微型化智能電流傳感器在配網(wǎng)系統(tǒng)的可行性研究

李智斌

摘? 要：研究基于磁電阻原理的電流測(cè)試方法，提出基于單芯片、雙軸、多軸磁阻、磁阻陣列等架構(gòu)的電流測(cè)量系統(tǒng)。并有針對(duì)性地開展模塊設(shè)計(jì)，并完成了基于磁阻效應(yīng)的電流傳感器硬件電路研發(fā)和測(cè)試形成一套完整的微型智能傳感器設(shè)計(jì)方案，將大大提升將來(lái)各類微型智能傳感器的研發(fā)效率。實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)中電流、電壓、溫濕度等環(huán)境量的測(cè)量，為智能電網(wǎng)運(yùn)行提供更全面、實(shí)時(shí)的信息支撐，進(jìn)而為開展快速的電力系統(tǒng)故障辨識(shí)和定位、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的繼電保護(hù)以及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)安全分析、智能電網(wǎng)運(yùn)行提供更全面、實(shí)時(shí)的信息支撐，為智能電網(wǎng)的透明化奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：智能? 微型? 電流傳感器? 配網(wǎng)系統(tǒng)

Abstract： Research on current measurement methods based on the principle of magnetoresistance， and propose a current measurement system based on single-chip， dual-axis， multi-axis magnetoresistance， and magnetoresistance array architecture. And targeted the module design and completed the current sensor hardware circuit development and testing based on the magnetoresistance effect to form a complete micro smart sensor design plan， which will greatly improve the research and development efficiency of various micro smart sensors in the future. Realize the measurement of environmental variables such as current， voltage， temperature and humidity in the power grid， provide more comprehensive and real-time information support for the operation of the smart grid， and then develop rapid power system fault identification and location， realize networked relay protection and real-time dynamics， provide more comprehensive and real-time information support for security analysis and smart grid operation， laying the foundation for the transparency of smart grid.

Key Words： Smart; Micro; Current sensor; Distribution network system

智能電網(wǎng)發(fā)展至今已有十余年，國(guó)內(nèi)外智能電網(wǎng)的研究與實(shí)踐表明先進(jìn)的傳感測(cè)量技術(shù)是智能電網(wǎng)必不可少的要素。發(fā)展智能電網(wǎng)有助于提高供電質(zhì)量構(gòu)建靈活、穩(wěn)定、安全、節(jié)能的能源網(wǎng)絡(luò)。南方電網(wǎng)李立浧院士團(tuán)隊(duì)提出了智能電網(wǎng)的升級(jí)版—— 透明電網(wǎng)。透明電網(wǎng)的概念將傳感測(cè)量技術(shù)作為支撐技術(shù)，并認(rèn)為廣泛部署在電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的各種傳感器是透明電網(wǎng)的感知層和神經(jīng)末梢，是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)透明化的物理基礎(chǔ)和先決條件。

構(gòu)建覆蓋電網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電網(wǎng)“神經(jīng)系統(tǒng)”（感知系統(tǒng)）是發(fā)展智能電網(wǎng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)透明化的基礎(chǔ)，感知關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電流值作為構(gòu)建電網(wǎng)“神經(jīng)系統(tǒng)”的關(guān)鍵;目前在傳統(tǒng)電網(wǎng)的電流量采集上主要采用電流互感器監(jiān)測(cè)電流，但傳統(tǒng)的電流互感器功能單一，只能測(cè)量工頻電壓、電流信號(hào)，且體積笨重，大電流時(shí)必須防止鐵芯飽和，且無(wú)法測(cè)量高頻電流、不適合更廣范圍應(yīng)用;而且現(xiàn)有配網(wǎng)對(duì)電流，電壓等數(shù)據(jù)采集還沒(méi)有達(dá)到實(shí)時(shí)采樣頻率，并且基于傳統(tǒng)設(shè)備的特性，采樣節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵、必要、廣泛分布還存在較大實(shí)施難度。在人民對(duì)用電的質(zhì)量要求越來(lái)越高的需求下，現(xiàn)有電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分布廣，小電源上網(wǎng)量大，而現(xiàn)有配網(wǎng)自動(dòng)化因保護(hù)配置限制和實(shí)際地形安裝難度等原因，目前尚無(wú)傳感器對(duì)線路及其設(shè)備進(jìn)行全面的實(shí)時(shí)監(jiān)控;線路中的故障定位系統(tǒng)，功能單一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)定量測(cè)量。由于現(xiàn)有電壓、電流和非電量量測(cè)手段已經(jīng)難以滿足智能電網(wǎng)全面、實(shí)時(shí)感知信息的基本需求，亟須研制新型的微型智能傳感器。

1? 磁阻電流傳感器測(cè)量原理

近年來(lái)，隨著基于磁阻效應(yīng)的磁電阻傳感器技術(shù)的逐漸成熟，基于磁電阻效應(yīng)的電流傳感器已成功應(yīng)用于印刷電路板的電流測(cè)量、電力電子器件的渦流測(cè)量、小電流測(cè)量等領(lǐng)域，具有體積小、靈敏度高、低功耗、低成本、溫度穩(wěn)定性好、不受交流/直流限制、適用范圍廣、易維護(hù)、多參數(shù)量測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，有望得到普遍應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)配用網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電流信息的感知，構(gòu)建電網(wǎng)“神經(jīng)系統(tǒng)”。

采用磁阻芯片設(shè)計(jì)電流傳感模塊，磁阻芯片利用的是磁性多層膜材料的磁電阻效應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)，具有較大的電阻變化率。磁阻芯片具有良好的溫度穩(wěn)定性，高靈敏度，低功耗，良好的線性度，更寬的測(cè)量范圍，不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)。

電流傳感模塊是電流測(cè)量的核心模塊，通過(guò)對(duì)導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)信號(hào)的測(cè)量間接完成電流測(cè)量工作。

研究中主要針對(duì)1 000 A穩(wěn)態(tài)大電流（交流額定電流0～1 kA RMS，直流-1～+1 kA）測(cè)量及20 kA級(jí)別異常電流（暫態(tài)電流）測(cè)量，同時(shí)要求傳感器有較高的帶寬（>1 MHz），因此需要選取寬磁場(chǎng)測(cè)量范圍，高頻響的磁阻芯片。

利用已選擇磁阻芯片，對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量圖如圖1所示。

當(dāng)傳感器需要滿足多個(gè)量程測(cè)量或需要測(cè)量穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電流時(shí)，可通過(guò)多個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)不同量程的電流測(cè)量。在具體分析中，以穩(wěn)態(tài)1 000 A，暫態(tài)20 kA電流進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

如圖1所示，傳感器所在平面通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與導(dǎo)線垂直，母線電流I，A、B、C為3個(gè)磁場(chǎng)芯片位置，選取A、B傳感器飽和磁場(chǎng)低，C芯片飽和磁場(chǎng)高。1 000 A量程穩(wěn)態(tài)電流由A、B傳感器聯(lián)合測(cè)量，20 kA過(guò)電流由B、C傳感器聯(lián)合測(cè)量，其中A、C為單軸傳感器，B為雙軸傳感器，磁場(chǎng)方向如圖 1所示，傳感器垂直間距d，傳感器距離導(dǎo)線中心距離分別為r、l、l。

2? 粘貼式電流傳感器

利用磁阻芯片設(shè)計(jì)電流傳感模塊制作的粘貼式電流傳感器，主要器件包括AD器件、電源模塊、無(wú)線處理模塊（藍(lán)牙）、數(shù)字處理芯片、單個(gè)器件功耗，粘貼式電流傳感器和開合式電流傳感器相比，省去了主控，將主控和無(wú)線傳輸功能集成，選用nRF52832。電阻電容器件精度建議在10%以內(nèi)。

粘貼式結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是比較靈活，不受地形環(huán)境及安裝位置限制，可帶電安裝，腔體內(nèi)部為電流傳感器系統(tǒng)，粘貼式結(jié)構(gòu)同樣采用非接觸式設(shè)計(jì)，通過(guò)測(cè)量導(dǎo)線附近磁場(chǎng)完成電流測(cè)量，需通過(guò)結(jié)構(gòu)與導(dǎo)線建立穩(wěn)定位置關(guān)系，其外觀平滑美觀。

智能微傳感器采用非接觸式測(cè)量技術(shù)，外殼和導(dǎo)線接觸處采用非金屬接觸，可以起到絕緣作用。針對(duì)微型電流傳感器的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，采用有限元分析方法對(duì)實(shí)際的外殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。

粘貼式微型傳感器電場(chǎng)分布特點(diǎn)與電勢(shì)分布較相似，粘貼于10 kV電纜工作時(shí)的表面電場(chǎng)較大，電場(chǎng)最大點(diǎn)處于傳感器兩表面相交處，最大值為6×105 V/m，空氣域最大耐擊穿場(chǎng)強(qiáng)理論值為3×106 mV/mm，因此該外殼結(jié)構(gòu)不會(huì)引起放電。遠(yuǎn)離電纜的表面和微型傳感器內(nèi)部電場(chǎng)分針對(duì)靠近電纜的表面和表面相交處等電場(chǎng)較大的區(qū)域，可通過(guò)選擇介電性能優(yōu)異的材料并加厚防護(hù)材料，加大表面接觸處的弧度，從而降低電場(chǎng)值;同時(shí)在傳感器內(nèi)部加裝金屬防護(hù)罩，均勻內(nèi)部電勢(shì)分布，從而保護(hù)內(nèi)部電路。

粘貼式電流傳感器通信方向。近距離無(wú)線傳輸技術(shù)最主要的需求就是無(wú)線傳輸速率及低功耗。電流傳感器嵌入式軟件采用C語(yǔ)言開發(fā)，軟件的核心是測(cè)量電流，并將電流數(shù)據(jù)傳輸至通信中繼。為有效降低微型電流傳感器功耗，在穩(wěn)態(tài)工況下盡量減少數(shù)據(jù)量傳送，故在傳感器終端上將實(shí)現(xiàn)波形實(shí)時(shí)采集和有效值計(jì)算功能。波形采集通過(guò)A/D采集和快速存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)，而常見(jiàn)的有效值測(cè)量方式有兩種：（1）將信號(hào)整流濾波轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，然后采集直流電壓的值，通過(guò)公式等效為信號(hào)的有效值;（2）將采集信號(hào)完整的一個(gè)周期點(diǎn)采集記錄下來(lái)每個(gè)點(diǎn)，然后通過(guò)平方累加和除以點(diǎn)的個(gè)數(shù)，再開平方及可得到信號(hào)的有效值，具體算法就不在這里詳細(xì)分析。

3? 后續(xù)發(fā)展和展望

基于磁電阻效應(yīng)的電流傳感器具有體積小、靈敏度高、低功耗、低成本、溫度穩(wěn)定性好、不受交流/直流限制、適用范圍廣、易維護(hù)、多參數(shù)量測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，解決了微型電流傳感器研發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題，為后續(xù)項(xiàng)目的開展提供了有力保障。在實(shí)驗(yàn)和試點(diǎn)中，傳感器仍存在較大改進(jìn)空間，可進(jìn)一步開展微型傳感器功耗、精度優(yōu)化和抗干擾技術(shù)研究，提高傳感器的可靠性、測(cè)量精度和抗干擾能力。目前傳感器室內(nèi)應(yīng)用主要采用CT供電，目前取電范圍還有待進(jìn)一步優(yōu)化，提高傳感器適用范圍;另一外面，應(yīng)深入開展能量收集技術(shù)研究，如無(wú)線供電等技術(shù)，為微型傳感器提供更多樣的供電解決方案。

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