智能电网监测传感器设计与研究_温从众.pdf

第 36 卷 第 2 期2023 年 2 月传 感 技 术 学 报CHINESE JOUNAL OF SENSOS AND ACTUATOSVol.36No.2Feb 2023项目来源:国网公司双创项目(AH20GWMAS11FZB001)收稿日期:20220410修改日期:20220527Design and esearch of Smart Grid Monitoring Sensors*WEN Congzong1*，SHEN Yafeng2，DIN Xun3(1College of Innovation Education，Anhui University of Technology，Maanshan Anhui 243000，China;2State Grid Nanjing Power Supply Company，Nanjing Jiangsu 210000，China;3Ma anshan Power Supply Company of State Grid Anhui Electric Power Co，Ltd，Ma anshan Anhui 243000，China)Abstract:A distributed smart grid monitoring sensor based on iron core optimization is proposed With high energy efficiency，the sensorhas the features of high signal acquisition accuracy，convenient engineering installation and long service life The establishment of math-ematical model of the monitoring sensor，the analysis on the mechanism of error formation by measurement after introducing air gap intothe sensor iron core，and the simulation optimization are carried out The sampling and energy acquisition circuit and the overall struc-ture of the sensor are fully designed in line with the working principle of the sensor，so its long-term use in harsh field environment canbe guaranteed The sensor prototype is made and verified by experiments The experimented results indicate that the optimized sensorcan operate normally with the minimum starting current of 2 A，the measurement accuracy of proportion error is 02，the measurementaccuracy of angular difference reaches level 1 and has good linearityKey words:distributed monitoring sensor;sampling energy;iron core air gap simulation;current transformerEEACC:7230doi:103969/jissn10041699202302007智能电网监测传感器设计与研究*温从众1*，沈雅峰2，丁迅3(1安徽工业大学创新教育学院，安徽 马鞍山 243000;2国家电网南京供电公司，江苏 南京 210000;3国网安徽省电力有限公司马鞍山供电公司，安徽 马鞍山 243000)摘要:本文提出了一种基于铁芯优化的分布式智能电网监测传感器，该传感器取能效率高同时具有较高的信号采集精度，并具有方便工程安装，使用寿命长的特点。建立监测传感器的数学模型，分析传感器铁芯引入气隙后测量后误差形成的机理，并对其进行仿真优化。根据传感器工作原理全面设计了传感器的采样取能电路和整体结构，保障其在野外恶劣环境中，长时间使用。制作了传感器样机并进行实验验证，结果表明，优化后的传感器，最小启动电流 2 A 可正常取能运行，比差测量精度达 02 级，角差的测量精度达到 1 级且具有良好的线性度。关键词:分布式监测传感器;采样取能;铁芯气隙仿真;电流互感器中图分类号:TM9331文献标识码:A文章编号:10041699(2023)02021008随着我国智能电网高速发展，10 kV 配网线路负荷需要进行在线监测12。使用负荷传感器分布悬挂安装在 10 kV 线路节点上实现对监测线路电流信息的同步采集，并将采集的数据发送到负荷监测系统主站，和电表采集的数据进行分析比对34。电流传感器的野外工作性质决定，在承受极端恶劣条件的同时还需不间断地获得电能使相关耗电模块维持正常运行。传感器安装在一次的高压侧线路上，由于在高压侧需要对地绝缘，所以无法从低压侧通过导电线给电源模块供电;解决方式一般采用太阳能、激光、电容器、CT 从一次侧线路取能等形式5;考虑到监测装置需隐蔽性好、安装便利、脱离用电用户视野等使用场景要求，CT 取能是通过铁芯和输电线的耦合，铁芯的绕组从待监测的输电线提取所需电能6，是上述几个取能方式中最适用的方式。目前存有以下问题:待监测的输电线电流过小，取能 CT 无法获取电能，存在供能盲区，导致传感器无法正常运行。待监测的输电线大电流，取能 CT 过早饱和导致铁芯发热影响功率输出及缩短使用寿命。在保证取能的同时还需满足采样的精度，减少采样误差，测量范围为 0100 A 无法适应高压电第 2 期温从众，沈雅峰等:智能电网监测传感器设计与研究流线路监测2，且安装不便。针对以上问题，很多学者进行了相关的研究，如王文等7 研制出了一种零磁通微电流传感器;陆霞飞等8 研制出了基于巨磁阻效应的电流传感器，提高了电流测量精度;还有为防止磁芯过早饱和采用泄流电路9;为小电流时提高取能效率采用纳米晶材料制作磁芯10;采用 3 个截面积为 5 cm 的硅钢片铁芯做成开合式取能线圈来提高取能效率11 最小启动电流为 10 A;为了改善启动电流特性采用DCDC 优化12;通过控制法拉电容充电电流，使电流互感器取电电源适应较大的导线电流范围13;为提高测量精度通过对铁芯参数进行优化设计和对铁芯线圈采用误差补偿1415。上述的研究已经解决了部分取能问题，然而大多数研究仅考虑如何提高取能效率，并没有考虑到满足取能同时保证采样精度的问题。本文对传感器铁芯引入气隙后进行理论分析，其次再结合仿真分析气隙引入后误差的机理及优化气隙形状提高取能效率和测量精度，最后通过实验验证在输电线 500 A 以内电流可以稳定运行，优化后的铁芯最小启动电流为2 A，并且测量精度可达 02 级，具有良好工程应用价值。图 1传感器原理1分布式电网监测传感器原理介绍如图 1 所示，传感器通过 CT 将所在待监测的输电线节点的电流转化成小电流，再通过一个低温漂无感标准电阻生成电压信号，再通过 A/D 转换模块转化成数据信号，并将采集的数据信息存储在 MCU 芯片内，MCU 芯片将数据压缩后通过 4G 通讯模块发送给负荷监测系统主站，负荷监测系统主站将数据同步到用电信息采集主站16。数据采集及处理的核心MCU 及数据发送的 GPS 模块采用低功耗处理，MCU 和 GPS 模块等工作都需要恒定的电源。MCU 和 GPS 模块采用低功耗处理，系统静态功耗为 200 A33 V，4 g 模块工作功耗为 400 mA33 V，期间支持数据每日报告和对时。分布式传感器采用上、下半圆铁芯设计，通过卡扣式结构，将待监测输电线卡合在线槽内，保证采样电线固定在上、下铁芯的中间位置处，防止一次绕组偏心误差17，可保证采样准确度。通信模块采用 TC 实时时钟单元，为监测传感器提供标准时间信号，通过 GPS 对信号采集时间进行校准。4G 通信模块集成多个工业标准接口、采用 LTE3GPP el11 技术的 EC20 模块，最大上行速率为50 M/S，最大下行速率为 1 G/S，并内置 TCP/IP 通信协议，可通过 UAT 接口和 MCU 实现通讯数据。2采样及取能 CT 理论分析考虑到本设计安装使用的特殊性，需考虑方便后期电力工程改造加装，本文采用开合式双铁芯结构，和传统的闭合铁芯结构相比，开合式双铁芯结构在铁芯接触位置存在两个气隙。饱和励磁电流导致铁芯发热，不仅会影响功率输出还会影响影响其使用寿命。而输电线电流范围一般为 2 A500 A，传感器需保证在输电线大电流时防止铁芯过早饱和，为了使传感器在非饱和励磁电流下工作，需尽量增大铁芯的最大饱和电流值，同时保证铁芯在输电线小电流时也能满足传感器输出功率要求，气隙如何对最大饱和电流值产生影响18，本文分析如下:假设铁芯在线性区内工作且磁力线均匀分布，铁芯的横截面积为 S，高度为 h，外径为 D，内径为 d;由磁导定义式 G=0rS/l 推导可得铁芯的磁导为:G=D/2d/20rh2rdr=0rS2alnDd()(1)假设刚进入饱和的铁芯的磁感应强度为 Bm，磁通量=BmS，由磁路欧姆定律推导可得到最大励磁电流 Im为:Im=mG=BM(Dd)0rln(D/d)(2)由式(1)、式(2)可获知，最大励磁电流值和磁感应强度 Bm、铁芯尺寸外径 D，内径 d 等参数相关，为避免铁芯过早达到饱和状态，需通过改变以上相关参数从而提高最大励磁电流。气隙附近的磁力线会产生对外扩散，由于本文铁芯的横截面积 S 远大于气隙宽度，磁力线扩散可忽略不计，进而可假设气隙磁力线均匀分布且和铁芯内部的相同。由磁阻定义式可获知气隙及铁芯的磁阻分别为:112传感技术学报chinatransducersseueducn第 36 卷Fe=l/0rS(3)=/0S(4)式中:为铁芯气隙的宽度，l 为铁芯的周长，S 为铁芯的横截面积。假设本文设计的气隙铁芯的等效磁导率为 eq，由安培环路定理以及磁路欧姆定律:F=2N1I1=Hl=Bl0eq(5)=BS=FFe+=Fl0rS+0S(6)将式(3)、式(4)代入式(5)、式(6)后，得到等效磁导率 eq为:eq=rrl+1=1l+1rl(7)式中:eq为加入气隙后的等效磁导率，为铁芯气隙的宽度。由式(7)可得加入气隙后铁芯的最大励磁电流值 Im为:ImmG=BS(Dd)0ln(D/d)l(8)结合式(2)、式(8)可知，由于远远大于，所以气隙引入使得取能 CT 的最大励磁电流值大于没有气隙的，即在待监测输电线大电流的时候避免铁芯过早饱和。图 2无气隙铁芯磁感应图3采样及取能 CT 误差分析及仿真优化31采样及取能 CT 误差分析如仿真图2、图 3 所示，采用 COMSOL Multiphysics软件对铁芯气隙引入后进行仿真模拟，铁芯尺寸为内径 55 mm，外径 80 mm，宽度 20 mm，绕线 550 匝，材质选用坡莫合金，设定中心母线最小电流为 2 A;随着气隙的引入，铁芯闭合处存在 2 个开口，所以无法和闭合铁芯一样实现完全分布绕组，励磁电流除了在铁芯中建立磁场外，还需额外地在气隙中建立磁场，使得励磁电流变大。气隙周围产生边缘磁通，气隙的磁导率比铁芯磁导率低，同时绕组的漏阻抗变大，会使励磁电流变大19。图 3气隙铁芯磁感应图虽然气隙可有效防止铁芯过早饱和，然而气隙的引入会使得测量误差变大20;采集及取能 CT 使用时，母线的电流在转化成二次侧电流时会损失一小