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本文介绍一种创新的非侵入式电流测量技术，通过无人机部署传感器盒（含碳纤维材质外壳及内部电路）测量输电线路（TLs）电流。信号经处理后存储，能可视化电流曲线。该技术在智能电网监测中具重要意义，有望优化电网管理。
一、研究背景
随着应对气候变化需求的增加，向清洁能源生产系统转型成为必然趋势，智能电网的发展至关重要。智能电网通过整合先进信息技术、传感技术和实时电网监测，实现能源基础设施的优化、稳定和可持续发展。然而，多种电力资源的整合给电网监测和电流测量带来了新挑战。
传统的电流测量工具存在体积大、安装繁琐、成本高的问题，难以在动态电网环境中广泛应用。现有的电流监测技术，如经典电流互感器等，在应用于现代电力系统时也面临诸多限制。同时，农村配电网缺乏实时、特定现场的电流信息，难以全面评估电网运行状态。
非接触式电流测量解决方案虽有优势，但也存在操作复杂、易受磁场干扰等问题。因此，开发轻量化、高精度、低成本且能自主运行的电流传感器迫在眉睫，以满足智能异构电力系统的需求。
二、创新电流传感器的设计
该创新电流传感器的实现依赖于四个主要设计元素：传感器外壳、印制电路板（PCB）、嵌入式计算机系统与数据存储设施的接口以及软件架构。
传感器外壳选用碳纤维（CF）材料，其具有低磁导率、非导电、高强度和低密度等特性，能减少对磁场传感器数据采集的干扰，满足无人机运输和反复部署的要求。传感器盒采用棱柱形设计，通过机械组装离散部件构成，配备连接管用于固定在输电线上，还设计了与无人机配合的结构。
PCB 设计方面，选用 DRV5055A1 霍尔效应传感器，其具有高灵敏度、宽测量范围和良好的温度稳定性等优点。为去除传感器输出信号中的噪声和杂波，设计了基于 MAX280/MXL 1062 的低通滤波器（LPF），并通过 LTC 6900 提供稳定的时钟信号。同时，利用 BD50GA5MEFJ-LBH2 和 BD80GC0VEFJ-ME2 电压调节器为各个组件提供稳定的电源。
在接口设计上，Arduino Mega 2560 Rev3 作为数据处理器，通过 SPI 协议与 SD 卡模块连接，实现数据的存储和读取。利用 DS3231 实时时钟（RTC）模块为数据添加时间戳，确保数据的时间准确性。
软件架构方面，Arduino 代码利用 SPI、SdFat 和 RTClib 库实现数据的实时记录和存储。MATLAB 脚本用于处理 SD 卡中的数据，将其转换为可视化的电流 - 时间曲线，便于后续分析。
三、实验设计
实验设计涵盖传感器盒设计、PCB 设计、SD 卡 - Arduino 设计、MATLAB-IDE 代码设计和完整原型组装等多个方面。
在传感器盒设计中，CF 材料的选择和几何设计充分考虑了其功能和结构稳定性。传感器安装在内部可插拔的圆柱形桶中，通过压缩弹簧和远程控制的 FrSky X8R 2.4 GHz 收发器实现传感器盒的部署和拆卸。
PCB 设计时，对 MF 传感器的选择、LPF 设计和电压调节电路进行了详细规划。DRV5055A1 传感器的输出信号经过 LPF 滤波后，输入到 Arduino 的模拟输入引脚，确保输入电压在安全范围内。
SD 卡 - Arduino 设计中，Arduino Mega 2560 通过 SPI 接口与 SD 卡模块连接，DS3231 RTC 模块提供时间戳，实现数据的准确记录和存储。
MATLAB-IDE 代码设计中，Arduino 代码负责将传感器数据记录到 SD 卡，MATLAB 脚本则对 SD 卡中的数据进行处理和可视化。通过验证 CSV 文件的存在、读取数据、检查数据完整性、转换时间格式和映射电压值等步骤，生成电流 - 时间曲线。对于超出实验室测试范围的电流值，采用线性外推法进行处理。
完整原型组装时，将 DRV5055A1 传感器安装在内部桶中，连接信号传输线到 SPUs，再将 SPUs 的输出连接到 Arduino 的模拟输入端口，确保整个系统的紧凑性和可维护性。
四、数字测试在 MATLAB
为深入理解测量原理并优化设计，利用 MATLAB/Simulink 对传感器和信号处理单元（SPUs）进行模拟。由于 DRV5055A1 等电子元件在 Simulink 中无预定义模块，使用自定义 MATLAB 函数进行建模。
模拟中，通过设置模拟的输电线路和负载，产生电流并计算相应的磁通密度，输入到 DRV5055A1 函数中。同时，添加噪声和奇次谐波信号模拟实际环境中的干扰。经过 SPU 处理后，对比原始信号、含噪信号和滤波后信号的峰值，验证 SPU 对噪声的抑制能力。结果表明，设计的 SPU 能有效减少噪声干扰，使输出信号更接近参考信号。
五、实验测试
在实验室环境中，对完整的传感器盒进行测试。使用 FLUKE 6105A Electrical Power Standard 产生精确的交流电流，通过 HAMEG HM8030-6 函数发生器添加奇次谐波，模拟实际输电线路中的电流情况。利用 TELEDYNE LeCroy WaveSurfer 示波器对输入和输出信号进行精确测量和校准。
实验进行了两组，一组在无谐波和信号干扰的情况下进行，作为参考实验；另一组添加 150Hz 和 250Hz 的谐波以及高达 20% 的总谐波失真。通过对比两组实验中不同电流值下的输出电压，评估传感器盒在不同条件下的性能。
实验结果显示，传感器盒在测量电流时受噪声信号和谐波的影响，高电流下电压差异较大，但整体测量误差为 1.7%，对应 98.3% 的测量效率。同时，实验还发现传感器盒在低电流下误差较小，且数据存储量小，电池续航能力可支持 6 小时连续测试。
六、讨论
从多方面对测量解决方案进行评估，包括重量、耐久性、可重复性、效率以及与类似研究的比较和成本效益分析。
结果讨论中，分析了噪声和谐波对测量结果的影响，发现误差随电流增加而增大，但在高电流时趋于稳定。同时，考虑了温度对传感器灵敏度的影响，提出可使用 DRV5055Z1 作为温度补偿元件。此外，传感器盒重量轻、数据存储需求小、续航能力满足一定测试要求，但也存在一些局限性，如实验电流范围有限、依赖无人机部署、受环境因素影响较大等。
与类似研究相比，该传感器盒设计具有更高的灵活性、更宽的电流测量范围和更简单的校准过程。在成本效益方面，虽然整体成本较高，但考虑到其多功能性和高质量材料的使用，在无人机应用场景中有一定的合理性。同时，指出了研究存在的局限性，如缺乏高电流实验、受环境因素影响未充分研究等，并提出了相应的改进方向。
七、结论和未来工作
本研究提出了一种创新的电流测量解决方案，通过无人机部署传感器盒实现对输电线路电流的测量和数据存储，为电网负荷分析和预测维护提供了数据支持。未来工作包括通过编程补偿实验中发现的误差、集成光伏模块以延长传感器盒的运行时间、改进设计实现直接 USB 通信避免拆卸 SD 卡，以及在实际输电线路条件下进行全面测试，以评估该技术在现实场景中的性能和适用性。
