CN102841233B - 一种电流互感器二次电流补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电流互感器的二次电流补偿方法，具体步骤为：对同一批次的电流互感器进行大量实验，得到电流互感器典型的输入输出曲线；在给定误差下对电流互感器的输出曲线进行分段和拟合；计算每一段的补偿系数；将补偿系数写入信号采集软件。采用本发明的电流互感器的二次电流补偿方法，能够很好的解决大电流下电流互感器检测不准的问题。在大电流的情况下，同样能够通过补偿得到准确的测量值。
Description
技术领域
本发明涉及一种电流补偿方法，特别涉及一种电流互感器二次电流补偿方法。
背景技术
随着现代社会生产和生活的发展，传统开关电器的数字化、智能化已成为必然趋势。电力***运行现场的电流、电压等参量都不能直接被数字化控制器的中央处理模块进行信号的采集和处理，而都要经过互感器（如电流互感器、电压互感器等）变换为相应的电量信号后送入被测量通道，经过进一步的调理后才能送至A/D转换器变为中央处理器与控制模型可以接受和处理的数字量。随着处理器性能的提升，使得电子回路对于信号采集的精度以及开关电器的动作性能的影响越来越小，因此，由于电流互感器非线性特性的限制，其传变误差已经成为影响开关电器动作特性的决定性因素。
在各种电器设备、仪器仪表中往往需要进行电流的检查，而且不同的设备对于电流检测的标准和范围不尽相同：普通的仪器仪表一般只需检测额定电流范围内的较小电流；电动机保护器只需检测额定电流5倍以内的电流；电子式过载继电器一般只需检测7.2倍以内的电流；而控制与保护开关电器，不光要检测过载时的7.2倍额定电流，还要检测定时限保护的6~12倍电流，在有些规格的产品中，最高检测电流可达到千安，是最低检测电流的上百倍。
受制于开关体积小的限制，电流互感器的设计尺寸有限，考虑到电流互感器饱和特性的影响，要在如此大的电流变化范围内实现电流的线性检测几乎是不可能的。所以当电流互感器检测较大电流时，二次电流往往需要一定的补偿才能较为真实可靠的反应一次电流值。
传统的补偿方法可分为无源补偿和有源补偿两大类。无源补偿法有很多种，如匝数补偿，并联电容补偿等，但这些补偿只能平移误差无线，而不能改变误差曲线的形状，又出于电流互感器成本和尺寸等因素的考虑，这种补偿方式太有限，特别是电流互感器出现饱和时，这种补偿方式取得的效果是很微弱的。有源补偿的基本思路是，通过一定方法提取或是模拟电流互感器的励磁电流，然后通过电子电路生成和电流互感器相等的激磁电流，并将其注入到二次回路中，从而补偿二次电流。但这种补偿方式也存在缺点，如需要增加电子电路，而且结构复杂、调试不便、实现困难等。
因此，如能基于电流互感器输入输出曲线的软件补偿，通过对输入输出曲线的分段补偿得到较为理想的电流互感器二次电流的输出。其具有原理简单、实现方便、无需***电路等优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种电流互感器二次电流补偿方法，能够在电流互感器饱和的情况下，通过对电流互感器的分类、二次电流的补偿，使得电流互感器的输出特性仍然能够满足***设计的要求。
为达到上述目的，本发明提供一种电流互感器的二次电流补偿方法，具体步骤如下：
(1)对同一批次的电流互感器进行实验，得到电流互感器的输入输出曲线；
(2)对电流互感器的输出曲线进行分段和拟合；
(3)计算每一段的补偿系数；
(4)将补偿系数写入信号采集软件。
本发明中，步骤(1)具体操作如下：
1) 对同一种材料或同一批加工的电流互感器进行分类；
2) 按抽样方法,随机抽取10只电流互感器；
3) 对每一个电流互感器的一次侧分别通不同倍数的额定电流,并记录电流互感器二次侧的额定电压；
4) 求取不同电流互感器一次侧不同倍数的额定电流时电流互感器二次侧电压的平均值,并记录；绘制电流互感器的输入输出特性曲线,横坐标为电流互感器的额定电流的倍数,纵坐标为二次侧电压。
本发明中，步骤(2)具体操作如下：
1) 从电流互感器的输入输出特性曲线的第1个点开始，连第1点和第3点成直线L1，并求得直线方程；
2) 再求得过第2点与直线L1平行的直线L2；
3) 进一步求得与L1、L2平行，且到它们距离相等的直线L3，以L3为点1、2、3的直线拟合；
4) 计算点1、2、3的拟合误差，几何上容易证明，第1点的误差是最大的，记为 ，然后与给定的误差比较；
5) 如果，则产生曲线分段的第一段，即此时直线L1末端点前所有的点构成一段，然后以第一分段的末端点为下一分段的起点1，继续步骤1）；如果，则认为在直线L1和直线L2之间的点基本成线性，误差满足要求，继续执行步骤5）；
6) 连接第1点和下一点（第4点）构成新的L1，并求得该直线方程；
7) 计算L1两端点之间到L1距离最大的点Q，然后过Q作与L1平行的直线L2；进一步做L3与L1、L2平行，且距离相等，认为L3为新的拟合曲线；
8) 计算L1起点（第1点）的拟合误差，重复步骤5）；
9) 直到计算完所有的实测数据，并完成分段。
本发明中，步骤(3)具体操作如下：
1) 计算补偿前的曲线方程；
（1）
其中：为实测的电流互感器的二次侧电压；为额定电流的倍数； 和为曲线系数。
2) 计算补偿后的理想曲线的曲线方程；
(2)
其中： 为理想的情况下电流互感器的二次侧电压，即：补偿后的输出电压；为额定电流的倍数； 为理想曲线系数。
3) 联立两个方程求得二次电流的修正公式,获得补偿系数；
（3）
其中，，和可以基于已有的测试数据通过程序计算得到。进一步令，，称为补偿系数。则式（3）可以改写为：
（4）
其中：为理想的情况下电流互感器的二次侧电压，为实测的电流互感器的二次侧电压，，为补偿系数。
本发明中，步骤(4)具体操作如下：
1) 将补偿系数写入EEPROM,并烧写到信号采集装置；
2) 采集装置采集到电流时,首先判断信号所处的电流分段；
3) 然后查表获得补偿系数；
4) 利用补偿公式,对采集的信号进行修正,获得新的电流。
本发明的有益效果：采用本发明的电流互感器的二次电流补偿方法，能够很好的解决大电流下电流互感器检测不准的问题。该方法先对曲线进行分段拟合，求出各个分段的补偿公式，然后将典型曲线的分段信息，各段的补偿公式以代码的形式植入处理单元的电流计算程序。在实时测量时，程序会自动判别当前测量值位于哪一段区间，然后启动对应的补偿算法进行补偿，从而得到较为准确的测量值，在大电流的情况下，同样能够通过补偿得到准确的测量值。
附图说明
图1 本专利补偿方法的流程图框图;
图2为电流互感器的输入输出有效值实验曲线；
图3为电流互感器曲线分段示意图；
图4为电流互感器曲线多次分段示意图；
图5为拟合曲线的补偿示意图；
图6为曲线的分段和拟合示例；
图7为补偿后的电流互感器曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作比较详细的说明。
实施例1：
参照图1，这是本发明的二次电流补偿方法的具体步骤流程图框图。
参照图2，这是电流互感器的输入输出有效值实验曲线。
如图所示，为了便于硬件电路的信号采集和处理，二次电流通过采样电阻已经转化为电压值。
从图中可以清楚的看出当检测电流变得较大时，二次电流输出曲线上升趋于平缓，其数值与输入检测电流不再成线性关系，随着电流的进一步增大，电流检测的误差会增大难以接受的地步。为了解决这一问题，采用了软件补偿的方式对二次电流进行修正，从而得到与实际一次电流按线性关系变化的测量电流。
参照图3和图4，是电流互感器曲线的分段拟合示意图。
由于输出曲线存在严重的非线性，要尽可能精确的拟合曲线，就必须对曲线首先进行分段处理，然后再分别拟合曲线的每一段，最后得到该曲线的拟合方程组。曲线分段的基本要求是：在满足误差要求的前提下，尽可能少分段。下面介绍一种误差范围可控的软件自动分段的方法，步骤如下：
1) 从实测数据的第1个点开始，连第1点和第3点成直线L1，并求得直线方程；
2) 再求得过第2点与直线L1平行的直线L2；
3) 进一步求得与L1、L2平行，且到它们距离相等的直线L3，以L3为点1、2、3的直线拟合；
4) 计算点1、2、3的拟合误差，几何上容易证明，第1点的误差是最大的，记为，然后与给定的误差比较。
5) 如果，则产生曲线分段的第一段，即此时L1末端点前所有的点构成一段，然后以第一分段的末端点为下一分段的起点1，继续步骤1）；如果，则认为在L1和L2之间的点基本成线性，误差满足要求，继续执行步骤5）；
6) 连接第1点和下一点（第4点）构成新的L1，并求得该直线方程；
7) 计算L1两端点之间到L1距离最大的点Q，然后过Q作与L1平行的直线L2；进一步做L3与L1、L2平行，且距离相等，认为L3为新的拟合曲线；
8) 计算L1起点（第1点）的拟合误差，重复步骤5）；
9) 直到计算完所有的实测数据，并完成分段。
如图3所示，为通过线性误差带的方法来在给定的误差范围下给实测曲线分段的示意图。图3为多次分段的示意图。可以证明，线性误差带内各点经过补偿后的误差不会高于补偿前误差带内各点的拟合误差。而拟合误差的上限值是可以人为给定的。
参照图5，是拟合曲线的补偿示意图。
按照上述步骤对实验数据进行分段和拟合后，接下来工作就是要对拟合好的曲线进行补偿。所谓补偿就是要对拟合曲线上的函数值进行修正，并使修正后的值满足电流测量的误差要求。下面取拟合后曲线中的一段为例，详细说明数字补偿实现的方法。如图4所示。
设补偿前的拟合曲线ab段的方程为：
（1）
补偿后的曲线可以近似认为接近理想的输出曲线，设直线方程如下：
(2)
联立方程（1）和（2），可以得到二次电流测量值的修正公式：
（3）
式（3）中，，和可以基于已有的测试数据通过程序计算得到。进一步令，，称为补偿系数。则式（3）可以改写为：
（4）
式（4）即为二次电流的补偿公式，当二次电流（已转化为电压值）测量值落在ab区间时，将该测量值经过公式（4）进行修正，则修正后的测量值接近理想值，从而能准确地得到被测一次电流的大小。显然，该方法同样适用于其它曲线段的误差补偿，只是每一段对应的和是不相同的，而且每一段的补偿系数是可以通过程序计算得到的。
实施例2
以图2中某电流互感器的输入-输出特性曲线为例。该曲线是通过对同一规格同一批次的电流互感器做了大量实验获得的，具有典型性。电流测试的范围是6A~600A，共35个测试点。通过观察实验曲线和计算实验数据可知，输入电流在6A~150A之间时，实际的输出曲线与理想曲线十分接近，即二次电流的检查能真实反映一次电流的大小，故无需修正。但随着一次电流从100A继续增大时，由于电流互感器的饱和效应，二次电流不能线性增加，导致误差变大，这时就需要对测量结果进行修正。
给定控制误差=5%，通过自动分段拟合程序得到的曲线分段为4段，拟合方程同一为式（1）的形式，具体数据如下：
表1 曲线分段与拟合参数
| 段数 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| a1（V/I） | — | 2.6 | 1.2 | 0.7 |
| b1（mV） | — | 122.1 | 443.7 | 625.6 |
| 一次电流范围 | 0~102A | 102~208A | 208~402A | 402~603A |
拟合曲线如图6所示。
经过进一步计算得到各段的补偿系数如下：
表2 补偿参数
| 段数 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 1 | 1.5 | 3.3 | 5.6 | |
| 0 | -184.2 | -1450.6 | -3506.1 |
原数据经过公式（4），按表2参数补偿后得到的数据如图7所示。
下面取各分段的首末点以及首末点之间偏离拟合直线最远的点作为误差计算的特征点。容易证明，落在各分段上所有点的最大误差必然出现在以上3点之中。如表3。
表3 误差计算
| 一次电流（A） | 100.6 | 152.0 | 208.0 | 326.0 | 402.0 | 452.0 | 603.0 |
| 二次电压测量值（mV） | 361.0 | 537.0 | 672.0 | 831.0 | 900.0 | 946.0 | 1040 |
| 二次电压拟合值（mV） | 379.0 | 519.0 | 679.6 | 818.4 | 905.6 | 940.4 | 1045.3 |
| 二次电压补偿值（mV） | 380.3 | 621.3 | 782.8 | 1266.8 | 1533.9 | 1791.5 | 2317.9 |
| 二次电压理想值（mV） | 394.7 | 596.3 | 816.0 | 1278.9 | 1577.1 | 1773.2 | 2365.6 |
| 补偿前的误差（%） | -9.3 | -11.0 | -21.4 | -53.9 | -75.2 | -87.4 | -127.5 |
| 补偿后的误差（%） | -3.8 | 4.0 | -4.2 | -1.0 | -2.8 | 1.0 | -2.0 |
表3的数据表明，给定控制误差=5%，曲线被分成四段，且每一段补偿后的最大误差均不超过5%，与补偿前的误差比较，通过该数字算法补偿后的误差大为改善，很好的解决了电流互感器不能大范围线性检测的难题。
虽然本发明已参照上述的实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员，应当认识到以上的实施例仅是用来说明本发明，应理解其中可作各种变化和修改而在广义上没有脱离本发明，所以并非作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述的实施例的变化、变形都将落入本发明的权利要求的保护范围。
Claims (2)
1.一种电流互感器的二次电流补偿方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)对同一批次的电流互感器进行实验，得到电流互感器的输入输出特性曲线；
(1.1)对同一种材料或同一批加工的电流互感器进行分类；
(1.2)按抽样方法,随机抽取10只电流互感器；
(1.3)对每一个电流互感器的一次侧都分别通以不同倍数的额定电流,并记录电流互感器二次侧的电压；
(1.4)求取不同电流互感器一次侧不同倍数的额定电流时电流互感器二次侧电压的平均值,并记录；绘制电流互感器的输入输出特性曲线,横坐标为电流互感器的额定电流的倍数,纵坐标为二次侧电压；
(2)对电流互感器的输入输出特性曲线进行分段和拟合；
(2.1)从电流互感器的输入输出特性曲线的第1个点开始，连第1点和第3点成直线L1，并求得直线方程；
(2.2)再求得过第2点与直线L1平行的直线L2；
(2.3)进一步求得与L1、L2平行，且到它们距离相等的直线L3，以L3为点1、2、3的直线拟合；
(2.4)计算点1、2、3的拟合误差，几何上容易证明，第1点的误差是最大的，记为 ，然后与给定的误差比较；
(2.5)如果，则产生曲线分段的第一段，即此时直线L1末端点前所有的点构成一段，然后以第一分段的末端点为下一分段的起点1，继续步骤(2.1）；如果，则认为在直线L1和直线L2之间的点基本成线性，误差满足要求，继续执行步骤(2.6）；
(2.6)连接第1点和下一点即第4点构成新的L1，并求得该直线方程；
(2.7)计算L1两端点之间到L1距离最大的点Q，然后过Q作与L1平行的直线L2；进一步做L3与L1、L2平行，且距离相等，认为L3为新的拟合直线；
(2.8)计算L1起点即第1点的拟合误差，重复步骤(2.5）；
(2.9)直到计算完所有的实测数据，并完成分段；
(3)计算每一段的补偿系数；
(3.1)计算补偿前的曲线方程；
（1）
其中：为实测的电流互感器的二次侧电压；为额定电流的倍数；和为曲线系数；
(3.2)计算补偿后的理想曲线的曲线方程；
(2)
其中：为理想的情况下电流互感器的二次侧电压，即：补偿后的输出电压；为额定电流的倍数；为理想曲线系数；
(3.3)联立两个方程求得二次电流的修正公式,获得补偿系数；
（3）
其中，，和可以基于已有的测试数据通过程序计算得到；进一步令，，称为补偿系数；则式（3）改写为：
（4）
其中：为理想的情况下电流互感器的二次侧电压，为实测的电流互感器的二次侧电压，，为补偿系数；
(4)将补偿系数写入信号采集软件。
2.根据权利要求1所述的电流互感器的二次电流补偿方法，其特征在于步骤(4)具体操作如下：
(1)将补偿系数写入EEPROM,并烧写到信号采集装置；
(2)采集装置采集到电流时,首先判断信号所处的电流分段；
(3)然后查表获得补偿系数；
(4)利用补偿公式,对采集的信号进行修正,获得新的电流。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |