CN101477143A - 基于多传感器数据融合技术的电子式电流互感器数据处理方法 - Google Patents

Abstract

基于多传感器数据融合技术的电子式电流互感器数据处理方法，步骤如下，通过LPCT、空芯线圈分别采样一次侧电压、一次侧电流，并进行信号调理和模数转换，数据融合模块根据采样得到的一次侧电压判断LPCT是否饱和，如果没有饱和，将采样得到的一次侧电压经数字定标，得到测量数据和保护数据；如果饱和，则将一次侧电流经积分得到的电压经数字定标，得到测量数据和保护数据。本发明采用多传感器数据融合技术，将LPCT和空芯线圈优势互补，能产生比单个传感器所得数据更可靠、更准确的信息，提高了系统的可靠性；本发明将多传感器数据补偿及融合算法放在低压侧合并单元中进行，简化了高压侧硬件电路，减少了高压侧的功耗，降低了光电电流互感器的高压侧功率要求。

Description

基于多传感器数据融合技术的电子式电流互感器数据处理方法

技术领域

本发明涉及一种基于多传感器数据融合技术的电子式电流互感器数据处理方法，属于电力系统测量技术领域。

背景技术

根据IEC60044-8《电子式电流互感器》标准第一版，标准中涉及的电流传感器可以包括空心线圈、霍尔元件及装配有取样电阻器用作电流/电压装换的铁心线圈(即铁心线圈式低功率电流传感器Low Power CurrentTransformer，LPCT)，不同的传感器有着各自的优缺点。其中，空心线圈具有良好的动态性能，但小电流下输出信号太弱，且模拟积分器长时间积分会产生累积误差，而数字积分器则会有积分初值的确定、直流偏移、ADC饱和等问题；霍尔元件可测量交、直流电流，但霍尔系数受环境影响较大，在较大的测量范围内难以获得足够的线性度；LPCT稳态测量精度高，但与空心线圈相比，其暂态特性差，存在铁心饱和问题。

电流互感器作为电力系统中重要的电气设备之一，其电流的准确测量对电力系统的电能测量、继电保护、系统监测和电力系统分析都有非常重要的作用。而目前的光电电流互感器大多数采用开环链式结构，对系统中的每一个环节的精度和可靠性的要求很高，这严重限制了电子式互感器的精度和可靠性，并影响了它的实用性。因此，如何在现有基础上提高电流互感器的测量精度及可靠性显得尤其重要。针对上述情况，可通过采用几个传感器组合的结构，对其采样的数据进行融合处理来提高设备的总体性能。

多传感器数据融合技术最初应用于军事上的目标识别和跟踪。而近年来，这一项技术无论是在军事领域还是在民事领域都得到了前所未有的关注。随着传感器技术、数据处理技术、计算机网络通讯技术、人工智能技术等相关技术的进一步发展，多传感器融合技术将得到更长远的发展。

基于多传感器数据补偿和融合的电流互感器设计中，需要考虑的问题包括：(1)高压侧的硬件开销，如何不将互感器的结构过于复杂化；(2)数据的定标问题，需考虑到高压侧定标困难这一问题；(3)尤其对由激光供能的光电电流互感器来说，由于多传感器数据融合算法对硬件有较高的功率要求的情况下，高压侧系统的功耗如何控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：基于多传感器数据融合技术的电子式电流互感器数据处理方法，其步骤如下：

①通过铁心线圈式低功率电流传感器、空芯线圈分别采样一次侧电压、一次侧电流，从而分别得到电压量、电流量；

②将获得的电压量、电流量依次经各自的信号调理电路、A/D采样电路处理，分别得到数字电压量U₁(n)、数字电流量I₂(n)；

③将所测得的数字电压量U₁(n)送入低压侧合并单元的数据融合模块中；

④将数字电流量I₂(n)送入低压侧合并单元的数字积分器进行积分处理，积分后获得数字电压量U₂(n)，并将该数字电压量U₂(n)送入所述的数据融合模块中；

⑤在数据融合模块中，通过所测的数字电压量U₁(n)判断铁心线圈式低功率电流传感器是否饱和，如果没有饱和，则将数字电压量U₁(n)经过数字定标，得到测量数据和保护数据；如果饱和，则将数字电压量U₂(n)经过数字定标，得到测量数据和保护数据。

本发明所采用的进一步的技术方案如下：

本发明中判断铁心线圈式低功率电流传感器是否饱和的方法如下：

a、设置铁心线圈式低功率电流传感器的初始饱和标志为“不饱和”；

b、实时计算数字电压量U₁(n)的三阶差分U₁₃(n)：

U₁₃(n)＝U₁(n)-3U₁(n-1)+3U₁(n-2)-U₁(n-3)，式中n表示采样点的编号，n＝3，4，...；

c、实时判断步骤b中计算获得的数字电压量的三阶分差U₁₃(n)是否为大模值点，即U₁₃(n)满足不等式|U₁₃(n)|>0.00224U_m则为大模值点，如果U₁₃(n)不为大模值点，则饱和标志保持不变；如果U₁₃(n)为大模值点，则记录此时的数字电压量U₁(m₁)，其中m₁为当前采样点编号，U_m为铁心线圈式低功率电流传感器的二次输出电压最大值，并转入步骤d；

d、判断下一采样点对应的数字电压量的三阶分差U₁₃(m)是否为大模值点，即U₁₃(m)满足不等式|U₁₃(m)|>0.00224U_m则为大模值点，如果U₁₃(m)不为大模值点，则饱和标志保持不变，并转至步骤c；如果U₁₃(m)为大模值点，则比较|U₁(m₁)/U₁(m)|与阈值T_hin和T_out之间的大小关系，如果|U₁(m₁)/U₁(m)|>T_hin，则置铁心线圈式低功率电流传感器的饱和标志为“饱和”；如果T_out≤|U₁(m₁)/U₁(m)|≤T_hin，则保持铁心线圈式低功率电流传感器的饱和标志为不变，如果|U₁(m₁)/U₁(m)|<T_out，则置铁心线圈式低功率电流传感器的饱和标志为“不饱和”，其中T_hin的取值范围为[3，9]，T_out的取值范围为[0.2，0.6]，然后重复步骤d。

本发明的有益效果如下：本发明采用多传感器数据融合技术，将LPCT和空芯线圈优势互补，能产生比单个传感器所得数据更可靠、更准确的信息，提高了系统的可靠性；本发明将多传感器数据补偿及融合算法放在低压侧合并单元中进行，解决了数据在高压侧定标难的问题，简化了高压侧硬件电路，减少了高压侧的功耗，降低了对采用激光供能方式的光电电流互感器的高压侧功率要求。并且本发明直接利用A/D采样获得的数字电压量实时的对铁心线圈式低功率电流传感器进行饱和判断，该判断方法较为简单，精度高，满足实际要求。

附图说明

图1是本发明电路框图。图中，(1)铁心线圈式低功率电流传感器(LPCT)；(2)空心线圈(Rogowski线圈)；(3)信号调理电路；(4)A/D转换器；(5)过零检测模块；(6)数值补偿器；(7)数字积分模块；(8)多传感器数据融合模块；(9)多传感器数据补偿模块；(10)低压侧合并单元。

图2是铁心线圈式电流互感器原理图。

图3是空心线圈原理图。

图4是本发明数据层融合原理图。

图5是本发明中铁心线圈式低功率电流传感器饱和判断流程图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

图1所示电路框图的工作原理如下：LPCT和空心线圈的输出结果经过信号调理电路后，由A/D转换器对其进行同步采样，经光纤传送至低压侧合并单元后，根据传感器融合算法选择是输出LPCT测量结果还是输出空心线圈的测量结果，然后将该结果经过整定后分别送到测量接口和保护接口。由于空心线圈的互感较小，故在测量稳态工频时测量结果以LPCT为准；在暂态工作条件下，当判断出LPCT进入饱和状态后，测量的结果以空心线圈为准。

本发明基于多传感器数据融合技术的电子式电流互感器数据处理方法，其步骤如下：

①通过铁心线圈式低功率电流传感器、空芯线圈分别采样一次侧电压、一次侧电流，从而分别得到电压量、电流量；

②将获得的电压量、电流量依次经各自的信号调理电路、A/D采样电路处理，分别得到数字电压量U₁(n)、数字电流量I₂(n)；

③将所测得的数字电压量U₁(n)送入低压侧合并单元的数据融合模块中；

④将数字电流量I₂(n)送入低压侧合并单元的数字积分器进行积分处理，积分后获得数字电压量U₂(n)，并将该数字电压量U₂(n)送入所述的数据融合模块中；

⑤在数据融合模块中，通过所测的数字电压量U₁(n)判断铁心线圈式低功率电流传感器是否饱和，如果没有饱和，则将数字电压量U₁(n)经过数字定标，得到测量数据和保护数据；如果饱和，则将数字电压量U₂(n)经过数字定标，得到测量数据和保护数据。

本发明中判断铁心线圈式低功率电流传感器是否饱和的方法如下：

a、设置铁心线圈式低功率电流传感器的初始饱和标志为“不饱和”；

b、实时计算数字电压量U₁(n)的三阶差分U₁₃(n)：

U₁₃(n)＝U₁(n)-3U₁(n-1)+3U₁(n-2)-U₁(n-3)，式中n表示采样点的编号，n＝3，4，...；

c、实时判断步骤b中计算获得的数字电压量的三阶分差U₁₃(n)是否为大模值点，即U₁₃(n)满足不等式|U₁₃(n)|>0.00224U_m则为大模值点，如果U₁₃(n)不为大模值点，则饱和标志保持不变；如果U₁₃(n)为大模值点，则记录此时的数字电压量U₁(m₁)，其中m₁为当前采样点编号，U_m为铁心线圈式低功率电流传感器的二次输出电压最大值，并转入步骤d；

d、判断下一采样点对应的数字电压量的三阶分差U₁₃(m)是否为大模值点，即U₁₃(m)满足不等式|U₁₃(m)|>0.00224U_m则为大模值点，如果U₁₃(m)不为大模值点，则饱和标志保持不变，并转至步骤c；如果U₁₃(m)为大模值点，则比较|U₁(m₁)/U₁(m)|与阈值T_hin和T_out之间的大小关系，如果|U₁(m₁)/U₁(m)|>T_hin，则置铁心线圈式低功率电流传感器的饱和标志为“饱和”；如果T_out≤|U₁(m₁)/U₁(m)|≤T_hin，则保持铁心线圈式低功率电流传感器的饱和标志为不变，如果|U₁(m₁)/U₁(m)|<T_out，则置铁心线圈式低功率电流传感器的饱和标志为“不饱和”，其中T_hin的取值范围为[3，9]，T_out的取值范围为[0.2，0.6]，然后重复步骤d。

本实施例中LPCT的变比为6000:1，取样电阻阻值为15Ω，精度为0.1％，温度系数不大于5×10-6/℃。互感器额定一次电流100A。根据IEC标准中所规定的：对于测量通道，在5％～120％额定一次电流变化范围内的准确度有严格的要求；对于5P20保护通道，则在100％～2000％额定一次电流变化范围内的准确度有要求。故LPCT的二次输出电压最大值U_m为5V。

下面结合采样电压值判断LPCT饱和与否(N＝48)的表格(表1)对本发明中判断铁心线圈式低功率电流传感器是否饱的方法进行描述。其中：当二次电压的三阶差分值绝对值大于0.0112(0.00224U_m＝0.0112)认为出现大的模值点。本发明T_hin的取值范围为[3，9]，T_out的取值范围为[0.2，0.6]，本例中阈值T_hin和T_out分别取3和0.6。

本发明中判断铁心线圈式低功率电流传感器是否饱的方法步骤如下：

a、首先设置铁心线圈式低功率电流传感器的初始饱和标志为“不饱和”；

b、实时计算数字电压量U₁(n)的三阶差分U₁₃(n)：

U₁₃(n)＝U₁(n)-3U₁(n-1)+3U₁(n-2)-U₁(n-3)，式中n表示采样点的编号，n＝3，4，...，以第4采样点为例

U₁₃(4)＝U₁(4)-3U₁(3)+3U₁(1)-U₁(1)＝0.523-3×0.351+3×0.176-0.00＝0.002；

c、实时判断数字电压量的三阶分差U₁₃(n)是否为大模值点，即U₁₃(n)满足不等式|U₁₃(n)|>0.00224U_m＝0.0112则为大模值点，从表1中可见，第六个采样对应的电压量的三阶分差不为大模值点则饱和标志保持不变，第7个采样点对应的电压量的三阶分差为大模值点，则进入本发明步骤d进行下一步判断；

d、判断下一采样点(第8个采样点)对应的数字电压量的三阶分差U₁₃(m)是否为大模值点，从表中可知，第8个采样点对应的数字电压量的三阶分差为大模值点，那么继续判断|U₁(m₁)/U₁(m)|＝0.897与阈值T_hin和T_out之间的大小关系，显然0.6<|U₁(m₁)/U₁(m)|<3，保持铁心线圈式低功率电流传感器的饱和标志为不变，然后重复步骤d。

步骤d中为一个循环，不断的对大模值点进行判断，根据判断结果确定饱和标志状态，如果在步骤d的判断中，采样点对应的数字电压量的三阶分差U₁₃(m)不为大模值点，则跳出循环，回到步骤c重新进行新一轮的判断。

由表1可以看出，在第6～第9个、第22～第23个、第43～第44个采样点处均出现了大的模值点，但是他们不满足|U1(m1)/U1(m)|>3或|U1(m1)/U1(m)|<0.6的条件，故饱和标志不改变；在第18～第19个、在第48个采样点处出现了大的模值点且|U1(m1)/U1(m)|>3，故此时的饱和标志为设定为“饱和”；第33～第40个采样点处出现了大的模值点且|U1(m1)/U1(m)|<0.6，故此时的饱和标志为设定为“不饱和”。

本发明数字积分器积分初值的确定：由空心线圈的原理可知，在还原电流的时候需知道积分初值。对于稳态交流信号，利用原信号与微分信号之间的数学关系，当LPCT输出电压过零点时，控制FPGA设置此时的数字积分器以零初值开始积分。这种方法对采样率有着很高的要求，这在本系统中是完全可行的。

本发明数字积分器的直流偏移的消除：直流偏移是由信号中的共模分量、ADC或前置放大器的偏移或漂移，使得积分器的输入中存在直流分量。直流偏移的消除一般采用数值补偿器或数字高通滤波器来实现。本专利中，采用在数字积分器的输入端设置数值补偿器，其预置数值根据LPCT对空载的测量来设定，在运行之中需对其进行实时修正。数值的确定具体如下：将连续N个点的积分求平均，由于正弦信号单位周期的积分为0，故可计算出输入信号中的直流分量。

本发明中涉及的系数的确定方法：

K1、K1′的确定：当LPCT一次侧额定电流为X1时，记其测量用的数字量额定输出为2D41H，保护用的数字量额定输出为01CFH(0％偏移)或00E7H(100％偏移)，则0％偏移情况下K1＝X1/2D41H，K1′＝X1/01CFH，100％偏移情况下K1＝X1/2D41H，K1′＝X1/00E7H。

K2、K2′的确定方法同上。

本发明涉及的大的模值点确定方法中的阈值计算

对于LPCT来说，其二次电压可以表示为：

其中：A，B为积分常数；T_P为一次时间常数，本专利取0.02s；T_S为二次时间常数，取为1s；ω为角频率；

U_m为LPCT的二次输出电压最大值；θ为故障初始角。

记采样周期为T(本专利中为0.417ms)，每周期的采样点数为N(N为48点)时，当t＝nT时：

二次电压的三阶差分U13(n)＝U1(n)-3U1(n-1)+3U1(n-2)-U1(n-3)

＝A(e^-nT/TS-3e^-(n-1)T/TS+3e^-(n-2)T/TS-e^-(n-3)T/TS)+B(e^-nT/TP-3e^-(n-1)T/TP+3e^-(n-2)T/TP-e^-(n-3)T/TP)-

$=A{e}^{-\mathrm{nT}/T_S}(1-3e^{T/T_S}+3e^{2T/T_S}-e^{3T/T_S})+{\mathrm{Be}}^{-\mathrm{nT}/T_P}(1-3e^{T/T_P}+3e^{2T/T_P}-e^{3T/T_P})+2U_m\cos \left[\frac{(2n-3)\mathrm{\&pi;}}{N}\right]\&CenterDot;(3\sin \frac{\mathrm{\&pi;}}{N}-\sin \frac{3\mathrm{\&pi;}}{N})$

$\&ap;0.00224U_m\cos \left[\frac{(2n-3)\mathrm{\&pi;}}{N}\right]=0.00224U_m$

式中，U_m为铁心线圈式低功率电流传感器的二次输出电压最大值，本实施例中U_m＝5，阈值0.00224U_m＝0.0112，因此本实施例中二次电压的三阶差分值绝对值大于0.0112认为出现大的模值点。

表1

 

采样点号	采样电压值	电压的三阶差分值	是否为大模值	U1(m1)/U1(m)	饱和状态
						1	0.000				未饱和
2	0.176				未饱和
						3	0.351				未饱和
4	0.523	-0.002	否		未饱和
						5	0.689	-0.003	否		未饱和
6	0.849	0	否		未饱和
						7	1.142	0.139	是	记U1(m1)＝1.142	未饱和
8	1.273	-0.295	是	0.897∈(0.6，3)	未饱和
						9	1.391	0.149	是	0.821∈(0.6，3)	未饱和
10	1.500	0.004	否		未饱和
						11	1.587	-0.013	是	记U1(m1)＝1.587	未饱和
12	1.663	0.010	否		未饱和
						13	1.722	-0.006	否		未饱和
14	1.765	0.001	否		未饱和
						15	1.791	-0.001	否		未饱和
16	1.802	0.002	否		未饱和
						17	1.232	-0.566	是	记U1(m1)＝1.232	未饱和
18	0.407	0.326	是	3.027>3	饱和
						19	-0.005	0.668	是	246.4>3	饱和
20	-0.007	-0.003	否		饱和
						21	-0.100	-0.501	是	记U1(m1)＝-0.100	饱和
22	-0.102	0.182	是	0.980∈(0.6，3)	饱和
						23	-0.102	-0.089	是	0.980∈(0.6，3)	饱和
24	-0.102	-0.002	否		饱和

 

25	-0.103	-0.001	否		饱和
						26	-0.103	0.002	否		饱和
27	-0.103	-0.001	否		饱和
						28	-0.104	-0.001	否		饱和
29	-0.104	0.002	否		饱和
						30	-0.105	-0.002	否		饱和
31	-0.105	0.002	否		饱和
						32	-0.219	-0.115	是	记U1(m1)＝-0.219	饱和
33	-0.389	0.058	是	0.563<0.6	不饱和
						34	-0.468	0.147	是	0.468<0.6	不饱和
35	-0.509	-0.053	是	0.430<0.6	不饱和
						36	-0.647	-0.135	是	0.338<0.6	不饱和
37	-0.756	0.126	是	0.290<0.6	不饱和
						38	-0.879	-0.043	是	0.249<0.6	不饱和
39	-0.882	0.134	是	0.248<0.6	不饱和
						40	-0.883	-0.118	是	0.248<0.6	不饱和
41	-0.881	0.001	否		不饱和
						42	-0.757	0.119	是	记U1(m1)＝-0.757	不饱和
43	-0.650	-0.139	是	1.165∈(0.6，3)	不饱和
						44	-0.510	0.050	是	1.484∈(0.6，3)	不饱和
45	-0.471	-0.134	否		不饱和
						46	-0.392	0.141	否		不饱和
47	-0.217	0.056	是	记U1(m1)＝-0.217	不饱和
						48	-0.047	-0.101	是	4.617>3	饱和

Claims (3)

1、基于多传感器数据融合技术的电子式电流互感器数据处理方法，其步骤如下：

①通过铁心线圈式低功率电流传感器、空芯线圈分别采样一次侧电压、一次侧电流，从而分别得到电压量、电流量；

②将获得的电压量、电流量依次经各自的信号调理电路、A/D采样电路处理，分别得到数字电压量U₁(n)、数字电流量I₂(n)；

③将所测得的数字电压量U₁(n)送入低压侧合并单元的数据融合模块中；

④将数字电流量I₂(n)送入低压侧合并单元的数字积分器进行积分处理，积分后获得数字电压量U₂(n)，并将该数字电压量U₂(n)送入所述的数据融合模块中；

⑤在数据融合模块中，通过所测的数字电压量U₁(n)判断铁心线圈式低功率电流传感器是否饱和，如果没有饱和，则将数字电压量U₁(n)经过数字定标，得到测量数据和保护数据；如果饱和，则将数字电压量U₂(n)经过数字定标，得到测量数据和保护数据。

2、根据权利要求1所述的基于多传感器数据融合技术的电子式电流互感器数据处理方法，其特征是步骤⑤中，判断铁心线圈式低功率电流传感器是否饱和的方法如下：

a、设置铁心线圈式低功率电流传感器的初始饱和标志为“不饱和”；

b、实时计算数字电压量U₁(n)的三阶差分U₁₃(n)：

U₁₃(n)＝U₁(n)-3U₁(n-1)+3U₁(n-2)-U₁(n-3)，式中n表示采样点的编号，n＝3，4，...；

c、实时判断步骤b中计算获得的数字电压量的三阶分差U₁₃(n)是否为大模值点，即U1₃(n)满足不等式|U₁₃(n)|>0.00224U_m则为大模值点，如果U₁₃(n)不为大模值点，则饱和标志保持不变；如果U₁₃(n)为大模值点，则记录此时的数字电压量U₁(m₁)，其中m₁为当前采样点编号，U_m为铁心线圈式低功率电流传感器的二次输出电压最大值，并转入步骤d；

d、判断下一采样点对应的数字电压量的三阶分差U₁₃(m)是否为大模值点，即U₁₃(m)满足不等式|U₁₃(m)|>0.00224U_m则为大模值点，如果U₁₃(m)不为大模值点，则饱和标志保持不变，并转至步骤c；如果U₁₃(m)为大模值点，则比较|U₁(m₁)/U₁(m)|与阈值T_hin和T_out之间的大小关系，如果|U₁(m₁)/U₁(m)|>T_hin，则置铁心线圈式低功率电流传感器的饱和标志为“饱和”；如果T_out≤|U₁(m₁)/U₁(m)|≤T_hin，则保持铁心线圈式低功率电流传感器的饱和标志为不变，如果|U₁(m₁)/U₁(m)|<T_out，则置铁心线圈式低功率电流传感器的饱和标志为“不饱和”，其中T_hin的取值范围为[3，9]，T_out的取值范围为[0.2，0.6]，然后重复步骤d。

3、根据权要求1所述的基于多传感器数据融合技术的电子式电流互感器数据处理方法，其特征是根据数字电压量U₁(n)确定数字积分器的积分初值，并实时消除数字积分器的直流偏移。

Images