一種電流測量方法與流程

2023-10-11 03:23:49

本發明涉及電力參數測量領域，特別涉及一種電流測量方法。

背景技術：

配電網電流檢測是系統安全運行的基礎，通常配網正常運行電流為幾ka、在發生短路故障時電流高達幾十ka。傳統電磁式傳感器因鐵芯的帶寬和飽和問題造成測量失準，且它對含直流和諧波的電流測量有較大局限。對動態範圍、帶寬較大，交、直流量同測的需求，採用分流器方式需要接入待測迴路而不便安裝；基於電磁感應的羅氏線圈又不能測直流量；光纖電流傳感器工作穩定性不。因此，採用霍爾元件測磁場並推算電流就具有一定優勢。

現有常用的線電流測量，通常從安培環路定律出發，在以電流軸線為軸向的圓周上等距放置霍爾傳感器陣列，每個霍爾傳感器測量切向磁場，根據安培環路定律將上述線積分用求和近似求得到電流值。但在實際測量中，待測電纜在由「霍爾傳感器陣列」之間圓孔內的中心點與該圓孔的圓心之間通常為偏心(放置)，致使通過上述計算方法求得的電流值存有較大的誤差。

基於此，申請人考慮設計一種測量更為精確的電流測量方法。

技術實現要素：

針對上述現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是：怎樣提供一種測量更為精確的電流測量方法。

為了解決上述技術問題，本發明採用了如下的技術方案：

本發明的目的是通過這樣的技術方案實現的，具體步驟如下：

一種電流測量方法，包括採用電流傳感器來測量電纜電流的步驟：其特徵在於：

所述電流傳感器包括安裝座、電流檢測組件、dsp信號處理器、示波器、電壓跟隨器和分壓電阻；

所述安裝座整體呈圓環形結構，所述安裝座的中部具有供電纜貫穿的穿孔；

所述電流檢測組件包括有八個霍爾元件，所述八個霍爾元件構成有四個電流檢測單元，其中，每個電流檢測單元包括磁場敏感軸相互垂直且呈t型布置的兩個霍爾元件；所述四個電流檢測元件均固定安裝在所述安裝座上，並在所述穿孔的圓周方向均勻分布；

所述dsp信號處理器包括信號採集模塊和信號處理模塊，所述八個霍爾元件的輸出端分別與所述信號採集模塊上各個對應的接線埠相連接，所述信號採集模塊用於採集所述八個霍爾元件檢測到的磁場信號，並將處理後的信號輸出至所述示波器並顯示；

所述電壓跟隨器包括四個運算放大器，所述四個運算放大器的同相輸入端分別與所述信號採集模塊上對應的接線埠相連接，每個運算放大器的電路結構中連接有所述分壓電阻；所述四個運算放大器用於增大被測電流的電壓線性空間，並將處理後的信號輸出到分壓電阻輸入端，所述分壓電阻用於對電壓跟隨器輸出信號進行分壓，並將分壓後的信號輸出到所述dsp信號處理器中的輸入端；

測量時，將待測的電纜穿過所述安裝座的所述穿孔；

還包括採用快速估算方法來測得電纜中通過的電流值的步驟，所述快速估算方法包括以下步驟：

步驟s1：由所述四個電流檢測單元測得四個測點的(bx,by)，隨後根據各個測點的(bx,by)來求取該點的合成場b；

步驟s2:計算安裝座上同一徑向上的兩個測點的合成場的比值：kx，ky；

步驟s3:計算待測電纜在所述穿孔內的部分的中心點坐標(x0,y0)；

步驟s4：求得待測電纜在所述穿孔內的部分的中心點坐標(x0,y0)後，分別計算各個測點與(x0,y0)的距離，推算出四個測點的電流值；

步驟s5：取上述四個電流值的平均值，求得電纜的電流值。

作為優選，步驟s1的計算公式為：

式中(x0,y0)為待測電纜在所述穿孔內的部分的中心點坐標，(xt,yt)為各個電流檢測單元的坐標。實施時，(xt,yt)具體為各個電流檢測單元呈t型結構的兩個霍爾元件的交點坐標。圖1與圖2中電流傳感器僅為結構示意圖，實際在製作本方案所涉及的電流傳感器時，各個電流檢測單元中呈t型結構的兩個霍爾元件相交且具有交點坐標。

作為優選，步驟s2的計算公式為：

作為優選，步驟s3的計算公式為：

式中r02＝xt2+yt2。

作為優選，步驟s4的計算公式為：

作為優選，電流測量方法還包括採用精確計算方法來測得電纜中通過的電流值的步驟，所述精確計算方法包括以下步驟：

s1：將非線性模型轉換為線性模型，將場分量相除消去電流變量，得到線性方程組；

s2:用線性最小二乘法給出線性方程組的最優解(x0,y0)；

s3：求得導線位置後，分別計算各測點與導線距離，推算出四個電流值；

s4：取上述四個電流的平均值，求得電纜的電流值。

作為優選，s1中的線性方程組為：

作為優選，s3中的計算公式為：

由於採用了上述技術方案，本發明的電流測量方法具有如下的優點：

1、動態範圍大、帶寬寬、功耗與體積小。在電流監測和保護控制應用中有廣闊的前景。本電流測量方法所採用的電流傳感器中沒有氣隙鐵芯聚磁，被測電流磁場空間分布分散，本發明的測量方法即利用八個霍爾元件的陣列方式來檢測電纜的電流，提高測量的精度。同時也因為失去了鐵芯對外部磁場屏蔽，對測量準確度造成顯著影響，其信噪比相對有鐵芯會低很多，使得測得的電流值更為精準。

2、本發明的電流測量方法能夠對待測電纜在所述穿孔內的部分的中心點的位置進行計算，經確定待測電纜在所述穿孔內的部分的中心點的位置後再求得的電流值的計算精度大幅提高。

3、相比安培環路定律，現有的電流傳感器掛接在電纜上，重力作用導致電纜的偏心達到最大，從而使得測得的電流值值的精度不高。安培環路定律只有當導線在圓心或偏心較小時才可保證精度。

本發明的電流測量方法的測量精度受被測電纜位置影響小，導線處於圓環中的任何位置都可獲得較高的精度。

附圖說明

圖1為本發明的電流測量方法所採用的電流傳感器的結構示意圖；

圖2為本發明的電流測量方法所採用的電流傳感器(局部拆開狀態)的結構示意圖；

圖3為本發明的電流測量方法所採用的電流傳感器中霍爾元件的電源u1、電源傳輸p1、接地傳輸p3的電路原理圖；

圖4為本發明的電流測量方法所採用的電流傳感器中霍爾元件01～04的電路原理圖；

圖5為本發明的電流測量方法所採用的電流傳感器中霍爾元件05～08的電路原理圖；

圖6為圖3和圖4與傳輸模塊p2的電路原理圖；

圖7為本發明的電流測量方法所採用的電流傳感器中電壓跟隨器中運算放大器u3、u4的電路原理圖；

圖8為本發明的電流測量方法所採用的電流傳感器中電壓跟隨器中運算放大器u2、u5的電路原理圖；

圖9為本發明的電流測量方法所採用的電流傳感器中電壓跟隨器與dsp信號處理器連接的傳輸模塊的電路原理圖；

圖10為本發明的電流測量方法所採用的電流傳感器的測量示意圖；

圖11為本發明的電流測量方法所採用的電流傳感器的源測試圖；

圖12為一次側輸入100a時電流磁場平行方向上pac12交直流電流鉗輸出波形圖；

圖13為其中一個霍爾元件輸出波形圖。

圖14為一次側輸入100a時採用安培環路定律、本發明的電流測量方法中快速估算方法和精確計算方法得到的電流波形圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。

首先，詳細說明下本發明的電流測量方法測量時需採用的電流傳感器：

如圖1至圖9所示，該電流傳感器包括安裝座1、電流檢測組件、dsp信號處理器2、示波器(圖中未示出)、電壓跟隨器3和分壓電阻；

所述安裝座整體呈環形結構，所述安裝座的中部具有供電纜4貫穿的穿孔；

所述電流檢測組件包括有八個霍爾元件，所述八個霍爾元件5構成有四個電流檢測單元，每個電流檢測單元包括兩個磁場敏感軸相互垂直且呈t型布置的霍爾元件；所述四個電流檢測元件均固定安裝在所述安裝座上，並在所述穿孔的圓周方向均勻分布；

所述dsp信號處理器包括信號採集模塊和信號處理模塊，所述信號採集模塊與所述八個霍爾元件的輸出端分別相連，所述信號採集模塊用於採集所述八個霍爾元件檢測到的磁場信號，所述信號處理模塊用於處理採集模塊檢測到的磁場信號，並將處理後的信號輸出至所述示波器並顯示；

所述電壓跟隨器包括四個運算放大器，所述四個運算放大器的同相輸入端分別與所述信號採集模塊上對應的接線埠相連接，每個運算放大器的電路結構中連接有所述分壓電阻；所述四個運算放大器用於增大被測電流的電壓線性空間，並將處理後的信號輸出到分壓電阻輸入端，所述分壓電阻用於對電壓跟隨器輸出信號進行分壓，並將分壓後的信號輸出到所述dsp信號處理器中的輸入端。

實施時，所述安裝座為整體呈圓環形結構的pcb板，且該pcb板由兩個扇形塊可拆卸連接而成。

實施時，所述霍爾元件採用自帶溫度補償的寬量層線性霍爾元件。

實施時，所述電壓跟隨器採用軌到軌運算放大器，使被檢測電壓的線性空間為0-5v電壓。

實施時，所述分壓電阻把電壓跟隨器輸出的0-5v電壓分壓為0-3v電壓。

實施時，所述dsp信號處理器通過集成的a/d模塊採集八路霍爾元件的輸出信號，通過非線性最小二乘法算出被測電流。

實施時，所述無鐵芯霍爾電流傳感器採用單電源+5v供電。

實施時，如圖3至圖9所示，所述電流傳感器的電路連接結構包括：

1)u1電源座模塊中，u1對霍爾電流傳感器提供電源，u1引腳1接電源vcc，引腳3接地gnd；

p1header8x2的引腳2與引腳4連接同時接電源vcc，引腳1與引腳3連接，起電源傳輸作用；

p3header8x2的引腳2與引腳4連接，引腳1與引腳3連接同時接地gnd，起接地傳輸作用；

2)八個霍爾元件，分別標記為01-08，用於測量被檢測電流產生的磁場，輸出檢測到的磁場；

霍爾元件01引腳1接電源vcc，引腳2接地gnd，引腳3接p2header8x2的引腳2；同時p2header8x2的引腳1接輸入端in1，將霍爾元件01檢測到的電流輸入dsp信號處理器中進行信號處理；

霍爾元件02引腳1接電源vcc，引腳2接地gnd，引腳3接p2header8x2的引腳4；同時p2header8x2的引腳3接輸入端in2，將霍爾元件02檢測到的電流輸入dsp信號處理器中進行信號處理；

霍爾元件03引腳1接電源vcc，引腳2接地gnd，引腳3接p2header8x2的引腳6；同時p2header8x2的引腳5接輸入端in3，將霍爾元件03檢測到的電流輸入dsp信號處理器中進行信號處理；

霍爾元件04引腳1接電源vcc，引腳2接地gnd，引腳3接p2header8x2的引腳8；同時p2header8x2的引腳7接輸入端in4，將霍爾元件04檢測到的電流輸入dsp信號處理器中進行信號處理；

霍爾元件05引腳1接電源vcc，引腳2接地gnd，引腳3接p2header8x2的引腳10；同時p2header8x2的引腳9接輸入端in5，將霍爾元件05檢測到的電流輸入dsp信號處理器中進行信號處理；

霍爾元件06引腳1接電源vcc，引腳2接地gnd，引腳3接p2header8x2的引腳12；同時p2header8x2的引腳11接輸入端in6，將霍爾元件06檢測到的電流輸入dsp信號處理器中進行信號處理；

霍爾元件07引腳1接電源vcc，引腳2接地gnd，引腳3接p2header8x2的引腳14；同時p2header8x2的引腳13接輸入端in7，將霍爾元件07檢測到的電流輸入dsp信號處理器中進行信號處理；

霍爾元件08引腳1接電源vcc，引腳2接地gnd，引腳3接p2header8x2的引腳16；同時p2header8x2的引腳15接輸入端in8，將霍爾元件08檢測到的電流輸入dsp信號處理器中進行信號處理；

3)所述電壓跟隨器模塊中，有u2、u3、u4、u5四個放大器，增大霍爾元件中被檢測電壓的線性空間；

u3lm358的引腳out1與引腳in1-連接並與阻值為1k的電阻r2相連接，電阻r2同時與阻值為2.2k的電阻r10連接，電阻r10同時與阻值為4.7k的電阻r18連接，電阻r18同時接地gnd，電阻r10與電阻r18之間接輸出端out1；u3lm358的引腳in1+接p2header8x2引腳1的in1；u3lm358的引腳gnd接地gnd；另外，u3lm358的引腳vcc接電源vcc，引腳out2與引腳in2-連接並與阻值為1k的電阻r8相連，電阻r8同時與阻值為2.2k的電阻r16連接，電阻r16同時與阻值為4.7k的r24相連，電阻r24同時接地gnd，在電阻r16與電阻r24之間接輸出端out2，；u3lm358的引腳in2+接p2header8x2引腳3的in2；

u4lm358的引腳out1與引腳in1-連接並與阻值為1k的電阻r3相連接，電阻r3同時與阻值為2.2k的電阻r11連接，電阻r11同時與阻值為4.7k的電阻r19相連，電阻r19同時接地gnd，電阻r11與電阻r19之間接輸出端out3；u4lm358的引腳in1+接p2header8x2引腳5的in3；u4lm358的引腳gnd接地gnd；另外，u4lm358的引腳vcc接電源vcc，引腳out2與引腳in2-連接並與阻值為1k的電阻r6相連，電阻r6同時與阻值為2.2k的電阻r14連接，電阻r14同時與阻值為4.7k的r22相連，電阻r22同時接地gnd，在電阻r14與電阻r22之間接輸出端out4，；u4lm358的引腳in2+接p2header8x2引腳7的in4；

u5lm358的引腳out1與引腳in1-連接並與阻值為1k的電阻r4相連接，電阻r4同時與阻值為2.2k的電阻r12連接，電阻r12同時與阻值為4.7k的電阻r20相連，電阻r20同時接地gnd，電阻r12與電阻r20之間接輸出端out5；引腳in1+接p2header8x2引腳9的in5；u5lm358的引腳gnd接地gnd；另外，u5lm358的引腳vcc接電源vcc，引腳out2與引腳in2-連接並與阻值為1k的電阻r7相連，電阻r7同時與阻值為2.2k的電阻r15連接，電阻r15同時與阻值為4.7k的r23相連，電阻r23同時接地gnd，在電阻r15與電阻r23之間接輸出端out6；u5lm358的引腳in2+接p2header8x2引腳11的in6；

u2lm358的引腳out1與引腳in1-連接並與阻值為1k的電阻r1相連接，電阻r1同時與阻值為2.2k的電阻r9連接，電阻r9同時與阻值為4.7k的電阻r17相連，電阻r17同時接地gnd，電阻r9與電阻r17之間接輸出端out7；引腳in1+接p2header8x2引腳13的in7；u2lm358的引腳gnd接地gnd；另外，u2lm358的引腳vcc接電源vcc，引腳out2與引腳in2-連接並與阻值為1k的電阻r5相連，電阻r5同時與阻值為2.2k的電阻r13連接，電阻r13同時與阻值為4.7k的r21相連，電阻r21同時接地gnd，在電阻r13與電阻r21之間接輸出端out8，；u2lm358的引腳in2+接p2header8x2引腳15的in8；

4)p4傳輸模塊中，將八個霍爾元件輸出後的被檢測值傳輸到dsp信號處理器中進行信號處理；

p4header8x2的引腳1接u3lm358的引腳in1+，p4header8x2的引腳3接u3lm358的引腳in2+；

p4header8x2的引腳5接u4lm358的引腳in1+，p4header8x2的引腳7接u4lm358的引腳in2+；

p4header8x2的引腳9接u5lm358的引腳in1+，p4header8x2的引腳11接u5lm358的引腳in2+；

p4header8x2的引腳13接u2lm358的引腳in1+，p4header8x2的引腳15接u2lm358的引腳in2+；

p4header8x2的引腳2、引腳4、引腳6、引腳8、引腳10、引腳12、引腳14、引腳16將被測電流輸出到dsp信號處理器進行信號處理；

5)用示波器識別dsp信號處理器處理後的信號，得到電流測量值。

採用上述電流傳感器的好處是：

1、不含有鐵芯，解決了含鐵芯類電流傳感器存在剩磁的問題，即一次側電流中斷會造成鐵芯中有殘餘磁通量；不含有鐵芯，也解決了含鐵芯類電流傳感器存在鐵芯飽和的問題，即一次側過多的直流分量使鐵芯飽和，導致信號交流分量的非對稱變形；

2、非接觸測量電流，不產生額外損耗，不受導體溫度影響；

3、電路簡單，體積小，重量輕，採用電子元器件，便於集成，沒有鐵芯，體積小，便於安裝；

4、可擴展性強，可根據被測電流等級的大小選取不同量層的霍爾元件，以保持測量的量層和精度；

5、安裝方便，採用開合結構，可直接套在現有電纜上，無需斷開電纜接頭安裝。

其次，通過一個實施例來說明本發明的電流測量方法：

實施例：本發明的電流測量方法採用圖1至圖9結構的結構所示的電流傳感器。

先將需要檢測電纜的放入電流傳感器的安裝座1中間的穿孔，然後用螺絲進行將電流傳感器中小扇形貼片固定連接，固定連接後的圖形如圖2所示。

通過直流電源dlm8-450e-m1產生被檢測電流如圖11所示。

設置直流電流輸出為100a，用pac12交直流電流鉗測量輸出電流，檔位選擇為1mv/a，其直流鉗輸出如如圖12所示。

接下來，分別採用安培環路定律、快速估算方法和精確計算方法計算電流曲線。

採用本發明的電流測量方法的一個算例：

四個電流檢測單元的等效坐標(xt,yt)為(0.034,0),(0,0.034)，(-0.034,0)，(0,-0.034)，其中一個霍爾元件輸出波形如圖13所示：

以一組測點值為例說明本發明的電流測量方法中的快速估算方法：。

八個霍爾元件的實測電壓(單位v)為：

v1y＝2.639v1x＝2.585v2y＝2.593v2x＝2.608v3y＝2.569v3x＝2.583v4y＝2.587v4x＝2.543

根據b＝(v-2.588)*((50/1000)/2.5)；其中，2.588為霍爾元件的靜態工作電，50為霍爾元件的量層50mt，將八個霍爾元件的實測電壓轉換為對應的磁感應強度(單位t)為：

b1y＝1e-3b1x＝4.121e-05b2y＝1.0527e-04b2x＝4.08e-04b3y＝3.634e-04b3x＝-9.980e-05b4y＝1.192e-05b4x＝8.810e-04

由

算得b1＝1e-3b2＝4.213e-04b3＝3.769e-04b4＝8.811e-04

由

kx＝2.742ky＝0.4782

由r0＝0.034得估算坐標：

x0＝0.0158y0＝-0.012

由

i1＝152.329ai2＝82.869ai3＝72.320ai4＝128.689a

i＝(i1+i2+i3+i4)/4＝109.051a

採用本發明的電流測量方法中的精確計算方法的計算過程如下：

由

算得k1＝-0.0399k2＝0.2580k3＝0.2746k4＝0.0135

由得精確計算坐標：

x0＝0.0040y0＝-0.0051

i1＝109.150ai2＝102.527ai3＝96.600ai4＝119.455a

i＝(i1+i2+i3+i4)/4＝106.933a

從圖14可看出：由安培環路定律計算電流均值117.35a，逐步變為109.7a和103.46a，因直流電源的精度限制，其實際輸出與設定值還存在偏差，測量中的毛刺主要來源於直流電源的紋波。採用本發明的電流測量方法後，電流計算精度得以提高，更接近設定值。

最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。