CN100535681C - 电流互感器的变比和角差的在线标定和校验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电流量的幅值和相位的高精度测量技术领域，是电流互感器CT的变比和角差的在线标定和校验方法及系统。方法是，Ig(t)是Ix(t)和Is(t)线形混合后的电流互感器感应输出，因此有：Ig(t)＝a1Ix(t)+a2IS(t)，其中Ix(t)为被测量电流，Is(t)是测量单元产生的电流信号，a1，a2是Ix(t)，Is(t)分别对电流互感器输出信号Ig(t)的感应系数，通过独立元分析的方法，将信号Is(t)从信号Ig(t)中分离出来，得到Is(t)的估计信号Is′(t)，从计算得到的混合系数a1，a2可计算获得电流互感器在实际工作环境中的变比和角差等电流互感器特性系数。将Is′(t)与Is(t)进行比较，可以十分方便、可靠地实现电流互感器在线校验，以及检验独立元分析计算结果的正确与否。
Description
技术领域
本发明涉及电流量的幅值和相位的高精度测量技术领域，尤其是电力系统中电流量的高精度测量、电流互感器的变比和角差的在线标定和校验方法及系统。
背景技术
在电力系统设备的绝缘监测或系统故障保护以及电子电路、自动控制系统中，都需要高精度的测量电流的幅值、频率和相位。要测量电力设备的绝缘介损tanδ，需要研制高精度的电流互感器CT(CurrentTransformer)，为了对被监测的电子设备或系统正常工作没有影响，希望电流互感器是穿芯式的：当被测量电流通过穿芯式电流互感器时，希望在电流互感器的输出端感应出与穿芯被测电流的幅度成比例变化，而相位差为零或相位差(角差)恒定的输出信号。考虑到实际工作时，被测量的穿芯电流在一定范围内变化，当要求测量的精度较高时，要研制在较宽测量范围内有恒定变比和角差的电流互感器是十分困难的。
现在用于各种电力设备和电子测量、控制系统的电流互感器，在实验室测试时，电流幅度变比和角差精度往往能有良好的性能，能满足测量的要求，但通常工作一段时间后，性能劣化，幅度变比和角差(特别是角差)特性发生较大变化。例如绝缘在线测量系统中使用的电流互感器，都是用高导磁材料作为磁芯绕制而成，实际在线运行后，由于现场的强电磁干扰、环境温度及湿度的大幅度变化、冲击电流等对磁性材料的作用，使电流互感器的性能发生大幅度的漂移。另一方面，电流测量时电子电路系统在对电流互感器输出信号放大处理的过程中，同样受电磁干扰、工作温度及湿度、器件漂移等影响，从而在放大信号引入的相移量等方面发生变化。现有的电流测量方法，无法对这些漂移进行有效的标定和校验，尤其是在线运行环境下的标定和校验，因此现有的大部份绝缘在线监测产品在实际运行中，使得如绝缘介损tanδ测量等，不能获得高精度、稳定可靠的测量结果。
发明内容
本发明的目的在于，针对电流互感器在实际运行中电流量幅值、相位高精度稳定测量存在的问题和该技术目前研究发展的现状，研究发展了一种在任何时候都可在线标定和校验电流互感器的变比和角差的方法。这种方法利用目前在信号处理等领域蓬勃发展的独立元分析、信号分离技术，能去除温度、湿度、现场强电磁干扰、冲击电流、运行时间老化等作用在电流互感器和测量电路中产生的性能漂移，可在线标定和校验电流互感器的变比和角差，精确确定及测量电路的放大信号和相移量，最终达到精确测量电流的幅值、频率和相位量的目的。
本发明的另一目的是提供一种绝缘在线监测系统的监测工作方法以及绝缘在线监测系统。
本发明的技术解决方案是：
设Ix(t)为被测量电流，例如它可以是被监测的电力设备的对地泄漏电流；Is(t)是我们测量单元产生的电流信号，其幅度、相位和频率都可以根据实际需要改变，它们受测量系统控制，因此Is(t)可以是一个独立于Ix(t)变化、根据测量需要改变幅度、相位和频率、受测量系统控制的电流信号；Ig(t)是在电流互感器的输出信号。
Ig(t)是Ix(t)和Is(t)线形混合后的电流互感器感应输出，因此有：Ig(t)＝a1Ix(t)+a2IS(t)，其中a1，a2是Ix(t)，Is(t)分别对电流互感器输出信号Ig(t)的感应系数(混合系数)。通过独立元分析的方法，将信号Is(t)从信号Ig(t)中分离出来，得到Is(t)的估计信号I′s(t)，从计算得到的混合系数a1，a2可计算获得电流互感器在实际工作环境中的变比和角差等电流互感器特性系数，其中，Ix(t)为被测量电流，Is(t)是测量单元产生的电流信号，将I′s(t)与Is(t)进行比较，可以十分方便、可靠地实现电流互感器在线校验，以及检验独立元分析计算结果的正确与否。
本发明中，把测试电流Is(t)看成是两个正交分量的和，未知加和系数分别为s1，s2，将混合后的电流互感器输出信号Ig(t)分别加上这两个分量可以人为得到两个混合信号，对由这两个混合信号以及Ig(t)组成的矩阵进行独立元分析(ICA)运算，可以得到三个源分量：包括上述两个正交分量和被测量电流Ix(t)，同时也得到这三个分量的混和系数，分别为s1，s2和a2。再对这两个正交分量按照分离结果中的系数s1和s2加和得到Is(t)的估计信号I′s(t)和其混和系数a1。
这种基于独立元分析的信号分离方法是现有可用的一种比较成熟的高精度分离方法，独立分量分析的基本含义是将多通道观测信号按照统计独立的原则，通过优化算法分解为若干独立分量，这些分量是对源信号的估计，观测信号可由这些独立分量的线性组合重建。独立分量分析的基本前提条件是源信号为非高斯分布。由于ICA对于信号非高斯分布的假设更符合信号的实际情况，因此在信号处理领域其有更大的应用潜力，目前ICA已经成功应用于语音信号分离、生物医学信号处理、人脸识别、图像分离等领域。
通过独立元分析的方法，我们能够将信号Is(t)从信号Ig(t)中分离出来，得到Is(t)的估计信号I′s(t)。从计算得到的混合系数a1，a2可以方便地计算获得电流互感器在实际工作环境中的变比和角差等电流互感器特性系数。独立元分析在计算结果中还可以同时得到被测电流信号Ix(t)的估计信号值。因为实际作用于电流互感器的Is(t)是测量单元在系统控制下产生的电流，故独立元分析计算得到的I′s(t)，可以与系统产生、实际作用于电流互感器的电流信号Is(t)进行比较，这样就可以十分方便、可靠地实现电流互感器在线校验，以及检验独立元分析计算结果的正确与否。这种电流互感器变比和角差的标定和校验方法，同样适合于对在线运行的电流互感器进行现场环境下的标定和校验，而且可以保证标定和校验结果是高精度的、高可靠的。
具体实现本发明中所述的电流互感器的变比和角差的在线标定和校验方法时，可以利用CPU计算单元控制测量电流Is(t)的产生，使Is(t)和Ix(t)共同通过电流互感器，得到混合后的电流互感器输出信号Ig(t)，将Ig(t)和Is(t)同时送入数据采集系统的通道1和通道2，数字化后送入CPU计算单元进行独立元分析与信号分离，将分离后的信号与数字化的Is(t)比较，完成在线标定和校验电流互感器的变比和角差。
本发明优点：
1.本发明所述的电流互感器的变比和角差的在线标定和校验技术，不但可以在实验室环境中应用，更为关键的是，可以在非实验室环境中应用。这种特别适合于现场环境，且实时进行在线标定和校验的技术，能够去除各种外界影响带来的系统误差。
2.本发明所述的电流互感器的变比和角差的在线标定和校验技术，不会影响电流互感器原来的工作。当标定和校验开始时，可以采用模拟开关断开传感器的原工作，直到标定和校验完成再返回原来的工作。
3.低成本完成电流互感器的变比和角差的在线标定和校验。本发明和现有相关技术相比，几乎没有增加硬件方面的开销，技术的改进是通过计算方法的改进完成的，且信号分离的算法是灵活可变的，基于独立元分析的信号分离方法只是现有可用的一种高精度分离方法。
4.从电流互感器输出信号Ig(t)中能够精确的分离出Is(t)信号的估计信号I′s(t)，可以将I′s(t)与系统产生、实际作用于电流互感器的电流信号Is(t)进行比较，实现电流互感器在线标定和校验，保证了最终测量结果的高精确性和高可靠性。
5.测量单元产生的电流信号Is(t)容易获得，其幅度、相位和频率都可以根据实际需要改变，它们受测量单元的精确控制。
6.电流互感器能够在一个宽的频率范围内保证性能的稳定，也就是说，根据人为地加入一个刺激信号Is(t)，能够在一个宽的频率范围内标定和校验电流互感器性能。得到的电流互感器的变比和角差，能够反应现场环境下，被测量电流Ix(t)通过电流互感器后得到的变比和角差。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图及实施案例对本发明详细说明如后，其中：
图1：绝缘在线监测系统结构示意图。
具体实施方式
如图1，为本发明绝缘在线监测系统结构示意图。绝缘在线监测系统的监测工作方法，CPU计算单元控制测量电流Is(t)的产生，Is(t)和Ix(t)共同通过电流互感器，得到混和电流Ig(t)，Ig(t)＝a1Ix(t)+a2IS(t)，将Ig(t)和Is(t)同时送入数据采集系统的通道1和通道2，数字化后送入CPU计算单元进行独立元分析与信号分离，可以得到Is(t)的估计信号I′s(t)。从计算得到的混合系数a1，a2可以方便地计算获得电流互感器在实际工作环境中的变比和角差等电流互感器特性系数，精确确定及测量电路的放大信号和相移量。独立元分析在计算结果中还可以同时得到被测电流信号Ix(t)的估计信号值。将计算得到的I′s(t)，与系统产生、实际作用于电流互感器的电流信号Is(t)进行比较，完成在线标定和校验电流互感器的变比和角差。可以十分方便、可靠地实现电流互感器在线校验，以及检验独立元分析计算结果的正确与否。
一种绝缘在线监测系统，由电流互感器、Is(t)产生电路、数据采集系统、CPU计算单元组成，电流互感器的输出连接于数据采集系统的通道2，Is(t)产生电路的输出连接于数据采集系统的通道1，数据采集系统的输出连接于CPU计算单元，CPU计算单元的输出连接于Is(t)产生电路。
Claims (3)
1.一种电流互感器的变比和角差的在线标定和校验方法，其特征是：主动给电流互感器通入一个电流信号Is(t)，测量单元产生的电流信号Is(t)可以是一个独立于被测量电流Ix(t)变化、根据测量需要改变幅度、相位和频率、受测量系统控制的电流信号，Ig(t)是Ix(t)和Is(t)线形混合后的电流互感器感应输出，因此有：Ig(t)＝a1Ix(t)+a2IS(t)，其中a1，a2是Ix(t)，Is(t)分别对电流互感器输出信号Ig(t)的感应系数，通过独立元分析的方法，将信号Is(t)从信号Ig(t)中分离出来，得到Is(t)的估计信号I′s(t)，从计算得到的混合系数a1，a2可计算获得电流互感器在实际工作环境中的变比和角差等电流互感器特性系数，将I′s(t)与Is(t)进行比较，可以十分方便、可靠地实现电流互感器在线校验，以及检验独立元分析计算结果的正确与否。
2.如权利要求1所述的电流互感器的变比和角差的在线标定和校验方法，其特征是：基于独立元分析的信号分离方法是现有可用的一种比较成熟的高精度分离方法，把测试电流Is(t)看成是两个正交分量的和，未知加和系数分别为s1，s2，将混合后的电流互感器输出信号Ig(t)分别加上这两个分量可以人为得到两个混合信号，对由这两个混合信号以及Ig(t)组成的矩阵进行独立元分析运算，可以得到三个源分量：包括上述两个正交分量和被测量电流Ix(t)，同时也得到这三个分量的混和系数，分别为s1，s2和a2，再对这两个正交分量按照分离结果中的系数s1和s2加和得到Is(t)的估计信号I′s(t)和其混和系数a1。
3.一种绝缘在线监测系统的监测工作方法，其特征是：CPU计算单元控制测量电流Is(t)的产生，Is(t)和Ix(t)共同通过电流互感器，得到混合后的电流互感器输出信号Ig(t)，Ig(t)＝a1Ix(t)+a2IS(t)，将Ig(t)和Is(t)同时送入数据采集系统的通道1和通道2，数字化后送入CPU计算单元进行独立元分析与信号分离，将分离后的信号与数字化的Is(t)比较，完成在线标定和校验电流互感器的变比和角差。
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