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)的電流測量系統(tǒng)。并有針對性地開展模塊設(shè)計，并完成了基于磁阻效應(yīng)的電流傳感器硬件電路研發(fā)和測試形成一套完整的微型智能傳感器設(shè)計方案，將大大提升將來各類微型智能傳感器的研發(fā)效率。實現(xiàn)電網(wǎng)中電流、電壓、溫濕度等環(huán)境量的測量，為智能電網(wǎng)運行提供更全面、實時的信息支撐，進而為開展快速的電力系統(tǒng)故障辨識和定位、實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的繼電保護以及實時動態(tài)安全分析、智能電網(wǎng)運行提供更全面、實時的信息支撐，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，國內(nèi)外智能電網(wǎng)的研究與實踐表明先進的傳感測量技術(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)李立浧院士團隊提出了智能電網(wǎng)的升級版—— 透明電網(wǎng)。透明電網(wǎng)的概念將傳感測量技術(shù)作為支撐技術(shù)，并認為廣泛部署在電力系統(tǒng)各個環(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)，進一步實現(xiàn)智能電網(wǎng)透明化的基礎(chǔ)，感知關(guān)鍵節(jié)點的電流值作為構(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)測電流，但傳統(tǒng)的電流互感器功能單一，只能測量工頻電壓、電流信號，且體積笨重，大電流時必須防止鐵芯飽和，且無法測量高頻電流、不適合更廣范圍應(yīng)用;而且現(xiàn)有配網(wǎng)對電流，電壓等數(shù)據(jù)采集還沒有達到實時采樣頻率，并且基于傳統(tǒng)設(shè)備的特性，采樣節(jié)點的關(guān)鍵、必要、廣泛分布還存在較大實施難度。在人民對用電的質(zhì)量要求越來越高的需求下，現(xiàn)有電網(wǎng)節(jié)點分布廣，小電源上網(wǎng)量大，而現(xiàn)有配網(wǎng)自動化因保護配置限制和實際地形安裝難度等原因，目前尚無傳感器對線路及其設(shè)備進行全面的實時監(jiān)控;線路中的故障定位系統(tǒng)，功能單一，無法實現(xiàn)定量測量。由于現(xiàn)有電壓、電流和非電量量測手段已經(jīng)難以滿足智能電網(wǎng)全面、實時感知信息的基本需求，亟須研制新型的微型智能傳感器。

1? 磁阻電流傳感器測量原理

近年來，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量、電力電子器件的渦流測量、小電流測量等領(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、多參數(shù)量測等優(yōu)點，有望得到普遍應(yīng)用，實現(xiàn)配用網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點電流信息的感知，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)對磁場進行感應(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量的核心模塊，通過對導(dǎo)線周圍磁場信號的測量間接完成電流測量工作。

研究中主要針對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）測量及20 kA級別異常電流（暫態(tài)電流）測量，同時要求傳感器有較高的帶寬（>1 MHz），因此需要選取寬磁場測量范圍，高頻響的磁阻芯片。

利用已選擇磁阻芯片，對電流進行測量，測量圖如圖1所示。

當(dāng)傳感器需要滿足多個量程測量或需要測量穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電流時，可通過多個芯片實現(xiàn)不同量程的電流測量。在具體分析中，以穩(wěn)態(tài)1 000 A，暫態(tài)20 kA電流進行設(shè)計分析。

如圖1所示，傳感器所在平面通過結(jié)構(gòu)設(shè)計與導(dǎo)線垂直，母線電流I，A、B、C為3個磁場芯片位置，選取A、B傳感器飽和磁場低，C芯片飽和磁場高。1 000 A量程穩(wěn)態(tài)電流由A、B傳感器聯(lián)合測量，20 kA過電流由B、C傳感器聯(lián)合測量，其中A、C為單軸傳感器，B為雙軸傳感器，磁場方向如圖 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、無線處理模塊（藍牙）、數(shù)字處理芯片、單個器件功耗，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，通過測量導(dǎo)線附近磁場完成電流測量，需通過結(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。針對微型電流傳感器的實際應(yīng)用場景，采用有限元分析方法對實際的外殼結(jié)構(gòu)進行仿真分析。

粘貼式微型傳感器電場分布特點與電勢分布較相似，粘貼于10 kV電纜工作時的表面電場較大，電場最大點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強理論值為3×106 mV/mm，因此該外殼結(jié)構(gòu)不會引起放電。遠離電纜的表面和微型傳感器內(nèi)部電場分針對靠近電纜的表面和表面相交處等電場較大的區(qū)域，可通過選擇介電性能優(yōu)異的材料并加厚防護材料，加大表面接觸處的弧度，從而降低電場值;同時在傳感器內(nèi)部加裝金屬防護罩，均勻內(nèi)部電勢分布，從而保護內(nèi)部電路。

粘貼式電流傳感器通信方向。近距離無線傳輸技術(shù)最主要的需求就是無線傳輸速率及低功耗。電流傳感器嵌入式軟件采用C語言開發(fā)，軟件的核心是測量電流，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現(xiàn)波形實時采集和有效值計算功能。波形采集通過A/D采集和快速存儲實現(xiàn)，而常見的有效值測量方式有兩種：（1）將信號整流濾波轉(zhuǎn)換為直流信號，然后采集直流電壓的值，通過公式等效為信號的有效值;（2）將采集信號完整的一個周期點采集記錄下來每個點，然后通過平方累加和除以點的個數(shù)，再開平方及可得到信號的有效值，具體算法就不在這里詳細分析。

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、多參數(shù)量測等優(yōu)點，解決了微型電流傳感器研發(fā)的關(guān)鍵問題，為后續(xù)項目的開展提供了有力保障。在實驗和試點中，傳感器仍存在較大改進空間，可進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。

參考文獻

[1] 李立浧，張勇軍，陳澤興.智能電網(wǎng)與能源網(wǎng)融合的模式及其發(fā)展前景[J].電力系統(tǒng)自動化，2016，40（11）：1-9.

[2] 楊慶，孫尚鵬，司馬文霞，等.面向智能電網(wǎng)的先進電壓電流傳感方法研究進展[J].高電壓技術(shù)，2019，45（2）：349-367.

[3] 王興隆，劉瑞敏，仝杰，等.巨磁電阻電流傳感器空間位置特性調(diào)控與校正[J].傳感器與微系統(tǒng)，2018，37（1）：25-28.

[4] 賈騰.直流大電流精確測量技術(shù)綜述[J].通信電源技術(shù)，2018，35（5）：97-98.

[5] 邸志剛，孫騰飛.電子式電流互感器發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[J].儀表技術(shù)，2019（5）：37-40，44.

[6] 王善祥，王中旭，胡軍，等.基于巨磁阻效應(yīng)的高壓寬頻大電流傳感器及其抗干擾設(shè)計[J].高電壓技術(shù)，2016，42（6）：1715-1723.

[7] 胡軍，趙帥，歐陽勇，等.基于巨磁阻效應(yīng)的高性能電流傳感器及其在智能電網(wǎng)的量測應(yīng)用[J].高電壓技術(shù)，2017（7）：188-196.

[8] 姜雪松，王鷹.電磁兼容與PCB設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.