CN115792326A - 一种高压电流互感器的高速高精度采集电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及互感器技术领域，且公开了一种高压电流互感器的高速高精度采集电路及方法，包括电流采集及控制单元，所述电流采集及控制单元包括CPU、卫星B码同步时钟、AD转换电路、恒温晶振、滤波电路、采样电路、标准基准电源、温度采集及控制单元、电子硬盘和光纤转换接口电路，本发明在数据采集之前通过标准基准电源和校准及补偿线圈，计算互感器及采集系统的角差和比差，对采集的数据进行修正，提高采集精度，且为了保证采集精度，在被采集电流大于一定值或小于一定值时，为了防止互感器磁芯磁通量的过大饱或过小采集误差大的问题，通过标准基准电源和校准及补偿线圈来减小或加大磁芯的磁通量，从而提高采集精度。

Description

一种高压电流互感器的高速高精度采集电路及方法

技术领域

本发明涉及互感器技术领域，具体为一种高压电流互感器的高速高精度采集电路及方法。

背景技术

电力系统的电气参数为电力系统的安全可靠运行提供了数据支撑，电流是过负荷、过流及短路等故障情况的重要依据，电流的实时准确检测对电力系统运行显得尤为重要，电流测量的准确可靠是分析电力系统关键，电流的测量需要准确反映被测系统的实时情况，电流的测量一般都是通过电流互感器采集得到的，而电网波形的畸变造成互感器测量的准确性的下降，被测电流变化范围大，会造成电流在两端时的误差增大，环境温度变化以及互感器自身工作的温升都会造成互感器采集精度的下降，这些都制约了电流互感器的采集精度。对于高精度多组互感器的同时监测采集系统，由于每个采集通道的参数差异，即使在相同的工况下对于相同的信号，也可能造成不同通道之间数据的差异，致使相同工况下的信号每个通道的角差、比差可能都不相同，这都是造成电流互感器采集误差的原因。

申请号为202110830006.1公开了一种高精度开合式电流互感器及其数据采样方法，其通过标准采样绕组确定比差和角差来修正采样过程中引起的误差，但是其没有对由于环境温度变化、偏磁、电流大或小引起的磁饱和或磁通量过小引起的误差进行解决，对多互感器的同步采样也没涉及，因此，本发明提出一种高压电流互感器的高速高精度采集电路及方法，旨在解决以下问题；

1、现有电流采集电路的采集精度不高，当一次电流不对称影响磁偏造成采集误差比较大；

2、环境温度或高或低影响采集电路的工作特性、或者采集电流过大或者过小造成采集精度不高；

3、电路自身存在的电容电感特性致使互感器的一二次电流间存在角差、比差问题，且解决多互感器采集的同步问题。

发明内容

本发明提供如下技术方案：一种高压电流互感器的高速高精度采集电路，包括电流采集及控制单元，所述电流采集及控制单元包括CPU、卫星B码同步时钟、AD转换电路、恒温晶振、滤波电路、采样电路、标准基准电源、温度采集及控制单元、电子硬盘和光纤转换接口电路，采样电路的输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与AD转换电路的输入端连接，AD转换电路与CPU双向连接，恒温晶振的输出端与AD转换电路的输入端连接，微型B码同步时钟的输出端与CPU的输入端连接，CPU的输出端与光纤转换接口电路的输入端连接，标准基准电源、温度采集及控制单元和电子硬盘均与CPU双向连接。

优选的，所述互感器本体包括壳体、磁芯、测量线圈、校准及补偿线圈和互感器上下磁芯开合缝，所述校准及补偿线圈与基准电源连接。

优选的，所述磁芯包括上磁芯和下磁芯，所述壳体包括上壳体和下壳体，上磁芯和下磁芯分别安装于上壳体和下壳体的内部，所述测量线圈和校准及补偿线圈缠绕在下磁芯的侧壁，测量线圈为多匝线圈，校准及补偿线圈只有一匝。

优选的，所述电流采集及控制单元预留有外部光纤接口、互感器采集线圈和校准及补偿线圈接口，电流采集及控制单元单元内部设置有恒温装置，恒温装置内部设置有温度传感器，温度传感器用于测量电流采集及控制单元内部的温度，电流采集及控制单元外部设置有温度调节装置，温度调节装置通过水控温、半导体控温模块等，不局限控温手段，温度传感器和控温装置用于把电流采集及控制单元内部保持在恒定温度，保证各电路工作在恒定温度下，避免参数特性的偏离。

优选的，所述标准基准电源用于在CPU控制下输出幅值可调的标准正弦电流信号、正负半周不对称的正弦波信号和相位和幅值可调正弦波电流信号。

优选的，所述恒温晶振用于提供AD转换的时钟信号工作在恒定温度下，所述卫星B码同步时钟用于接收卫星时钟信号，保证多路传感器采集电流系统的同步采集，保证采集到的数据是同一时刻的数据，所述电子硬盘用于存储采集到的电流数据，且进行数据备份，并用于定时把数据从电子硬盘中拷出，所述光纤转换接口电路用于把采集到的电流数据通过光纤传输至远方。

优选的，一种高压电流互感器的高速高精度采集方法适用于权利要求书1-6任一项一种高压电流互感器的高速高精度采集电路，包括以下步骤；在连接好测量线路后开始测量前；

（1）首先由控温装置保证电流采集及控制单元内部温度的恒定；

（2）再由CPU控制标准基准电源输出工频正弦波电流，此时测量线圈输出电流信号，由采集电路采集电流信号，采集到的信号经过滤波电路滤除干扰，送至AD转换电路，AD转换电路由恒温晶振提供同步时钟信号，保证AD转换精度；

（3）AD转换后的结果送给CPU，由CPU根据采集到信号计算出采集电流的幅值I1和相位Q1，由于标准源输出信号是由CPU控制输出的，其输出的幅值I2和相位Q2也是已知的，并且互感器的匝数比也是已知的，设定为K1，则可得到互感器的比差Km为I2/(K1*I1),互感器的角差Bm为Q1-Q2。

优选的，所述电流采集和控制单元计算出在当前条件下的互感器比差和角差后，在正常数据采集过程中，如果互感器采集到的数据是正常的正弦波信号，且范围在合适的大小范围内，标准信号源是处于停止工作状态，采集到的电流实时值需要除以比差Km，采集到的互感器相位实时值需要在采集数据的基础上减去角差Bm。

优选的，一种高压电流互感器的高速高精度采集方法还包括在数据采集过程中；

当采集到的电流幅值较小，当小于设定的下限值时；互感器的磁芯磁通量较小，会造成电流采集误差较大，此时，电流采集及控制单元控制标准基准电源输出和互感器一次电流相位、频率完全相同具有固定幅值A1的电流施加在校准及补偿线圈上，以增大一次电流的幅值，增大互感器磁芯中的磁通量，提高采集精度，电流数据的真实值等于采集到的数据减去标准基准电源输出的电流值；

当采集到的电流数据值较大，大于设定的上限值时；此时互感器磁芯处于饱和边沿状态，也会造成数据采集的误差，为了减小采集误差，此时，电流采集及控制单元控制标准基准电源输出和互感器一次电流相位相差180°、频率完全相同具有固定幅值A2的电流施加在校准及补偿线圈上，以减小一次电流的有效值，使互感器的磁芯磁通量偏离饱和状态边缘，提高采集精度，此时采集到的电流数据加上标准基准电源输出的电流值即为一次电流的真实值。

优选的，一种高压电流互感器的高速高精度采集方法还包括在数据采集过程中，当采集到的数据存在正负半周不对称情况，在此情况下互感器磁芯存在磁偏现象，影响电流采集精度，为了消除磁偏，根据采集到数据计算出正负半周数据偏离大小，控制校准标准电源，输出一个与偏离数据相位相反的电流信号，施加在校准及补偿线圈上，消除磁芯中磁片现象，保证采集精度。

有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种高压电流互感器的高速高精度采集电路及方法，具备以下有益效果：

1、本发明通过卫星B码时间信息，保证多路互感器数据采集的同步问题，通过恒温晶振保证AD转换的时钟精度，确保AD转换的精度及一致性，通过温度传感器及控温装置，确保电流采集及控制单元内部温度恒定，确保各工作模块的特性参数稳定；

2、在数据采集之前通过标准基准电源和校准及补偿线圈，计算互感器及采集系统的角差和比差，对采集的数据进行修正，提高采集精度，且为了保证采集精度，在被采集电流大于一定值或小于一定值时，为了防止互感器磁芯磁通量的过大饱或过小采集误差大的问题，通过标准基准电源和校准及补偿线圈来减小或加大磁芯的磁通量，从而提高采集精度，并对在此情况下采集到的数据根据补偿量的大小进行修正从而提高了采集精度；对于被采集电流的正负半周不对称造成磁芯磁通量的偏磁问题，容易使磁芯磁通量饱和，降低采集精度；

3、本发明通过标准基准电源和校准及补偿线圈治理偏磁，解决磁芯的偏磁问题，为了还原被测电流的真实性，根据补偿偏磁的大小，对采集数据进行修正，达到数据高精度的要求，同时，为了提高采集速度，采用告诉AD转换及FPGA对数据进行采集，提高采集速度。

附图说明

图1为本发明一种高压电流互感器的高速高精度采集电路及方法的电流采集及控制单元结构示意图；

图2为本发明一种高压电流互感器的高速高精度采集电路及方法结构的装置示意图；

图3为本发明一种高压电流互感器的高速高精度采集电路及方法的流程示意图；

图4为本发明一种高压电流互感器的高速高精度采集电路及方法的具体流程示意图。

图中：1、壳体；2、磁芯；3、互感器上下磁芯开合缝；4、校准及补偿线圈；5、测量线圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一；

请参阅图1，一种高压电流互感器的高速高精度采集电路，包括电流采集及控制单元，电流采集及控制单元包括CPU、卫星B码同步时钟、AD转换电路、恒温晶振、滤波电路、采样电路、标准基准电源、温度采集及控制单元、电子硬盘和光纤转换接口电路，采样电路的输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与AD转换电路的输入端连接，AD转换电路与CPU双向连接，恒温晶振的输出端与AD转换电路的输入端连接，微型B码同步时钟的输出端与CPU的输入端连接，CPU的输出端与光纤转换接口电路的输入端连接，标准基准电源、温度采集及控制单元和电子硬盘均与CPU双向连接，通过卫星B码时间信息，保证多路互感器数据采集的同步问题，通过恒温晶振保证AD转换的时钟精度，确保AD转换的精度及一致性，通过温度传感器及控温装置，确保电流采集及控制单元内部温度恒定，确保各工作模块的特性参数稳定。

进一步的，电流采集及控制单元预留有外部光纤接口、互感器采集线圈和校准及补偿线圈4接口，电流采集及控制单元单元内部设置有恒温装置，恒温装置内部设置有温度传感器，温度传感器用于测量电流采集及控制单元内部的温度，电流采集及控制单元外部设置有温度调节装置，温度调节装置通过水控温、半导体控温模块等，不局限控温手段，温度传感器和控温装置用于把电流采集及控制单元内部保持在恒定温度，保证各电路工作在恒定温度下，避免参数特性的偏离。

进一步的，标准基准电源用于在CPU控制下输出幅值可调的标准正弦电流信号、正负半周不对称的正弦波信号和相位和幅值可调正弦波电流信号，恒温晶振用于提供AD转换的时钟信号工作在恒定温度下，通过恒温晶振保证AD转换的时钟精度，确保AD转换的精度及一致性，卫星B码同步时钟用于接收卫星时钟信号，保证多路传感器采集电流系统的同步采集，保证采集到的数据是同一时刻的数据。电子硬盘用于存储采集到的电流数据，且进行数据备份，并用于定时把数据从电子硬盘中拷出。光纤转换接口电路用于把采集到的电流数据通过光纤传输至远方。

进一步的，本发明可以针对多路多组电流互感器进行同步采集进行应用，在对多路互感器进行电流采集时，通过卫星B码时钟信号进行同步采集，为提高采集速度，采用高速AD转换芯片和FPGA进行数据采集，其采样频率为12.8kHz。

实施例二；

请参阅图2，互感器本体包括壳体1、磁芯2、测量线圈5、校准及补偿线圈4和互感器上下磁芯开合缝3，校准及补偿线圈4与基准电源连接，磁芯2包括上磁芯和下磁芯，壳体1包括上壳体和下壳体，上磁芯和下磁芯分别安装于上壳体和下壳体的内部，测量线圈5和校准及补偿线圈4缠绕在下磁芯的侧壁，测量线圈5为多匝线圈，校准及补偿线圈4只有一匝，通过标准基准电源和校准及补偿线圈4治理偏磁，解决磁芯2的偏磁问题，为了还原被测电流的真实性，根据补偿偏磁的大小，对采集数据进行修正，达到数据高精度的要求，同时，为了提高采集速度，采用告诉AD转换及FPGA对数据进行采集，提高采集速度。

实施例三；

请参阅图3和4，一种高压电流互感器的高速高精度采集方法适用于权利要求书1-6任一项一种高压电流互感器的高速高精度采集电路，包括以下步骤；在连接好测量线路后开始测量前首先由控温装置保证电流采集及控制单元内部温度的恒定，再由CPU控制标准基准电源输出工频正弦波电流，此时测量线圈5输出电流信号，由采集电路采集电流信号，采集到的信号经过滤波电路滤除干扰，送至AD转换电路，AD转换电路由恒温晶振提供同步时钟信号，保证AD转换精度，AD转换后的结果送给CPU。由CPU根据采集到信号计算出采集电流的幅值I1和相位Q1，由于标准源输出信号是由CPU控制输出的，其输出的幅值I2和相位Q2也是已知的，并且互感器的匝数比也是已知的，设定为K1，则可得到互感器的比差Km为I2/(K1*I1),互感器的角差Bm为Q1-Q2。

进一步的，在数据采集之前通过标准基准电源和校准及补偿线圈4，计算互感器及采集系统的角差和比差，对采集的数据进行修正，提高采集精度，且为了保证采集精度，在被采集电流大于一定值或小于一定值时，为了防止互感器磁芯2磁通量的过大饱或过小采集误差大的问题，通过标准基准电源和校准及补偿线圈4来减小或加大磁芯2的磁通量，从而提高采集精度，并对在此情况下采集到的数据根据补偿量的大小进行修正从而提高了采集精度；对于被采集电流的正负半周不对称造成磁芯2磁通量的偏磁问题，容易使磁芯2磁通量饱和，降低采集精度。

进一步的，电流采集和控制单元计算出在当前条件下的互感器比差和角差后，在正常数据采集过程中，如果互感器采集到的数据是正常的正弦波信号，且范围在合适的大小范围内，标准信号源是处于停止工作状态。采集到的电流实时值需要除以比差Km，采集到的互感器相位实时值需要在采集数据的基础上减去角差Bm。

实施例四；

请参阅图2和3，在数据采集过程中；当采集到的电流幅值较小，当小于设定的下限值时；互感器的磁芯2磁通量较小，会造成电流采集误差较大，此时，电流采集及控制单元控制标准基准电源输出和互感器一次电流相位、频率完全相同具有固定幅值A1的电流施加在校准及补偿线圈4上，以增大一次电流的幅值，增大互感器磁芯2中的磁通量，提高采集精度，电流数据的真实值等于采集到的数据减去标准基准电源输出的电流值，当采集到的电流数据值较大，大于设定的上限值时；此时互感器磁芯2处于饱和边沿状态，也会造成数据采集的误差，为了减小采集误差，此时，电流采集及控制单元控制标准基准电源输出和互感器一次电流相位相差180°、频率完全相同具有固定幅值A2的电流施加在校准及补偿线圈4上，以减小一次电流的有效值，使互感器的磁芯2磁通量偏离饱和状态边缘，提高采集精度，此时采集到的电流数据加上标准基准电源输出的电流值即为一次电流的真实值。

进一步的，在被采集电流大于一定值或小于一定值时，为了防止互感器磁芯2磁通量的过大饱或过小采集误差大的问题，通过标准基准电源和校准及补偿线圈4来减小或加大磁芯2的磁通量，从而提高采集精度，并对在此情况下采集到的数据根据补偿量的大小进行修正从而提高了采集精度。

进一步的，一种高压电流互感器的高速高精度采集方法还包括在数据采集过程中，当采集到的数据存在正负半周不对称情况，在此情况下互感器磁芯2存在磁偏现象，影响电流采集精度，为了消除磁偏，根据采集到数据计算出正负半周数据偏离大小，控制校准标准电源，输出一个与偏离数据相位相反的电流信号，施加在校准及补偿线圈4上，消除磁芯2中磁片现象，保证采集精度。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种高压电流互感器的高速高精度采集电路，包括电流采集及控制单元，其特征在于：所述电流采集及控制单元包括CPU、卫星B码同步时钟、AD转换电路、恒温晶振、滤波电路、采样电路、标准基准电源、温度采集及控制单元、电子硬盘和光纤转换接口电路，采样电路的输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路的输出端与AD转换电路的输入端连接，AD转换电路与CPU双向连接，恒温晶振的输出端与AD转换电路的输入端连接，微型B码同步时钟的输出端与CPU的输入端连接，CPU的输出端与光纤转换接口电路的输入端连接，标准基准电源、温度采集及控制单元和电子硬盘均与CPU双向连接。

2.一种高压电流互感器的高速高精度采集电路，还包括互感器本体，其特征在于：所述互感器本体包括壳体（1）、磁芯（2）、测量线圈（5）、校准及补偿线圈（4）和互感器上下磁芯开合缝（3）。

3.根据权利要求2所述的一种高压电流互感器的高速高精度采集电路，其特征在于：所述磁芯（2）包括上磁芯和下磁芯，所述壳体（1）包括上壳体和下壳体，上磁芯和下磁芯分别安装于上壳体和下壳体的内部，所述测量线圈（5）和校准及补偿线圈（4）缠绕在下磁芯的侧壁，测量线圈（5）为多匝线圈，校准及补偿线圈（4）只有一匝。

4.根据权利要求1所述的一种高压电流互感器的高速高精度采集电路及方法，其特征在于：所述电流采集及控制单元预留有外部光纤接口、互感器采集线圈和校准及补偿线圈（4）接口，电流采集及控制单元单元内部设置有恒温装置，恒温装置内部设置有温度传感器，温度传感器用于测量电流采集及控制单元内部的温度，电流采集及控制单元外部设置有温度调节装置，温度调节装置通过水控温、半导体控温模块等，温度传感器和控温装置用于把电流采集及控制单元内部保持在恒定温度。

5.根据权利要求1所述的一种高压电流互感器的高速高精度采集电路及方法，其特征在于：所述标准基准电源用于在CPU控制下输出幅值可调的标准正弦电流信号、正负半周不对称的正弦波信号和相位和幅值可调正弦波电流信号。

6.根据权利要求1所述的一种高压电流互感器的高速高精度采集电路及方法，其特征在于：所述恒温晶振用于提供AD转换的时钟信号工作在恒定温度下，所述卫星B码同步时钟用于接收卫星时钟信号，所述电子硬盘用于存储采集到的电流数据，且进行数据备份，并用于定时把数据从电子硬盘中拷出，所述光纤转换接口电路用于把采集到的电流数据通过光纤传输至远方。

7.一种高压电流互感器的高速高精度采集方法适用于权利要求书1-6任一项一种高压电流互感器的高速高精度采集电路，其特征在于：包括以下步骤；在连接好测量线路后开始测量前；

（1）首先由控温装置保证电流采集及控制单元内部温度的恒定；

（2）再由CPU控制标准基准电源输出工频正弦波电流，此时测量线圈（5）输出电流信号，由采集电路采集电流信号，采集到的信号经过滤波电路滤除干扰，送至AD转换电路，AD转换电路由恒温晶振提供同步时钟信号；

（3）AD转换后的结果送给CPU，由CPU根据采集到信号计算出采集电流的幅值I1和相位Q1，由于标准源输出信号是由CPU控制输出的，其输出的幅值I2和相位Q2也是已知的，并且互感器的匝数比也是已知的，设定为K1，则可得到互感器的比差Km为I2/(K1*I1),互感器的角差Bm为Q1-Q2。

8.根据权利要求7所述的一种高压电流互感器的高速高精度采集方法，其特征在于：所述电流采集和控制单元计算出在当前条件下的互感器比差和角差后，在正常数据采集过程中，如果互感器采集到的数据是正常的正弦波信号，且范围在合适的大小范围内，标准信号源是处于停止工作状态，采集到的电流实时值需要除以比差Km，采集到的互感器相位实时值需要在采集数据的基础上减去角差Bm。

9.根据权利要求7所述的一种高压电流互感器的高速高精度采集方法，其特征在于：还包括在数据采集过程中；

当采集到的电流幅值较小，当小于设定的下限值时；互感器的磁芯（2）磁通量较小，会造成电流采集误差较大，此时，电流采集及控制单元控制标准基准电源输出和互感器一次电流相位、频率完全相同具有固定幅值A1的电流施加在校准及补偿线圈（4）上，以增大一次电流的幅值，增大互感器磁芯（2）中的磁通量，电流数据的真实值等于采集到的数据减去标准基准电源输出的电流值；

当采集到的电流数据值较大，大于设定的上限值时；此时互感器磁芯（2）处于饱和边沿状态，也会造成数据采集的误差，为了减小采集误差，此时，电流采集及控制单元控制标准基准电源输出和互感器一次电流相位相差180°、频率完全相同具有固定幅值A2的电流施加在校准及补偿线圈（4）上，以减小一次电流的有效值，使互感器的磁芯（2）磁通量偏离饱和状态边缘，此时采集到的电流数据加上标准基准电源输出的电流值即为一次电流的真实值。

10.根据权利要求7所述的一种高压电流互感器的高速高精度采集方法，其特征在于：还包括在数据采集过程中，采集到的数据存在正负半周不对称情况，在此情况下互感器磁芯（2）存在磁偏现象，影响电流采集精度，为了消除磁偏，根据采集到数据计算出正负半周数据偏离大小，控制校准标准电源，输出一个与偏离数据相位相反的电流信号，施加在校准及补偿线圈（4）上，消除磁芯（2）中磁片现象。

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