CN112379156B - 一种快速测量kA级直流电流突变的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速测量kA级直流电流突变的方法。本发明先使用电流互感器将直流大电流信号转换为小电流信号，通过采样电阻得到电压信号和小电流信号，通过调理电路对电压信号和小电流信号进行滤波整流和放大后进入交直流拟合测量模块，交直流拟合测量模块输出交流电压测量结果信号、直流电流测量结果信号和突变信号；直流电流测量结果信号输入直流大电流比较电路中；然后，将直流大电流比较电路的输出信号和交流电压测量结果信号经A/D转换器转化为计算机可处理的数字信号，突变信号和直流大电流比较电路的输出信号采用电流突变量算法在计算机中得出全部直流大电流测量结果和电流突变测量结果。本发明优化了直流大电流动态测量方法。

Description

一种快速测量kA级直流电流突变的方法

技术领域

本发明属于计量检定领域，涉及大电流测量，具体地说是一种快速测量kA级直流电流突变的方法。

背景技术

在工业化和城镇化的快速推进过程中，直流大电流在各重工业行业领域应用广泛，kA级以上的直流大电流应用于轨道交通、造船、航空以及各重型设备制造领域。直流大电流精密的校准工作，对其稳定性、可靠性和准确性的要求愈发严格。各领域直流大电流的应用，经常需要面对启动、停止控制时，电流会产生突变以及突变后的电流调整波动影响直流大电流应用的质量问题，需对直流大电流进行动态计量研究，那么对直流大电流突变的测量也成为大电流测量的一个深入研究的方面。对直流大电流突变测量的技术先进性，对企业制造的安全性、经济效益起着至关重要的作用。

国内对大电流的测量多采用分流器或者直流互感器的方式进行，如图1-2所示，其准确度不高且对回路参数不敏感，无法实现直流大电流突变的快速准确测量。

分流器测量是将已知的纯电阻放在被测电流电路里，回路中的电流通过测量电阻上的电压来求得，利用欧姆定理进行测量，实际应用中分流器的阻值在mΩ或μΩ级别。

分流器原理测量大电流是通过测量电阻上的电压来求得，但是分流器通常存在较小的电感，当频率和幅度变高，会使分流器的发热量大幅度增加，严重影响分流器的测量精度，只适用于对主回路参数不敏感的场合，无法完成电流突变的测量。

传统的直流互感器原理测量大电流利用直流电流量值变换的互感，通过整流电路，将通过线圈的直流大电流按匝数反比变换成直流小电流，实现大电流的测量，但是直流电流互感器的测量结果很容易受到外界磁场的影响，从而产生很大的误差，比如当测量电流的激磁电流小于直流互感器时，不论是哪一种软磁材料的磁化特性曲线都不完美，都存在着缺陷。因此极大的影响了直流大电流测量的准确性，限制了传统的直流互感器测量技术测量电流突变的优化发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种快速测量kA级直流电流突变的方法，其采用高速直流大电流数据采集技术、精密测量直流大电流技术、交直流拟合测量模块及电流突变算法，快速采集直流大电流数据信号后，精密测量直流大电流信号，通过交直流拟合测量模块及电流突变算法测出直流大电流中的电流突变；采用此种方式，可以在精密测量大电流基础上，灵敏的测出直流大电流中的量值突变，实现快速测量kA级直流电流突变，从而为直流大电流动态计量特性研究提供可靠保障。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种快速测量kA级直流电流突变的方法，其先使用电流互感器将直流大电流信号转换为小电流信号，通过采样电阻得到电压信号和小电流信号，通过调理电路对电压信号和小电流信号进行滤波整流和放大后进入交直流拟合测量模块，所述的电压信号和小电流信号包括交流电压信号和直流电流信号，所述的交直流拟合测量模块输出交流电压测量结果信号、直流电流测量结果信号和突变信号；

所述的直流电流测量结果信号输入直流大电流比较电路中，通过PWM进行脉冲调制调幅，然后通过磁调制变换为可精密测量的电压值；

然后，将直流大电流比较电路的输出信号和交流电压测量结果信号经A/D转换器转化为计算机可处理的数字信号，所述的突变信号和直流大电流比较电路的输出信号采用电流突变量算法在计算机中得出全部直流大电流测量结果和电流突变测量结果。

作为上述方法的进一步补充，所述调理电路的具体处理过程如下：

电压信号和小电流信号经过滤波整流和运算放大器放大处理，转换为精度满足交直流拟合测量模块的信号，进入交直流拟合测量模块中；同时，采用弱电信号进行同步跟踪处理，作为计算机MCU中断INTO的信号动作的来源。

作为上述方法的进一步补充，在进入调理电路前先进行采样保持，即通过模拟开关和MOS场效应管对电压信号采样后保持采样的精度和速度。

作为上述方法的进一步补充，所述交直流拟合测量模块的具体处理过程如下：

调理电路处理后的电压信号和小电流信号进行整形和滤波，然后进入直流大电流比较电路中进行直流大电流的精确测量；同时，将整形滤波后的直流信号与调理电路处理后的交流电压信号采用逻辑运算器进行运算，之后通过经三角波发生器切割后的PWM进行调宽调幅处理，将交流信号转变为方波信号，即突变信号，并记录突变量。

作为上述方法的进一步补充，所述直流大电流比较电路的具体处理过程如下：

经交直流拟合测量模块整形过滤后的直流电流测量结果信号通过PWM进行脉冲调制输出，同时将PWM中信号通过SPI传送到FPGA，控制D/A转换器转换一个电压基准信号到积分器，积分器输出一个稳定电压信号控制PWM生成方波信号幅值，方波信号通过功率放大器对经交直流拟合测量模块整形滤波后的大电流信号进行直流的精确处理；然后将处理好的大电流信号作为一次信号通过磁调制变换，通过绕组在二次侧标准电阻上产生压降，精确测量电压值，换算后实现直流大电流的精确测量。

作为上述方法的进一步补充，所述的电流突变量算法的架构包括数据源、获取层、数据层、能力层和应用层；

数据源：收集取样相应原始电量数据，数据包括电压值数据、电流值数据、时间值数据、频率数据、准确度数据和接口数据；这部分数据是需求测量的原始数据值以及相应突变信号特征值，是最终测量大电流数据和突变数据的基础值；

获取层：主要通过ETL及内容分析实现数据的治理问题，确保数据的质量，保证数据的正确性、完整性、一致性、完备性、有效性、时效性和可获取性，主要通过空值处理、规范化数据格式、拆分数据、验证数据正确性和数据替换实现数据的整合；这部分数据会进行简单的处理，通过软件控制，分析数据所对应要求值的正确性、完整性、一致性、有效性，确保数据源采集的数据是所需求的数据；

数据层：对原始电量数据进行模数处理后，将数据进行资源比对，将数据记录汇总集成再统一分析，支撑数据深度分析和数据挖掘能力，向主数据仓库输出关键指标数据和高度汇总数据；由于数据经过交直流拟合测量模块后将交流和直流分开处理，直流数据将直接记录为测量结果，交流数据经过分析算法通过基础分析能力和多维分析能力匹配成相对应突变的动态事件进行记录；根据统计的基础数据和各不同被检设备的数据构造WEB资源池；这部分数据汇总分析，与数据库内容进行比对，直流测量数据直接作为最终测量结果，交流数据需要匹配相应的电流突变特征，从而获知电流突变情况；

能力层：通过对原始电量数据进行整合汇总，形成上层可用的数据挖掘工具，提供基础分析能力、多维分析能力、数据挖掘能力、实时分析能力、自助分析能力和数据共享能力，同时提供FTP传输、API接口和SQL\MDX语句使用能力；这部分数据进行汇总，将处理后的数据进行分类分析和数据分布存储，作为检定报告的最终调取数据库；

应用层：根据业务需要实现各种灵活检定报告任务和数据趋势整理，从而完成整个动态计量的要求；这部分将数据进行最终数据处理和整理，形成所需检定计量的报告。

本发明具有的有益效果如下：本发明实现快速采集直流大电流数据信号后，精密测量直流大电流信号，通过交直流拟合测量模块及电流突变算法测出直流大电流中的电流突变量，优化了直流大电流动态测量方法。

附图说明

图1为背景技术中分流器等效电路的原理图；

图2为背景技术中直流互感器的原理图；

图3为本发明快速测量kA级直流电流突变方法的原理框图；

图4为本发明调理电路的框图；

图5为本发明交直流拟合测量模块的原理框图；

图6为本发明直流大电流比较电路的框图；

图7为本发明电流突变量算法的架构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明，但本发明的保护范围不限于下述说明。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和变更，都落入本发明的保护范围。

本实施例提供一种快速测量kA级直流电流突变的方法，如图3所示，先使用电流互感器将直流大电流信号转换为小电流信号，通过采样电阻得到电压信号和小电流信号，通过调理电路对电压信号和小电流信号进行滤波整流和放大后进入交直流拟合测量模块，所述的电压信号和小电流信号包括交流电压信号和直流电流信号，所述的交直流拟合测量模块输出交流电压测量结果信号、直流电流测量结果信号和突变信号；

所述的直流电流测量结果信号输入直流大电流比较电路中，通过PWM进行脉冲调制调幅，然后通过磁调制变换为可精密测量的电压值；

然后，将直流大电流比较电路的输出信号和交流电压测量结果信号经A/D转换器转化为计算机可处理的数字信号，所述的突变信号和直流大电流比较电路的输出信号采用电流突变量算法在计算机中得出全部直流大电流测量结果和电流突变测量结果。

如图4所示，所述调理电路的处理过程如下：

电压信号和小电流信号经过滤波整流和运算放大器放大处理，转换为精度满足交直流拟合测量模块的信号，进入交直流拟合测量模块中；同时，采用弱电信号进行同步跟踪处理，作为计算机MCU中断INTO的信号动作的来源。

在进入调理电路前先进行采样保持，即通过模拟开关和MOS场效应管对电压信号采样后保持采样的精度和速度。

如图5所示，所述交直流拟合测量模块的处理过程如下：

调理电路处理后的电压信号和小电流信号进行整形和滤波，然后进入直流大电流比较电路中进行直流大电流的精确测量；同时，将整形滤波后的直流信号与调理电路处理后的交流电压信号采用逻辑运算器进行运算，之后通过经三角波发生器切割后的PWM进行调宽调幅处理，将交流信号转变为方波信号，即突变信号，并记录突变量。

如图6所示，所述直流大电流比较电路的处理过程如下：

经交直流拟合测量模块整形过滤后的直流电流测量结果信号通过PWM进行脉冲调制输出，同时将PWM中信号通过SPI传送到FPGA，控制D/A转换器转换一个电压基准信号到积分器，积分器输出一个稳定电压信号控制PWM生成方波信号幅值，方波信号通过功率放大器对经交直流拟合测量模块整形滤波后的大电流信号进行直流的精确处理；然后将处理好的大电流信号作为一次信号通过磁调制变换，通过绕组在二次侧标准电阻上产生压降，精确测量电压值，换算后实现直流大电流的精确测量。

如图7所示，所述的电流突变量算法的架构包括数据源、获取层、数据层、能力层和应用层；

数据源：收集取样相应原始电量数据，数据包括电压值数据、电流值数据、时间值数据、频率数据、准确度数据和接口数据；这部分数据是需求测量的原始数据值以及相应突变信号特征值，是最终测量大电流数据和突变数据的基础值；

获取层：主要通过ETL及内容分析实现数据的治理问题，确保数据的质量，保证数据的正确性、完整性、一致性、完备性、有效性、时效性和可获取性，主要通过空值处理、规范化数据格式、拆分数据、验证数据正确性和数据替换实现数据的整合；这部分数据会进行简单的处理，通过软件控制，分析数据所对应要求值的正确性、完整性、一致性、有效性，确保数据源采集的数据是所需求的数据；

数据层：对原始电量数据进行模数处理后，将数据进行资源比对，将数据记录汇总集成再统一分析，支撑数据深度分析和数据挖掘能力，向主数据仓库输出关键指标数据和高度汇总数据；由于数据经过交直流拟合测量模块后将交流和直流分开处理，直流数据将直接记录为测量结果，交流数据经过分析算法通过基础分析能力和多维分析能力匹配成相对应突变的动态事件进行记录；根据统计的基础数据和各不同被检设备的数据构造WEB资源池；这部分数据汇总分析，与数据库内容进行比对，直流测量数据直接作为最终测量结果，交流数据需要匹配相应的电流突变特征，从而获知电流突变情况；

能力层：通过对原始电量数据进行整合汇总，形成上层可用的数据挖掘工具，提供基础分析能力、多维分析能力、数据挖掘能力、实时分析能力、自助分析能力和数据共享能力，同时提供FTP传输、API接口和SQL\MDX语句使用能力；这部分数据进行汇总，将处理后的数据进行分类分析和数据分布存储，作为检定报告的最终调取数据库；

应用层：根据业务需要实现各种灵活检定报告任务和数据趋势整理，从而完成整个动态计量的要求；这部分将数据进行最终数据处理和整理，形成所需检定计量的报告。

Claims (5)

1.一种快速测量kA级直流电流突变的方法，其特征在于，

先使用电流互感器将直流大电流信号转换为小电流信号，通过采样电阻得到电压信号和小电流信号，通过调理电路对电压信号和小电流信号进行滤波整流和放大后进入交直流拟合测量模块，所述的电压信号和小电流信号包括交流电压信号和直流电流信号，所述的交直流拟合测量模块输出交流电压测量结果信号、直流电流测量结果信号和突变信号；

所述的直流电流测量结果信号输入直流大电流比较电路中，通过PWM进行脉冲调制调幅，然后通过磁调制变换为可精密测量的电压值；

然后，将直流大电流比较电路的输出信号和交流电压测量结果信号经A/D转换器转化为计算机可处理的数字信号，所述的突变信号和直流大电流比较电路的输出信号采用电流突变量算法在计算机中得出全部直流大电流测量结果和电流突变测量结果；

所述的电流突变量算法的架构包括数据源、获取层、数据层、能力层和应用层；

数据源：收集取样相应原始电量数据，数据包括电压值数据、电流值数据、时间值数据、频率数据、准确度数据和接口数据；这部分数据是需求测量的原始数据值以及相应突变信号特征值，是最终测量大电流数据和突变数据的基础值；

获取层：主要通过ETL及内容分析实现数据的治理问题，确保数据的质量，保证数据的正确性、完整性、一致性、完备性、有效性、时效性和可获取性，主要通过空值处理、规范化数据格式、拆分数据、验证数据正确性和数据替换实现数据的整合；这部分数据会进行简单的处理，通过软件控制，分析数据所对应要求值的正确性、完整性、一致性、有效性，确保数据源采集的数据是所需求的数据；

数据层：对原始电量数据进行模数处理后，将数据进行资源比对，将数据记录汇总集成再统一分析，支撑数据深度分析和数据挖掘能力，向主数据仓库输出关键指标数据和高度汇总数据；由于数据经过交直流拟合测量模块后将交流和直流分开处理，直流数据将直接记录为测量结果，交流数据经过分析算法通过基础分析能力和多维分析能力匹配成相对应突变的动态事件进行记录；根据统计的基础数据和各不同被检设备的数据构造WEB资源池；这部分数据汇总分析，与数据库内容进行比对，直流测量数据直接作为最终测量结果，交流数据需要匹配相应的电流突变特征，从而获知电流突变情况；

能力层：通过对原始电量数据进行整合汇总，形成上层可用的数据挖掘工具，提供基础分析能力、多维分析能力、数据挖掘能力、实时分析能力、自助分析能力和数据共享能力，同时提供FTP传输、API接口和SQL\MDX语句使用能力；这部分数据进行汇总，将处理后的数据进行分类分析和数据分布存储，作为检定报告的最终调取数据库；

应用层：根据业务需要实现各种灵活检定报告任务和数据趋势整理，从而完成整个动态计量的要求；这部分将数据进行最终数据处理和整理，形成所需检定计量的报告。

2.根据权利要求1所述的一种快速测量kA级直流电流突变的方法，其特征在于，所述调理电路的具体处理过程如下：

电压信号和小电流信号经过滤波整流和运算放大器放大处理，转换为精度满足交直流拟合测量模块的信号，进入交直流拟合测量模块中；同时，采用弱电信号进行同步跟踪处理，作为计算机MCU中断INTO的信号动作的来源。

3.根据权利要求1或2所述的一种快速测量kA级直流电流突变的方法，其特征在于，在进入调理电路前先进行采样保持，即通过模拟开关和MOS场效应管对电压信号采样后保持采样的精度和速度。

4.根据权利要求1或2所述的一种快速测量kA级直流电流突变的方法，其特征在于，所述交直流拟合测量模块的具体处理过程如下：

调理电路处理后的电压信号和小电流信号进行整形和滤波，然后进入直流大电流比较电路中进行直流大电流的精确测量；同时，将整形滤波后的直流信号与调理电路处理后的交流电压信号采用逻辑运算器进行运算，之后通过经三角波发生器切割后的PWM进行调宽调幅处理，将交流信号转变为方波信号，即突变信号，并记录突变量。

5.根据权利要求1或2所述的一种快速测量kA级直流电流突变的方法，其特征在于，所述直流大电流比较电路的具体处理过程如下：

经交直流拟合测量模块整形过滤后的直流电流测量结果信号通过PWM进行脉冲调制输出，同时将PWM中信号通过SPI传送到FPGA，控制D/A转换器转换一个电压基准信号到积分器，积分器输出一个稳定电压信号控制PWM生成方波信号幅值，方波信号通过功率放大器对经交直流拟合测量模块整形滤波后的大电流信号进行直流的精确处理；然后将处理好的大电流信号作为一次信号通过磁调制变换，通过绕组在二次侧标准电阻上产生压降，精确测量电压值，换算后实现直流大电流的精确测量。

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