CN108333406A - 一种基于环形磁场传感阵列的高精度电流测量系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于环形磁场传感阵列的高精度电流测量系统，采用环形磁场传感阵列测量线路电流，环形磁场传感阵列由多个传感器构成，每个传感器均匀分布于圆环内接正多边形各顶点的基座上，每个基座由旋转电机带动，可在传感阵列所在平面上以任意角度旋转。本发明一种基于环形磁场传感阵列的高精度电流测量系统，具有很强的抗临相电流干扰能力以及大大提高一次导体偏心时的测量准确度。在存在临相导线电流干扰的情况下，传感器个数n≥8，导线间距和传感阵列之比大于2.37时，测量误差小于0.1%，准确度满足要求，且采用了一种新型的传感器旋转测量法，能够使一次导体偏心时的测量误差由0.6%减小至小于0.1%，大大减小了偏心时的测量误差，使得准确度满足要求。

Description

一种基于环形磁场传感阵列的高精度电流测量系统
技术领域
本发明一种基于环形磁场传感阵列的高精度电流测量系统，用于智能变电站输电线路电流信号的实时准确测量。
背景技术
电流测量对于判断线路所连接设备的运行状态至关重要，通过线路电流的测量，及时准确获取电流幅值、相位、波形、谐波含量等参数，可以实时反映及评估线路设备的运行状态，进而提出合理的检修或应对措施。
目前对于线路电流的监测，大致有以下几种方法：电磁式互感器、光学传感器、空心线圈。电磁式互感器体积大、重量重，无法进行直流测量，且易发生磁饱和等问题；光学传感器可同时测量交直流，但其制作工艺复杂、价格高、温度稳定性较差等问题还没有广泛使用。而空心线圈由于其传感原理的限制无法进行直流测量。
中国专利“CN101707129A”公开的一种电子式互感器，采用光学元件作为传感器，由于目前技术还不够成熟，无法解决光学晶体的温度稳定性差和机械性不够优秀等问题，没有大量投入使用。
中国专利“CN203838218U”中公开了一种高压侧CT供能的电子式电流互感器，采用Rogowski线圈作为测量单元，但是无法进行直流测量。
发明内容
针对目前线路电流测量方法单一，测量准确度不高，且普遍无法测量直流电流等问题，本发明提出了一种结构简单，可靠性好，测量准确度高且可测量直流的基于环形磁场传感阵列的高精度电流测量系统。其环形磁场传感阵列内的传感器均匀分布于圆环内接正多边形的各顶点的基座上，基座可以在传感阵列所在的平面上以任意角度旋转。当传感器个数n≥8，导线间距和传感阵列半径之比大于2.37时，测量误差小于0.1％；
且本发明采用了一种传感器旋转测量法，来改善一次导体偏心时的测量误差，在偏心距一般不超过5mm情况下，改善前的最大偏心误差为0.6％，而改善后的最大偏心误差小于0.1％，测量准确度大大提高。
本发明采取的技术方案为：
一种基于环形磁场传感阵列的高精度电流测量系统，包括电流传感单元、信号转换单元、信号传输单元、显示平台。所述电流传感单元用于获取一次导体L1电流信号，电流传感单元连接信号转换单元，信号转换单元连接信号传输单元，信号传输单元连接显示平台。
所述电流传感单元包括环形磁场传感阵列，所述环形磁场传感阵列内含多个传感器，多个传感器均匀分布于圆环内接正多边形的各顶点的基座上，基座连接旋转电机，由旋转电机带动，基座在环形磁场传感阵列所在的平面上以任意角度旋转。通过对传感阵列进行适当设计：选择适当数量的传感器、根据导线间距选择合适的半径，可以提高其抗临相电流干扰能力，
所述环形磁场传感阵列的半径、以及传感器的个数确定方式如下：
A相和B相导线间距为d，两相导线电流方向相同，流过的电流大小同为I，B相导线与环形磁场传感阵列的圆心重合，环形磁场传感阵列的半径为r，n个传感器均匀分布于圆环的内接正多边形的顶点的基座上。
由于霍尔传感器只能感应到与其敏感方向平行的磁场，因此第k个霍尔传感器测到的由A相导线产生的磁场为：
其中：
那么可以得到n个霍尔传感器测到的由A相产生的磁场平均值为：
n个霍尔传感器测到的由B相产生的磁场平均值为：
可得存在临相导线电流干扰时的测量误差为：
传感器的个数n≥8，导线间距d与传感阵列半径r之比大于2.37时，测量误差小于0.1％。考虑到实际情况，传感阵列的大小受到限制，因此其半径设定为0.1m，以110kV线路导线为例，其导线间距可达1.5m，导线间距与传感阵列半径之比可达15，远大于2.37，从节省成本方面考虑，可将传感器个数定为8，此时测量误差小于0.1％，具有很强的抗临相电流干扰能力。以上计算采用了传感器的测量平均值来作为输出。仿真结果表明，采用了传感器的测量平均值来作为输出，相比采用单个传感器进行测量，可有效降低临相导线电流干扰对测量准确度的影响，提高测量准确度。
当一次导体L1偏心时，会严重影响测量准确度，由于霍尔传感器只能测量其敏感方向上的磁场，因此当一次导体L1偏心时，各点的传感器所测磁场为：
则导线偏心距离为l时，测量电流为：
改善前的一次导体偏心误差为：
即
所述传感器为不含铁芯的霍尔传感器，其灵敏度高且由于不含铁芯，磁饱和强度极高，还可实现大电流测量。
所述信号转换单元与信号传输单元之间通过光纤传输，信号传输单元与显示单元之间通过数据线进行数据通讯。
所述信号转换单元包括模数转换器ADS1278、电光转换器件HFBR1414，模数转换器ADS1278用于实现模拟信号的数字化，电光转换器件HFBR1414用于将数字量信号转换成光信号。
所述信号传输单元包括微处理器FPGA、光电转换器件HFBR2412，光电转换器件HFBR2412用于将光信号转换成电信号，电信号经过微处理器FPGA组帧处理后发送给显示单元。
考虑到进行线路电流测量时，通常会出现一次导体偏心的问题，严重影响了测量准确度，因此采用了一种传感器旋转测量法，来提高一次导体偏心时的测量准确度。具体工作步骤如下:
当一次导体L1偏心时，传感器的敏感方向与磁场方向不再一致，此时根据某两个磁场传感器测得的磁场强度，得出偏心距l，若偏心距超过限定值，对环形磁场传感阵列重新安装；若偏心距没有超过限定值，再结合环形磁场传感阵列半径r，计算出各传感器所需的旋转角度，各基座带动传感器旋转相应角度，使得旋转后的传感器的敏感方向与磁场方向一致，然后再进行测量工作，获取数据，计算出被测电流。
采用传感器旋转测量法前的一次导体偏心误差为：
采用传感器旋转测量法后的一次导体偏心误差为：
即：
在偏心距一般不超过5mm情况下，改善前的最大偏心误差为0.6％，而改善后的最大偏心误差小于0.1％，测量准确度大大提高。
本发明一种基于环形磁场传感阵列的高精度电流测量系统，技术效果如下：
1：一种基于环形磁场传感阵列的高精度电流测量系统，采用环形磁场传感阵列作为电流传感单元，环形磁场传感阵列内有多个传感器，所有传感器均匀分布于圆环内接正多边形各顶点的基座上，每个基座由旋转电机带动，可在传感阵列所在平面内以任意角度旋转。
2：环形磁场传感阵列由多个传感器构成，所采用的传感器均为不含铁芯霍尔传感器，其灵敏度高且由于不含铁芯，其磁饱和强度极高，还可实现大电流测量。
3：通过对传感阵列进行适当设计：选择适当数量的传感器、根据导线间距选择合适的半径，可以提高其抗临相电流干扰能力，当传感器的个数n≥8，导线间距d与传感阵列半径r之比大于2.37时，测量误差小于0.1％，具有很强的抗临相导线电流干扰能力。
4：采用了一种新型的传感器旋转测量法来提高一次导体偏心时的测量准确度，步骤如下：当一次导体偏心时，传感器的敏感方向与磁场方向不再一致，此时可以根据某两个磁场传感器测得的磁场强度得出偏心距l，若偏心距超过限定值，对传感阵列重新安装；若偏心距没有超过限定值，再结合传感阵列半径r可以计算出各传感器所需的旋转角度，各基座带动传感器旋转相应角度使得旋转后的传感器的敏感方向与磁场方向一致，然后再进行测量工作，获取数据，计算出被测电流。在偏心距通常不允许超过5mm的情况下，改善前的最大偏心误差可达0.6％，而改善后的最大偏心误差小于0.1％，测量准确度大大提高。
附图说明
图1为本发明的连接原理图；其中：L1-一次导体，L2-平行导体。
图2为环形磁场传感阵列内部结构示意图。
图3为临相导线电流对环形磁场传感阵列测量准确度影响示意图。
图4为测量误差随传感器个数的变化图。
图5为测量误差随导线间距的变化图。
图6为测量误差随传感阵列半径的变化图。
图7为测量误差随导线间距和传感阵列半径之比的变化图。
图8为单个霍尔传感器测量时的误差随导线间距的变化图。
图9为单个霍尔传感器测量时的误差随导线与传感器间距的变化图。
图10为单个霍尔传感器测量时的误差随导线间距和传感阵列半径之比的变化图。
图11为一次导体偏心示意图。
图12为传感器旋转测量法示意图。
图13为传感器旋转测量法流程图。
图14为改善前后偏心误差变化图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于环形磁场传感阵列的高精度电流测量系统，包括电流传感单元1、信号转换单元2、信号传输单元3、显示平台4。所述电流传感单元1用于获取一次导体L1电流信号，电流传感单元1连接信号转换单元2，信号转换单元2连接信号传输单元3，信号传输单元3连接显示平台4。
如图2所示，所述电流传感单元1包括环形磁场传感阵列5，所述环形磁场传感阵列5内含多个传感器8，多个传感器8均匀分布于圆环内接正多边形的各顶点的基座9上，基座9连接旋转电机，由旋转电机带动，基座9在环形磁场传感阵列5所在的平面上以任意角度旋转。旋转电机采用型号为50KTYZ的微型爪极式永磁同步电机，电机外形呈圆柱形，尺寸为18×25mm，电机重量约0.2kg，转速为1r/min，并由显示平台4发送信号控制其旋转与停止。
如图3所示为临相导线电流干扰对环形磁场传感阵列测量准确度影响示意图。A相和B相导线间距为d，两相导线电流方向相同，流过的电流大小同为I，B相导线与环形磁场传感阵列的圆心重合，环形磁场传感阵列的半径为r，n个传感器均匀分布于圆环的内接正多边形的顶点的基座上。
由于霍尔传感器只能感应到与其敏感方向平行的磁场，因此第k个霍尔传感器测到的由A相导线产生的磁场为：
上式中：μ0为空气中的磁导率，大小为1，I为被测电流大小，lk为A相导线和第k个霍尔传感器之间的距离，θk1为第k个霍尔传感器测到的由A相导线产生的磁场和B相导线产生的磁场之间的夹角。
其中，
上式中：lk为A相导线和第k个霍尔传感器之间的距离，θk1为第k个霍尔传感器测到的由A相导线产生的磁场和B相导线产生的磁场之间的夹角，θk为第k个霍尔传感器与A、B两相导线连线之间的夹角，r为环形磁场传感阵列的半径，d为A相和B相导线间距。
那么可以得到n个霍尔传感器测到的由A相产生的磁场平均值为：
上式中：μ0为空气中的磁导率，大小为1，I为被测电流大小，n为霍尔传感器个数，k为第k个霍尔传感器，θk为第k个霍尔传感器与A、B两相导线连线之间的夹角，r为环形磁场传感阵列的半径，d为A相和B相导线间距。
n个霍尔传感器测到的由B相产生的磁场平均值为：
上式中：μ0为空气中的磁导率，大小为1，I为被测电流大小，r为环形磁场传感阵列的半径。
可得存在临相导线电流干扰时的测量误差为：
上式中：r为环形磁场传感阵列的半径，n为霍尔传感器个数，k为第k个霍尔传感器，d为A相和B相导线间距，θk为第k个霍尔传感器与A、B两相导线连线之间的夹角。
a)、传感阵列半径为r＝0.1m，导线间距为d＝1.5m时，如图4所示为测量误差随传感器个数的变化，可以看出，当传感器个数n≥8，测量误差会显著减小，且小于10-8。
b)、传感阵列半径为r＝0.1m，传感器个数n＝8时，图5所示为测量误差随导线间距的变化，可以看出，导线间距d＞1m时，误差小于10-8。
c)、导线间距d＝1.5m，传感器个数n＝8，如图6所示为测量误差随传感阵列半径的变化，考虑到实际情况，环形传感阵列大小受到限制，设定最大半径为0.4m，可以看出其最大误差小于0.003％。
d)、传感器个数n＝8时，如图7所示为测量误差随导线间距和传感阵列半径之比的变化，可以看出，导线间距和传感阵列半径之比大于2.37时，误差小于0.1％。
综上所述，传感器的个数n≥8，导线间距d与传感阵列半径r之比大于2.37时，测量误差小于0.1％。考虑到实际情况，传感阵列的大小受到限制，因此其半径设定为0.1m，以110kV线路导线为例，其导线间距可达1.5m，导线间距与传感阵列半径之比可达15，远大于2.37，从节省成本方面考虑，可将传感器个数定为8，此时测量误差小于0.1％，具有很强的抗临相电流干扰能力。以上计算采用了霍尔传感器的测量平均值来作为输出，可有效降低临相导线电流干扰对测量准确度的影响，提高测量准确度。
当采用单个霍尔传感器来进行测量时，在上述b、c和d三种情况下的测量误差变化分别如图8、图9、图10所示。分别比较图8和图5、图9和图6、图10和图7，可以看出采用了霍尔传感器的测量平均值来作为输出，相比采用单个霍尔传感器进行测量，可有效降低临相导线电流干扰对测量准确度的影响，提高测量准确度。
所述环形磁场传感阵列的内接正多边形的各个顶点上均安装有基座，传感器均安装于基座上，基座可在旋转电机的带动下，在传感阵列所在平面上以任意角度旋转。
当一次导体偏心时，会严重影响测量准确度，如图11所示为一次导体偏心示意图，由于霍尔传感器只能测量其敏感方向上的磁场，因此当一次导体偏心时，各点的传感器所测磁场为
上式中：Ba、Bb、Bc、Bd、Be、Bf、Bg和Bh分别为一次导体未偏心时,a、b、c、d、e、f、g和h八个点的磁感应强度；Ba1、Bb1、Bc1、Bd1、Be1、Bf1、Bg1和Bh1分别为一次导体存在偏心时a、b、c、d、e、f、g和h八个点的磁感应强度；Ba和Ba1的夹角以及Be和Be1的夹角均为α角；Bb和Bb1的夹角以及Bd和Bd1的夹角均为β角；Bf和Bf1的夹角以及Bh和Bh1的夹角均为γ角。
则导线偏心距离为l时，测量电流为：
上式中：Ba、Bb、Bc、Bd、Be、Bf、Bg和Bh分别为一次导体未偏心时a、b、c、d、e、f、g和h八个点的磁感应强度。
改善前的一次导体偏心误差为：
即
上式中：r为环形磁场传感阵列半径，l为一次导体偏心距。
如图12所示，本发明采用了一种新型的传感器旋转测量法来提高一次导体偏心时的测量准确度，具体步骤如下：当一次导体偏心时，此时霍尔传感器的敏感方向与磁场方向不一致，可以根据c点和g点的磁场强度得出偏心距l，当偏心距超过限定值时，对传感阵列重新安装；当偏心距没有超过限定值时，再结合传感阵列半径r可以计算出各传感器所需的旋转角度，并使各霍尔传感器旋转相应角度(例如：将a点的霍尔传感器旋转α角度，虚线为旋转之前的位置，实线为旋转α角度后的位置)使得旋转后的霍尔传感器的敏感方向与磁场方向一致，然后再进行测量工作，获取数据，计算出被测电流，具体流程图如图13。改善后的一次导体偏心时电流为
上式中：Ba1、Bb1、Bc1、Bd1、Be1、Bf1、Bg1和Bh1分别为一次导体存在偏心时a、b、c、d、e、f、g和h八个点的磁感应强度。
改善后的一次导体偏心误差为：
即
上式中：r为环形磁场传感阵列半径，l为一次导体偏心距。
一般允许的最大偏心距为5mm，设定传感阵列半径为0.1m，如图14所示，改善前的最大偏心误差可达0.6％，而改善后的偏心误差小于0.1％，偏心误差大大减小。
所述环形磁场传感阵列5由磁场传感器构成，所采用的传感器均为不含铁芯的霍尔传感器，由于不含铁芯，其磁饱和强度极高，还可实现大电流测量。
所述显示单元4为笔记本电脑，用于对磁场传感阵列发送过来的信号进行处理。
所述信号转换单元2与信号传输单元3之间通过光纤6传输，信号传输单元3与现实单元4之间通过数据线7进行数据通讯。
所述信号转换单元2包括模数转换器ADS1278、电光转换器件HFBR1414，模数转换器ADS1278用于实现模拟信号的数字化，电光转换器件HFBR1414用于将数字量信号转换成光信号。
所述信号传输单元3包括微处理器FPGA(型号为EP2C35)、光电转换器件HFBR2412，光电转换器件HFBR2412用于将光信号转换成电信号，电信号经过微处理器FPGA组帧处理后发送给显示单元4。
本发明一种基于环形磁场传感阵列的高精度电流测量系统，采用环形磁场传感阵列作为电流传感单元1。当传感阵列所用传感器个数n≥8，且导线间距与传感阵列半径之比大于2.37时，测量误差小于0.1％，而现实中导线间距远大于0.237m，显然准确度满足要求。且采用了一种新型的传感器旋转测量法来提高一次导体偏心时的测量准确度，当一次导体偏心时，根据所测得的磁场大小来计算出偏心距，若超过允许的最大偏心距，就对传感阵列进行重新安装；否则就可以结合传感阵列半径计算出各传感器需要旋转的角度并进行旋转，然后再次进行测量，改善后的测量误差小于0.1％，远小于改善前的0.6％,准确度满足要求。

Claims (10)

1.一种基于环形磁场传感阵列的高精度电流测量系统，包括电流传感单元(1)、信号转换单元(2)、信号传输单元(3)、显示平台(4)，其特征在于：
所述电流传感单元(1)用于获取一次导体(L1)电流信号，电流传感单元(1)连接信号转换单元(2)，信号转换单元(2)连接信号传输单元(3)，信号传输单元(3)连接显示平台(4)；
所述电流传感单元(1)包括环形磁场传感阵列(5)，所述环形磁场传感阵列(5)内含多个传感器(8)，多个传感器(8)均匀分布于圆环内接正多边形的各顶点的基座(9)上，基座(9)连接旋转电机，由旋转电机带动，基座(9)在环形磁场传感阵列(5)所在的平面上以任意角度旋转。
2.根据权利要求1所述一种基于环形磁场传感阵列的高精度电流测量系统，其特征在于：所述环形磁场传感阵列(5)的半径、以及传感器(8)的个数确定方式如下：
A相和B相导线间距为d，两相导线电流方向相同，流过的电流大小同为I，B相导线与环形磁场传感阵列(5)的圆心重合，环形磁场传感阵列(5)的半径为r，n个传感器(8)均匀分布于圆环的内接正多边形的顶点的基座(9)上；
由于霍尔传感器只能感应到与其敏感方向平行的磁场，因此第k个霍尔传感器测到的由A相导线产生的磁场为：
其中：
那么可以得到n个霍尔传感器测到的由A相产生的磁场平均值为：
n个霍尔传感器测到的由B相产生的磁场平均值为：
可得存在临相导线电流干扰时的测量误差为：
3.根据权利要求1所述一种基于环形磁场传感阵列的高精度电流测量系统，其特征在于：当一次导体(L1)偏心时，会严重影响测量准确度，由于霍尔传感器只能测量其敏感方向上的磁场，因此当一次导体(L1)偏心时，各点的传感器所测磁场为：
则导线偏心距离为l时，测量电流为：
改善前的一次导体偏心误差为：
即
4.根据权利要求1所述一种基于环形磁场传感阵列的高精度电流测量系统，其特征在于：所述传感器(8)为不含铁芯的霍尔传感器。
5.根据权利要求1所述一种基于环形磁场传感阵列的高精度电流测量系统，其特征在于：所述信号转换单元(2)与信号传输单元(3)之间通过光纤(6)传输，信号传输单元(3)与显示单元(4)之间通过数据线(7)进行数据通讯。
6.根据权利要求1所述一种基于环形磁场传感阵列的高精度电流测量系统，其特征在于：所述信号转换单元(2)包括模数转换器ADS1278、电光转换器件HFBR1414，模数转换器ADS1278用于实现模拟信号的数字化，电光转换器件HFBR1414用于将数字量信号转换成光信号。
7.根据权利要求1所述一种基于环形磁场传感阵列的高精度电流测量系统，其特征在于：所述信号传输单元(3)包括微处理器FPGA、光电转换器件HFBR2412，光电转换器件HFBR2412用于将光信号转换成电信号，电信号经过微处理器FPGA组帧处理后发送给显示单元(4)。
8.一种传感器旋转测量法，其特征在于：当一次导体(L1)偏心时，传感器(8)的敏感方向与磁场方向不再一致，此时根据某两个磁场传感器测得的磁场强度，得出偏心距l，若偏心距超过限定值，对环形磁场传感阵列(5)重新安装；若偏心距没有超过限定值，再结合环形磁场传感阵列(5)半径r，计算出各传感器(8)所需的旋转角度，各基座(9)带动传感器(8)旋转相应角度，使得旋转后的传感器(8)的敏感方向与磁场方向一致，然后再进行测量工作，获取数据，计算出被测电流。
9.根据权利要求8所述一种传感器旋转测量法，其特征在于：采用传感器旋转测量法前的一次导体(L1)偏心误差为：
采用传感器旋转测量法后的一次导体偏心误差为：
即：
10.如权利要求1-7任意一种基于环形磁场传感阵列的高精度电流测量系统，其特征在于：用于智能变电站输电线路电流信号的实时准确测量。
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GR01 Patent grant
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Application publication date: 20180727

Assignee: Hubei Zhikan Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

Contract record no.: X2023980043945

Denomination of invention: A high-precision current measurement system based on a circular magnetic field sensing array

Granted publication date: 20200626

License type: Common License

Record date: 20231024

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