采用传感器技术测量智能电网上的电能

智能电网所需的设备，如公用事业仪表和可再生能源以及设备监控系统，需要准确地感知能源消耗。已经开发了许多技术，其允许有效地测量电功率，每种技术都具有其自身的优点和缺点。本文将电流互感器，Rogowski线圈，霍尔效应传感器和电阻分流器作为能量测量的选项。

电气设备消耗的能量已成为一个主要问题，它正在推动大型政府计划，如英国的智能电表推出，这将在不到两年的时间内真正启动。每个电子智能电表都需要准确的方法来确定电流消耗。这种需求正在扩展到越来越多的系统，这些系统将连接到智能电网，例如可再生能源和白色家电和数据中心计算机，以便用户可以跟踪他们的能源使用情况。

在数据中心，业务用户希望能够使用单个机器或机架的实时电源使用信息来指导如何在其中分配作业。在家中，用户可以监控重要的能源消费者，并使他们在高关税期间自动停用或停滞。功率传感器设计者面临的问题是哪种技术最适合应用。

有四种基本类型的传感器技术可帮助确定电能：电流互感器，Rogowski线圈，电阻分流器和霍尔效应传感器。需要使用哪一个取决于部署，该站点是从单相，分段阶段还是从分配系统使用的所有三个阶段获取电力。

美国的家庭通常使用分相供电，可提供120 VAC或240 VAC。该架构通常要求电流互感器作为能量传感器。欧洲的商业和大型住宅用地采用三相供电。单个家庭通常是单相的，可以使用简单的分流电阻传感器实现仪表。三相系统将采用电流互感器或Rogowski线圈，后者传统上更适合大型安装。

电流分流器是最简单和最便宜的选择，因为它只是一个低值电阻器，放置在从公用设施到房屋的电气连接上。分流电阻两端的电压降与电流及其频率成正比。但是，这种简单的设置有缺点。电流分流器本身需要很大，以便处理主电源中固有的高电流。即使这样，自然加热和它所吸收的能量也会产生问题，这就是为什么这些分流器倾向于用于较小的家用设施。

为了限制功耗，电流分流器应具有数百微欧姆的电阻。因此，用于检测电压降的信号调理电路必须处理相对较小的值，通常小于10μV，要求使用敏感的运算放大器来增强信号。

寄生电感还可以在低功率因数下引入显着的相移，足以导致大的测量误差。然而，这个问题已经通过旨在维持高功率因数的法规得到了一定程度的改善。

图1：电流分流器的原理。

有些电阻器设计用于电流检测，采用“开尔文”配置，例如Ohmite的高功率TGHG系列，针对精密传感和低功耗LVK系列进行了优化。这些是具有四个端子的电阻器，使得能够通过两个相对的引线施加电流并且在另外两个引线上测量感测电压。开尔文配置有效地消除了引线的电阻和温度系数，有助于在没有大电压降的情况下保持精度。

为了在多相情况下使用，电流分流器需要隔离，但它们具有通过使用强磁场而对篡改具有合理免疫力的好处，这会影响一些其他电流测量技术。由于其低成本，电流分流器可能用于非公用事业仪表，用于测量由家庭或办公室中的电网供电的设备的能量消耗。

光耦合器提供了一种在电路中建立隔离的方法。为了简化隔离任务，ADI公司提供iCoupler系列。这些集成变压器构建在CMOS基板之上，在该系列的isoPower成员的情况下，包括变压器以将功率耦合到隔离屏障的另一侧。这消除了在屏障的任一侧构建单独的电源的需要。

内置隔离的传感器是电流互感器。它具有初级绕组磁芯，其通常由铁制成，并具有次级绕组。在初级中流动的AC在核心中产生磁场，该磁场在次级中感应出AC，其可以通过其所连接的电路来测量。对于公用事业仪表，电流互感器的正常形式是窗式，例如Talema集团的AC1050。通过窗式变压器，导体穿过铁芯的中心，提供单匝绕组。

电流互感器通常具有需要补偿的小相位失真，尤其是在应用需要更复杂的测量时，例如无功和谐波能量测量。然而，电流互感器通常提供精确的电流读数，并且适用于高电流系统，因为它不受电流分流器的自热效应的影响。

电流互感器有缺点。导体必须分开，以便电流传感器可以滑到其上，这使安装变得复杂。核心也容易被强大的永久磁铁篡改。通过使铁芯饱和，用户可以确保传感线圈不会拾取由电力线产生的AC场。 Rogowski线圈通过采用空芯来避免铁芯饱和的问题，空芯在强大的外部磁场的存在下不会饱和。 Rogowski线圈的另一个优点是它不需要与导体直接接触，线圈只需要缠绕导体。

Rogowski线圈电流传感器的输出与通过它的AC电流的一阶导数成比例。结果，传感器的输出需要在它可以乘以初级电压之前进行积分，以提供功率读数。因此，Rogowski线圈不能直接替代电流互感器，因为信号调理电子设备需要提供集成功能。工程师可以选择是否使用模拟集成，通常基于运算放大器电路或数字集成。

图2：Rogowski线圈的示意图。

数字处理在典型智能电表所需的长使用寿命内提供可靠的性能，并克服了模拟元件随时间和温度漂移所带来的问题，这将导致较大的测量误差。此外，模拟组件可能会引入需要相位校准的轻微相位变化。数字积分器具有一致且准确的相位响应。高速32位微处理器的成本和功耗下降使得数字集成变得越来越可行，并且可以通过使用软件开关使单个电表设计与电流互感器或Rogowski线圈兼容，并且可以接受 - 集成功能的更高处理负载。

尽管Rogowski线圈不像电流互感器那样容易受到篡改，但如果不采取补救措施，有些方法可能会影响信号。线圈本身受外部磁场的影响，可能导致错误的读数。然而，仔细设计线圈以抵消磁场通常可有效防止磁性篡改。影响传感器的另一种机制是使用电感耦合。法拉第笼可用于防止这种情况以及阻止电容耦合的影响。

电流传感器次级绕组与通过它的导体或母线之间存在小电容。如果母线具有高电压电位（电网供电的情况），则交流信号将通过该小电容并影响电流传感器的输出。在电流传感器周围放置金属屏蔽可以减少这种影响，但不一定能完全消除它。 Pulse Electronics制造的电流传感器，如PA320XNL系列，使用特别设计的法拉第屏蔽，非常靠近次级绕组。屏蔽可防止高压母线的交流信号影响输出，消除了电容耦合的影响。

与电流互感器相比，Rogowski线圈传感器可以做成开放式。由于它们没有金属芯，它们可以用铰链制成两个部分，并夹在导体上而不是需要分开的导体上，这样它就可以通过电流传感器的中心。不同形状和尺寸有许多可能性，可以随时使用母线和圆形导线。

另一种非接触式解决方案是霍尔效应传感器，尽管这通常不能提供分流电阻，电流互感器或Rogowski线圈的高精度。因此，霍尔效应传感器往往在公用事业仪表中使用较少，准确计费至关重要。然而，他们正在智能电网应用中寻找应用，在这些应用中，他们为设备级能源监控制作合适，易于应用的传感器，分析数据中心电力系统的效率或分析可再生能源系统的性能。

像Rogowski线圈或电流互感器一样无接触，霍尔效应传感器不需要电流隔离。与Rogowski线圈提供的导数相比，霍尔效应传感器还提供直流读数。它们本质上是电子的，它们开始利用集成来预处理信号，使其进入典型微控制器的A/D转换器的范围。

图3：IMC结构将磁场通量聚焦到集成传感器中的霍尔效应元件上。

Melexis的MLX91205是霍尔效应传感器的一个例子，其设计易于靠近导体组装。标准CMOS工艺用于制作电流传感器。附加的铁磁层，也称为集成磁性集中器（IMC），在简单的后处理步骤中添加。铁磁层放大磁场并将其集中在霍尔元件上。 IMC本身由直接粘合到霍尔传感器芯片表面的高渗透，低矫顽场，非晶铁磁层组成。 IMC用于将磁场通量线集中到霍尔元件上，霍尔元件大约是IMC尺寸的十分之一。

IMC的两个部分收集并放大平行于芯片表面的小磁通量，并将面内分量局部旋转到垂直于芯片表面的磁场中。传统的霍尔传感器对垂直于其表面的磁场敏感，而IMC霍尔传感器对平行于其表面的磁场敏感。

IMC-Hall传感器采用标准塑料SOIC-8封装，因此可以使用标准的贴片机将其安装到印刷电路板（PCB）上，并使用传统的焊接技术进行焊接。测量的电流直接通过位于传感器下方的PCB的当前轨道发送，或者传感器可以安装在电流导体下方一小段距离。

图4：具有并联场感应的IMC霍尔传感器可以安装在载流PCB走线的顶部，或者安装在有线导体或母线下方。

传感器的电流范围受导体和屏蔽几何形状的限制。通过增加母线的横截面或传感器与电流导体之间的距离，可以容易地增加电流范围。传感器可监控PCB上的5A至100 A或母线上的电流高达1000 A.

随着霍尔效应技术的发展并与片上处理相结合，我们可以期望精度和功率处理随着时间的推移而改进，为系统设计人员提供更多选择，因为功率测量变得更加普遍。