CN113252960A - 一种适用于直流配电网电流传感器的外磁场干扰抑制方法 - Google Patents

一种适用于直流配电网电流传感器的外磁场干扰抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于直流配电网电流传感器的外磁场干扰抑制方法，通过对隧道磁电阻芯片检测含有干扰的信号经过数字滤波器处理和自适应算法迭代，滤波后输出近似目标信号，实现抑制外磁场干扰方法。本发明以目标信号和自适应滤波器输出信号之间的均方根数值结果作为评价参数，数据结果误差最小，得出抑制外磁场效果较好，实现了TMR传感器测量精度高。同时，经过TMR阵列半径与母线间距对均方根误差结果，得出了TMR传感器阵列结构最优参数，实现了阵列结构简单及可靠。

Description

一种适用于直流配电网电流传感器的外磁场干扰抑制方法
技术领域
本发明涉及一种适用于直流配电网电流传感器的外磁场干扰抑制方法，属于电能计量技术领域。
背景技术
随着新能源的发展和新材料、新技术的开发，我国开展了多个直流配电网示范工程。其中，直流电能计量技术的滞后阻碍了新能源、电动汽车等产业的发展。电流检测是电能计量的一个重要参数，又由于直流配电网传感器多数安装在线路密集的室内或柜体内，其面临着复杂的外磁场干扰问题。因此，基于外磁场干扰问题，提出解决方法，为电能计量提供高精度测量至关重要。
现今，直流配电网传感器用于电能计量主要是以被测电流所建立的磁场为基础，测量电流间接转换成对磁场的测量。其主要包括霍尔(Hall)传感器、各向异性磁电阻(Anisotropic Magnetoresistance,AMR)传感器、巨磁电阻(Gaunt Magnetoresistance,GMR)传感器和隧道磁电阻(Tunnel Magnetoresistance,TMR)传感器等。霍尔传感器容易磁饱和，测量范围小；AMR传感器存在线圈结构复杂，灵敏度低；GMR传感器线性范围偏低；然而，TMR传感芯片作为第四代磁传感器元件，具有灵敏度高、响应频率快、功率低和线性度好等优势。
为了解决直流配电网传感器面临着复杂的外磁场干扰问题，现有技术中对基于TMR元件的电流传感器阵列结构进行研究。采用一种离散傅里叶分析算法，虽然可以适用于直流和交流情形，但是，在建立电流与电压线性方程时，需在无干扰情况下确定系数矩阵，此方法对外磁场干扰处理过于理想化。对于另一种卡尔曼滤波方法，在滤波器系数设定时，具有任意性，操作复杂，采用的传感器数量较多。上述方法是基于复杂的算法或处理过程理想化，对于在直流配电网应用场景传感器的外磁场干扰去除，则会导致抑制效果差、间接反映出电流测量精度低的问题。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于直流配电网电流传感器的外磁场干扰抑制方法，以解决现有技术中的传感器对外磁场抑制效果差、电流测量精度低的问题。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种适用于直流配电网电流传感器的外磁场干扰抑制方法，包括如下步骤：
步骤1：采集直流配电网电流传感器各传感芯片的t时刻的磁感应强度矢量Bi(t)＝[B1(t),B2(t),B3(t),…,BN(t)]，其中，N是TMR传感芯片的个数。
步骤2：将Bi(t)作为输入信号输入数字滤波器，得到t时刻输出滤波信号为
Figure BDA0003049383920000021
其中，wj(t)为权值，wj(t)＝[w1(t),w2(t),w3(t),…,wM(t)]，M是数字滤波器抽头个数。
步骤3：计算误差信号e(t)，
Figure BDA0003049383920000022
其中，Bref(t)为期望信号，表示待测电流产生的磁感应强度的真实值。
步骤4：通过自适应算法计算t时刻调整后权值wj′(t)，wj′(t)＝wj(t)+2μBi(t)e(t)，其中，μ为自适应步长因子，0<μ<1/γmax，γmax是输入信号自相关矩阵的最大特征值，使得误差信号最小，达到最优滤波效果。从而对外磁场干扰抑制性更强，间接使得检测出的电流更加准确。
步骤5：将t时刻调整后权值wj′(t)替换数字滤波器中wj(t)，计算t时刻调整后的输出滤波信号
Figure BDA0003049383920000023
其中
Figure BDA0003049383920000024
步骤6：根据t时刻调整后的输出滤波信号
Figure BDA0003049383920000025
计算t时刻输出滤波信号平均值
Figure BDA0003049383920000026
根据
Figure BDA0003049383920000027
计算出被测直流母线的电流值。
作为优选方案，所述传感芯片采用TMR传感芯片。
作为优选方案，所述电流传感器的环形电路板直径L与待测母线、干扰母线间距D的比值为2.5。
作为优选方案，所述电流传感器的环形电路板与待测母线之间夹角采用30°或90°。
作为优选方案，所述传感芯片的数量为4个。
有益效果：本发明提供的一种适用于直流配电网电流传感器的外磁场干扰抑制方法，以目标信号和自适应滤波器输出信号之间的均方根数值结果作为评价参数，数据结果误差最小，得出抑制外磁场效果较好，实现了TMR传感器测量精度高。
同时，经过TMR阵列半径与母线间距对均方根误差结果，得出了TMR传感器阵列结构最优参数，实现了阵列结构简单及可靠。
附图说明
图1为根据本发明实施例提供的抑制隧道磁电阻传感器外磁场干扰的结构图；
图2为根据本发明实施例提供的抑制外磁场干扰方法的自适应滤波器结构形式图；
图3为根据本发明实施例提供的直流配电网典型电流应用波形图；
图4为根据本发明实施例提供的自适应滤波器的结构图；
图5为根据本发明实施例提供的自适应算法的流程图；
图6为根据本发明实施例提供的不同电流下隧道磁电阻传感器阵列半径与母线间距的比值对均方根误差结果图；
图7为根据本发明实施例提供的隧道磁电阻传感器阵列半径对均方根误差结果图；
图8为根据本发明实施例提供的隧道磁电阻传感器阵列相对母线偏移角度对均方根误差结果图；
图9为根据本发明实施例提供的基于自适应滤波器抑制外磁场干扰效果图；
图中，1-TMR传感芯片，2-电路板，3-待测母线，4-干扰母线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，直流配电网电流传感器，包括：TMR传感芯片，环形电路板上均匀的分布有多个TMR传感芯片，所述TMR传感芯片分别通过输出引线与自适应滤波器相连接，所述自适应滤波器包括数字滤波器、自适应算法模块。
所述自适应算法模块由自适应滤波器的输出信号与期望信号相比得出误差信号，再由误差信号与自适应步长因子来实现数字滤波器权值系数动态调整，以此实现数字滤波器最优滤波。
所述自适应滤波器的输出信号与期望信号之间采用均方根值进行误差分析。均方根误差作为评价抑制外磁场干扰性能的一个重要指标。
如图2、图5所示，一种适用于直流配电网电流传感器的外磁场干扰抑制方法，包括如下步骤：
步骤1：采集直流配电网电流传感器各传感芯片的t时刻的磁感应强度矢量Bi(t)＝[B1(t),B2(t),B3(t),…,BN(t)]，其中，N是TMR传感芯片的个数。
步骤2：将Bi(t)作为输入信号输入数字滤波器，得到t时刻输出滤波信号为
Figure BDA0003049383920000041
其中，wj(t)为权值，wj(t)＝[w1(t),w2(t),w3(t),…,wM(t)]，M是数字滤波器抽头个数。
步骤3：计算误差信号e(t)，
Figure BDA0003049383920000042
其中，Bref(t)为期望信号，表示待测电流产生的磁感应强度的真实值。
步骤4：通过自适应算法计算t时刻调整后权值wj′(t)，wj′(t)＝wj(t)+2μBi(t)e(t)，其中，μ为自适应步长因子，0<μ<1/γmax，γmax是输入信号自相关矩阵的最大特征值，使得误差信号最小，达到最优滤波效果。从而对外磁场干扰抑制性更强，间接使得检测出的电流更加准确。
步骤5：将t时刻调整后权值wj′(t)替换数字滤波器中wj(t)，计算t时刻调整后的输出滤波信号
Figure BDA0003049383920000043
其中
Figure BDA0003049383920000044
步骤6：根据t时刻调整后的输出滤波信号
Figure BDA0003049383920000045
计算t时刻输出滤波信号平均值
Figure BDA0003049383920000046
根据
Figure BDA0003049383920000047
计算出被测直流母线的电流值。
实施例1：
如图3-4所示，现将直流配电网电流传感器应用到直流配电网场景中并进行本方法验证，直流配电网测试对象为输电线路到变电站的母线，其中正电流信号的母线通过电流传感器的环形电路板，负电流信号的母线作为干扰源，根据TMR传感芯片阵列结构，通过适用于直流配电网电流传感器的外磁场干扰抑制方法，确定TMR传感芯片阵列最优结构参数，在此基础上外磁场影响最小，间接反映出的电流与目标电流误差最小，从而有效提高了对电流测量的精确性和可靠性。
直流配电网电流传感器采用四个TMR传感芯片，直流配电网场景中典型电流的波形以±100A电流为例，给定TMR传感器阵列检测的待测母线通入电流为+100A直流信号，干扰母线通入电流为-100A直流信号。所述四个TMR芯片检测出的总磁感应强度作为自适应滤波器的输入信号，理论上，根据毕奥-萨伐尔定律，四个TMR传感芯片检测出的磁感应强度
Figure BDA0003049383920000051
表示为：
Figure BDA0003049383920000052
其中，λ为D/L，D为两母线间距，L为环形电路板的半径，θ为环形电路板与被测母线中心轴线之间夹角，μ0为真空磁导率，其值为4×10-7N/A2，I1(t)、I2(t)分别代表待测母线和干扰母线通入的电流。
以实施方式一给出的输入信号，列写自适应滤波方程表示为：
Figure BDA0003049383920000053
其中，B1(t)、B2(t)、B3(t)和B4(t)分别是TMR1、TMR2、TMR3和TMR4元件在t时刻检测出的磁感应强度，
Figure BDA0003049383920000054
和
Figure BDA0003049383920000055
为滤波后的值，基于上式得出最后估算结果为：
Figure BDA0003049383920000056
进一步的，根据上式计算估算磁感应强度与目标磁感应强度的均方根误差(RootMean Square Error，RMSE)为：
Figure BDA0003049383920000057
其中，Bo为目标磁感应强度，记为待测电流产生的磁感应强度的真实值。
具体的，针对直流配电网场景下输电线路的母线电流测量，采用TMR传感器阵列，本实施例中提出的自适应滤波算法抑制外磁场干扰，以自适应滤波输出信号作为整个TMR传感器的输出。分析母线间距与阵列半径的比值和阵列偏移角度对磁感应强度的影响，从而确定TMR阵列结构最优参数，在此基础上对比滤波前后信号的均方根误差，从中可以反映出抑制外磁场干扰效果情况。
实施例2：
再结合图6、图7、图8和图9说明本实施方式，本实施方式所述通入母线直流电流±50A-±300A时，TMR传感阵列半径L与母线间距D比值λ的均方根误差结果，本实施例中可以看出当D/L为2.5时，RMESE最小。
所述保持母线间距D不变，TMR传感阵列半径变化的均方根误差结果，本实施方式中当L为0.08m时，RMSE最小，再一次检验了比值λ为2.5。
在保证其他条件不变的情况下，以TMR传感阵列相对母线中心的偏移角度θ变化的均方根误差结果，本实施例中当θ为30°或90°时，RMSE最小。
基于上述过程，通过λ和θ两个变量对磁感应强度影响，得出当λ为2.5和θ为30°或90°时，RMSE最小，TMR传感器阵列结构最优，基于自适应滤波器去除外磁场干扰效果最好，从而TMR传感器对待测电流测量更加准确。
具体的，给定电流信号和最优TMR传感器结构参数，在一个采样周期上滤波器前后信号对比，如图8所示。本实施例中基于自适应滤波算法输出的信号与目标信号的误差最大为0.0016。
本发明针对直流配电网应用场景下的电流测量，采用TMR传感阵列，通过提出的自适应滤波器，实现了去除其他电流产生的外磁场，使得滤波信号跟踪目标电流产生的信号，从而有效的抑制TMR传感器的外磁场干扰。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种适用于直流配电网电流传感器的外磁场干扰抑制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：采集直流配电网电流传感器各传感芯片的t时刻的磁感应强度矢量Bi(t)＝[B1(t),B2(t),B3(t),…,BN(t)]，其中，N是TMR传感芯片的个数；
步骤2：将Bi(t)作为输入信号输入数字滤波器，得到t时刻输出滤波信号为
Figure FDA0003049383910000011
Figure FDA0003049383910000012
其中，wj(t)为权值，wj(t)＝[w1(t),w2(t),w3(t),…,wM(t)]，M是数字滤波器抽头个数；
步骤3：计算误差信号e(t)，
Figure FDA0003049383910000013
其中，Bref(t)为期望信号，表示待测电流产生的磁感应强度的真实值；
步骤4：通过自适应算法计算t时刻调整后权值w′j(t)，w′j(t)＝wj(t)+2μBi(t)e(t)，其中，μ为自适应步长因子，0<μ<1/γmax，γmax是输入信号自相关矩阵的最大特征值；
步骤5：将t时刻调整后权值w′j(t)替换数字滤波器中wj(t)，计算t时刻调整后的输出滤波信号
Figure FDA0003049383910000014
其中
Figure FDA0003049383910000015
步骤6：根据t时刻调整后的输出滤波信号
Figure FDA0003049383910000016
计算t时刻输出滤波信号平均值
Figure FDA0003049383910000017
Figure FDA0003049383910000018
根据
Figure FDA0003049383910000019
计算出被测直流母线的电流值。
2.根据权利要求1所述的一种适用于直流配电网电流传感器的外磁场干扰抑制方法，其特征在于：所述传感芯片采用TMR传感芯片。
3.根据权利要求1所述的一种适用于直流配电网电流传感器的外磁场干扰抑制方法，其特征在于：所述电流传感器的环形电路板直径L与待测母线、干扰母线间距D的比值为2.5。
4.根据权利要求1所述的一种适用于直流配电网电流传感器的外磁场干扰抑制方法，其特征在于：所述电流传感器的环形电路板与待测母线之间夹角采用30°。
5.根据权利要求1所述的一种适用于直流配电网电流传感器的外磁场干扰抑制方法，其特征在于：所述电流传感器的环形电路板与待测母线之间夹角采用90°。
6.根据权利要求1所述的一种适用于直流配电网电流传感器的外磁场干扰抑制方法，其特征在于：所述传感芯片的数量为4个。
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