本發(fā)明涉及電力，尤其涉及基于pcb?rogowski線圈傳感器的寬頻電流測量方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、如今的電力系統(tǒng)中，由于電力電子化設(shè)備的不斷并網(wǎng)，系統(tǒng)中的諧波含量在不斷增加，因此，對于電流互感器的靈敏度和測量帶寬等的要求也在不斷提升，傳統(tǒng)型鐵磁芯電流傳感器逐漸不能滿足電力系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)迫切需要一種測量帶寬更廣的新型電流傳感器，rogowski線圈主要由漆包導線繞制在非磁性材料上，不存在磁飽和現(xiàn)象，這也讓其具有測量精度高、測量范圍廣、噪音低、成本低和易于校準等優(yōu)點。但傳統(tǒng)的rogowski線圈主要通過手工或機器繞制，無法實現(xiàn)均勻的繞線密度而形成不可或缺的誤差。美國科研工作者kojovic提出基于印刷電路板(printed?circuit?boards，pcb)的rogowski線圈的想法，通過計算機軟件技術(shù)可以實現(xiàn)pcb?rogowski線圈的數(shù)字化布線和自動化生產(chǎn)，顛覆了線圈的傳統(tǒng)布線方式，克服了繞線的許多缺點。

2、雖然pcb?rogowski線圈克服了傳統(tǒng)型rogowski線圈存在的許多問題，但對于線圈工作帶寬并沒有任何提高。因此，對于pcb?rogowski線圈工作帶寬的提升仍是目前的研究重點。pcb?rogowski線圈一般多采用外積分方式組成傳感器系統(tǒng)，外接積分電路可以降低傳感器低頻下限，而其高頻特性由線圈自身結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定。因此，傳感器的工作帶寬實際受到pcb?rogowski線圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)和積分器時間常數(shù)的共同影響。目前大多數(shù)pcbrogowski線圈傳感器主要通過增大積分器時間常數(shù)來降低傳感器下限截止頻率，從而實現(xiàn)拓寬帶寬，但降低下限截止頻率以提高帶寬的效果并不明顯?，F(xiàn)有技術(shù)中，公開號為cn117706153a的中國發(fā)明專利申請《一種寬頻段多線圈rogowski電流傳感器》通過將多個rogowski線圈套設(shè)在載流導體上，采用多線圈提高傳感器的上限截止頻率，進一步提高了傳感器的測量帶寬，但該電流傳感器仍然存在高頻測量輸出不穩(wěn)定甚至突變的問題，且該專利申請中并未還原出被測電流實際波形。公布號cn201917603u的中國實用新型專利《一種監(jiān)測雷電流波形的線圈裝置》選擇自積分方式，在rogowski線圈輸出端并聯(lián)采樣電阻，但采樣電阻僅起到積分作用，并不能提高線圈上限截止頻率，對于帶寬的提升并不明顯。

3、因此，需要探索一種新的方法，在不改變線圈結(jié)構(gòu)的前提下，去解決pcb?rogowski線圈傳感器高頻輸出不穩(wěn)定甚至突變的問題，同時能夠提高傳感器測量帶寬并且準確還原出被測電流信號，從而實現(xiàn)更準確穩(wěn)定的測量。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于如何提高pcb?rogowski線圈傳感器測量帶寬，解決現(xiàn)有的電流傳感器存在的高頻測量輸出不穩(wěn)定甚至突變以及沒有還原出被測電流實際波形的問題。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的：一種基于pcb?rogowski線圈傳感器的寬頻電流測量方法，方法包括：

3、s1、基于pcb?rogowski線圈的電氣參數(shù)計算阻尼電阻的阻值，在每塊pcbrogowski線圈的輸出端并聯(lián)阻尼電阻，阻尼電阻rt的計算方式為：

4、

5、其中，r0、l0、c0分別為pcb?rogowski線圈的內(nèi)阻、寄生電感、寄生電容；

6、s2、將多塊完全相同的pcb?rogowski線圈套設(shè)在載流導體上，通入被測電流，獲取每塊pcb?rogowski線圈輸出的感應電動勢；

7、s3、將每塊pcb?rogowski線圈輸出的感應電動勢輸入反相加法器中進行反相相加，得到總的電壓信號；

8、s4、將總的電壓信號輸入積分電路進行積分還原，得到輸出電壓信號；

9、s5、基于傳感器整體傳遞函數(shù)，計算出傳感器靈敏度，根據(jù)輸出電壓信號和傳感器靈敏度計算得到被測電流。

10、有益效果：本發(fā)明通過pcb?rogowski線圈輸出端并聯(lián)阻尼電阻，目的在于增加對信號測量的阻尼性，進一步提高傳感器靈敏度和帶寬，按照阻尼電阻阻值的計算公式計算出的阻值能夠保證測量回路振幅曲線剛好不出現(xiàn)尖峰，進而能夠解決傳感器高頻輸出不穩(wěn)定甚至突變的問題，將多塊pcb?rogowski線圈套設(shè)在載流導體上，將每塊pcb?rogowski線圈分別與反相加法器的每個輸入端對應連接，保證傳感器靈敏度不變的情況下，降低線圈整體內(nèi)部參數(shù)，從而提高傳感器的上限截止頻率，提高傳感器的帶寬，根據(jù)輸出電壓信號和傳感器靈敏度計算得到被測電流，能夠還原得到被測電流的實際測量波形，從而能夠更好地監(jiān)測被測電流的實際運行狀況。

11、優(yōu)選的，所述pcb?rogowski線圈為環(huán)形骨架矩形截面，pcb?rogowski線圈的內(nèi)阻r0、寄生電感l(wèi)0、寄生電容c0的計算方式分別為：

12、

13、其中，l、w、h0分別為線圈走線的長度、寬度、厚度，ρ為導線的電阻率，a、b分別為線圈的內(nèi)半徑、外半徑，h為pcb板的厚度，μ0為真空介電常數(shù)，n為線圈匝數(shù)。

14、優(yōu)選的，總的電壓信號u總(t)的計算方式為：

15、

16、其中，un(t)為每塊pcb?rogowski線圈輸出的感應電動勢，i(t)為載流導體上的被測電流，m0為pcb?rogowski線圈的互感，n＝1，2，...，ns，ns為pcb板的數(shù)量。

17、優(yōu)選的，pcb?rogowski線圈的互感m0的計算方式為：

18、

19、其中，a、b分別為線圈的內(nèi)半徑、外半徑，h為pcb板的厚度，μ0為真空介電常數(shù)，b為線圈匝數(shù)，r為線圈等效半徑。

20、優(yōu)選的，pcb?rogowski線圈傳感器的上限截止頻率fh的計算方式為：

21、

22、其中，rf2為積分電路的反饋電阻。

23、優(yōu)選的，pcb?rogowski線圈傳感器的下限截止頻率fl的計算方式為：

24、

25、其中，rf2為積分電路的反饋電阻。

26、優(yōu)選的，被測電流的計算過程包括：

27、s5.1、根據(jù)多塊pcb?rogowski線圈傳遞函數(shù)g1(s)和積分器傳遞函數(shù)g2(s)計算得到傳感器整體傳遞函數(shù)g(s)，傳感器整體傳遞函數(shù)g(s)的計算方式為：

28、

29、其中，m0為pcb?rogowski線圈的互感，rf2為積分電路的反饋電阻，r11、r12均為積分電路中的電阻，ns為pcb板的數(shù)量；

30、s5.2、計算帶寬范圍內(nèi)pcb?rogowski線圈傳感器的靈敏度s，靈敏度s的計算方式為：

31、

32、s5.3、根據(jù)輸出電壓信號uout(t)和傳感器靈敏度s計算得到被測電流i(t)：

33、

34、有益效果：羅氏線圈傳感器的常規(guī)手段在于線圈連接積分器直接輸出，得到與被測電流信號有關(guān)的電壓信號，該常規(guī)方法必須連接示波器輸出才能觀察二次的電壓信號，并且僅僅得到一次電流的部分信息(只有相位沒有幅值)，本發(fā)明通過靈敏度反推一次電流信號，得到一次電流的計算公式，是實際的一次電流信號全部信息，而不是僅僅反映一次電流部分信息的電壓信號。

35、本發(fā)明還提供基于pcb?rogowski線圈傳感器的寬頻電流測量系統(tǒng)，采用所述的方法，所述系統(tǒng)包括多塊套設(shè)在載流導體上的pcb?rogowski線圈，每塊pcb?rogowski線圈的輸出端并聯(lián)阻尼電阻，每塊pcb?rogowski線圈的輸出端連接反相加法器的一個輸入端，反相加法器的輸出端連接積分電路的輸入端，積分電路的輸出端連接電流還原模塊的輸入端，載流導體上的被測電流穿過多塊pcb?rogowski線圈，每塊pcb?rogowski線圈輸出與被測電流成微分關(guān)系的感應電動勢，反相加法器將每塊pcb?rogowski線圈輸出的感應電動勢進行反相相加后輸出總的電壓信號，積分電路對總的電壓信號進行積分還原后輸出與被測電流成正比的輸出電壓信號，電流還原模塊對輸出電壓信號處理后得到被測電流。

36、有益效果：本發(fā)明通過采用多塊相同的pcb?rogowski線圈分別連接反相加法器對一次電流進行測量，測量信號經(jīng)由積分電路還原后得到正比于被測電流的輸出電壓信號，相較于單塊pcb?rogowski線圈外接積分電路直接測量，靈敏度有所提高；同時，與多塊相同的pcb?rogowski線圈不連接加法器而是按照電氣相反方向直接連接后輸出相比，其測量帶寬要更寬，消除了多塊pcb?rogowski線圈測量時所造成的帶寬下降的影響。

37、優(yōu)選的，所述反相加法器包括n個電阻、電阻rf1、運放u1，n個電阻分別為r1、r2、...、rn，n個電阻的一端分別依次連接到n塊pcb?rogowski線圈的輸出端，n個電阻的另一端相連后連接到電阻rf1的一端、運放u1的反相輸入端，運放u1的同相輸入端接地，電阻rf1的另一端與運放u1的輸出端相連后連接到積分電路的輸入端。

38、優(yōu)選的，所述積分電路包括電阻r11、電阻r12、電阻rf2、電容c1、電容c、運放u2，電阻r11的一端連接反相加法器的輸出端，電阻r11的另一端與電容c1的一端相連后連接到運放u2的同相輸入端，電容c1的另一端與電阻r12的一端相連后接地，電阻r12的另一端、電阻rf2的一端、電容c的一端相連后連接到運放u2的反相輸入端，電阻rf2的另一端、電容c的另一端、運放u2的輸出端相連后連接到電流還原模塊的輸入端。

39、有益效果：本發(fā)明只需要一個積分電路，能夠大大節(jié)約成本，通過增大積分電路中的時間常數(shù)rf2c，能夠降低傳感器下限截止頻率，從而進一步提高傳感器整體帶寬，實現(xiàn)傳感器在超低頻與高頻電流之間的寬頻測量，有效解決傳感器的測量帶寬與輸出信號衰減之間的矛盾，提升pcb?rogowski線圈傳感器的測量準確性。

40、本發(fā)明積分電路中通過在積分電容c兩端并聯(lián)一個反饋電阻rf2，可以有效地抑制積分漂移問題，同時，在有源積分之前引入無源積分，可以有效濾除輸入信號中的超低頻干擾信號，能夠使模擬積分器長期穩(wěn)定工作。