一种配电网异频信号传感器件、感知装置、系统及方法与流程

本发明属于信号感知装置领域，具体而言，涉及一种配电网异频信号感知装置。

背景技术：

1、当前我国的配电网分布广泛、数量庞大，涵盖各种电气设备，供用电环境复杂，因此我国配电网存在获取拓扑关系不及时、不准确的问题，用户未经允许即变更线路时有发生，缺乏有效技术方案建立正确的拓扑层次关系，而准确获取配电网拓扑关系是电力线路规划、异常线损治理等领域的重要基础。针对中低压配电网，单相接地故障是最常见的故障之一。若未能正确识别并及时切除，可能会导致更严重的二次故障，危及系统安全运行。因此，需要在故障发生初期迅速识别并切除故障线路。

2、为满足配用电网拓扑关系识别的需求，先后开发了工频过零序列相关性分析、停电记录相关性分析、整点电压曲线相关性分析等方法，但存在准确率低、适用场景受限等问题。

3、针对单相接地故障的判别方法包括基于稳态信息和暂态信息的方法，以及综合故障信息的智能算法。然而，这些方法存在着各自的局限性，如受到消弧线圈等因素影响导致判别失败，或现有数据采集装置难以捕捉相关信号等。

4、主动注入电流法是目前配用电网拓扑关系识别和接地故障定位的首选技术，其原理是在工频电流信号中注入异频特征信号，通过传感装置感知注入的异频特征信号，实现线路拓扑关系识别和接地故障判别。与其他方法相比，主动信号注入法具有成功率高、原理简单、不受中性点接地方式影响等优势。

5、然而，在电网系统中存在各种干扰源，如谐波和噪声，可能会混淆或掩盖异频特征电流信号，因此，感知装置的灵敏度和准确度至关重要。现有的电流传感器主要有：电流互感器、电阻式电流传感器、霍尔传感器；然而电流互感器体积较大；电阻式电流传感器对于电网注入电流检测适用度差；霍尔效应传感器受到外部磁场干扰，适用范围受限。

6、cn117117965a公开了一种基于磁敏电流传感器的配电网拓扑识别系统、方法及装置，采用：电流发送装置和磁敏电流传感器；电流发送装置，用于向配电网注入预设频率的特征电流信号；磁敏电流传感器，用于采集配电网线路上的电流信号，滤除电流信号中的背景电流信号，得到用于识别配电网拓扑关系的检测信号。该专利使用元器件多，成本高、体积大，且只能根据已有磁敏电流传感器的弯曲谐振频率调节注入电流。

7、cn107482112a公开了一种永磁-压电型磁电复合材料，采用磁电复合材料，包括压电材料和永磁材料；压电材料为已极化的片状或条状结构，其相对表面分别附有金属电极，构成电极面；至少一个永磁材料固接在压电材料的电极面上。该专利只能通过不断尝试调整谐振频率，无相应公式指导。

技术实现思路

1、为解决现有技术中感知装置体积大、成本高，且只能根据已有磁敏电流传感器的弯曲谐振频率调节注入电流的技术问题，本发明提供一种配电网异频信号感知装置。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、一种配电网异频信号传感器件，包括磁致伸缩层、压电层；其特征在于：

4、所述磁致伸缩层对称设置在压电层的上下两侧；

5、压电层与磁致伸缩层通过粘合剂而紧密粘合形成磁电复合层；

6、磁致伸缩层用于感应待测异频信号引起的磁场变化，并利用磁致伸缩效应产生应力形变而传递到压电层，所述压电层将应力形变转换为电压输出；

7、根据在异频信号传感器件安装位置处待测异频信号所能产生的交流磁场强度大小以及设定的压电层电压输出阈值大小选择对应的磁致伸缩-压电材料参数；

8、根据待测异频信号频率值确定磁电复合层结构特征参数。

9、本发明进一步包括以下优选方案。

10、在异频信号传感器件安装处，根据压电层电压输出值与待测异频信号所产生的交流磁场强度关系选择对应的磁致伸缩-压电材料参数，压电层电压输出值与待测异频信号所产生的交流磁场强度关系公式如下：

11、

12、其中，vme是异频信号传感器件压电层电压输出值，qm是压电层共振品质因子，hac是在异频信号传感器件安装位置所能感应的交流磁场强度，是磁致伸缩层的压磁系数，k是磁致伸缩层耦合因数，e31是压电层压电系数，z是压电层厚度，ε0是真空介电常数，ε33是磁致伸缩层相对介电常数；

13、根据上述公式选择满足设定的异频信号传感器件电压输出阈值要求的磁致伸缩-压电材料参数，并根据确定后的磁致伸缩-压电材料参数选择对应磁致伸缩-压电材料和压电层厚度；

14、其中，所述磁致伸缩-压电材料参数，包括压电层共振品质因子、磁致伸缩层压磁系数、磁致伸缩层耦合因数、压电层压电系数、磁致伸缩层相对介电常数。

15、磁致伸缩-压电材料体系选自以下三种：

16、第一种：磁性铁氧体-压电陶瓷；

17、第二种：磁性合金-压电聚合物/陶瓷/单晶；

18、第三种：磁性合金-柔性叉指电极-压电纤维；

19、其中，柔性叉指电极是柔性电极的一种。

20、通过如下公式计算压电层上下两侧的磁致伸缩层厚度：

21、

22、其中，w是磁致伸缩层厚度，上下两侧的磁致伸缩层厚度相等，均为w；

23、磁电复合层厚度与磁致伸缩层厚度、压电层厚度的关系如下：

24、d＝2w+z；

25、其中，d是磁电复合层厚度。

26、磁电复合层的弯曲谐振频率按如下公式确定：

27、

28、其中，f为磁电复合层的弯曲谐振频率；l为磁电复合层长度；ρ为磁电复合层平均密度；s为磁电复合层平均柔性系数；n为正整数，表示磁电复合层的振动层级。

29、根据待测异频信号频率，调整配电网异频信号传感器件中磁电复合层长度，得到与待测异频信号频率相同的振动层级为1时磁电复合层弯曲谐振频率。

30、本技术还公开了一种基于前述配电网异频信号传感器件的配电网异频信号感知装置，还包括放大滤波模块、整流模块、稳压模块和微控制单元；其特征在于：

31、所述配电网异频信号传感器件，感应待测异频信号引起的磁场变化，并将其转换为电压输出至放大滤波模块；

32、所述放大滤波模块，用于将异频信号传感器件输出的电压信号放大，并滤除噪声信号；

33、所述整流模块，用于将放大滤波后的电压信号平滑输出至稳压模块的输入端；

34、所述稳压模块，用于稳定平滑后的电压，然后输出至微控制单元；

35、所述微控制单元，接收稳压模块输出的电压值，并根据标定的异频信号传感器件压电层电压输出值与异频电流的关系，还原待测异频电流大小，或根据异频信号传感器件输出电压推导出异频信号传感器件感应到的磁场强度，再根据异频信号磁场强度与异频电流大小的关系，计算得到待测异频电流大小。

36、本发明进一步包括以下优选方案。

37、微控制单元中，根据压电层电压输出值与待测异频信号所产生的交流磁场强度关系公式，由异频信号传感器件输出电压计算出异频信号传感器件感应到的磁场强度。

38、本技术还公开了一种基于前述配电网异频信号感知装置的配电网异频信号感知系统，包括异频信号注入装置、配电网异频信号感知装置；其特征在于：

39、所述异频信号注入装置，对配电网注入选定的异频电流信号；

40、所述配电网异频信号感知装置，识别并还原所注入异频电流的大小。

41、本发明进一步包括以下优选方案。

42、向配电网注入的异频电流信号，其频率选定为200～1000hz，且需避开工频奇、偶次谐波频率，并且异频电流信号幅值不超过100ma。

43、本技术还公开了一种基于前述配电网异频信号感知系统的配电网异频信号感知方法，其特征在于，所述方法包括以下内容：

44、通过异频信号注入装置在电网设定位置处注入确定频率和幅值的异频电流信号；

45、在配电网监测节点位置安装配电网异频信号感知装置；

46、根据异频信号电流幅值以及设定的配电网异频信号感知装置所需压电层电压输出阈值的大小，选择配电网异频信号感知装置中磁致伸缩-压电材料参数，根据注入待测异频信号频率值调整配电网异频信号感知装置中磁电复合层结构特征参数，以使得磁电复合层的弯曲谐振频率与注入异频信号频率相同；

47、通过配电网异频信号感知装置，识别、还原注入的异频电流信号大小。

48、本发明还提供了一种电子设备，包括处理器及存储介质；其特征在于，所述存储介质用于存储指令；所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行所述的配电网异频信号感知系统的配电网异频信号感知方法。

49、所述的一种适用于风力发电功率预测的全流程精细化误差溯源方法。

50、本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的配电网异频信号感知系统的配电网异频信号感知方法。

51、本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提出的一种配电网异频信号感知装置，具有灵敏度高、可调选频识别频率、注入电流强度依赖程度低、抗干扰能力强、结构简单、成本低、能大规模广泛部署等突出性能优势。