CN116298472A - 一种母排电流确定方法、装置和系统 - Google Patents

一种母排电流确定方法、装置和系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种母排电流确定方法、装置和系统。母排电流确定方法包括：获取母排的磁场强度信号；对母排进行细丝微元划分并基于毕奥‑萨伐尔定律，建立母排的磁场理论模型；根据母排的磁场理论模型和磁场强度信号，基于最小二乘法确定母排的电流。本发明实施例提供的母排电流确定方法、装置和系统，能够保证母排电流确定的可靠性。

Description

一种母排电流确定方法、装置和系统
技术领域
本发明实施例涉及电力设备能源管理技术，尤其涉及一种母排电流确定方法、装置和系统。
背景技术
随着我国电力事业的迅速发展，能源的有效管理问题引起了人们的广泛关注，能源的精确监测和分析是能源有效管理的重要手段。近年来，我国大力支持高端仪器装备和传感器产业发展，其中，可实现电流的方便、可靠测量的仪器设备或新方法，对于电力计量、状态监测和测控保护具有十分重要的意义。
目前，现有的母排电流确定方法，通常是采用电流传感器直接测量，存在功能单一、在小空间安装不便以及安装和维护受到其成本和规模限制的问题，还有基于磁传感器的开环和闭环的测量方式，开环测量方式需要确立被测电流线路与磁传感器的转移系数矩阵关系，而上述矩阵的各个元素需要通过离线校准得到，离线校准的方式不利于电流传感器的安装使用；而闭环测量方式需要铁心结构，由于铁芯结构的使用存在铁芯饱和现象，会导致电流传感器的非线性加剧，测量准确度降低。
发明内容
本发明实施例提供一种母排电流确定方法、装置和系统，以保证母排电流确定的可靠性。
第一方面，本发明实施例提供了一种母排电流确定方法，包括：
获取母排的磁场强度信号；
对母排进行细丝微元划分并基于毕奥-萨伐尔定律，建立母排的磁场理论模型；
根据母排的磁场理论模型和磁场强度信号，基于最小二乘法确定母排的电流。
可选的，对母排进行细丝微元划分并基于毕奥-萨伐尔定律，建立母排的磁场理论模型，包括：
沿母排的轴线方向对母排进行细丝微元划分，得到母排的每个细丝微元；
根据母排的每个细丝微元，基于毕奥-萨伐尔定律建立母排的磁场理论模型。
可选的，根据母排的每个细丝微元，基于毕奥-萨伐尔定律建立母排的磁场理论模型，包括：
根据母排的每个细丝微元，基于毕奥-萨伐尔定律建立母排的微元磁场理论模型；
对微元磁场理论模型进行积分，得到母排的磁场理论模型。
可选的，根据母排的磁场理论模型和磁场强度信号，基于最小二乘法确定母排的电流，包括：
根据母排的磁场理论模型和磁场强度信号，确定磁场强度信号与母排的电流之间的关系式；
根据关系式和预设目标函数，基于最小二乘法确定母排的电流。
可选的，母排为三相母排。
第二方面，本发明实施例提供了一种母排电流确定装置，包括：
信息获取模块，用于获取母排的磁场强度信号；
模型建立模块，用于对母排进行细丝微元划分并基于毕奥-萨伐尔定律，建立母排的磁场理论模型；
电流确定模块，用于根据母排的磁场理论模型和磁场强度信号，基于最小二乘法确定母排的电流。
可选的，模型建立模块，包括：
微元划分单元，用于沿母排的轴线方向对母排进行细丝微元划分，得到母排的每个细丝微元；
模型建立单元，用于根据母排的每个细丝微元，基于毕奥-萨伐尔定律建立母排的磁场理论模型。
第三方面，本发明实施例提供了一种母排电流确定系统，包括依次连接的隧穿磁阻传感器、信号处理电路和上位机，如第二方面所述的母排电流确定装置集成在上位机。
可选的，信号处理电路包括依次连接的第一运算放大器、低通滤波器、第二运算放大器、模数转换器和微处理器，第一运算放大器与隧穿磁阻传感器连接，微处理器与上位机连接。
可选的，隧穿磁阻传感器为多个，隧穿磁阻传感器设置在母排周围。
本发明实施例提供的母排电流确定方法、装置和系统，包括：获取母排的磁场强度信号；对母排进行细丝微元划分并基于毕奥-萨伐尔定律，建立母排的磁场理论模型；根据母排的磁场理论模型和磁场强度信号，基于最小二乘法确定母排的电流。本发明实施例提供的母排电流确定方法、装置和系统，根据建立的母排的磁场理论模型和获取的磁场强度信号，基于最小二乘法确定母排的电流，无需现有技术中复杂的离线校准过程以及铁芯结构，从而可解决铁芯结构带来的可靠性降低的问题，保证可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种母排电流确定方法的流程图；
图2是本发明实施例一提供的一种母排的示意图；
图3是本发明实施例一提供的一种坐标位置的示意图；
图4是本发明实施例二提供的一种母排电流确定方法的流程图；
图5是本发明实施例二提供的一种磁传感阵列的示意图；
图6是本发明实施例三提供的一种母排电流确定装置的结构框图；
图7是本发明实施例三提供的一种母排电流确定系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的一种母排电流确定方法的流程图，本实施例可适用于确定配电柜的三相母排电流等方面，该方法可以由母排电流确定装置来执行，该装置可以由软件和/或硬件的形式实现，该装置可以集成在母排电流确定系统中的上位机，该方法具体包括如下步骤：
步骤110、获取母排的磁场强度信号。
其中，母排可以是配电柜的三相矩形母排，三相矩形母排设置有多个隧穿磁阻传感器。示例性地，图2是本发明实施例一提供的一种母排的示意图。参考图2，三相矩形母排中的A相母排、B相母排和C相母排各设有三个隧穿磁阻传感器S1-S9，隧穿磁阻传感器可采集对应母排的磁场强度信号，各母排对应的三个隧穿磁阻传感器由于设置位置不同，采集的母排的磁场强度信号也不同。母排电流确定装置与各磁阻传感器均连接，以获取母排的磁场强度信号。
步骤120、对母排进行细丝微元划分并基于毕奥-萨伐尔定律，建立母排的磁场理论模型。
示例性地，图3是本发明实施例一提供的一种坐标位置的示意图。参考图2和图3，以A相母排为例，设定母排的中心坐标位置为(xI,yI)，母排的横截面长度和宽度分别为a和b，流过母排的电流I沿z轴方向，且假设电流在母排的横截面上均匀分布。将母排沿其轴线方向划分为无限多个宽度为dx、厚度为dy的细丝微元，则每个细丝微元的电流为
Figure BDA0004169568930000051
x处细丝微元上的电流在母排的一个磁场测点P(x0,y0)处产生的磁场大小dB为：
Figure BDA0004169568930000052
该磁场的x轴方向分量为：
Figure BDA0004169568930000053
该磁场的y轴方向分量为：
Figure BDA0004169568930000054
根据叠加定理，电流I在点P(x0,y0)处产生的磁场的x轴方向分量为：
Figure BDA0004169568930000061
对应的y轴方向分量为：
Figure BDA0004169568930000062
步骤130、根据母排的磁场理论模型和磁场强度信号，基于最小二乘法确定母排的电流。
具体的，根据母排的磁场理论模型和磁场强度信号，可得到磁场强度与母排电流的关系式(关系式可以是多个)，以最小二乘法求解得到母排电流，从而确定母排的电流大小。
本实施例提供的母排电流确定方法，包括：获取母排的磁场强度信号；对母排进行细丝微元划分并基于毕奥-萨伐尔定律，建立母排的磁场理论模型；根据母排的磁场理论模型和磁场强度信号，基于最小二乘法确定母排的电流。本实施例提供的母排电流确定方法，根据建立的母排的磁场理论模型和获取的磁场强度信号，基于最小二乘法确定母排的电流，无需现有技术中复杂的离线校准过程以及铁芯结构，从而可解决铁芯结构带来的可靠性降低的问题，保证可靠性。
实施例二
图2是本发明实施例二提供的一种母排电流确定方法的流程图，本实施例可适用于确定配电柜的三相母排电流等方面，该方法可以由母排电流确定装置来执行，该装置可以由软件和/或硬件的形式实现，该装置可以集成在母排电流确定系统中的上位机，该方法具体包括如下步骤：
步骤210、获取母排的磁场强度信号。
其中，母排可以是配电柜的三相矩形母排，三相矩形母排设置有多个隧穿磁阻传感器。参考图2，三相矩形母排中的A相母排、B相母排和C相母排各设有三个隧穿磁阻传感器，隧穿磁阻传感器可采集对应母排的磁场强度信号，各母排对应的三个隧穿磁阻传感器由于设置位置不同，采集的母排的磁场强度信号也不同。
步骤220、沿母排的轴线方向对母排进行细丝微元划分，得到母排的每个细丝微元。
其中，各母排的大小相同且各母排的延伸方向即轴线方向相同，如图3所示，可以沿母排的轴线方向将母排划分为无限多个宽度为dx、厚度为dy的细丝微元。
步骤230、根据母排的每个细丝微元，基于毕奥-萨伐尔定律建立母排的微元磁场理论模型。
具体的，参考上述步骤120中得到母排的磁场分量dBx、dBy的过程，在此不再赘述。
步骤240、对微元磁场理论模型进行积分，得到母排的磁场理论模型。
具体的，参考上述步骤120中对磁场分量dBx、dBy进行积分的过程，在此不再赘述。
步骤250、根据母排的磁场理论模型和磁场强度信号，确定磁场强度信号与母排的电流之间的关系式。
其中，各相母排均有各自的电流和坐标，参考图2和图3，设定ABC三相母排的电流分别为Ia、Ib、Ic，以及三相母排的横纵坐标分别为(xa,ya)，(xb,yb)，(xc,yc)，电流和三相母排的横纵坐标共9个参数均为未知数。上述9个参数的确定，必须构建至少9个等式方程。示例性地，图5是本发明实施例二提供的一种磁传感阵列的示意图。参考图5，为确立9个等式方程，构建如图5所示的磁传感阵列，在每相母排上，均沿y轴方向层叠有三个磁传感器即隧穿磁阻传感器，磁传感器之间的间隔距离为给定值d；磁传感器S1坐标位置设定为(x1,y1)，相应地，磁传感器S2，S3的坐标位置分别设定为(x1,y1+d)，(x1,y1+2d)；而对于磁传感器S4-S9坐标位置的设定，以此类推；各相母排上安装的磁传感器在x轴方向的距离为给定值D；所有磁传感器的磁敏感方向指向x轴正方向。
磁传感器Sk,k∈1,2,...,处磁场的x轴方向分量表达式为：
Figure BDA0004169568930000091
其中，
Figure BDA0004169568930000092
分别为电流Ia，Ib，Ic在磁传感器Sk处产生磁场的x轴方向分量，为了得到上述磁场的表达式，只需将步骤120处关于Bx公式中的(xI,yI)替换为对应相母排的中心位置坐标，同时将(x0,y0)替换为磁传感器的坐标位置(xk,yk)即可。
磁传感器Sk处磁场的y轴方向分量表达式为：
Figure BDA0004169568930000093
其中，
Figure BDA0004169568930000094
分别为电流Ia，Ib，Ic在磁传感器Sk处产生磁场的y轴方向分量，为了得到上述磁场的解析表达式，只需将步骤120处关于By公式中的(xI,yI)替换为对应相母排的中心位置坐标，同时将(x0,y0)替换为磁传感器的坐标位置(xk,yk)即可。
将所有磁传感器的磁敏感轴方向设定为x轴正方向，因此，磁传感器Sk所感应到的磁感应场强度表达式为：
Figure BDA0004169568930000095
步骤260、根据关系式和预设目标函数，基于最小二乘法确定母排的电流。
具体的，在实际测量中，一个磁传感器可以确定一个形如
Figure BDA0004169568930000096
的等式方程，其中，/>
Figure BDA0004169568930000097
为第k个磁传感器的实测磁场，而Bx,k是通过理论计算所得磁场，为求解上述9个未知数，需采用至少9个磁传感器来构建形如式/>
Figure BDA0004169568930000098
所示的等式方程，并将上述方程转化为一个非线性最小二乘问题，其目标函数为：
Figure BDA0004169568930000101
采用非线性最小二方法对上述非线性最小二乘问题进行求解，从而得到各个母排上的电流，同时也重构出各个母排的中心位置坐标。并且，求解得到各个母排的中心位置坐标后，可以得到表征母排的电流和各个磁传感器所测磁场之间关系的矩阵表达式，即
Figure BDA0004169568930000102
其中，系数Zk,j,k∈1,2,..,9,j∈a,b,c可通过步骤120处关于Bx公式中电流I的系数计算得到，仅需将电流I的系数表达式中的(x0,y0)替换为(xk,yk)，同时将(xI,yI)替换为(xj,yj)。
进一步地，当获取各个磁传感器所测磁场大小，则可以通过下式计算得到各相母排电流，即I＝(ZTZ)-1ZTB，其中，
Figure BDA0004169568930000103
本实施例提供的母排电流确定方法，包括：获取母排的磁场强度信号；对母排进行细丝微元划分并基于毕奥-萨伐尔定律，建立母排的磁场理论模型；根据母排的磁场理论模型和磁场强度信号，基于最小二乘法确定母排的电流。本实施例提供的母排电流确定方法，根据建立的母排的磁场理论模型和获取的磁场强度信号，基于最小二乘法确定母排的电流，无需现有技术中复杂的离线校准过程以及铁芯结构，从而可解决铁芯结构带来的可靠性降低的问题，保证可靠性。
实施例三
图5是本发明实施例三提供的一种母排电流确定装置的结构框图。母排电流确定装置包括：信息获取模块310、模型建立模块320和电流确定模块330。其中，信息获取模块310用于获取母排的磁场强度信号；模型建立模块320用于对母排进行细丝微元划分并基于毕奥-萨伐尔定律，建立母排的磁场理论模型；电流确定模块330用于根据母排的磁场理论模型和磁场强度信号，基于最小二乘法确定母排的电流。
可选的，模型建立模块320包括：微元划分单元和模型建立单元；其中，微元划分单元用于沿母排的轴线方向对母排进行细丝微元划分，得到母排的每个细丝微元；模型建立单元用于根据母排的每个细丝微元，基于毕奥-萨伐尔定律建立母排的磁场理论模型。
在一种实施方式中，上述模型建立单元包括模型建立子单元和积分单元，其中；模型建立子单元用于根据母排的每个细丝微元，基于毕奥-萨伐尔定律建立母排的微元磁场理论模型；积分单元用于对微元磁场理论模型进行积分，得到母排的磁场理论模型。
可选的，电流确定模块330包括：关系式确定单元和电流确定单元；其中，关系式确定单元用于根据母排的磁场理论模型和磁场强度信号，确定磁场强度信号与母排的电流之间的关系式；电流确定单元用于根据关系式和预设目标函数，基于最小二乘法确定母排的电流。
图7是本发明实施例三提供的一种母排电流确定系统的结构框图。参考图7，母排电流确定系统包括依次连接的隧穿磁阻传感器TMR、信号处理电路和上位机PC，如第二方面所述的母排电流确定装置集成在上位机PC。
具体的，隧穿磁阻传感器TMR设置在母排周围，可采集母排的磁场强度信号，并将采集的磁场强度信号传输至信号处理电路，信号处理电路可对接收到的磁场强度信号进行处理，并将处理后的磁场强度信号传输至上位机PC。上位机PC根据接收到的磁场强度信号以及建立的母排的磁场理论模型，确定母排的电流。
可选的，信号处理电路包括依次连接的第一运算放大器INA、低通滤波器LPF、第二运算放大器OPA、模数转换器ADC和微处理器MCU，第一运算放大器INA与隧穿磁阻传感器TMR连接，微处理器MCU与上位机PC连接。
其中，隧穿磁阻传感器TMR的差分输出信号传输至第一运算放大器INA，第一运算放大器INA可将隧穿磁阻传感器TMR的差分输出信号转换为单端信号，低通滤波器LPF对单端信号进行低通滤波，第二运算放大器OPA对滤波后的单端信号进行放大，模数转换器ADC对放大的单端信号进行数字化处理，得到数字化信号，微处理器MCU将数字化信号传输至上位机PC，为电流反演提供磁场数据。
可选的，隧穿磁阻传感器TMR为多个，隧穿磁阻传感器TMR设置在母排周围。
具体的，参考图5和图7，三相母排中的各相母排均可设置多个隧穿磁阻传感器TMR，以各相母排均设置三个隧穿磁阻传感器TMR为例，母排对应的三个隧穿磁阻传感器TMR可测量母排临近空间多点磁场。
本实施例提供的母排电流确定装置和系统与本发明任意实施例提供的母排电流确定方法属于相同的发明构思，具备相应的有益效果，未在本实施例详尽的技术细节详见本发明任意实施例提供的母排电流确定方法。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种母排电流确定方法，其特征在于，包括：
获取母排的磁场强度信号；
对所述母排进行细丝微元划分并基于毕奥-萨伐尔定律，建立所述母排的磁场理论模型；
根据所述母排的磁场理论模型和所述磁场强度信号，基于最小二乘法确定所述母排的电流。
2.根据权利要求1所述的母排电流确定方法，其特征在于，所述对所述母排进行细丝微元划分并基于毕奥-萨伐尔定律，建立所述母排的磁场理论模型，包括：
沿所述母排的轴线方向对所述母排进行细丝微元划分，得到所述母排的每个细丝微元；
根据所述母排的每个细丝微元，基于毕奥-萨伐尔定律建立所述母排的磁场理论模型。
3.根据权利要求2所述的母排电流确定方法，其特征在于，所述根据所述母排的每个细丝微元，基于毕奥-萨伐尔定律建立所述母排的磁场理论模型，包括：
根据所述母排的每个细丝微元，基于毕奥-萨伐尔定律建立所述母排的微元磁场理论模型；
对所述微元磁场理论模型进行积分，得到所述母排的磁场理论模型。
4.根据权利要求1所述的母排电流确定方法，其特征在于，所述根据所述母排的磁场理论模型和所述磁场强度信号，基于最小二乘法确定所述母排的电流，包括：
根据所述母排的磁场理论模型和所述磁场强度信号，确定所述磁场强度信号与所述母排的电流之间的关系式；
根据所述关系式和预设目标函数，基于最小二乘法确定所述母排的电流。
5.根据权利要求1所述的母排电流确定方法，其特征在于，所述母排为三相母排。
6.一种母排电流确定装置，其特征在于，包括：
信息获取模块，用于获取母排的磁场强度信号；
模型建立模块，用于对所述母排进行细丝微元划分并基于毕奥-萨伐尔定律，建立所述母排的磁场理论模型；
电流确定模块，用于根据所述母排的磁场理论模型和所述磁场强度信号，基于最小二乘法确定所述母排的电流。
7.根据权利要求6所述的母排电流确定装置，其特征在于，所述模型建立模块，包括：
微元划分单元，用于沿所述母排的轴线方向对所述母排进行细丝微元划分，得到所述母排的每个细丝微元；
模型建立单元，用于根据所述母排的每个细丝微元，基于毕奥-萨伐尔定律建立所述母排的磁场理论模型。
8.一种母排电流确定系统，其特征在于，包括依次连接的隧穿磁阻传感器、信号处理电路和上位机，如权利要求6-7任一所述的母排电流确定装置集成在所述上位机。
9.根据权利要求8所述的母排电流确定系统，其特征在于，所述信号处理电路包括依次连接的第一运算放大器、低通滤波器、第二运算放大器、模数转换器和微处理器，所述第一运算放大器与所述隧穿磁阻传感器连接，所述微处理器与所述上位机连接。
10.根据权利要求8所述的母排电流确定系统，其特征在于，所述隧穿磁阻传感器为多个，所述隧穿磁阻传感器设置在母排周围。
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