CN111751592B - 基于霍尔传感器的多功能超小型一体化低压监测终端 - Google Patents

基于霍尔传感器的多功能超小型一体化低压监测终端 Download PDF

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Abstract

一种基于霍尔传感器的多功能超小型一体化低压监测终端，包括使用开环原理的霍尔传感器和更小的铁芯进行超小型、一体化设计的全新理念以及实现该理念的完整解决方案。本发明具有交直流通用、铁芯超小型、针对整体设计采用五种高精度测量补偿方法、集电能质量分析，故障录波及定位为一体、超级电容储能、终端故障自诊断、交直流混接故障判断、批量生产一致性性好、现场易于安装和维护、就地完成智能化应用等特点。

Description

基于霍尔传感器的多功能超小型一体化低压监测终端
技术领域
本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种智能化低压监测终端。
背景技术
现有技术中，电力营销部门需要电能计量，配电部门需要故障监测和诊断，各自投资设备完成各自应用，数据不能共享，投资大量浪费。现场众多大体积终端设备笨重拥挤，接线纵横交错，维护不仅不便，而且给安全带来隐患。相似的产品，采样铁芯和罗氏线圈合于一体的设计，体积臃肿，结构复杂，可靠性不高，4000A电流测量铁芯易饱和，在-40℃～85℃下的0.5％的精度不能保证生产一致性，数据分析采用采样数据远传，采用集中式传统方法，使得通讯复杂，计算复杂，电量监测没有带时标的故障录波及电能质量分析功能，不能确定故障点，不能检测交直流混接的故障，电源使用外部电源不仅布线复杂而且带来安全隐患。
霍尔传感器是一种宽频带电流传感器，价格昂贵，体积较大，开环霍尔电流传感器小切口，小尺寸，测量电流可以很大。本发明依据国家电网公司“营配贯通”和“计算边缘化”的理念，有效地解决了传统技术难题：使用基于开环原理的霍尔传感器作为整体解决思路。超小型化结构设计下的4000A电流测量铁芯不能饱和；低压监测终端功能要求小型化的同时需要一体化，满足对现场计量和故障监测的功能；现场安装简单和易于维护；生产具有批量生产一致性好，保证每个产品在-40℃～85℃下的0.5％电量监测精度；具备带时标的故障录波及电能质量分析功能；能快速确定故障点；能有效检测交直流混接故障；故障断电后使用超级电容进行故障暂态数据传输。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种使用开环原理的霍尔传感器进行多功能、超小型、一体化设计的全新理念以及实现该理念的完整解决方案，在电压等级为400v的用户侧，为满足国家电网营销和配电部门信息数据融会贯通思想以及边缘计算的要求的基于霍尔传感器的多功能超小型一体化低压监测终端。
本发明所采用的技术方案是：使用开环原理的霍尔传感器总体思路，交直流通用、通过超小型化铁芯设计、针对整体设计采用五种高精度测量补偿方法、集电能质量分析，带时标故障录波，工频阻抗测距定位为一体、超级电容储能、设备故障自诊断功能、交直流混接故障判断、批量生产一致性性好、现场易于安装和维护等特点。
具体的，本发明提供一种基于霍尔传感器的多功能超小型一体化低压监测终端，其特征在于，包括开环霍尔传感器、闭环霍尔传感器、单片处理器、计算单元，终端接线单元、所述开环霍尔传感器测量电流，所述闭环霍尔传感器测量电压，所述开环霍尔传感器和闭环霍尔传感器将测量结果传至单片处理器和计算单元，计算单元计算短路阻抗并根据其相位判别区内外故障。
如上述的一种基于霍尔传感器的多功能超小型一体化低压监测终端，其特征在于，所述开环霍尔传感器使用带有气隙的开合铁芯。
如上述的一种基于霍尔传感器的多功能超小型一体化低压监测终端，其特征在于，所述开环霍尔传感器的气隙大小设计成满足在4000A大电流通入情况下不饱和。
如上述的一种基于霍尔传感器的多功能超小型一体化低压监测终端，其特征在于，在所述开环霍尔传感器的切口处并联两个霍尔传感器，对导体的位置灵敏度取平均值进行均衡，从而减少位置误差。
如上述的一种基于霍尔传感器的多功能超小型一体化低压监测终端，其特征在于，所述终端接线单元采用485线连接并一起接到数据传输单元上。
如上述的一种基于霍尔传感器的多功能超小型一体化低压监测终端，其特征在于，所述闭环霍尔传感器使用的铁芯非常小。
如上述的一种基于霍尔传感器的多功能超小型一体化低压监测终端，其特征在于，所述开环霍尔传感器使用的铁芯上不缠绕漆包线。
如上述的一种基于霍尔传感器的多功能超小型一体化低压监测终端，其特征在于，所述闭环霍尔传感器使用的铁芯上缠绕漆包线。
如上述的一种基于霍尔传感器的多功能超小型一体化低压监测终端，其特征在于，所述单片处理器采用高集成度单片处理器。
如上述的一种基于霍尔传感器的多功能超小型一体化低压监测终端，其特征在于，所述计算单元对霍尔传感器测量的电流和电压采样数据进行傅里叶变换，得到直流分量以及高次谐波分量，并进行电能质量分析；利用傅里叶变换得到的复数对交流系统使用工频分量计算，对直流系统直接使用直流分量进行计算，依据短路阻抗的相位判别区内外故障。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在终端直接实现了计量和故障监测功能，具有交直流通用、交直流混接故障判断、结构超小型化、安装简易化、功能一体化、计算边缘化的理念，就地完成智能化应用。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中使用带有气隙的开合式铁芯的霍尔传感器的开环电路原理图；
图2为本发明具体实施方式中的霍尔传感器的温度补偿电路原理图；
图3为本发明具体实施方式中的霍尔传感器在不同温度下的通入电流与实测电流曲线图；
图4为本发明具体实施方式中的霍尔传感器的开合式铁芯结构的一致性设计图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
本发明的基于霍尔传感器的多功能超小型一体化低压监测终端，包括开环霍尔传感器、闭环霍尔传感器、单片处理器、计算单元，终端接线单元、所述开环霍尔传感器测量电流，所述闭环霍尔传感器测量电压，所述开环霍尔传感器和闭环霍尔传感器将测量结果传至单片处理器和计算单元，计算单元计算短路阻抗并根据其相位判别区内外故障。所述开环霍尔传感器使用带有气隙的开合铁芯。所述开环霍尔传感器的气隙大小设计成满足在4000A大电流通入情况下不饱和。所述终端接线单元采用485线连接并一起接到数据传输单元上。所述闭环霍尔传感器使用的铁芯非常小。所述开环霍尔传感器使用的铁芯上不缠绕漆包线。所述闭环霍尔传感器使用的铁芯上缠绕漆包线。所述单片处理器采用高集成度单片处理器。所述计算单元对霍尔传感器测量的电流和电压采样数据进行傅里叶变换，得到直流分量以及高次谐波分量，并进行电能质量分析；利用傅里叶变换得到的复数对交流系统使用工频分量计算，对直流系统直接使用直流分量进行计算，依据短路阻抗的相位判别区内外故障。
图1为本发明具体实施方式中使用带有气隙的开合式铁芯的霍尔传感器的开环电路原理图。
如图1所示，左半部分为使用带有气隙的开合铁芯，右侧为该霍尔传感器开环电路示意图。
开环的的霍尔电流传感器小切口，小尺寸，测量电流可以很大，本发明监测终端采用开环的的霍尔电流传感器，现场要求的开口式铁芯结构易处理，在对安装空间有要求的情况下开环更为灵活，更易于安装。
开环原理的霍尔电流传感器的耐冲击电流更大，特别是在峰峰值特别高的情况下，对传感器无影响，十倍甚至二十倍的冲击电流也不会对传感器造成损坏，不容易产生充磁现象。
开环的功耗低，且接近于恒定。
本发明中，监测终端还采用基于闭环原理的霍尔传感器(未图示)来测量电压。本发明的监测终端中，电压变化范围不大，铁芯可以做到非常小，铁芯上还可以缠绕漆包线，满足高精度测量要求。
根据本发明，使用开环原理的电流霍尔传感器和闭环原理的电压霍尔传感器不仅满足交、直流系统测量的要求，也满足小型化的设计要求，抗饱和能力强，可靠性好，对应交流和直流混合的故障也能有效判别。
为满足终端小型化，本发明的监测终端使用高集成度单片处理器设计电路，电路板采取工业级、低功耗高集成度单处理器，并且，外围器件均使用小封装，以充分满足终端小型化的要求。
在本发明中，监测终端的开环霍尔传感器使用带有气隙的开合小铁芯，抗磁芯饱和能力强。使用开环原理霍尔传感器测量电流，使得铁芯不仅小，而且铁芯上不绕制漆包线，电路也非常简单(参见图1右半部分)。带有气隙的铁芯大小决定了饱和电流大小，气隙大小设计满足在4000A大电流通入情况下不饱和。
在本发明中，监测终端的接线大大得到简化。为满足现场小型化、接线简单化要求，本发明还采取以下措施：
一是现场接线简单化。该监测终端使用两根485线以“挂灯笼”的形式(悬挂接线的方式)连接在一起并接到数据传输单元DTU；两根电压线则就地取样，现场操作简化。
二是采用就地取电方式，省略两根电源线。使用超级电容作为失电电能储备的供电方案，以便在监测线路失电后，该超级电容作为数据传到后台的电源提供电力。
本发明中，针对整体设计还采用多种高精度测量补偿方法进行补偿。
根据本发明的监测终端，接入的电压可以为220V交流或直流，测量范围小，很容易实现高精度测量。为使得开环原理的霍尔传感器使用更小的铁芯在大电流通入时不饱和，使得电流从0A～4000A测量具备0.5％误差精度，则需要有针对性地采取措施加以补偿。
针对位置误差，根据本发明的监测终端，导体在磁环中间的不同位置影响霍尔传感器测量，为此，采用霍尔传感器进行并联的方式进行霍尔传感器灵敏度均衡补偿，有效地解决了位置误差。如图1所示，在切口处两个霍尔传感器并联，对导体的位置灵敏度必然是一大一小，取平均值进行均衡，从而减少位置误差。
针对温漂问题，根据本发明的监测终端，依据霍尔传感器线性温漂曲线与由分立半导体元件组成的恒流源线性温漂曲线相近的特性，用硬件电路进行补偿。
图2为本发明具体实施方式中的霍尔传感器的温度补偿电路原理图。如图2所示，当控制电流和环境温度一定时，霍尔电势和磁场的磁感应强度成正比，当环境温度变化时利用半导体器件的PN结(与霍尔温度特性相似的PN结)控制电流源的输出，抵消霍尔传感器半导体的温漂；
针对实测电流偏差问题，根据本发明的监测终端，由于其抗饱和，故而要求铁芯气隙开口大，使得在小电流时误差较大。实际应用中，0～600A区间给计量用，600A～4000A区间给继电保护用，精度要求不高，因此只需要在0～600A区间进行0.5％精度软件校准。为此，本发明中，在产品生产老化过程中，在不同的温度下通入0～600A电流，单片机记录采样数据传到后台，可绘制出独立传感器的温度曲线。
图3为本发明具体实施方式中的霍尔传感器在不同温度下的通入电流与实测电流曲线图。如图3所示，显示出+20OC、-20OC、40OC温度下通入电流和实测电流的曲线图，单片机记录采样数据传到后台绘制出独立传感器的温度曲线，根据实测数据自动写入单片机内部存储介质，由于单片机自身具备温度测量功能，所以实际测量输出时采用在不同的温度下直接使用查表法进行修正。
为了对结构进行优化设计，保证开合式铁芯气隙间距一致性，在结构上采取了开合式铁芯结构一致性设计。
图4为本发明具体实施方式中的霍尔传感器的开合式铁芯结构的一致性设计图。如图4所示，图中①为本发明监测终端的整体结构图，②为设置于该监测终端上端的上盖铁芯卡簧，用于卡住所述上盖铁芯，③为霍尔传感器的安放槽，用于防止霍尔传感器，④为金属锁紧机构，用于锁紧位于所述安放槽上部和下部的部件，⑤为下盖铁芯卡簧，用于卡住所述下盖铁芯。其中，上盖铁芯卡簧②和下盖铁芯卡簧⑤配合，形成该开合式铁芯。
针对变形和老化问题，本发明中，对塑料材料(诸如外壳、小封装材料等等)进行特殊选材，使得满足高低温不易变形和老化的要求。具体地，例如使用尼龙66％填加30％玻璃纤维增强，其耐热性、强度、刚度。耐蠕变性和尺寸稳定性、耐磨等性能方面均有提高，它的最大允许使用温度较高。
作为本发明的数据处理模块的计算单元，使用计算软件，对原始数据用傅里叶变换为分析基础，作为高级功能应用功能的计算依据。
对电流或电压采样数据进行傅里叶变换，可得到直流分量以及高次谐波分量，进行电能质量分析。进一步，利用傅里叶变换得到的复数，进行P、Q、U、I的计算，对交流系统使用工频分量计算，对直流系统来说直接使用直流分量进行计算，由此，利用傅里叶变换得到的复数进行故障监测，计算短路阻抗
Figure BDA0002008901230000071
依据
Figure BDA0002008901230000072
的相位判别区内外故障；由于传感器特性，600A～4000A区间精度也能达到0.5％标准，故用阻抗幅值可以精准判别故障位置。
使用高精度传感器对交直流混接系统判断故障点十分有效：按照叠加原理，利用傅里叶变换得到工频分量和直流分量，先用电压量幅值判别是否交直流混接故障；再计算电压和电流的夹角，判断电流方向，在交流回路中计算直流电压和直流电流的夹角，在直流回路中计算交流电压和交流电流的夹角，利用传感器在低电流的情况下具备0.5％精度，且电流分辨率为10ma的特性，有效判别交直流混接系统的故障选线。
本发明中，秉承各自应用功能实现就地解决的思想，具备“边缘计算”的设计理念。根据本发明，使用时钟保持电路对采样数据打时标；可以连续故障录波传到后台提供故障分析依据；使用阻抗法进行故障精准定位和交直流混接系统的故障选线，具备“边缘计算”的思想，应用功能实现就地解决。
根据本发明，该监测终端具有自诊断功能，能主动上送自检信息或就地指示灯告警。
本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施例相同或近似的算法或机构，而得到的其他算法或结构设计，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于霍尔传感器的多功能超小型一体化低压监测终端，其特征在于，包括开环霍尔传感器、闭环霍尔传感器、单片处理器、计算单元，终端接线单元、所述开环霍尔传感器测量电流，所述闭环霍尔传感器测量电压，所述开环霍尔传感器和闭环霍尔传感器将测量结果传至单片处理器和计算单元，计算单元计算短路阻抗并根据其相位判别区内外故障；
所述开环霍尔传感器使用带有气隙的开合铁芯，在所述开环霍尔传感器的切口处并联两个霍尔传感器，对导体的位置灵敏度取平均值进行均衡，从而减少位置误差；所述开环霍尔传感器的气隙大小设计成满足在4000A大电流通入情况下不饱和；所述开环霍尔传感器使用的铁芯上不缠绕漆包线；所述闭环霍尔传感器使用的铁芯上缠绕漆包线；所述终端接线单元采用485线连接并一起接到数据传输单元上；
所述计算单元对霍尔传感器测量的电流和电压采样数据进行傅里叶变换，得到直流分量以及高次谐波分量，并进行电能质量分析；利用傅里叶变换得到的复数对交流系统使用工频分量计算，对直流系统直接使用直流分量进行计算，依据短路阻抗的相位判别区内外故障；
依据霍尔传感器线性温漂曲线与由分立半导体元件组成的恒流源线性温漂曲线相近的特性，用硬件电路进行温度补偿。
2.如上述权利要求1的一种基于霍尔传感器的多功能超小型一体化低压监测终端，其特征在于，所述闭环霍尔传感器使用的铁芯非常小。
3.如上述权利要求1的一种基于霍尔传感器的多功能超小型一体化低压监测终端，其特征在于，所述单片处理器采用高集成度单片处理器。
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Denomination of invention: A multifunctional ultra small integrated low-voltage monitoring terminal based on Hall sensors

Effective date of registration: 20230815

Granted publication date: 20220826

Pledgee: Zhongguancun Branch of Bank of Beijing Co.,Ltd.

Pledgor: BEIJING TENGINEER AIOT TECH Co.,Ltd.

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