CN102680935B - 在线精度监测的智能电流互感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种在线精度监测的智能电流互感器系统，包括电流互感器的次级绕组铁心、供电和初级检测绕组铁心和电流互感器外壳，其结构特点为还包括智能电流互感器控制板、供电和初级检测绕组、检测精度绕组磁环和次级测量绕组，所述的次级绕组铁心、供电和初级检测绕组铁心、智能电流互感器控制板、供电和初级检测绕组、检测精度绕组磁环和次级测量绕组灌胶集成在电流互感器壳体内部。本发明实现了电流互感器信息台帐管理，身份台帐唯一识别；可通过无线通讯查询互感器是否被替换；可实时对智能电流互感器进行过温、过流、自身故障等现象告警，可实时进行在线精度监测，帮助巡检人员快速查找到故障点，提高配调和抢修效率，提高供电可靠性。

Description

在线精度监测的智能电流互感器系统

技术领域

本发明涉及一种智能电流互感器，尤其涉及一种在线精度监测的智能电流互感器系统。 

背景技术

在国内电力设备中，电流互感器被恶意替换，电流互感器因设备过流或老化引起的精度不准确，直接造成供电企业的经济损失。且电流互感器没有自身标识，不方便管理。 

目前常规防范措施是定期安排计量工作人员或片区外协电工对设备进行查看核对，这种方法耗时长，工作量大，需要频繁的开启设备和爬杆来解决电流互感器被恶意替换。且到目前为止仅仅依靠拆卸电流互感器返回检测，未能找到彻底解决电流互感器在使用过程中的精度检测问题。 

发明内容

本发明的目的在于，针对上述电流互感器使用过程中发现的问题，提供一种在线精度监测的智能电流互感器系统。 

本发明的另一目的是将智能电流互感器控制板、初级测量绕组、电源绕组、次级测量绕组集成在电流互感器外壳中实现无缝连接。 

 本发明的目的是这样实现的，所述的在线精度监测的智能电流互感器系统，包括电流互感器的次级绕组铁心、供电和初级检测绕组铁心和电流互感器外壳，其结构特点为还包括智能电流互感器控制板、供电和初级检测绕组、检测精度绕组磁环和次级测量绕组，所述的次级绕组铁心、供电和初级检测绕组铁心、智能电流互感器控制板、供电和初级检测绕组、检测精度绕组磁环和次级测量绕组灌胶集成在电流互感器壳体内部。 

本发明的目的还可以通过以下技术方案实现的，所述的在线精度监测的智能电流互感器系统，其特点为所述的次级绕组铁心、供电和初级检测绕组铁心、智能电流互感器控制板、供电和初级检测绕组、检测精度绕组磁环和次级测量绕组之间通过灌胶胶合形成无缝隙连接。所述的在线精度监测的智能电流互感器系统，其特点为所述智能电流互感器控制板通过灌胶胶合在固定卡槽内，固定卡槽通过灌胶胶合在电流互感器外壳内。使得智能电流互感器控制板的固定卡槽与电流互感器集成在一起。所述的在线精度监测的智能电流互感器系统，其特点为智能电流互感器控制板的供电引脚经引线与电流互感器的供电端子焊接；智能电流互感器控制板的工作天线内置于电流互感器外壳内。所述的在线精度监测的智能电流互感器系统，其特点为所述供电和初级检测绕组与智能电流互感器控制板电连接，次级检测绕组通过检测精度绕组磁环与智能电流互感器控制板连接。所述的在线精度监测的智能电流互感器系统，其特点为所述的智能电流互感器控制板的电路包括有主控MCU、电流监测模块、内存、超级电容、温度监测模块、无线通讯模块及工作电源；电流监测模块、内存、超级电容、温度监测模块、无线通讯模块分别与主控MCU连接，超级电容与工作电源连接。电流监测模块采集初级测量绕组的电流和次级测量绕组的电流。超级电容是当无电源时可持续供电，以便断电后智能电流互感器控制板能继续工作。MCU是进行信号转换、数据处理以及通过最小二乘法原理进行曲线拟合校准。内存是存储智能电流互感器自身参数、存储电流监测模块所采集的数据及MCU处理校准后的数据。温度监测模块是采集智能电流互感器自身温度。无线通讯模块是和手持机进行数据对接。所述的在线精度监测的智能电流互感器系统，其特点为所述次级检测绕组通过检测精度绕组磁环与智能电流互感器控制板的电流监测模块连接；供电和初级检测绕组与智能电流互感器控制板的电流监测模块连接。所述的在线精度监测的智能电流互感器系统，其特点为所述的温度测量模块埋在供电和初级检测绕组铁心的内部。所述的在线精度监测的智能电流互感器系统，其特点为电流监测模块包括电能计量芯片和信号处理电路，次级检测绕组通过检测精度绕组磁环精度检测后供智能电流互感器控制板的电流监测模块采集电流信息，主控MCU通过智能电流互感器控制板的电流监测模块的信号处理电路将采集电流信息调理后送入电流监测模块的电能计量芯片以及通过SPI通信总线控制电能计量芯片对该信号做精确模拟数字转换获得供电和初级检测绕组的初级电流信息与次级检测绕组的次级电流信息；智能电流互感器控制板的主控MCU把获得供电和初级检测绕组的初级电流信息与次级检测绕组的次级电流信息通过最小二乘法原理进行曲线拟合校准后转换成测量精度存入智能电流互感器控制板的内存当中；然后智能电流互感器控制板的主控MCU提取智能电流互感器控制板的内存中原先存入的电流互感器自身的精度和刚获得的通过最小二乘法原理进行曲线拟合校准后转换成的测量精度进行比对，当采集的精度为符合原先存入的电流互感器自身的精度时表示该电流互感器精度处于正常使用状态；当采集的精度不符合原先存入的电流互感器自身的精度时表示该电流互感器精度出现问题,由无线通讯模块传输告警。 

所述的在线精度监测的智能电流互感器系统，其特点为所述的最小二乘法原理进行曲线拟合按下式实现：最小二乘法原理进行曲线拟合的线性式是 是该直线的任意点实数； 

    式中： ；

 为t值的算术平均值，为y值的算术平均值，i为正整数； 

为电能计量芯片的实测测量值；为互感器自身的标准值；把电能计量芯片的测量值以及互感器自身的标准值代入公式1-1中，得到对应的直线系数，并得到最小误差的电流测量精度值。

所述的智能电流互感器控制板包含电流监测模块、MCU、内存、超级电容、温度监测模块、无线通讯模块及电源。所述的电流监测模块采集初级测量绕组的电流和次级测量绕组的电流。所述的超级电容是当无电源时可持续供电，以便断电后智能电流互感器控制板能继续工作。所述的MCU是进行信号转换、数据处理以及通过最小二乘法原理进行曲线拟合校准。所述的内存是存储智能电流互感器自身参数、存储电流监测模块所采集的数据及MCU处理校准后的数据。所述的温度监测模块是采集智能电流互感器自身温度。所述的无线通讯模块是和手持机进行数据对接。 

本发明的特点是：将智能电流互感器控制板、初级测量绕组、次级测量绕组、电源绕组集成灌浇在电流互感器壳体内部实现无缝连接；采用后台主站，手持机与本发明的在线精度监测的智能电流互感器系统连接构成一体化系统，方便使用者进行设置参数、手动控制及获取本发明的在线精度监测的智能电流互感器系统的各种实时与历史运行数据、现场抄读观察各实时数据，也可以很方便地通过无线手持机现场设置参数或通过无线手持机控制智能电流互感器的运行状态；通过无线手持机与电脑串口连接，将历史数据上传到主站系统里进行决策分析。 

本发明的优点： 

本发明采集电流互感器的一次侧电流、二次侧电流，自动跟踪输入电流变化，从而判断过流、短路等故障象限。再通过最小二乘法原理进行曲线拟合校准得到实时精度后再与互感器的本身精度对比，判断精度问题。内部温度传感器埋在铁芯内部，可以检测内部温度，从而判断过温等故障象限。

本发明由于把智能电流互感器控制板通过有氧树脂胶与电流互感器集成灌浇在电流互感器外壳内部，二者之间进行无缝的胶结。这样避免智能电流互感器控制板遭受人为的恶意破坏，并且使外观造型无任何变化，从而可以便于统一应用。本发明还可利用电源绕组引出供电端子经引线拉到智能电流互感器控制板供电引脚处，从而达到通过电流互感器供电给智能电流互感器控制板的电路板工作。 

本发明采用后台主站，手持机与本发明的在线精度监测的智能电流互感器系统连接构成一体化系统，方便使用者进行设置参数、手动控制及获取本发明的在线精度监测的智能电流互感器系统的各种实时与历史运行数据、现场抄读观察各实时数据，也可以很方便地通过无线手持机现场设置参数或通过无线手持机控制智能电流互感器的运行状态；通过无线手持机与电脑串口连接，将历史数据上传到后台主站里进行决策分析。本发明实现了电流互感器信息台帐管理，身份台帐唯一识别；可通过无线通讯查询互感器是否被替换；可实时对智能电流互感器进行过温、过流、自身故障等现象告警，帮助巡检人员快速查找到故障点，提高配调和抢修效率，提高供电可靠性；可实时进行在线精度监测，以便提高现代化管理水平和供电企业的各项经济技术指标。 

附图说明

图1-1是本发明实施例的智能电流互感器的总体局部剖视结构示意图。 

图1-2为图1-1的右视图。 

图1-3为图1-1的俯视图。 

图2是本发明实施例的智能电流互感器的原理框图。 

图3为本发明实施例的智能电流互感器控制板的内部结构原理框图。 

图4 为发明实施例的智能电流互感器的系统原理图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明： 

本发明包括电流互感器的次级绕组铁心1、供电和初级检测绕组铁心2和电流互感器外壳3，其特征在于还包括智能电流互感器控制板4、供电和初级检测绕组7、检测精度绕组磁环8和次级测量绕组9，所述的次级绕组铁心1、供电和初级检测绕组铁心2、智能电流互感器控制板4、供电和初级检测绕组7、检测精度绕组磁环8和次级测量绕组9灌胶集成在电流互感器壳体3内部。如图1所示，所述实施例的总体局部剖视示意图。图中：次级绕组铁心1，供电和初级检测绕组铁心2，电流互感器外壳3，智能电流互感器控制板4，卡槽5，精度检测绕组6，供电和初级检测绕组7，检测精度绕组磁环8，次级绕组9，天线10。其中次级绕组铁心1，供电和初级检测绕组铁心2，电流互感器外壳3为现有电流互感器的组成部件，现有的电流互感器还包括电流互感器的供电端子。

结合图1、图3所示，本发明所述的在线精度监测的智能电流互感器系统，将现有的电流互感器的次级绕组铁心1、供电和初级检测绕组铁心2与本发明的智能电流互感器控制板4、供电和初级检测绕组7、检测精度绕组磁环8、次级测量绕组9集成灌浇在电流互感器壳体内部实现无缝连接，所述的无缝连接指的是因浇灌胶而使得上述的供电和初级检测绕组铁心2、智能电流互感器控制板4、供电和初级检测绕组7、检测精度绕组磁环8、次级测量绕组9之间无缝隙；在电流互感器外壳3内通过灌胶使电流互感器外壳3与固定卡槽5以及固定卡槽5内的智能电流互感器控制板4胶结在一起。电流互感器的供电端子经引线与智能电流互感器控制板4的供电引脚焊接。智能电流互感器控制板4的工作天线10内置于电流互感器外壳3内。所述的智能电流互感器控制板4的电路包括主控MCU、电流监测模块、内存、超级电容、温度监测模块、无线通讯模块及电源。供电和初级检测绕组7、次级检测绕组9与智能电流互感器控制板4电连接，实现无缝连接。其中次级检测绕组9通过检测精度绕组磁环8精度检测后供智能电流互感器控制板4的电流监测模块采集电流信息。供电和初级检测绕组7直接和智能电流互感器控制板4的电流监测模块连接，次级检测绕组9串联检测精度绕组磁环8后再与智能电流互感器控制板4的电流监测模块连接，电流监测模块包括电能计量芯片和信号处理电路，通过智能电流互感器控制板4的电流监测模块的信号处理电路调理后送入电流监测模块的电能计量芯片；智能电流互感器控制板4的主控MCU通过SPI通信总线控制电能计量芯片对该信号做精确模拟数字转换，以获得该供电和初级检测绕组7与次级检测绕组9的电流信息；智能电流互感器控制板4的主控MCU把获得供电和初级检测绕组7与次级检测绕组9的电流信息通过最小二乘法原理进行曲线拟合校准后转换成测量精度存入智能电流互感器控制板的内存当中；然后智能电流互感器控制板4的主控MCU提取智能电流互感器控制板的内存中原先存入的互感器自身的精度和刚获得的校准后的测量精度进行比对，再经由无线通讯模块传输给手持机。所述的智能电流互感器控制板4，其温度测量模块是温度传感器埋在供电和初级检测绕组铁心2内部，可以检测内部温度；所述的智能电流互感器控制板4，其特点为电流互感器的供电端子（即电源绕组）的供电端子经引线与智能电流互感器控制板的供电引脚焊接，经过电源供给整个智能电流互感器控制板4使用，同时部分整流给超级电容储能。当电源断电后，超级电容给整个智能电流互感器控制板供电。 

如图2所示，本发明的原理框图。具体各部件模块及功能如下： 

1) 主控MCU：采用现有市售产品，完成传输与控制、对采集的供电和初级检测绕组7的电流和次级检测绕组9的电流进行精度校准分析及计算，这些校准分析及计算程序为一般技术人员能实现的。

2) 电流监测模块：它包括电能计量芯片和信号处理电路，电能计量芯片采用高精度AD芯片，高精度AD芯片作为电流计量使用，信号处理电路的作用是将输入的初级测量绕组电流和次级绕组电流调理成当输入到高精度AD芯片内能做精确模拟数字转换及计算的信号，此部分采用了专业的高精度AD芯片，通过信号处理电路将输入的初级测量绕组电流和次级绕组电流调理后送入高精度AD芯片内做精确模拟数字转换及计算，再将结果定时传送给主控MCU。高精度AD芯片和信号处理电路为现有技术。 

3) 供电和初级检测绕组：此模块用实心线圈做为测量线圈，线圈可以在测量和电源供电质检切换，内部控制在测量的时候电源绕组临时切换成测量电路，内部加较大电容保证测量准确。所述的实心线圈做为测量线圈为一般技术人员能实现的技术。 

4) 次级检测绕组：此模块用空心线圈做为测量线圈(无铁心)，特点为温度特性好、受铁心变化影响小以及测量精度高，所述的空心线圈做为测量线圈为一般技术人员能实现的技术。 

5) 检测精度绕组磁环：此模块是是做精度检测的磁芯。 

6）温度测量模块：采用pt100铂电阻，外接直接贴近绕组和铁芯可以快速响应温度变化，所述的pt100铂电阻为现有市售产品。 

7）内存：此模块对各种实时与历史运行数据进行存储及查询，可以采用各类存储介质，为现有技术。 

8) 无线通讯模块：此模块包含GPRS通讯和433无线通讯。通过GPRS通讯和后台主站进行交互，后台主站可以为工控计算机或计算机，还有一般技术人员能实现的软件系统，如决策分析系统，可以实现了电流互感器信息台帐管理，身份台帐唯一识别；可通过无线通讯查询互感器是否被替换；可实时对智能电流互感器进行过温、过流、自身故障等现象告警，帮助巡检人员快速查找到故障点，提高配调和抢修效率，提高供电可靠性；可实时进行在线精度监测，以便提高现代化管理水平和供电企业的各项经济技术指标。通过433无线通讯和智能CT监控器、无线手持机对接交互。从而实现远程或本地遥控、遥调、遥测等功能。 

9) 工作电源：供电绕组给超级电容充电作为电源输入，经过电源模块转换成多路直流电压供各电路模块使用。其中：主控MCU、内存、无线通讯模块、测量温度等模块工作电压为3 V，超级电容工作电压5V以下。 

10）超级电容：采用现有市售产品松下品牌EECSOHD224V（0.22F/5.5V）的超级电容，工作电压是4.7V。它是完成电能储能并在电源断电后，给整个智能电流互感器控制板供电。 

结合如图3、如图4所述，所述的智能电流互感器控制板的电路，包括主控MCU、电流监测模块，供电和初级检测绕组7、次级检测绕组9接入电流监测模块采集后，通过其信号处理电路调理后送入高精度AD芯片（即电能计量芯片），主控MCU通过SPI通信总线控制高精度AD芯片（即电能计量芯片）对该信号做精确模拟数字转换及计算，精确模拟数字转换及计算为一般技术人员能实现的，以便获得初级检测绕组、次级检测绕组的电流信息。再通过SPI通信总线将该初级检测绕组与次级检测绕组的电流信息传送给主控MCU中，主控MCU把获得供电和初级检测绕组7与次级检测绕组9的电流信息通过最小二乘法原理进行曲线拟合校准，最小二乘法原理算法为一般技术人员能实现的技术。主控MCU 把校准后的数据转换成测量精度存入内存当中与原先存入的互感器自身的精度进行比对，再经由无线通讯模块传输给手持机。主控MCU是通过I/O控制线与无线通讯模块及温度测量模块进行连接。也可以通过手持机进行设置参数、手动控制及获取本发明的在线精度监测的智能电流互感器系统的各种实时与历史运行数据、现场抄读观察各实时数据。手持机也可以与电脑串口连接，将历史数据上传到后台主站的系统里进行决策分析。 

所述的最小二乘法原理是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。在校准过程中，随机选定几组，并分析它们的测量值与标准值，寻找它们测量值与标准值之间的关系。 

在我们研究两个变量（t,y）之间的相互关系时，通常可以得到一系列成对的数据 ；将这些数据描绘在-直角坐标系中，若发现这些点在一条直线附近，得出测量值（t）与标准值（y）基本呈线性关系。最简单的线性式是是该直线的任意点实数。若含有更多测量值变量组成最简单的线性方程组的形式为： 

可表示为数据矩阵

         

记做参数矢量x，观测值记作b，则线性方程组又可写成：

写成行列式，为

    

直接给出该式的参数解：

    

 为t值的算术平均值，为y值的算术平均值；也可解得如下形式：

  

这样我们就可以得到最小二乘法的分段曲线。

电能计量芯片的测量值序列表示为，

互感器自身的标准值序列表示为，

根据电能计量芯片的实测测量值{0x003EB50D，0x00191500，0x000C8AE9，0x00064557 }；互感器自身的标准值 { 5, 2, 1, 0.5}；

求得：测量平均值

求得：互感器自身的标准平均值  =2.125；

求得： =｛2363001.75，-102803.25，-924586.25，-1335612.25｝；

求得： =｛5583777270503.0625，10568508210.5625，854859733689.0625，1783860082350.0625｝；

求得：=｛2.875，-0.125，-1.125，-1.625｝；

求得：

=6793630.03125+12850.40625+1040159.53125+2303931.13125

=10017009.875;

求得：=8233065594752.75；

求得：=1.216680440562046103669961820477e-6；

求得：=2.125-×1746579.25=-2.8811366528062213304163937353302e-5；

因此得到的直线任意值，；根据电能计量芯片的测量值={0x003EB50D，0x00191500，0x000C8AE9，0x00064557 }；

代入公式1-1中得到实际采集的电流值：

=｛5.0000180102388859265528012042203，1.999921296498789833892890997479，1.000073994012389900680678762762，0.49998669924993433887362903553862｝；

从上可知，本发明根据把电能计量芯片的测量值，互感器自身的标准值代入公式1-1中，可以得到对应的直线系数，并可得到最小误差的电流测量精度值。

本发明所述的在线精度检测是这样实现的，所述的智能电流互感器控制板，包括主控MCU，主控MCU把获得供电和初级检测绕组7与次级检测绕组9的电流信息初级电流信息={0x3EB4FE}、={0x42E330}和次级电流信息={0x3AF1D2}、={0x21DC79}通过最小二乘法原理进行曲线拟合校准后得到初级电流=149.99999280096832487583738464379、=160.00001100999183800651116784247，次级电流=4.7000004304420126639871363287944、=2.699942038017484745777714540776。主控MCU把校准后的数据，转换成测量精度160/2.7，把校准后的数据，转换成测量精度150/4.7。再与原先存入的互感器自身的精度150/5进行比对，当采集的精度为150/4.7时表示该互感器精度处于正常使用状态。当采集的精度为160/2.7时表示该互感器精度出现问题；由无线通讯模块传输给手持机告警。 

Claims (3)

1.一种在线精度监测的智能电流互感器系统，包括电流互感器的次级绕组铁心（1）、供电和初级检测绕组铁心（2）和电流互感器外壳（3），其特征在于还包括智能电流互感器控制板（4）、供电和初级检测绕组（7）、检测精度绕组磁环（8）和次级检测绕组（9），所述的次级绕组铁心（1）、供电和初级检测绕组铁心（2）、智能电流互感器控制板（4）、供电和初级检测绕组（7）、检测精度绕组磁环（8）和次级检测绕组（9）灌胶集成在电流互感器外壳内部；所述的次级绕组铁心（1）、供电和初级检测绕组铁心（2）、智能电流互感器控制板、供电和初级检测绕组（7）、检测精度绕组磁环（8）和次级检测绕组（9）之间通过灌胶胶合形成无缝隙连接；所述智能电流互感器控制板（4）通过灌胶胶合在固定卡槽（5）内，固定卡槽（5）通过灌胶胶合在电流互感器外壳（3）内；智能电流互感器控制板（4）的供电引脚经引线与电流互感器的供电端子焊接；智能电流互感器控制板（4）的工作天线（10）内置于电流互感器外壳（3）内；所述供电和初级检测绕组（7）与智能电流互感器控制板（4）电连接，次级检测绕组（9）通过检测精度绕组磁环（8）与智能电流互感器控制板（4）连接；所述的智能电流互感器控制板（4）的电路包括有主控MCU、电流监测模块、内存、超级电容、温度监测模块、无线通讯模块及工作电源；电流监测模块、内存、超级电容、温度监测模块、无线通讯模块分别与主控MCU连接，超级电容与工作电源连接；所述次级检测绕组（9）通过检测精度绕组磁环（8）与智能电流互感器控制板（4）的电流监测模块连接；供电和初级检测绕组（7）与智能电流互感器控制板（4）的电流监测模块连接；电流监测模块包括电能计量芯片和信号处理电路，次级检测绕组（9）通过检测精度绕组磁环（8）精度检测后供智能电流互感器控制板（4）的电流监测模块采集电流信息，主控MCU通过智能电流互感器控制板（4）的电流监测模块的信号处理电路将采集电流信息调理后送入电流监测模块的电能计量芯片以及通过SPI通信总线控制电能计量芯片对该电流信息做精确模拟数字转换获得供电和初级检测绕组（7）的初级电流信息与次级检测绕组（9）的次级电流信息；智能电流互感器控制板（4）的主控MCU把获得供电和初级检测绕组（7）的初级电流信息与次级检测绕组（9）的次级电流信息通过最小二乘法原理进行曲线拟合校准后转换成测量精度存入智能电流互感器控制板的内存当中；然后智能电流互感器控制板（4）的主控MCU提取智能电流互感器控制板的内存中原先存入的电流互感器自身的精度和刚获得的通过最小二乘法原理进行曲线拟合校准后转换成的测量精度进行比对，当采集的精度为符合原先存入的电流互感器自身的精度时表示该电流互感器精度处于正常使用状态；当采集的精度不符合原先存入的电流互感器自身的精度时表示该电流互感器精度出现问题,由无线通讯模块传输告警。

2.根据权利要求1所述的在线精度监测的智能电流互感器系统，其特征在于所述的温度监测模块埋在供电和初级检测绕组铁心（2）的内部。

3.根据权利要求1或2所述的在线精度监测的智能电流互感器系统，其特征在于所述的最小二乘法原理进行曲线拟合按下式实现：最小二乘法原理进行曲线拟合的线性式是y = + t，其中、 是该直线的任意点实数；

    式中：，公式（1-1）；

式中： ， 为t值的算术平均值， =，为y值的算术平均值，i为正整数； 

为电能计量芯片的实测测量值；为互感器自身的标准值；把电能计量芯片的测量值以及互感器自身的标准值代入公式(1-1)中，得到对应的直线系数，并得到最小误差的电流测量精度值。