开关柜母线电流监测方法与流程

1.本发明属于开关柜监测技术领域，具体涉及开关柜母线电流监测方法。


背景技术：

2.随着智能电网建设的不断推进，电网对于各种能够实现检测与控制电气设备产生了极大的需求，而实现智能电网实时监测和控制的前提条件便是要有先进的传感和测量技术作为支撑，现有技术中，开关柜或者环网柜电缆出线等导体的电流测量均采用接触式或者非接触式两种测量方式，其中，接触式存在需要与被测导体进行电气连接，这种方式不仅破坏了原导体的线路结构，使得开关柜或者环网柜电缆出线存在不确定的运行安全风险，更为重要是：在接触式测量的过程中对于工作人员的人身造成极大的安全隐患；而现有的非接触式测量设备中，由于三项电流之间的磁场相互影响，存在磁场干扰大，测量结果不准确的缺陷；因此，提供一种结构简单、不受磁场干扰、测量结果准确、精度高、成本低的开关柜母线电流监测方法是非常有必要的。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种结构简单、不受磁场干扰、测量结果准确、精度高、成本低的开关柜母线电流监测方法。
4.本发明的目的是这样实现的：开关柜母线电流监测方法，它包括状态诊断监测系统，所述的状态诊断监测系统包括温度监测单元、电流监测单元、计算单元和诊断单元，所述的温度监测单元包括各分室外表面实测温度传感器和柜体环境实测温度传感器，所述的电流监测单元连接有多个智能传感器，各个所述的智能传感器均连接有多个磁传感器，所述的磁传感器包括tmr磁阻效应传感器和静磁屏蔽，所述tmr磁阻效应传感器分别设置于开关柜三相母线上，所述的智能传感器包括数据感知及采集模块、补偿与校正模块、数据处理模块、数据网络通信模块、人机界面、任务管理与调度模块和供电模块，所述的tmr磁阻效应传感器用于检测其安装处开关柜各相母线的电流，并将检测到的电流数据传输给与其相对应的所述的智能传感器，所述的智能传感器将其收集到的各磁传感器传输的检测数据传输给电流监测单元，所述的电流监测单元将其接收到的检测数据传输给所述的状态诊断监测系统。
5.所述的方法包括以下步骤：
6.步骤1)：分别在靠近a相、b相、c相母排安装磁传感器；
7.步骤2)：建立电流测量磁传感器阵列拓扑模型；
8.步骤3)：基于磁场的线性和叠加性测量电流；
9.步骤4)：计算出对应的磁传感器电流测量的感应系数矩阵；
10.步骤5)：通过测量磁传感器的电压输出值，求得母线上的实际电流值；
11.步骤6)：磁传感器将数据上传至智能传感器中，经智能传感器汇总后上传至电流监测单元；
12.步骤7)：利用ansys对开关柜内磁场分布情况进行模拟仿真；
13.步骤8)：根据磁场分布建立相关的交直流测量数学模型；
14.步骤9)：计算单元通过采集的电流数据分析计算出电流值；
15.步骤10)：诊断单元根据步骤9)计算的电流值对磁传感器阵列拓扑模型进行验证，并根据步骤6)上传的汇总数据信息诊断当前设备状态。
16.所述的温度监测单元通过各个分室外表面实测温度传感器、柜体环境实测温度传感器收集温度信号，并将其接收到的信号数据传输给所述的状态诊断监测系统以用于计算温度数据处理后的温度变化趋势，即温升。
17.所述的供电模块的可选供电方式包括电池供电方式、激光供能方式、太阳能供电方式、电磁感应取电方式和能量收集芯片功能方式。
18.所述的tmr磁阻效应传感器是在电气绝缘的状态下，利用电流所产生的磁场来检测电流，当导体中存在电流i
p
时，在导体的周围就会产生一个环绕导体的、与电流成比例的磁场，tmr磁阻效应传感器通过检测磁场的磁场强度，生成与磁场呈线性关系的电信号输出v
out
，完成测量用磁信号到电信号的转换，tmr磁阻效应传感器测量电流的原理具体为：当开关柜通过工频电流时，柜内通常会产生旋转磁场，并以柜内母排为中心，距离母排较近的某一点的磁场强度大小与母排上流过的电流近似呈正比，与该点到母排的垂直距离近似呈反比，表示为b
∝
i/d，即可将tmr磁阻效应传感器所在点的磁场强度表示为：b＝k1·
i/d(1)，式中，d为tmr磁阻效应传感器到母排的垂直距离，i为母排上流过的电流大小，k1为常数，在线性测量范围内，tmr磁阻效应传感器的输出电压值与输入磁场强度是满足线性关系的，因此，可以将输出电压表示为u＝k2·
b(2)，式中，u为tmr磁阻效应传感器输出电压的最大值，k2为可测常数，结合式(1)和式(2)可知tmr磁阻效应传感器的实际电流值与输出电压值之间必定满足线性关系：u＝c
·
i/d，式中，c为可测常系数，可通过电流标定确定，在确定tmr磁阻效应传感器输入输出关系式中系数c的值时，对输出电压进行相应处理就可得到电流大小，实现对电流的测量。
19.所述的tmr磁阻效应传感器采用包含两组磁敏感方向相反的非屏蔽高灵敏度tmr元件的推挽式惠斯通全桥结构。
20.所述的静电屏蔽是利用基于毕奥-萨伐尔定律和安培环路定理的坡莫合金高导磁材料制作的屏蔽，将干扰磁场与被保护区域或元件隔开，防止静磁场或小于100khz的低频进入到需要保护的区域或影响受保护的磁敏感元件。
21.所述的步骤2)中建立电流测量磁传感器阵列拓扑模型具体为：开关柜的三相母排可看成是平行的铜排，铜排与铜排之间以及铜排与磁传感器之间的位置关系可表示为以a相母排的截面左边缘端点作为三维坐标系统(x,y,z)的原点，假设每相母排的宽度为c，厚度为d，相邻两相母排间的距离为l，靠近每相母排安装磁传感器，并假设每相对应的磁传感器到该相母排的距离为b，到该相母排左侧边缘的距离为a，因此，a,b两个参数决定了磁传感器阵列拓扑的结构，母排间的间距l、各相母排的实际宽度d以及厚度可根据实际应用的开关柜测量得出。
22.所述的步骤3)中基于磁场的线性和叠加性测量电流，具体为：应用磁传感器阵列测量电流的基本前提是磁场的线性和叠加性，包括空间上和频率上的线性叠加性，空间上的线性叠加性是指电流在空间内指定一点产生的磁场强度与电流的强度成线性关系，而且
对于多相电流，该点的磁场强度是各相电流所产生的磁场强度在该点的矢量叠加；频率线性是指对于空间内的指定点，特定频率电流在该点的磁感应系数为某一特定值，对于已知频率和相位的电流，在特定点处产生的感生磁场与其同频同相，即该特定点处的磁场为给定电流各频率分量在该点感生磁场的叠加。
23.所述的步骤4)中的计算出对应的磁传感器电流测量的感应系数矩阵以及所述的步骤5)中通过测量磁传感器的电压输出值，求得母线上的实际电流值，具体为：a、b、c三相母线周围均有磁场分布，母线室内空间内任一点磁场强度均是a、b、c三相磁场矢量叠加的结果，磁传感器所测得的磁场强度是三相母线产生磁场在该点的矢量和，磁传感器到母线垂直距离d一定时，tmr磁阻效应传感器输出值为u＝c
·
i，假设三相电流对称，因而每一个磁传感器测得的电压输出值为：式中，c
ij
表示i号传感器在j号母排处电压值，将上式写成矩阵形式为：式中为磁传感器电流测量的感应系数矩阵，其值可采用逐相单独通电流采集三相磁传感器的输出，计算出对应的感应系数，例如先对a相母排进行单独通电，b、c两相断开，根据三相磁传感器的电压输出信号可计算出c
11
、c
12
、c
13
的值，同样的，可计算出另外两组向量的值，最后得到系数矩阵c的值；得到系数矩阵c之后，通过测量磁传感器的电压输出值，求得母线上实际电流值，由于系数矩阵要保证其可逆性，因而通过采取系数矩阵与其转置矩阵相乘的方法保证其可逆性：即i＝[c
t
·
c]-1ct
·
u。
[0024]
本发明的有益效果：本发明为对开关柜母线电流的监测方法，在使用中，分别在靠近a相、b相、c相母排安装磁传感器，建立电流测量磁传感器阵列拓扑模型，基于磁场的线性和叠加性测量电流，计算出对应的磁传感器电流测量的感应系数矩阵，通过测量磁传感器的电压输出值，求得母线上的实际电流值，磁传感器将数据上传至智能传感器中，经智能传感器汇总后上传至电流监测单元，利用ansys对开关柜内磁场分布情况进行模拟仿真，根据磁场分布建立相关的交直流测量数学模型，计算单元通过采集的电流数据分析计算出电流值，诊断单元根据计算的电流值对磁传感器阵列拓扑模型进行验证，并根据上传的汇总数据信息诊断当前设备状态；智能传感器中的数据感知及采集模块负责数据采集、补偿与校正模块负责数据的模数转换、数据处理模块负责控制整个节点的操作，存储和处理自身采
集的数据和其他节点发来的数据、数据网络通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信，收发控制信息和感知数据、人机界面提供人机交互、任务管理与调度模块负责发布及调整工作任务、供电模块整个节点提供运行所需的能量，可采用多种供电方式，保证功能稳定可靠；温度监测单元的各分室外表面实测温度传感器、柜体环境实测温度传感器负责收集开关柜的温度信号，以用于计算温升，便于状态诊断系统通过温度及监测到的电流数据分析诊断设备状态、计算单元基于传感器阵列拓扑模型计算出相应母线的电流、诊断单元根据汇总数据信息来诊断分析当前设备状态；本发明采用tmr磁阻效应传感器基于磁传感器阵列拓扑模型实现对开关柜母线电流的非接触式测量，避免对开关柜线路造成影响以及安全隐患，并通过静磁屏蔽有效的去除开关柜三相磁场的互相干扰，确保测量精度，本发明从温度和母线电流两个维度判别开关柜母线的运行状态，实现开关柜母线电流及开关柜温度的双参量监测，实现对开关柜母线电流状态的实时监测，提升了开关柜母线的监测能力，有效提升了开关柜的安全运行水平；本发明具有结构简单、不受磁场干扰、测量结果准确、精度高、成本低的优点。
附图说明
[0025]
图1为本发明的状态诊断监测系统结构示意图。
[0026]
图2为本发明的温度监测单元组成结构示意图。
[0027]
图3为本发明的智能传感器组成结构示意图。
[0028]
图4为本发明的供电模块的可选供电方式示意图。
[0029]
图5为本发明的tmp磁阻效应(四阵列)传感器结构示意图。
[0030]
图6为本发明的平行磁传感器阵列拓扑模型结构示意图。
[0031]
图7为本发明的流程图。
[0032]
图中：1、状态诊断监测系统 2、温度监测单元 21、各分室外表面实测温度传感器 22、柜体环境实测温度传感器 3、电流监测单元 4、计算单元 5、诊断单元 6、智能传感器 61、数据感知及采集模块 62、补偿与校正模块 63、数据处理模块 64、数据网络通信模块 65、人机界面 66、任务管理与调度模块 67、供电模块 7、磁传感器 71、tmr磁阻效应传感器 72、静磁屏蔽。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
[0034]
实施例1
[0035]
如图1-7所示，开关柜母线电流监测方法，它包括状态诊断监测系统1，所述的状态诊断监测系统1包括温度监测单元2、电流监测单元3、计算单元4和诊断单元5，所述的温度监测单元2包括各分室外表面实测温度传感器21和柜体环境实测温度传感器22，所述的电流监测单元3连接有多个智能传感器6，各个所述的智能传感器6均连接有多个磁传感器7，所述的磁传感器7包括tmr磁阻效应传感器71和静磁屏蔽72，所述tmr磁阻效应传感器71分别设置于开关柜三相母线上，所述的智能传感器6包括数据感知及采集模块61、补偿与校正模块62、数据处理模块63、数据网络通信模块64、人机界面65、任务管理与调度模块66和供电模块67，所述的tmr磁阻效应传感器71用于检测其安装处开关柜各相母线的电流，并将检
测到的电流数据传输给与其相对应的所述的智能传感器6，所述的智能传感器6将其收集到的各磁传感器7传输的检测数据传输给电流监测单元3，所述的电流监测单元3将其接收到的检测数据传输给所述的状态诊断监测系统1。
[0036]
本发明为对开关柜母线电流的监测方法，在使用中，分别在靠近a相、b相、c相母排安装磁传感器7，建立电流测量磁传感器阵列拓扑模型，基于磁场的线性和叠加性测量电流，计算出对应的磁传感器电流测量的感应系数矩阵，通过测量磁传感器7的电压输出值，求得母线上的实际电流值，磁传感器7将数据上传至智能传感器6中，经智能传感器6汇总后上传至电流监测单元3，利用ansys对开关柜内磁场分布情况进行模拟仿真，根据磁场分布建立相关的交直流测量数学模型，计算单元4通过采集的电流数据分析计算出电流值，诊断单元5根据计算的电流值对磁传感器阵列拓扑模型进行验证，并根据上传的汇总数据信息诊断当前设备状态；智能传感器6中的数据感知及采集模块61负责数据采集、补偿与校正模块62负责数据的模数转换、数据处理模块63负责控制整个节点的操作，存储和处理自身采集的数据和其他节点发来的数据、数据网络通信模块64负责与其它传感器节点进行无线通信，收发控制信息和感知数据、人机界面65提供人机交互、任务管理与调度模块66负责发布及调整工作任务、供电模块67整个节点提供运行所需的能量，可采用多种供电方式，保证功能稳定可靠；温度监测单元2的各分室外表面实测温度传感器21、柜体环境实测温度传感器22负责收集开关柜的温度信号，以用于计算温升，便于状态诊断系统1通过温度及监测到的电流数据分析诊断设备状态、计算单元4基于传感器阵列拓扑模型计算出相应母线的电流、诊断单元5根据汇总数据信息来诊断分析当前设备状态；本发明采用tmr磁阻效应传感器71基于磁传感器阵列拓扑模型实现对开关柜母线电流的非接触式测量，避免对开关柜线路造成影响以及安全隐患，并通过静磁屏蔽72有效的去除开关柜三相磁场的互相干扰，确保测量精度，本发明从温度和母线电流两个维度判别开关柜母线的运行状态，实现开关柜母线电流及开关柜温度的双参量监测，实现对开关柜母线电流状态的实时监测，提升了开关柜母线的监测能力，有效提升了开关柜的安全运行水平；本发明具有结构简单、不受磁场干扰、测量结果准确、精度高、成本低的优点。
[0037]
实施例2
[0038]
如图1-7所示，开关柜母线电流监测方法，它包括状态诊断监测系统1，所述的状态诊断监测系统1包括温度监测单元2、电流监测单元3、计算单元4和诊断单元5，所述的温度监测单元2包括各分室外表面实测温度传感器21和柜体环境实测温度传感器22，所述的电流监测单元3连接有多个智能传感器6，各个所述的智能传感器6均连接有多个磁传感器7，所述的磁传感器7包括tmr磁阻效应传感器71和静磁屏蔽72，所述tmr磁阻效应传感器71分别设置于开关柜三相母线上，所述的智能传感器6包括数据感知及采集模块61、补偿与校正模块62、数据处理模块63、数据网络通信模块64、人机界面65、任务管理与调度模块66和供电模块67，所述的tmr磁阻效应传感器71用于检测其安装处开关柜各相母线的电流，并将检测到的电流数据传输给与其相对应的所述的智能传感器6，所述的智能传感器6将其收集到的各磁传感器7传输的检测数据传输给电流监测单元3，所述的电流监测单元3将其接收到的检测数据传输给所述的状态诊断监测系统1。
[0039]
所述的方法包括以下步骤：
[0040]
步骤1)：分别在靠近a相、b相、c相母排安装磁传感器7；
[0041]
步骤2)：建立电流测量磁传感器阵列拓扑模型；
[0042]
步骤3)：基于磁场的线性和叠加性测量电流；
[0043]
步骤4)：计算出对应的磁传感器7电流测量的感应系数矩阵；
[0044]
步骤5)：通过测量磁传感器7的电压输出值，求得母线上的实际电流值；
[0045]
步骤6)：磁传感器7将数据上传至智能传感器6中，经智能传感器6汇总后上传至电流监测单元3；
[0046]
步骤7)：利用ansys对开关柜内磁场分布情况进行模拟仿真；
[0047]
步骤8)：根据磁场分布建立相关的交直流测量数学模型；
[0048]
步骤9)：计算单元4通过采集的电流数据分析计算出电流值；
[0049]
步骤10)：诊断单元5根据步骤9)计算的电流值对磁传感器阵列拓扑模型进行验证，并根据步骤6)上传的汇总数据信息诊断当前设备状态。
[0050]
为了更好的效果，所述的温度监测单元2通过各个分室外表面实测温度传感器21、柜体环境实测温度传感器22收集温度信号，并将其接收到的信号数据传输给所述的状态诊断监测系统1以用于计算温度数据处理后的温度变化趋势，即温升。
[0051]
为了更好的效果，所述的供电模块67的可选供电方式包括电池供电方式、激光供能方式、太阳能供电方式、电磁感应取电方式和能量收集芯片功能方式。
[0052]
为了更好的效果，所述的tmr磁阻效应传感器71是在电气绝缘的状态下，利用电流所产生的磁场来检测电流，当导体中存在电流i
p
时，在导体的周围就会产生一个环绕导体的、与电流成比例的磁场，tmr磁阻效应传感器71通过检测磁场的磁场强度，生成与磁场呈线性关系的电信号输出v
out
，完成测量用磁信号到电信号的转换，tmr磁阻效应传感器71测量电流的原理具体为：当开关柜通过工频电流时，柜内通常会产生旋转磁场，并以柜内母排为中心，距离母排较近的某一点的磁场强度大小与母排上流过的电流近似呈正比，与该点到母排的垂直距离近似呈反比，表示为b
∝
i/d，即可将tmr磁阻效应传感器71所在点的磁场强度表示为：b＝k1·
i/d(1)，式中，d为tmr磁阻效应传感器到母排的垂直距离，i为母排上流过的电流大小，k1为常数，在线性测量范围内，tmr磁阻效应传感器71的输出电压值与输入磁场强度是满足线性关系的，因此，可以将输出电压表示为u＝k2·
b(2)，式中，u为tmr磁阻效应传感器输出电压的最大值，k2为可测常数，结合式(1)和式(2)可知tmr磁阻效应传感器71的实际电流值与输出电压值之间必定满足线性关系：u＝c
·
i/d，式中，c为可测常系数，可通过电流标定确定，在确定tmr磁阻效应传感器71输入输出关系式中系数c的值时，对输出电压进行相应处理就可得到电流大小，实现对电流的测量。
[0053]
为了更好的效果，所述的tmr磁阻效应传感器71采用包含两组磁敏感方向相反的非屏蔽高灵敏度tmr元件的推挽式惠斯通全桥结构。
[0054]
为了更好的效果，所述的静电屏蔽72是利用基于毕奥-萨伐尔定律和安培环路定理的坡莫合金高导磁材料制作的屏蔽，将干扰磁场与被保护区域或元件隔开，防止静磁场或小于100khz的低频进入到需要保护的区域或影响受保护的磁敏感元件。
[0055]
为了更好的效果，所述的步骤2)中建立电流测量磁传感器阵列拓扑模型具体为：开关柜的三相母排可看成是平行的铜排，铜排与铜排之间以及铜排与磁传感器7之间的位置关系可表示为以a相母排的截面左边缘端点作为三维坐标系统(x,y,z)的原点，假设每相母排的宽度为c，厚度为d，相邻两相母排间的距离为l，靠近每相母排安装磁传感器7，并假
设每相对应的磁传感器7到该相母排的距离为b，到该相母排左侧边缘的距离为a，因此，a,b两个参数决定了磁传感器7阵列拓扑的结构，母排间的间距l、各相母排的实际宽度d以及厚度可根据实际应用的开关柜测量得出。
[0056]
为了更好的效果，所述的步骤3)中基于磁场的线性和叠加性测量电流，具体为：应用磁传感器阵列测量电流的基本前提是磁场的线性和叠加性，包括空间上和频率上的线性叠加性，空间上的线性叠加性是指电流在空间内指定一点产生的磁场强度与电流的强度成线性关系，而且对于多相电流，该点的磁场强度是各相电流所产生的磁场强度在该点的矢量叠加；频率线性是指对于空间内的指定点，特定频率电流在该点的磁感应系数为某一特定值，对于已知频率和相位的电流，在特定点处产生的感生磁场与其同频同相，即该特定点处的磁场为给定电流各频率分量在该点感生磁场的叠加。
[0057]
为了更好的效果，所述的步骤4)中的计算出对应的磁传感器电流测量的感应系数矩阵以及所述的步骤5)中通过测量磁传感器的电压输出值，求得母线上的实际电流值，具体为：a、b、c三相母线周围均有磁场分布，母线室内空间内任一点磁场强度均是a、b、c三相磁场矢量叠加的结果，磁传感器7所测得的磁场强度是三相母线产生磁场在该点的矢量和，磁传感器7到母线垂直距离d一定时，tmr磁阻效应传感器71输出值为u＝c
·
i，假设三相电流对称，因而每一个磁传感器7测得的电压输出值为：式中，c
ij
表示i号传感器在j号母排处电压值，将上式写成矩阵形式为：式中为磁传感器7电流测量的感应系数矩阵，其值可采用逐相单独通电流采集三相磁传感器7的输出，计算出对应的感应系数，例如先对a相母排进行单独通电，b、c两相断开，根据三相磁传感器7的电压输出信号可计算出c
11
、c
12
、c
13
的值，同样的，可计算出另外两组向量的值，最后得到系数矩阵c的值；得到系数矩阵c之后，通过测量磁传感器7的电压输出值，求得母线上实际电流值，由于系数矩阵要保证其可逆性，因而通过采取系数矩阵与其转置矩阵相乘的方法保证其可逆性：即i＝[c
t
·
c]-1ct
·
u。
[0058]
本发明为对开关柜母线电流的监测方法，在使用中，分别在靠近a相、b相、c相母排安装磁传感器7，建立电流测量磁传感器阵列拓扑模型，基于磁场的线性和叠加性测量电流，计算出对应的磁传感器电流测量的感应系数矩阵，通过测量磁传感器7的电压输出值，求得母线上的实际电流值，磁传感器7将数据上传至智能传感器6中，经智能传感器6汇总后
上传至电流监测单元3，利用ansys对开关柜内磁场分布情况进行模拟仿真，根据磁场分布建立相关的交直流测量数学模型，计算单元4通过采集的电流数据分析计算出电流值，诊断单元5根据计算的电流值对磁传感器阵列拓扑模型进行验证，并根据上传的汇总数据信息诊断当前设备状态；智能传感器6中的数据感知及采集模块61负责数据采集、补偿与校正模块62负责数据的模数转换、数据处理模块63负责控制整个节点的操作，存储和处理自身采集的数据和其他节点发来的数据、数据网络通信模块64负责与其它传感器节点进行无线通信，收发控制信息和感知数据、人机界面65提供人机交互、任务管理与调度模块66负责发布及调整工作任务、供电模块67整个节点提供运行所需的能量，可采用多种供电方式，保证功能稳定可靠；温度监测单元2的各分室外表面实测温度传感器21、柜体环境实测温度传感器22负责收集开关柜的温度信号，以用于计算温升，便于状态诊断系统1通过温度及监测到的电流数据分析诊断设备状态、计算单元4基于传感器阵列拓扑模型计算出相应母线的电流、诊断单元5根据汇总数据信息来诊断分析当前设备状态；本发明采用tmr磁阻效应传感器71基于磁传感器阵列拓扑模型实现对开关柜母线电流的非接触式测量，避免对开关柜线路造成影响以及安全隐患，并通过静磁屏蔽72有效的去除开关柜三相磁场的互相干扰，确保测量精度，本发明从温度和母线电流两个维度判别开关柜母线的运行状态，实现开关柜母线电流及开关柜温度的双参量监测，实现对开关柜母线电流状态的实时监测，提升了开关柜母线的监测能力，有效提升了开关柜的安全运行水平；本发明具有结构简单、不受磁场干扰、测量结果准确、精度高、成本低的优点。