本發(fā)明屬于電流測量，具體涉及一種基于tmr的三相線路電流寬量程測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著智能電網(wǎng)、數(shù)字電網(wǎng)的迅速發(fā)展，為了更好的評(píng)估整個(gè)電網(wǎng)的健康狀態(tài)、及時(shí)監(jiān)測故障，需要更全面的測量電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)處的電氣量信息。傳統(tǒng)電磁式電流互感器體積大，難以廣泛安裝，而基于隧道磁電阻（tmr,?tunneling?magnetoresistance）效應(yīng)測量原理的電子式電流互感器（tmr互感器）具有寬頻帶、小體積、安全和非侵入式測量等優(yōu)點(diǎn)，可在不串入線路情況下對(duì)線路電流進(jìn)行測量，是研究的熱點(diǎn)和未來發(fā)展方向之一。

2、當(dāng)前問題在于，與傳統(tǒng)基于電磁感應(yīng)原理的電磁式互感器原理不同，電子式互感器的量程受到其內(nèi)部電路元件電壓電流范圍的限制，其輸出值不會(huì)隨一次電流的增大而無限制增大，無法測量短時(shí)過電流，即存在信號(hào)“飽和失真”問題。例如：某tmr互感器在1200a電流下，滿量程輸出電壓信號(hào)為5v，若電網(wǎng)發(fā)生故障，電流增加至10ka，其輸出依舊是5v，因?yàn)檫@已經(jīng)達(dá)到電子式電流互感器的最大輸出能力，超過部分無法被測量。

3、針對(duì)電子式互感器因被測電流過大超過其額定量程而出現(xiàn)信號(hào)“飽和失真”，導(dǎo)致無法測量短時(shí)過電流的問題，現(xiàn)有以下幾種技術(shù)解決方案：

4、（1）選擇更大量程的互感器。例如選擇量程為20ka的互感器進(jìn)行測量，這樣可以滿足對(duì)10ka電流的測量要求。但這樣會(huì)導(dǎo)致其測量精度大大下降，例如：精度同樣為0.5級(jí)的互感器，有額定量程為1200a和20ka的兩種規(guī)格，其最大測量誤差分別為δ2=1200×±0.5%=±6a和δ1=20ka×±0.5%=±100a，如圖1所示，大量程的最大測量誤差δ1遠(yuǎn)高于小量程的最大測量誤差δ2，因此在線路電流較小時(shí)，兩種量程的互感器雖均可正常測量，但明顯大量程互感器的噪聲水平更高。簡單改用大量程電子式互感器則會(huì)導(dǎo)致精度嚴(yán)重下降，以至于在絕大部分時(shí)間的非故障時(shí)刻下，即正常運(yùn)行電流（約100~500a）的測量誤差（不確定性）增大，例如從300a±6a增大為300a±100a，這是不允許的，會(huì)導(dǎo)致計(jì)量不準(zhǔn)、保護(hù)裝置錯(cuò)誤動(dòng)作等。

5、（2）簡單采用兩套不同量程的互感器，即1200a和20ka互感器組合測量，則會(huì)輸出兩組信號(hào)。而傳統(tǒng)測量裝置、機(jī)械儀器儀表等無法主動(dòng)區(qū)分何時(shí)應(yīng)當(dāng)采用低量程或高量程互感器，現(xiàn)有技術(shù)也無法處理量程切換瞬間時(shí)的測量值誤差，電流測量值突變易導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)，無法同時(shí)滿足大量程與高精度的需求。如圖2所示，由其中箭頭所指可見，當(dāng)前量程飽和后直接切換為大量程互感器昆，測量值會(huì)出現(xiàn)電流突變，例如小窗口所示的放大圖，當(dāng)1200a互感器飽和自動(dòng)切換為20ka互感器測量值時(shí)，最終輸出信號(hào)會(huì)存在較大的數(shù)值突變，其中毛刺可高達(dá)1500a，存在保護(hù)誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

6、（3）從互感器內(nèi)部元器件結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提高大量程20ka互感器芯片的測量精度，即降低互感器噪聲、提高模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（adc）精度，這種方法所需成本過高，且提升能力有限。從提高模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（adc）精度角度看，當(dāng)前12位精度的adc分辨率為4096級(jí)，采用16位adc則可提升至65536級(jí)，提升16倍測量精度，雖有大幅提升，但適合tmr電子式互感器的高速（10mhz）高精度adc價(jià)格高昂，單個(gè)芯片從20元提升至500元，遠(yuǎn)超隧道磁電阻電流敏感芯片本體的價(jià)格。更關(guān)鍵的是，從降低互感器噪聲角度看，電力系統(tǒng)本身是一個(gè)高電壓強(qiáng)電磁干擾的復(fù)雜環(huán)境，依賴于干擾屏蔽不能徹底解決問題（即當(dāng)被測線路電流感應(yīng)強(qiáng)度小于互感器內(nèi)部電路噪聲時(shí)，無論多高分辨率的測量系統(tǒng)均無法區(qū)分噪聲與電流）。

7、綜上所述，目前暫無很好的方法解決隧道磁電阻電子式互感器的高精度量程擴(kuò)展難題。新型電力系統(tǒng)各類先進(jìn)算法對(duì)高精度測量的需求迅速提高，如何在電子式互感器寬量程測量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度是極為重要的問題，已成為阻礙其應(yīng)用的重點(diǎn)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種基于tmr的三相線路寬量程電流測量裝置及方法，在量程大幅提升的同時(shí)保持高精度，解決目前不同量程切換時(shí)可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)突變問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種基于tmr的三相線路電流寬量程測量裝置，包括tmr互感器陣列和數(shù)據(jù)處理單元模塊；

4、所述tmr互感器陣列由m行3列tmr互感器構(gòu)成，且每列tmr互感器對(duì)應(yīng)設(shè)置于三相線路的垂直下方，每行采用一種對(duì)應(yīng)量程的tmr互感器；其中，m≥2；

5、所述數(shù)據(jù)處理單元模塊用于：根據(jù)每行tmr互感器采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算對(duì)應(yīng)量程下的三相線路電流；從各量程下的三相線路電流中，選擇由當(dāng)前時(shí)刻未超量程且誤差數(shù)值最小的一行tmr互感器所對(duì)應(yīng)得到三相線路電流，記為三相線路初定電流；從各量程的tmr互感器中，選擇當(dāng)前時(shí)刻超量程且量程最大的一行tmr互感器，使用其計(jì)算所得歷史三相線路電流，對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的三相線路初定電流進(jìn)行修正，得到并作為當(dāng)前時(shí)刻的三相線路最終電流；若當(dāng)前時(shí)刻沒有超量程的tmr互感器，則直接將三相線路初定電流作為當(dāng)前時(shí)刻的三相線路最終電流。

6、進(jìn)一步的，各行tmr互感器計(jì)算對(duì)應(yīng)量程下的三相線路電流，表示為：

7、

8、

9、式中，分別為第m行tmr互感器計(jì)算a、b、c三相線路的電流；是第m行tmr互感器的靈敏度系數(shù)；是磁導(dǎo)率系數(shù)；分別為第m行第1、2、3列的tmr互感器的采集數(shù)據(jù)輸出值；分別為a相線路與第m行第1、2、3列的tmr互感器之間從x軸正向順時(shí)針形成的夾角，分別為b相線路與第m行第1、2、3列的tmr互感器之間從x軸順時(shí)針形成的夾角，分別為c相線路與第m行第1、2、3列的tmr互感器之間從x軸順時(shí)針形成的夾角；為第m行互感器的解耦系數(shù)矩陣，其中分別表示a相線路與第m行第1、2、3列的tmr互感器之間的變比系數(shù)，分別表示b相線路與第m行第1、2、3列的tmr互感器之間的變比系數(shù)，分別表示c相線路與第m行第1、2、3列的tmr互感器之間的變比系數(shù)；其中，三相線路從左至右分別為a相、b相、c相，a、b、c相線路垂直下方的tmr互感器分別對(duì)應(yīng)編號(hào)為第1、2、3列，從左至右的方向?yàn)閤軸正向。

10、進(jìn)一步的，所有tmr互感器的靈敏度相同，量程越大誤差數(shù)值越大。

11、進(jìn)一步的，所述選擇當(dāng)前時(shí)刻超量程且誤差數(shù)值最小的一行tmr互感器，將其計(jì)算所得歷史三相線路電流，對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的三相線路初定電流進(jìn)行修正，得到并輸出當(dāng)前時(shí)刻的三相線路最終電流，具體為：

12、將各行tmr互感器按誤差數(shù)值從小到大依次排序?yàn)?，設(shè)當(dāng)前時(shí)刻超量程且量程最大的tmr互感器為第行，則當(dāng)前時(shí)刻未超量程且誤差數(shù)值最小的tmr互感器為第行；設(shè)第行tmr互感器從時(shí)刻開始超量程；

13、使用第行tmr互感器采集到時(shí)刻之前若干時(shí)刻的三相線路電流，采用lstm回歸模型滾動(dòng)預(yù)測從時(shí)刻開始的、連續(xù)時(shí)長內(nèi)共k個(gè)采樣點(diǎn)的任意p相線路電流，得到一串預(yù)測的短期電流時(shí)間序列，，為數(shù)據(jù)處理單元的采樣率，所述任意p相為a相、b相或者c相；

14、使用預(yù)測的短期電流時(shí)間序列，對(duì)第行tmr互感器測得時(shí)刻開始的、連續(xù)時(shí)長內(nèi)k個(gè)采樣點(diǎn)的三相線路電流序列進(jìn)行修正：

15、

16、式中，為修正得到時(shí)刻t的p相線路電流，即待輸出的當(dāng)前時(shí)刻的p相線路最終電流；為時(shí)變權(quán)重，且，。

17、進(jìn)一步的，僅對(duì)從時(shí)刻開始的連續(xù)時(shí)長內(nèi)k個(gè)采樣點(diǎn)的三相線路初定電流進(jìn)行修正，且時(shí)長滿足；之后時(shí)刻的三相線路最終電流，其取值為第行tmr互感器測量得到的三相線路電流。

18、進(jìn)一步的，若當(dāng)前時(shí)刻沒有超量程的tmr互感器，則不存在第行tmr互感器，進(jìn)而沒有預(yù)測的短期電流時(shí)間序列，因此將待輸出的當(dāng)前時(shí)刻的p相線路最終電流，直接取值為第1行tmr互感器測得的p相線路電流，即。

19、一種基于tmr的三相線路電流寬量程測量方法，包括：

20、在三相線路的垂直下方分別設(shè)置一列m個(gè)tmr互感器，m行3列tmr互感器陣列構(gòu)成數(shù)據(jù)采集模塊，每行采用一種對(duì)應(yīng)量程的tmr互感器；其中，m≥2；

21、各tmr互感器采集數(shù)據(jù)并上傳至數(shù)據(jù)處理單元；

22、數(shù)據(jù)處理單元完成以下過程：

23、（1）根據(jù)每行tmr互感器采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算對(duì)應(yīng)量程下的三相線路電流；

24、（2）從各量程下的三相線路電流中，選擇由當(dāng)前時(shí)刻未超量程且誤差數(shù)值最小的一行tmr互感器所對(duì)應(yīng)得到三相線路電流，記為三相線路初定電流；

25、（3）從各量程的tmr互感器中，選擇當(dāng)前時(shí)刻超量程且量程最大的一行tmr互感器，使用其計(jì)算所得歷史三相線路電流，對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的三相線路初定電流進(jìn)行修正，得到并作為當(dāng)前時(shí)刻的三相線路最終電流；

26、（4）若當(dāng)前時(shí)刻沒有超量程的tmr互感器，則直接將三相線路初定電流作為當(dāng)前時(shí)刻的三相線路最終電流。

27、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)具有以下有益效果：

28、（1）本發(fā)明測量方法及裝置解決了電子式互感器不同量程切換時(shí)，由于最小分辨率不同導(dǎo)致的數(shù)據(jù)突變問題，結(jié)合相鄰兩個(gè)量程的電子式互感器數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量，提升了電流測量的精度和穩(wěn)定性。

29、（2）本發(fā)明采用基于長短期記憶網(wǎng)絡(luò)lstm的回歸預(yù)測模型，在訓(xùn)練輸入數(shù)據(jù)的選擇上，除了已知實(shí)際電流數(shù)據(jù)作為輸入外，還增加了時(shí)間序列和正弦波序列作為輔助回歸參量增強(qiáng)了學(xué)習(xí)效果，使得訓(xùn)練精度更高預(yù)測更準(zhǔn)確。

30、（3）本發(fā)明充分考慮了預(yù)測值與實(shí)際值偏差逐漸增大的客觀規(guī)律，采用時(shí)變權(quán)重的方法修正測量值，使預(yù)測數(shù)據(jù)權(quán)重隨時(shí)間降低，最終輸出的測量電流值平穩(wěn)過渡到下一量程互感器的測量數(shù)據(jù)。

31、（4）本發(fā)明在不損失精度的條件下提升了tmr電子式互感器的量程，且量程數(shù)量越多測量數(shù)據(jù)精度越高越穩(wěn)定，有助于電力系統(tǒng)保護(hù)與控制裝置的正常穩(wěn)定運(yùn)行，拓展了電子式互感器的應(yīng)用范圍。