻R8同时与阻值为2.2K的电阻R16连接，电阻R16同时与阻值为4.7K的R24相连，电阻R24同时接地GND，在电阻R16与电阻R24之间接输出端OUT2，；U3LM358的引脚IN2+接P2 Header 8X2引脚3的IN2；
U4LM358的引脚OUT1与引脚IN1-连接并与阻值为1K的电阻R3相连接，电阻R3同时与阻值为2.2K的电阻R11连接，电阻R11同时与阻值为4.7K的电阻R19相连，电阻R19同时接地GND，电阻R11与电阻R19之间接输出端OUT3；U4LM358的引脚IN1+接P2 Header 8X2引脚5的IN3；U4LM358的引脚GND接地GND；另外，U4LM358的引脚VCC接电源VCC，引脚OUT2与引脚IN2-连接并与阻值为1K的电阻R6相连，电阻R6同时与阻值为2.2K的电阻R14连接，电阻R14同时与阻值为4.7K的R22相连，电阻R22同时接地GND，在电阻R14与电阻R22之间接输出端OUT4，；U4LM358的引脚IN2+接P2 Header 8X2引脚7的IN4；
U5LM358的引脚OUT1与引脚IN1-连接并与阻值为1K的电阻R4相连接，电阻R4同时与阻值为2.2K的电阻R12连接，电阻R12同时与阻值为4.7K的电阻R20相连，电阻R20同时接地GND，电阻R12与电阻R20之间接输出端OUT5；引脚IN1+接P2 Header 8X2引脚9的IN5；U5LM358的引脚GND接地GND；另外，U5LM358的引脚VCC接电源VCC，引脚OUT2与引脚IN2-连接并与阻值为1K的电阻R7相连，电阻R7同时与阻值为2.2K的电阻R15连接，电阻R15同时与阻值为4.7K的R23相连，电阻R23同时接地GND，在电阻R15与电阻R23之间接输出端OUT6；U5LM358的引脚IN2+接P2 Header 8X2引脚11的IN6；
U2LM358的引脚OUT1与引脚IN1-连接并与阻值为1K的电阻R1相连接，电阻R1同时与阻值为2.2K的电阻R9连接，电阻R9同时与阻值为4.7K的电阻R17相连，电阻R17同时接地GND，电阻R9与电阻R17之间接输出端OUT7；引脚IN1+接P2 Header 8X2引脚13的IN7；U2LM358的引脚GND接地GND；另外，U2LM358的引脚VCC接电源VCC，引脚OUT2与引脚IN2-连接并与阻值为1K的电阻R5相连，电阻R5同时与阻值为2.2K的电阻R13连接，电阻R13同时与阻值为4.7K的R21相连，电阻R21同时接地GND，在电阻R13与电阻R21之间接输出端OUT8，；U2LM358的引脚IN2+接P2 Header 8X2引脚15的IN8；
4)P4传输模块中，将八个霍尔元件输出后的被检测值传输到DSP信号处理器中进行信号处理；
P4Header 8X2的引脚1接U3LM358的引脚IN1+，P4Header 8X2的引脚3接U3LM358的引脚IN2+；
P4Header 8X2的引脚5接U4LM358的引脚IN1+，P4Header 8X2的引脚7接U4LM358的引脚IN2+；
P4Header 8X2的引脚9接U5LM358的引脚IN1+，P4Header 8X2的引脚11接U5LM358的引脚IN2+；
P4Header 8X2的引脚13接U2LM358的引脚IN1+，P4Header 8X2的引脚15接U2LM358的引脚IN2+；
P4Header 8X2的引脚2、引脚4、引脚6、引脚8、引脚10、引脚12、引脚14、引脚16将被测电流输出到DSP信号处理器进行信号处理；
5)用示波器识别DSP信号处理器处理后的信号，得到电流测量值。
采用上述电流传感器的好处是：
1、不含有铁芯，解决了含铁芯类电流传感器存在剩磁的问题，即一次侧电流中断会造成铁芯中有残余磁通量；不含有铁芯，也解决了含铁芯类电流传感器存在铁芯饱和的问题，即一次侧过多的直流分量使铁芯饱和，导致信号交流分量的非对称变形；
2、非接触测量电流，不产生额外损耗，不受导体温度影响；
3、电路简单，体积小，重量轻，采用电子元器件，便于集成，没有铁芯，体积小，便于安装；
4、可扩展性强，可根据被测电流等级的大小选取不同量层的霍尔元件，以保持测量的量层和精度；
5、安装方便，采用开合结构，可直接套在现有电缆上，无需断开电缆接头安装。
其次，通过一个实施例来说明本发明的电流测量方法：
实施例：本发明的电流测量方法采用图1至图9结构的结构所示的电流传感器。
先将需要检测电缆的放入电流传感器的安装座1中间的穿孔，然后用螺丝进行将电流传感器中小扇形贴片固定连接，固定连接后的图形如图2所示。
通过直流电源DLM 8-450E-M1产生被检测电流如图11所示。
设置直流电流输出为100A，用PAC12交直流电流钳测量输出电流，档位选择为1mV/A，其直流钳输出如如图12所示。
接下来，分别采用安培环路定律、快速估算方法和精确计算方法计算电流曲线。
采用本发明的电流测量方法的一个算例：
四个电流检测单元的等效坐标(xt,yt)为(0.034,0),(0,0.034)，(-0.034,0)，(0,-0.034)，其中一个霍尔元件输出波形如图13所示：
以一组测点值为例说明本发明的电流测量方法中的快速估算方法：。
八个霍尔元件的实测电压(单位V)为：
V1y＝2.639 V1x＝2.585 V2y＝2.593 V2x＝2.608 V3y＝2.569 V3x＝2.583 V4y＝2.587 V4x＝2.543
根据B＝(V-2.588)*((50/1000)/2.5)；其中，2.588为霍尔元件的静态工作电，50为霍尔元件的量层50mT，将八个霍尔元件的实测电压转换为对应的磁感应强度(单位T)为：
B1y＝1e-3 B1x＝4.121e-05 B2y＝1.0527e-04 B2x＝4.08e-04 B3y＝3.634e-04 B3x＝-9.980e-05 B4y＝1.192e-05 B4x＝8.810e-04
由
算得B1＝1e-3 B2＝4.213e-04 B3＝3.769e-04 B4＝8.811e-04
由
kx＝2.742 ky＝0.4782
由R0＝0.034得估算坐标：
x0＝0.0158 y0＝-0.012
由
I1＝152.329A I2＝82.869A I3＝72.320A I4＝128.689A
I＝(I1+I2+I3+I4)/4＝109.051A
采用本发明的电流测量方法中的精确计算方法的计算过程如下：
由
算得k1＝-0.0399 k2＝0.2580 k3＝0.2746 k4＝0.0135
由得精确计算坐标：
x0＝0.0040 y0＝-0.0051
I1＝109.150A I2＝102.527A I3＝96.600A I4＝119.455A
I＝(I1+I2+I3+I4)/4＝106.933A
从图14可看出：由安培环路定律计算电流均值117.35A，逐步变为109.7A和103.46A，因直流电源的精度限制，其实际输出与设定值还存在偏差，测量中的毛刺主要来源于直流电源的纹波。采用本发明的电流测量方法后，电流计算精度得以提高，更接近设定值。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种电流测量方法，包括采用电流传感器来测量电缆电流的步骤：其特征在于：
所述电流传感器包括安装座、电流检测组件、DSP信号处理器、示波器、电压跟随器和分压电阻；
所述安装座整体呈圆环形结构，所述安装座的中部具有供电缆贯穿的穿孔；
所述电流检测组件包括有八个霍尔元件，所述八个霍尔元件构成有四个电流检测单元，其中，每个电流检测单元包括磁场敏感轴相互垂直且呈T型布置的两个霍尔元件；所述四个电流检测单元 均固定安装在所述安装座上，并在所述穿孔的圆周方向均匀分布；
所述DSP信号处理器包括信号采集模块和信号处理模块，所述八个霍尔元件的输出端分别与所述信号采集模块上各个对应的接线端口相连接，所述信号采集模块用于采集所述八个霍尔元件检测到的磁场信号，并将处理后的信号输出至所述示波器并显示；
所述电压跟随器包括四个运算放大器，所述四个运算放大器的同相输入端分别与所述信号采集模块上对应的接线端口相连接，每个运算放大器的电路结构中连接有所述分压电阻；所述四个运算放大器用于增大被测电流的电压线性空间，并将处理后的信号输出到分压电阻输入端，所述分压电阻用于对电压跟随器输出信号进行分压，并将分压后的信号输出到所述DSP信号处理器中的输入端；
测量时，将待测的电缆穿过所述安装座的所述穿孔；
还包括采用快速估算方法来测得电缆中通过的电流值的步骤，所述快速估算方法包括以下步骤：
步骤S1：由所述四个电流检测单元测得四个测点的磁感应强度(Btx,Bty)，随后根据各个测点的磁感应强度(Btx,Bty)来求取该点的合成场Bt，t＝1、2、3、4；
步骤S2:计算安装座上同一径向上的两个测点的合成场的比值：kx，ky；
步骤S3:计算待测电缆在所述穿孔内的部分的中心点坐标(x0,y0)；
步骤S4：求得待测电缆在所述穿孔内的部分的中心点坐标(x0,y0)后，分别计算各个测点与(x0,y0)的距离，推算出四个测点的电流值；
步骤S5：取上述四个电流值的平均值，求得电缆的电流值。
2.如权利要求1所述的电流测量方法，其特征在于：步骤S1的计算公式为：
式中，It为各个测点的电流值，(x0,y0)为待测电缆在所述穿孔内的部分的中心点坐标，(xt,yt)为各个电流检测单元的坐标。
3.如权利要求2所述的电流测量方法，其特征在于：步骤S2的计算公式为：
其中，B1、B2、B3、B4为四个测点中各个点的合成场。
4.如权利要求3所述的电流测量方法，其特征在于：步骤S3的计算公式为：
式中R0 2＝xt 2+yt 2。
5.如权利要求2所述的电流测量方法，其特征在于：步骤S4的计算公式为：
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