CN115728547A - 开口tmr阵列传感器接入式直流电能表及精度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开口TMR阵列传感器接入式直流电能表及精度补偿方法，所述电能表包括TMR阵列传感器模块和电能表模块，TMR阵列传感器模块包括卡扣连接的上半环和下半环，上半环内部安装有第一半环形印制板，下半环内部安装有第二半环形印制板，第一半环形印制板和第二半环形印制板通过相对应的插座和插排相连接。第一半环形印制板和第二半环形印制板上设有呈阵列式分布的多个TMR芯片，第二半环形印制板上还设有分别与电能表模块连接的运放电路和MCU电路，电能表模块对传感器模块进行自适应分段补偿。本发明解决了现有技术中存在的直流线路增加计量表计需断开原线路、施工改造困难以及测量精度低的问题。

Description

开口TMR阵列传感器接入式直流电能表及精度补偿方法

技术领域

本发明涉及直流电能表技术领域，具体涉及一种开口TMR阵列传感器接入式直流电能表及精度补偿方法。

背景技术

随着新能源的接入，在配用电领域直流用电场景也越来越多，比如基站的48V直流电、储能系统、光伏发电等场景。但是早期建设的直流线路没有预留直流电能表，无法对直流线路进行计量和监测，后期增加直流表时，由于无法对原有线路进行更改，导致增加表计困难。

目前直流计量场景普遍认同采用分流器方式进行电流采样，该方案技术成熟，也有相应的行业技术规范《DL/T 2345-2021直流电能表外附分流器技术规范》。但是由于大部分线路无法停电或者串接分流器改造困难，造成分流器方案无法量化应用。部分场景使用闭环零磁通传感器方案，精度虽然满足要求，但是也需要对原线路断开后，再串入传感器，施工改造依然困难。部分场景采用开口式霍尔传感器方式进行电流采样，但是由于开口式霍尔传感器零漂大、误差大，无法满足直流电能计量的要求。霍尔电流传感器采用滑动电阻器方式进行调整比差偏差和零漂，但是该方法效率低，并且校准一致性差，导致霍尔电流传感器仍然不能满足高测量精度的要求。

发明内容

本发明提出了一种开口TMR阵列传感器接入式直流电能表及精度补偿方法，其目的是：解决现有技术中存在的直流线路增加计量表计需断开原线路、施工改造困难以及测量精度低的问题。

本发明技术方案如下：

一种开口TMR阵列传感器接入式直流电能表，包括TMR阵列传感器模块和电能表模块，所述TMR阵列传感器模块包括上半环和下半环，所述上半环和下半环的两端通过卡扣相连接，所述上半环内部安装有第一半环形印制板，下半环内部安装有第二半环形印制板，所述第一半环形印制板和第二半环形印制板通过相对应的插座和插排相连接，所述第一半环形印制板和第二半环形印制板上设有呈阵列式分布的多个TMR芯片，第二半环形印制板上还设有运放电路，所述多个TMR芯片的信号输出端并联后与运放电路的输入端相连接，运放电路的输出端与电能表模块相连接。

第二半环形印制板上还设有MCU电路，所述MCU电路包括存储器，所述存储器用于存储TMR阵列传感器模块的比差值和零漂值，所述MCU电路与电能表模块通讯连接。

所述电能表模块用于从所述存储器读取TMR阵列传感器模块的比差值和零漂值，通过自适应分段补偿法对TMR阵列传感器模块的比差值和零漂值进行补偿，并将补偿后的数据写入所述存储器。

进一步地，所述第一半环形印制板的两个端侧分别设有第一插座和第二插座，第二半环形印制板的两个端侧分别设有与所述第一插座和第二插座相对应的第一插排和第二插排；所述MCU电路的信号发生端与所述第一插排的信号检测端相连接，第一插排的信号检测端与第一插座的信号检测端相对应，第一插座的信号检测端与第二插座的信号检测端相连接，第二插座的信号检测端与第二插排的信号检测端相对应，第二插排的信号检测端与MCU电路的信号接收端相连接。

进一步地，所述第二半环形印制板上还设有电源电路，所述电源电路分别与电能表模块、运放电路和MCU电路相连接，用于从电能表模块接入电源并为所述运放电路和MCU电路供电。

进一步地，所述MCU电路通过单总线与电能表模块通讯连接。

进一步地，所述MCU电路通过RS485总线与电能表模块通讯连接。

进一步地，所述上半环和下半环的外侧设有金属屏蔽层。

本发明还公开了一种基于所述开口TMR阵列传感器接入式直流电能表实现的精度补偿方法，所述电能表模块通过自适应分段补偿法对TMR阵列传感器模块的比差值和零漂值进行补偿，具体包括如下步骤：

S1：对TMR阵列传感器模块施加标准电流源，TMR阵列传感器模块的计算输出电流值为

实际输出电流值为y，输出电压值为x；在0～In范围内按照设定步进值测量得到TMR阵列传感器模块的N个误差值数据，所述误差值数据根据测量电流点对应的计算输出电流值

和实际输出电流值y得到，In为TMR阵列传感器模块的额定电流。

S2：通过如下线性回归方程得到比差值

和零漂值

S3：所述N个误差值数据中，若相邻的两个误差值数据的差值大于设定范围，则判定需要进行分段补偿，并将所述相邻的两个误差值数据对应的电流值的中间值作为分段点，在每一个分段上分别构建线性回归方程，重新计算各自的分段比差值和分段零漂值，并作为最终计算结果进行补偿；若所有相邻的两个误差值数据的差值均在设定范围内，则按照步骤S2计算结果进行补偿。

进一步地，所述电能表模块对TMR阵列传感器模块进行补偿时采用白名单认证机制：电能表模块读取待校准信息时还读取TMR阵列传感器模块的ID信息，若所述ID信息在白名单序列内则使用自适应分段法进行补偿，否则使用默认校准参数进行补偿，并提示告警。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)直流电能表接入开口式TMR阵列传感器模块，TMR阵列传感器模块的上下两个半环采用卡扣式连接、电气部分采用插针连接，接入直流线路时直接将TMR阵列传感器模块的上下两个半环拆开后套在被测线路周围再卡合在一起，即可完成TMR阵列传感器模块的安装，无需断开原线路，施工方便，节约了人工和时间成本；

(2)TMR阵列传感器模块利用阵列式排布的多个TMR芯片进行磁场感应，克服了单个TMR芯片测量电流时因受到线缆位置、偏心角度、相连线缆串扰等影响造成的测量精度低问题；电能表模块采用自适应分段补偿法和白名单认证机制对TMR阵列传感器模块进行精度补偿，从而使得TMR阵列传感器模块和不同的电能表模块适配时都能得到精准的比差和零漂补偿，大大提高了TMR阵列传感器模块和电能表模块的适配性，并提高了电能表的整体测量精度；

(3)TMR阵列传感器模块的MCU电路通过PWM信号的闭环传输验证两个半环插装的正确性，提高了电能表现场使用的准确性；

(4)TMR阵列传感器模块和电能表模块在生产时可以分开校准生产，降低了生产难度，提高了生产效率，现场安装时又可任意组合，方便现场安装替换。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为TMR阵列传感器模块的结构示意图；

图3为TMR芯片分布示意图；

图4为TMR阵列传感器模块的电气连接示意图；

图5为多个TMR芯片的电路图；

图6为运放电路图；

图7为MCU电路图；

图8为电源电路图；

图9为自适应分段补偿流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案：

如图1，一种开口TMR阵列传感器接入式直流电能表，包括TMR阵列传感器模块和电能表模块2，如图2，所述TMR阵列传感器模块包括上半环1-1和下半环1-2，所述上半环1-1和下半环1-2的两端通过卡扣相连接，所述上半环1-1内部安装有第一半环形印制板，下半环1-2内部安装有第二半环形印制板，所述第一半环形印制板和第二半环形印制板通过相对应的插座和插排相连接，所述第一半环形印制板和第二半环形印制板上设有呈阵列式分布的多个TMR芯片1-3。如图3，本实施例中为8个TMR芯片1-3，芯片型号为CT100，4个均匀分布于上半环1-1上，4个对称分布于下半环1-2上，达到相互补偿平衡的目的。如图4，第二半环形印制板上还设有运放电路1-4，所述多个TMR芯片1-3的信号输出端并联后与运放电路1-4的输入端相连接，运放电路1-4的输出端与电能表模块2相连接。

第二半环形印制板上还设有MCU电路1-6，所述MCU电路1-6包括存储器，所述存储器用于存储TMR阵列传感器模块的比差值和零漂值，所述MCU电路1-6与电能表模块2通讯连接。

TMR芯片1-3利用磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应，相对于霍尔元件具有更好的温度稳定性、更高的灵敏度、更低的功耗以及更好的线性度，并且不需要额外的聚磁环结构。

如图5及图6所示，多个TMR芯片1-3输出X1、X2为差分电压信号，差分信号的大小和感应到的磁场强度成正比，即和穿过TMR阵列传感器环内的直流电流大小成正比，经过TMR阵列补偿和运放电路1-4后TMR阵列传感器模块输出的电压信号相对于直流电流的线性度可以做到0.5级精度水平，完成直流电流到电压信号的转换。

如图5及图7，所述第一半环形印制板的两个端侧分别设有第一插座和第二插座，第二半环形印制板的两个端侧分别设有与所述第一插座和第二插座相对应的第一插排和第二插排。MCU电路1-6的信号发生端(D11的第一引脚，TOP_PWM)与所述第一插排的信号检测端(最内侧引脚，PWM_OUT)相连接，第一插排的信号检测端与第一插座的信号检测端(最内侧引脚，PWM_UP)相对应，第一插座的信号检测端与第二插座的信号检测端(最外侧引脚，PWM_UP)相连接，第二插座的信号检测端与第二插排的信号检测端(最外侧引脚，PWM_CHECK)相对应，第二插排的信号检测端与MCU电路1-6的信号接收端(D11的第一引脚，TOP_CHECK)相连接。

通过MCU电路1-6对于PWM信号的闭环传输验证，可有效避免因上下两个半环插接不紧造成上下两部分的TMR芯片阵列组合失败。其原理为：下半环1-2的MCU电路1-6通过信号发生端输出一个1Hz频率的PWM信号，该信号经第一插排、第一插座的对应连接端子进入上半环1-1，经过第一半环形印制板，再经第二插座、第二插排的对应连接端子传输至第二半环形印制板，最后返回至下半环1-2的MCU电路1-6的信号接收端，信号接收端检测到PWM信号后，则认为TMR阵列传感器模块的两个半环插装正确，可以正常使用，反之则认为插装不合格，不能正常使用。

如图8，所述第二半环形印制板上还设有电源电路1-5，所述电源电路1-5分别与电能表模块2、运放电路1-4和MCU电路1-6相连接，用于为所述运放电路1-4和MCU电路1-6供电。电源电路1-5利用电能表模块2提供的12V电压电源直接给运放电路1-4供电，并通过D5芯片LV2842将12V电压转换为3.3V后为所述MCU电路1-6供电。

优选地，所述MCU电路1-6还通过单总线与电能表模块2通讯连接。

TMR阵列传感器模块的输入输出接口为五根线缆，分别定义为：﹢12V、GND、-12V、SDA、ADC。其中﹢12V、GND、-12V为给TMR阵列传感器模块供电的电源，该电源由电能表模块2提供，SDA为MCU电路1-6与电能表模块2之间进行双向通讯的单总线信号，ADC为8个TMR芯片1-3经运放后的输出信号。电能表模块2输出±12V电源给TMR阵列传感器模块工作使用，并采集TMR阵列传感器模块输出的电压信号作为电流信号进行采样计算电能。

优选地，所述上半环1-1和下半环1-2的外侧设有金属屏蔽层，用于降低传感器周围电流对其精度的影响。

本实施例还公开了一种基于所述开口TMR阵列传感器接入式直流电能表实现的精度补偿方法。由于模拟器件自身的线性度原因，TMR阵列传感器模块自身还是存在一定的比差偏差和零漂。为进一步降低比差偏差和零漂一致性的影响，使任一TMR阵列传感器模块和电能表模块组合后整体精度也能达到1级，本实施例采用数字式校准方案。具体地，电能表模块2从所述存储器读取TMR阵列传感器模块的比差值和零漂值，通过自适应分段补偿法对TMR阵列传感器模块的比差值和零漂值进行补偿，并将补偿后的数据写入所述存储器。

如图9，所述自适应分段补偿法具体包括如下步骤：

S1：对TMR阵列传感器模块施加标准电流源，TMR阵列传感器模块的计算输出电流值为

实际输出电流值为y，输出电压值为x；在0～In范围内按照设定好的步进值测量得到TMR阵列传感器模块的N个误差值数据(本实施例中设定步进1％，得到101误差值数据)，In为TMR阵列传感器模块的额定电流，所述误差值数据E_y根据测量电流点对应的计算输出电流值

和实际输出电流值y得到：

S2：通过如下线性回归方程得到比差值

和零漂值

S3：所述N个误差值数据中，若相邻的两个误差值数据的差值大于设定范围(大于0.2％)，则判定需要进行分段补偿，并将所述相邻的两个误差值数据对应的电流值的中间值作为分段点，比如30％In和31％In电流点测量得到的误差值数据大于0.2％，则选用30.5％In作为分段点，在每一个分段上分别构建线性回归方程，重新计算各自的分段比差值和分段零漂值，并作为最终计算结果进行补偿。本实施例中，选用30.5％In作为分段点，电流值低于30.5％In时采用靠近30％In段的线性回归参数，电流值高于30.5％In时采用靠近31％In段的线性回归参数。

若所有相邻的两个误差值数据的差值均在设定范围内(小于或等于0.2％)，则按照步骤S2计算结果进行补偿。

优选地，所述电能表模块2对TMR阵列传感器模块进行补偿时采用白名单认证机制：电能表模块2读取待校准信息时(TMR阵列传感器模块的比差值和零漂值等数据)，还读取TMR阵列传感器模块的ID信息，若所述ID信息在白名单序列内则使用自适应分段法进行补偿，否则使用默认校准参数进行补偿，并提示告警。

现场实施时，将开口式TMR阵列传感器模块卡装在直流线缆上，即可实现直流电流的采样，如果现场电流采样点和电能表模块2距离较远，可以将TMR阵列传感器模块的输出信号改为电流信号，提高模拟信号的抗干扰能力，还可以将TMR阵列传感器模块和电能表模块2之间的通讯方式改为RS485等通讯方式，增加通讯距离。

为了提高TMR阵列传感器模块输出的线性度及抗干扰能力，整个传感器共设计8个TMR芯片CT100。由于单个TMR芯片在测量电流时因受到线缆位置、偏心角度、相连线缆串扰等影响，而采用多个TMR芯片组成阵列方式，则可以将影响相互抵消，从而提高了输出信号与被测电流的线性度，并能大大降低相邻线缆的串扰影响、偏心影响和偏角影响。现场实施时，还可以根据现场被测电流线缆的外径、电流适当增加TMR阵列芯片的个数，比如将8个芯片数提高到16个或者24个，进一步提高TMR阵列传感器模块的精度。

Claims (8)

1.一种开口TMR阵列传感器接入式直流电能表，其特征在于：包括TMR阵列传感器模块和电能表模块(2)，所述TMR阵列传感器模块包括上半环(1-1)和下半环(1-2)，所述上半环(1-1)和下半环(1-2)的两端通过卡扣相连接，所述上半环(1-1)内部安装有第一半环形印制板，下半环(1-2)内部安装有第二半环形印制板，所述第一半环形印制板和第二半环形印制板通过相对应的插座和插排相连接，所述第一半环形印制板和第二半环形印制板上设有呈阵列式分布的多个TMR芯片(1-3)，第二半环形印制板上还设有运放电路(1-4)，所述多个TMR芯片(1-3)的信号输出端并联后与运放电路(1-4)的输入端相连接，运放电路(1-4)的输出端与电能表模块(2)相连接；第二半环形印制板上还设有MCU电路(1-6)，所述MCU电路(1-6)包括存储器，所述存储器用于存储TMR阵列传感器模块的比差值和零漂值，所述MCU电路(1-6)与电能表模块(2)通讯连接；

所述电能表模块(2)用于从所述存储器读取TMR阵列传感器模块的比差值和零漂值，通过自适应分段补偿法对TMR阵列传感器模块的比差值和零漂值进行补偿，并将补偿后的数据写入所述存储器。

2.如权利要求1所述的开口TMR阵列传感器接入式直流电能表，其特征在于：所述第一半环形印制板的两个端侧分别设有第一插座和第二插座，第二半环形印制板的两个端侧分别设有与所述第一插座和第二插座相对应的第一插排和第二插排；所述MCU电路(1-6)的信号发生端与所述第一插排的信号检测端相连接，第一插排的信号检测端与第一插座的信号检测端相对应，第一插座的信号检测端与第二插座的信号检测端相连接，第二插座的信号检测端与第二插排的信号检测端相对应，第二插排的信号检测端与MCU电路(1-6)的信号接收端相连接。

3.如权利要求1所述的开口TMR阵列传感器接入式直流电能表，其特征在于：所述第二半环形印制板上还设有电源电路(1-5)，所述电源电路(1-5)分别与电能表模块(2)、运放电路(1-4)和MCU电路(1-6)相连接，用于从电能表模块(2)接入电源并为所述运放电路(1-4)和MCU电路(1-6)供电。

4.如权利要求1所述的开口TMR阵列传感器接入式直流电能表，其特征在于：所述MCU电路(1-6)通过单总线与电能表模块(2)通讯连接。

5.如权利要求1所述的开口TMR阵列传感器接入式直流电能表，其特征在于：所述MCU电路(1-6)通过RS485总线与电能表模块(2)通讯连接。

6.如权利要求1所述的开口TMR阵列传感器接入式直流电能表，其特征在于：所述上半环(1-1)和下半环(1-2)的外侧设有金属屏蔽层。

7.一种基于如权利要求1至6任一所述的开口TMR阵列传感器接入式直流电能表实现的精度补偿方法，其特征在于：所述电能表模块(2)通过自适应分段补偿法对TMR阵列传感器模块的比差值和零漂值进行补偿，具体包括如下步骤：

S1：对TMR阵列传感器模块施加标准电流源，TMR阵列传感器模块的计算输出电流值为

实际输出电流值为y，输出电压值为x；在0～In范围内按照设定步进值测量得到TMR阵列传感器模块的N个误差值数据，所述误差值数据根据测量电流点对应的计算输出电流值

和实际输出电流值y得到，In为TMR阵列传感器模块的额定电流；

S2：通过如下线性回归方程得到比差值

和零漂值

S3：所述N个误差值数据中，若相邻的两个误差值数据的差值大于设定范围，则判定需要进行分段补偿，并将所述相邻的两个误差值数据对应的电流值的中间值作为分段点，在每一个分段上分别构建线性回归方程，重新计算各自的分段比差值和分段零漂值，并作为最终计算结果进行补偿；若所有相邻的两个误差值数据的差值均在设定范围内，则按照步骤S2计算结果进行补偿。

8.如权利要求7所述的精度补偿方法，其特征在于，所述电能表模块(2)对TMR阵列传感器模块进行补偿时采用白名单认证机制：电能表模块(2)读取待校准信息时还读取TMR阵列传感器模块的ID信息，若所述ID信息在白名单序列内则使用自适应分段法进行补偿，否则使用默认校准参数进行补偿，并提示告警。

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