采用傳感器技術(shù)測量智能電網(wǎng)上的電能

 智能電網(wǎng)所需的設(shè)備，如公用事業(yè)儀表和可再生能源以及設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，需要準(zhǔn)確地感知能源消耗。已經(jīng)開發(fā)了許多技術(shù)，其允許有效地測量電功率，每種技術(shù)都具有其自身的優(yōu)點和缺點。本文將電流互感器，Rogowski線圈，霍爾效應(yīng)傳感器和電阻分流器作為能量測量的選項。

電氣設(shè)備消耗的能量已成為一個主要問題，它正在推動大型政府計劃，如英國的智能電表推出，這將在不到兩年的時間內(nèi)真正啟動。每個電子智能電表都需要準(zhǔn)確的方法來確定電流消耗。這種需求正在擴(kuò)展到越來越多的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)將連接到智能電網(wǎng)，例如可再生能源和白色家電和數(shù)據(jù)中心計算機(jī)，以便用戶可以跟蹤他們的能源使用情況。

在數(shù)據(jù)中心，業(yè)務(wù)用戶希望能夠使用單個機(jī)器或機(jī)架的實時電源使用信息來指導(dǎo)如何在其中分配作業(yè)。在家中，用戶可以監(jiān)控重要的能源消費者，并使他們在高關(guān)稅期間自動停用或停滯。功率傳感器設(shè)計者面臨的問題是哪種技術(shù)最適合應(yīng)用。

有四種基本類型的傳感器技術(shù)可幫助確定電能：電流互感器，Rogowski線圈，電阻分流器和霍爾效應(yīng)傳感器。需要使用哪一個取決于部署，該站點是從單相，分段階段還是從分配系統(tǒng)使用的所有三個階段獲取電力。

美國的家庭通常使用分相供電，可提供120 VAC或240 VAC。該架構(gòu)通常要求電流互感器作為能量傳感器。歐洲的商業(yè)和大型住宅用地采用三相供電。單個家庭通常是單相的，可以使用簡單的分流電阻傳感器實現(xiàn)儀表。三相系統(tǒng)將采用電流互感器或Rogowski線圈，后者傳統(tǒng)上更適合大型安裝。

電流分流器是最簡單和最便宜的選擇，因為它只是一個低值電阻器，放置在從公用設(shè)施到房屋的電氣連接上。分流電阻兩端的電壓降與電流及其頻率成正比。但是，這種簡單的設(shè)置有缺點。電流分流器本身需要很大，以便處理主電源中固有的高電流。即使這樣，自然加熱和它所吸收的能量也會產(chǎn)生問題，這就是為什么這些分流器傾向于用于較小的家用設(shè)施。

為了限制功耗，電流分流器應(yīng)具有數(shù)百微歐姆的電阻。因此，用于檢測電壓降的信號調(diào)理電路必須處理相對較小的值，通常小于10μV，要求使用敏感的運算放大器來增強(qiáng)信號。

寄生電感還可以在低功率因數(shù)下引入顯著的相移，足以導(dǎo)致大的測量誤差。然而，這個問題已經(jīng)通過旨在維持高功率因數(shù)的法規(guī)得到了一定程度的改善。

圖1：電流分流器的原理。

有些電阻器設(shè)計用于電流檢測，采用“開爾文”配置，例如Ohmite的高功率TGHG系列，針對精密傳感和低功耗LVK系列進(jìn)行了優(yōu)化。這些是具有四個端子的電阻器，使得能夠通過兩個相對的引線施加電流并且在另外兩個引線上測量感測電壓。開爾文配置有效地消除了引線的電阻和溫度系數(shù)，有助于在沒有大電壓降的情況下保持精度。

為了在多相情況下使用，電流分流器需要隔離，但它們具有通過使用強(qiáng)磁場而對篡改具有合理免疫力的好處，這會影響一些其他電流測量技術(shù)。由于其低成本，電流分流器可能用于非公用事業(yè)儀表，用于測量由家庭或辦公室中的電網(wǎng)供電的設(shè)備的能量消耗。

光耦合器提供了一種在電路中建立隔離的方法。為了簡化隔離任務(wù)，ADI公司提供iCoupler系列。這些集成變壓器構(gòu)建在CMOS基板之上，在該系列的isoPower成員的情況下，包括變壓器以將功率耦合到隔離屏障的另一側(cè)。這消除了在屏障的任一側(cè)構(gòu)建單獨的電源的需要。

內(nèi)置隔離的傳感器是電流互感器。它具有初級繞組磁芯，其通常由鐵制成，并具有次級繞組。在初級中流動的AC在核心中產(chǎn)生磁場，該磁場在次級中感應(yīng)出AC，其可以通過其所連接的電路來測量。對于公用事業(yè)儀表，電流互感器的正常形式是窗式，例如Talema集團(tuán)的AC1050。通過窗式變壓器，導(dǎo)體穿過鐵芯的中心，提供單匝繞組。

電流互感器通常具有需要補(bǔ)償?shù)男∠辔皇д?，尤其是在?yīng)用需要更復(fù)雜的測量時，例如無功和諧波能量測量。然而，電流互感器通常提供精確的電流讀數(shù)，并且適用于高電流系統(tǒng)，因為它不受電流分流器的自熱效應(yīng)的影響。

電流互感器有缺點。導(dǎo)體必須分開，以便電流傳感器可以滑到其上，這使安裝變得復(fù)雜。核心也容易被強(qiáng)大的永久磁鐵篡改。通過使鐵芯飽和，用戶可以確保傳感線圈不會拾取由電力線產(chǎn)生的AC場。 Rogowski線圈通過采用空芯來避免鐵芯飽和的問題，空芯在強(qiáng)大的外部磁場的存在下不會飽和。 Rogowski線圈的另一個優(yōu)點是它不需要與導(dǎo)體直接接觸，線圈只需要纏繞導(dǎo)體。

Rogowski線圈電流傳感器的輸出與通過它的AC電流的一階導(dǎo)數(shù)成比例。結(jié)果，傳感器的輸出需要在它可以乘以初級電壓之前進(jìn)行積分，以提供功率讀數(shù)。因此，Rogowski線圈不能直接替代電流互感器，因為信號調(diào)理電子設(shè)備需要提供集成功能。工程師可以選擇是否使用模擬集成，通常基于運算放大器電路或數(shù)字集成。

圖2：Rogowski線圈的示意圖。

數(shù)字處理在典型智能電表所需的長使用壽命內(nèi)提供可靠的性能，并克服了模擬元件隨時間和溫度漂移所帶來的問題，這將導(dǎo)致較大的測量誤差。此外，模擬組件可能會引入需要相位校準(zhǔn)的輕微相位變化。數(shù)字積分器具有一致且準(zhǔn)確的相位響應(yīng)。高速32位微處理器的成本和功耗下降使得數(shù)字集成變得越來越可行，并且可以通過使用軟件開關(guān)使單個電表設(shè)計與電流互感器或Rogowski線圈兼容，并且可以接受 - 集成功能的更高處理負(fù)載。

盡管Rogowski線圈不像電流互感器那樣容易受到篡改，但如果不采取補(bǔ)救措施，有些方法可能會影響信號。線圈本身受外部磁場的影響，可能導(dǎo)致錯誤的讀數(shù)。然而，仔細(xì)設(shè)計線圈以抵消磁場通常可有效防止磁性篡改。影響傳感器的另一種機(jī)制是使用電感耦合。法拉第籠可用于防止這種情況以及阻止電容耦合的影響。

電流傳感器次級繞組與通過它的導(dǎo)體或母線之間存在小電容。如果母線具有高電壓電位(電網(wǎng)供電的情況)，則交流信號將通過該小電容并影響電流傳感器的輸出。在電流傳感器周圍放置金屬屏蔽可以減少這種影響，但不一定能完全消除它。 Pulse Electronics制造的電流傳感器，如PA320XNL系列，使用特別設(shè)計的法拉第屏蔽，非?？拷渭壚@組。屏蔽可防止高壓母線的交流信號影響輸出，消除了電容耦合的影響。

與電流互感器相比，Rogowski線圈傳感器可以做成開放式。由于它們沒有金屬芯，它們可以用鉸鏈制成兩個部分，并夾在導(dǎo)體上而不是需要分開的導(dǎo)體上，這樣它就可以通過電流傳感器的中心。不同形狀和尺寸有許多可能性，可以隨時使用母線和圓形導(dǎo)線。

另一種非接觸式解決方案是霍爾效應(yīng)傳感器，盡管這通常不能提供分流電阻，電流互感器或Rogowski線圈的高精度。因此，霍爾效應(yīng)傳感器往往在公用事業(yè)儀表中使用較少，準(zhǔn)確計費至關(guān)重要。然而，他們正在智能電網(wǎng)應(yīng)用中尋找應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，他們?yōu)樵O(shè)備級能源監(jiān)控制作合適，易于應(yīng)用的傳感器，分析數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)的效率或分析可再生能源系統(tǒng)的性能。

像Rogowski線圈或電流互感器一樣無接觸，霍爾效應(yīng)傳感器不需要電流隔離。與Rogowski線圈提供的導(dǎo)數(shù)相比，霍爾效應(yīng)傳感器還提供直流讀數(shù)。它們本質(zhì)上是電子的，它們開始利用集成來預(yù)處理信號，使其進(jìn)入典型微控制器的A/D轉(zhuǎn)換器的范圍。

圖3：IMC結(jié)構(gòu)將磁場通量聚焦到集成傳感器中的霍爾效應(yīng)元件上。

Melexis的MLX91205是霍爾效應(yīng)傳感器的一個例子，其設(shè)計易于靠近導(dǎo)體組裝。標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝用于制作電流傳感器。附加的鐵磁層，也稱為集成磁性集中器(IMC)，在簡單的后處理步驟中添加。鐵磁層放大磁場并將其集中在霍爾元件上。 IMC本身由直接粘合到霍爾傳感器芯片表面的高滲透，低矯頑場，非晶鐵磁層組成。 IMC用于將磁場通量線集中到霍爾元件上，霍爾元件大約是IMC尺寸的十分之一。

IMC的兩個部分收集并放大平行于芯片表面的小磁通量，并將面內(nèi)分量局部旋轉(zhuǎn)到垂直于芯片表面的磁場中。傳統(tǒng)的霍爾傳感器對垂直于其表面的磁場敏感，而IMC霍爾傳感器對平行于其表面的磁場敏感。

IMC-Hall傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)塑料SOIC-8封裝，因此可以使用標(biāo)準(zhǔn)的貼片機(jī)將其安裝到印刷電路板(PCB)上，并使用傳統(tǒng)的焊接技術(shù)進(jìn)行焊接。測量的電流直接通過位于傳感器下方的PCB的當(dāng)前軌道發(fā)送，或者傳感器可以安裝在電流導(dǎo)體下方一小段距離。

圖4：具有并聯(lián)場感應(yīng)的IMC霍爾傳感器可以安裝在載流PCB走線的頂部，或者安裝在有線導(dǎo)體或母線下方。

傳感器的電流范圍受導(dǎo)體和屏蔽幾何形狀的限制。通過增加母線的橫截面或傳感器與電流導(dǎo)體之間的距離，可以容易地增加電流范圍。傳感器可監(jiān)控PCB上的5A至100 A或母線上的電流高達(dá)1000 A.

隨著霍爾效應(yīng)技術(shù)的發(fā)展并與片上處理相結(jié)合，我們可以期望精度和功率處理隨著時間的推移而改進(jìn)，為系統(tǒng)設(shè)計人員提供更多選擇，因為功率測量變得更加普遍。