一种电流测量装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于设备技术领域，尤其涉及电流测量装置和方法，包括电流传感器，包括磁场检测组件和差分放大器，电流传感器呈圆环形结构，导体由中空圆孔穿过，产生磁场由磁场检测组件测量；磁场检测组件包括TMR三维磁场传感器；传感器输出信号以差动模式输出，后续信号处理电路将输出信号差分放大转化为单端信号后以差分方式输出；差动放大器包括第一放大器将双端信号转化为单端信号；第二放大器将单端信号再转化为双端信号以差分模式输出；电流传感器连接数据采集卡，数据采集卡连接上位机。不含铁芯，有效避免了磁芯饱和带来的信号畸变的问题；结构简单，体积小，便于安装；属于非接触的测量方法，无需断电后安装。无需断电后安装。无需断电后安装。

【技术实现步骤摘要】
一种电流测量装置和方法


[0001]本专利技术属于设备
，尤其涉及一种电流测量装置和方法。

技术介绍

[0002]电流是诸多应用领域中不可或缺的电气参数，如潮流计算，继电保护和故障诊断。惯用的电流测量方法基于电磁感应定律的电磁式测量，即电流互感器(Current Transformer,CT)。然而，由于铁芯的存在，磁芯饱和现象会导致二次检测信号畸变，甚至导致电力系统铁磁谐振，造成系统不稳定。近年来，基于磁场传感器阵列的电流测量方法备受学者的关注，并研究出了针对单根导体以及多根导体的电流测量方法。然而，所报道的方法中，大多假设导体与磁场传感器阵列所在平面垂直，鲜有考虑当不垂直时，电流测量误差是否远远超过可接受的误差范围。

技术实现思路

[0003]为了解决或者改善上述问题，本专利技术提供了一种电流测量装置和方法，具体技术方案如下：
[0004]本专利技术提供一种电流测量装置，包括：
[0005]电流传感器，包括设置在PCB板上的磁场检测组件和差分放大器，其中，所述电流传感器呈圆环形结构，多根导体由中空圆孔穿过，导体电流在空间产生的磁场由所述磁场检测组件测量得到；
[0006]所述磁场检测组件包括6个TMR三维磁场传感器，呈均匀的圆周分布，对应的，以所述电流传感器的中心作为坐标原点，建立三维的笛卡尔坐标系，TMR三维磁场传感器所测三个磁场分量分别朝向x,y,z轴方向；
[0007]所述TMR三维磁场传感器的输出信号以差动模式输出，为抑制共模干扰，后续信号处理电路将传感器输出信号差分放大转化为单端信号后，再以差分方式输出，保证信号都以差分方式传输；
[0008]所述差动放大器包括2个运算放大器，分别记为第一放大器和第二放大器，所述磁场传感器的输出信号为差分模式，所述第一放大器以差分方式接收所述输出信号，并以一定增益放大，从而将双端信号转化为单端信号；然后所述第二放大器将所述单端信号再转化为双端信号，以差分模式输出；
[0009]所述电流传感器连接所述数据采集卡，所述数据采集卡连接所述上位机。
[0010]优选的，所述上位机系统与数据采集卡进行数据传输，后续利用所采集的磁场数据进行逆问题计算来求解流经各相导体的电流，同时将数据可视化。
[0011]优选的，所述数据采集卡为32路单端或16路差分模拟输入，采样率为100kS/s，采用16路差分模拟输入模式；
[0012]通过2个所述数据采集卡以采集6个所述TMR磁场传感器的18路输出信号，并将信号显示在所述上位机；
[0013]所述上位机基于逆问题计算来求解流经各相导体的电流，还用于将数据可视化。
[0014]优选的，导体电流与其所产生磁场的关系式：其中，当系数矩阵确定后，电流I通过磁场B乘以系数矩阵M的伪逆得到。
[0015]优选的，校准过程包括：步骤S1、根据无限长导体在空间产生的磁场与电流的关系，当单根导体与磁场传感器阵列倾斜时，建立流经导体的电流与空间磁场的数学模型；
[0016]步骤S2、由步骤S1所得结果，利用叠加原理，得到三相倾斜导体与空间磁场的数学模型；
[0017]步骤S3、由所述磁场检测组件测量空间6个点的三维磁场分量；
[0018]步骤S4、利用步骤S3所测磁场值，并结合步骤S2的逆问题模型，采用进化算法逆推各导体的坐标位置、倾斜角和流经导体的电流；
[0019]步骤S5、由步骤S4得到的导体坐标位置和倾斜角计算系数矩阵M，最终完成所述电流传感器的校准过程。
[0020]优选的，所述步骤S1中，计算公式为：
[0021]其中，B
s
,B
s，x
,B
s，y
,B
s，z
分别为空间某一点处的合成磁场在x,y,z方向的磁场分量，x
s
,y
s
为磁场传感器阵列所在平面的坐标位置，x
c
,y
c
为导体与磁场传感器阵列所在平面的交点坐标，I为流经导体的电流，m＝sin(α)cos(β),n＝sin(α)sin(β),p＝cos(α)，α，β分别为倾斜导体与z轴方向的夹角，倾斜导体在xoy平面的投影与x轴方向的夹角。
[0022]优选的，所述步骤S2中，所述数学模型的计算公式为：
[0023]其中，α1，β1(i＝1,2,3)为三相导体的倾斜角，x
ci
,y
ci
(i＝1,2,3)分别为三相导体的坐标位置，I
i
(i＝1,2,3)分别为流经三相导体的电流；F
i
(X),G
i
(X),H
i
(X)的表达式：
[0024]其中，
[0025][0026]f(i,j)表达式：
[0027]与倾斜角相关的参数：
[0028]优选的，在所述步骤S1和S2中，得到倾斜三相导体电流与其在空间中所产生的磁场关系的数学模型；由公式(2)，含有的未知变量数为15，分别为导体倾斜角αi,βi(i＝1,2,3)，导体的坐标位置x
ci
,y
ci
以及各相导体的电流I
i
；采用6个三维磁场传感器，测量得到18个磁场分量，由叠加定理确定18个方程；采用进化算法进行多目标寻优时，非线性问题所满足的约束条件：
[0029][0030]其中，MAX
current
,MAX
current
分别为导体允许流过的电流，导体所在限制区域的最大半径；
[0031]涉及的目标函数为
[0032]其中，B
i，x
,B
i，y
，B
i，z
为计算得到的磁场测量值，同时添加一个惩罚项，并将惩罚因子设置为1000，以要求所计算的电流不能超过允许值；进化算法的目的就是通过群体的进化迭代得到最优个体，使目标函数的值尽量小。
[0033]优选的，所述步骤S4中，确定几何参数α1,β1,x
c1
,y
c1
,α2,β2,x
c2
,y
c2
,α3,β3,x
c3
,y
c3
后，计算电流：
[0034][I]3×1＝pseudo([M]18
×3)[B]18
×1；其中，[B]18
×1为磁场测得的磁通密度，[I]3×1为流经导体的电流，[M]18
×3为系数矩阵。
[0035]本专利技术提供一种电流测量方法，适用于上述装置，包括：通过所述电流传感器获取待测试导体在通电时产生的磁场；通过数据采集卡获取所述电流传感器输出的数据并上传至所述上位机。
[0036]本专利技术的有益效果为：不含铁芯，有效避免了磁芯饱和带来的信号畸变的问题；结构简单，体积小，便于安装；属于非接触的测量方法，无需断电后安装。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电流测量装置，其特征在于，包括：电流传感器，包括设置在PCB板上的磁场检测组件和差分放大器，其中，所述电流传感器呈圆环形结构，多根导体由中空圆孔穿过，导体电流在空间产生的磁场由所述磁场检测组件测量得到；所述磁场检测组件包括6个TMR三维磁场传感器，呈均匀的圆周分布，对应的，以所述电流传感器的中心作为坐标原点，建立三维的笛卡尔坐标系，TMR三维磁场传感器所测三个磁场分量分别朝向x,y,z轴方向；所述TMR三维磁场传感器的输出信号以差动模式输出，为抑制共模干扰，后续信号处理电路将传感器输出信号差分放大转化为单端信号后，再以差分方式输出，保证信号都以差分方式传输；所述差动放大器包括2个运算放大器，分别记为第一放大器和第二放大器，所述磁场传感器的输出信号为差分模式，所述第一放大器以差分方式接收所述输出信号，并以一定增益放大，从而将双端信号转化为单端信号；然后所述第二放大器将所述单端信号再转化为双端信号，以差分模式输出；所述电流传感器连接所述数据采集卡，所述数据采集卡连接所述上位机；所述上位机系统与数据采集卡进行数据传输，后续利用所采集的磁场数据进行逆问题计算来求解流经各相导体的电流，同时将数据可视化。2.根据权利要求1所述电流测量装置，其特征在于，所述数据采集卡为32路单端或16路差分模拟输入，采样率为100kS/s，采用16路差分模拟输入模式；通过2个所述数据采集卡以采集6个所述TMR磁场传感器的18路输出信号，并将信号显示在所述上位机；所述上位机基于逆问题计算来求解流经各相导体的电流，还用于将数据可视化。3.根据权利要求2所述电流测量装置，其特征在于，导体电流与其所产生磁场的关系式：其中，当系数矩阵确定后，电流I通过磁场B乘以系数矩阵M的伪逆得到。4.根据权利要求3所述电流测量装置，其特征在于，校准过程包括：步骤S1、根据无限长导体在空间产生的磁场与电流的关系，当单根导体与磁场传感器阵列倾斜时，建立流经导体的电流与空间磁场的数学模型；步骤S2、由步骤S1所得结果，利用叠加原理，得到三相倾斜导体与空间磁场的数学模型；步骤S3、由所述磁场检测组件测量空间6个点的三维磁场分量；步骤S4、利用步骤S3所测磁场值，并结合步骤S2的逆问题模型，采用进化算法逆推各导体的坐标位置、倾斜角和流经导体的电流；步骤S5、由步骤S4得到的导体坐标位置和倾斜角计算系数矩阵M，最终完成所述电流传感器的校准过程。5.根据权利要求4所述电流测量装置，其特征在于，所述步骤S1中，计算公式为：
其中，B
s
,B
s，x
,B
s，y
,B
s，z
分别为空间某一点处的合成磁场在x,y,z方向的磁场分量，x
s
,y
s
为磁场传感器阵列所...

【专利技术属性】
技术研发人员：周柯，金庆忍，王晓明，卢柏桦，莫枝阅，张维，
申请(专利权)人：广西电网有限责任公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：