CN104749547A - 新型现场电能表校验仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型现场电能表校验仪，包括钳形电流表，所述钳形电流表设有用于检测通过钳形电流表的交直流电流的交直流检测电路；还包括一直流补偿电路，所述直流补偿电路用于抵消钳形电流表直流分量产生的磁通。本发明通过霍尔元件组成的交直流检测电路，检测通过钳形表的交直流电流，并通过直流补偿电路驱动，通过补偿线圈，给钳形表的铁芯注入一个反向的磁通，使得钳形表内的磁芯不会饱和，因此可准确测量负载中存在直流分量情况下，电能表的真实误差，提高钳形电流表的测量精度，解决了安装在现场的客户电能表和计量总表之间存在的计量差异等实际问题。

Description

新型现场电能表校验仪

技术领域

本发明涉及电能表校验仪。

背景技术

现场校验及线路稽查过程中经常会发现如下现象：

1.在实验室校验合格的电能表在工作现场却发现校验数据存在较大的误差

2.安装在现场的客户电能表和计量总表之间的电能量计量数据存在较大的误差，也未发现现场有线路改装情况。

经大量的数据测试及分析，发现原因如下：

负载中存在直流分量会导致钳形互感器的铁芯进入饱和区域，在理论情况下，互感器的一次绕组中的电流将全部用于励磁，互感器二次电流为0，不能真实反映一次电流的大小，从而影响钳形电流表的测量精度，使现场校验工作失效，严重时甚至会损毁设备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种新型现场电能表校验仪，提高钳形电流表的测量精度。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：新型现场电能表校验仪，包括钳形电流表，所述钳形电流表设有用于检测通过钳形电流表的交直流电流的交直流检测电路；还包括一直流补偿电路，所述直流补偿电路用于抵消钳形电流表直流分量产生的磁通。

优选的，所述交直流检测电路由霍尔元件及其外围电路组成。

优选的，所述直流补偿电路为设于钳形电流表内的直流补偿线圈，所述直 流补偿线圈给钳形电流表的铁芯注入一个反向的磁通。

优选的，通过交直流检测电路，检测通过钳形电流表的直流电流，根据测得直流电流的大小产生一个等值的直流电流，通过直流补偿电路驱动及补偿线圈，给钳形电流表的铁芯注入一个反向的磁通，使得钳形电流表内的磁芯不会饱和。

优选的，还包括一交流检测模块，用于检测钳形电流表内的交流电。

优选的，还包括一AD转换模块和一DSP模块，所述AD转换模块将从交直流检测电路及交流检测模块采样到的模拟信号转换为数字信号；所述DSP模块通过准同步算法对数字信号进行运算及处理，计量出电参数。

本发明通过霍尔元件组成的交直流检测电路，检测通过钳形表的交直流电流，并通过直流补偿电路驱动，通过补偿线圈，给钳形表的铁芯注入一个反向的磁通，使得钳形表内的磁芯不会饱和，因此可准确测量负载中存在直流分量情况下，电能表的真实误差，提高钳形电流表的测量精度，解决了安装在现场的客户电能表和计量总表之间存在的计量差异等实际问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1是本发明的原理框图；

图2是交直流检测电路原理图；

图3是准同步算法非整周期采样原理图。

具体实施方式

在钳形电流表中，如果电流互感器一次绕组存在直流分量，经过积分，将使磁通量一直增加，直至饱和，此时，互感器的一次绕组中的电流将全部用于励磁，互感器二次电流为0，不能真实反映一次电流的大小。那末，从理论上讲， 只要使电流互感器的磁链不要进入饱和区域便可以避免这个问题，这就是我们的解决思路。

基于以上考虑，本发明的原理框图如图1所示：其包括钳形电流表，所述钳形电流表设有用于检测通过钳形电流表的交直流电流的交直流检测电路；还包括一直流补偿电路，所述直流补偿电路用于抵消钳形电流表直流分量产生的磁通。

另外，还包括一交流检测模块，用于检测钳形电流表内的交流电；还包括一AD转换模块和一DSP模块，所述AD转换模块将从交直流检测电路及交流检测模块采样到的模拟信号转换为数字信号；所述DSP模块通过准同步算法对数字信号进行运算及处理，计量出电参数。

1.准同步采样算法理论：如图3所示，Y_n-1，Y_n，Y_n+1为采样点，h为采样间隔，由于频率波动或其他原因，导致周期终点落在了Y_n和Y_n+1之间，由于采样点不能准确采在终点处，在对采样信号进行FFT计算的时候会产生误差，该误差表现为FFT计算出来的谐波幅值和相位不准确。一般该误差可以达到百分之几，在精密测量中是不能接受的。

对此，通过对fft的结果进行数学上的补偿，该补偿通过软件实现，不增加硬件负担。

1.1数学原理： 

假设采样信号为

Y＝A₀+A₁*sin(ωt)+B₁*cos(ωt)+A₂*sin(2ωt)+B₂*cos(2ωt)+...+A_k*sin(kωt)+B_k*cos(kωt)补偿的方法如下公式所示：

a'＝FR*a

其中a为信号的理想系数,a＝(A₀,A₁,A₂,...,A_k,B₁,B₂,...,B_k)^T

a'为采样数据经过FFT变换之后得到的系数，a'＝(A'₀,A₁',A'₂,...,A'_k,B₁',B'₂,...,B'_k)^T，FR为由Δ(图3中的0.2008)，采样间隔h，以及积分公式所确定的2*k+1维矩阵，其中的k表示需要分析到的谐波次数。

因此，为了得到理想的系数a。

a＝FR^-1*a'

其中FR^-1为FR矩阵的逆。所以只需要通过计算FR的逆，通过矩阵乘法就可以得到修正后的各次谐波系数a。

$\mathrm{FR}=\left[\begin{array}{ccc}{F}_{11}& F_{12}& F_{13}\\ F_{21}& F_{22}& F_{23}\\ F_{31}& F_{32}& F_{33}\end{array}\right]$

其中

F₁₁＝1

$F_{12}=\frac{1}{2}{\left(F_{21}\right)}^T=({\mathrm{\α}}_1,{\mathrm{\α}}_2,...,{\mathrm{\α}}_k)$

$F_{13}=\frac{1}{2}{\left(F_{31}\right)}^T=({\mathrm{\β}}_1,{\mathrm{\β}}_2,...,{\mathrm{\β}}_k)$

(F₂₂)_ij＝(-β_i+j+β_i-j)

(F₃₃)_ij＝(β_i+j+β_i-j)

(F₂₃)_ij＝(α_i+j+α_i-j)

(F₃₂)_ij＝(α_i+j-α_i-j)

i,j＝1,2,...,k

其中的α和β由Δ，采样间隔h，和积分方式确定：

矩形公式： 

${\mathrm{\α}}_i=\frac{1}{n}({\sin }^2\frac{\mathrm{\Δih}}{2}\mathrm{ctg}\frac{\mathrm{ih}}{2}-\frac{1}{2}\sin \mathrm{\Δih})$

${\mathrm{\β}}_i=\frac{1}{n}(-\frac{1}{2}\sin \mathrm{\Δihctg}\frac{\mathrm{ih}}{2}+{\sin }^2\frac{\mathrm{\Δih}}{2})$

梯形公式： 

${\mathrm{\α}}_i=\frac{1}{n}\left({\sin }^2\frac{\mathrm{\Δih}}{2}\mathrm{ctg}\frac{\mathrm{ih}}{2}\right)$

${\mathrm{\β}}_i=-\frac{1}{2n}\sin \mathrm{\Δihctg}\frac{\mathrm{ih}}{2}$

近似矩形公式：

${\mathrm{\α}}_i\≈\frac{{\mathrm{\Δ}}^2\mathrm{ih}}{2n}+\frac{\mathrm{\Δih}}{2n}$

${\mathrm{\β}}_i=-\frac{\mathrm{\Δ}}{n}$

近似梯形公式：

${\mathrm{\α}}_i\≈\frac{{\mathrm{\Δ}}^2\mathrm{ih}}{2n}$

${\mathrm{\β}}_i=-\frac{\mathrm{\Δ}}{n}$

另外还有梯形补偿公式，矩形补偿公式。

2.算法步骤： 

(1)通过测量预估周期，估算出周期终点的位置；

(2)在起点处从起点开始取10个连续的点P1，计算其自相关系数；在周期终点处取十个连续的点P2，计算P1与P2的互相关系数；求自相关系数与互相关系数之间的差的均方跟；改变P2的起点，找到均方跟最小的点，此时P2的起点就为与起点最接近的终点；

(3)在终点处通过插值确定补偿的Δ；

(4)通过Δ，采样间隔h，以及梯形公式计算出FR；

(5)通过DSP计算得到FR的逆FR^-1；

(6)利用采样数据进过FFT变换得到各谐波系数a'；

(7)利用公式a＝FR^-1*a'，计算得到理想的系数a；

(8)将计算出的有效值，有功功率，无功功率，相位差等分别乘以所得到的补偿系数a,便得到实际的有效值，有功功率，无功功率，相位差等电工参数。

如图2所示，所述交直流检测电路由霍尔元件及其外围电路组成，图中UGN3501为霍尔传感器，AD522为高精度数据采集仪表放大器，此电路可以测得流经线圈的直流电流大小(I)。此电路输出为一电压值，根据电路中元器件的取值，此电压和实际测得的电流的关系如下式：I＝(40Uout+100)/4.8。

所述直流补偿电路为设于钳形电流表内的直流补偿线圈，通过霍尔元件组成的交直流检测电路，检测通过钳形表的交直流电流，并通过直流补偿电路驱动，通过补偿线圈，给钳形表的铁芯注入一个反向的磁通，使得钳形表内的磁芯不会饱和。也就是说，直流补偿线圈所补偿的直流电流是一个动态变量，其大小是根据交直流检测电路检测到的实际线路中直流电流的大小而定的。

Claims (6)

1.新型现场电能表校验仪，包括钳形电流表，其特征在于：所述钳形电流表设有用于检测通过钳形电流表的交直流电流的交直流检测电路；还包括一直流补偿电路，所述直流补偿电路用于抵消钳形电流表直流分量产生的磁通。

2.根据权利要求1所述的新型现场电能表校验仪，其特征在于：所述交直流检测电路由霍尔元件及其外围电路组成。

3.根据权利要求2所述的新型现场电能表校验仪，其特征在于：所述直流补偿电路为设于钳形电流表内的直流补偿线圈，所述直流补偿线圈给钳形电流表的铁芯注入一个反向的磁通。

4.根据权利要求3所述的新型现场电能表校验仪，其特征在于：通过交直流检测电路，检测通过钳形电流表的直流电流，根据测得直流电流的大小产生一个等值的直流电流，通过直流补偿电路驱动及补偿线圈，给钳形电流表的铁芯注入一个反向的磁通，使得钳形电流表内的磁芯不会饱和。

5.根据权利要求1所述的新型现场电能表校验仪，其特征在于：还包括一交流检测模块，用于检测钳形电流表内的交流电。

6.根据权利要求5所述的新型现场电能表校验仪，其特征在于：还包括一AD转换模块和一DSP模块，所述AD转换模块将从交直流检测电路及交流检测模块采样到的模拟信号转换为数字信号；所述DSP模块通过准同步算法对数字信号进行运算及处理，计量出电参数。