CN106841767A - 一种微弱电流信号监测系统 - Google Patents

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Abstract

一种微弱电流信号监测系统，包括电流传感器、数据采集系统、积分器、电光转换器、光纤、光电转换器、分析平台。电流传感器的输出直接传输给数据采集系统进行信号采集，将模拟信号转换为数字信号，然后采用积分器对其进行积分还原，积分后的数据输出经过电光转换器转换为光信号，然后利用光纤传输至低压端电路中，低压端电路中的光电转换器将光信号转换成电信号，然后传输给分析平台进行分析处理。分析平台用于对被监测电流进行参数计算、趋势预测、数据存储、波形显示，并采用EMD‑HHT时频分析方法提取信号的特征，实现各分量的准确提取。本发明一种微弱电流信号监测系统，该监测系统测量范围广，小电流时可测量毫安级，大电流时可测量百安级电流，精度高，应用广泛。

Description

一种微弱电流信号监测系统
技术领域
本发明涉及电力系统监测领域，具体涉及一种微弱电流信号监测系统，用于对运行中的设备进行故障的监测。
背景技术
电力系统的安全运行离不开组成电力系统的设备，要求通过状态监测判断其设备各个部件的运行状态，识别故障的早期征兆，并采取相应的措施避免故障的进一步恶化。但有些电力设备因结构等原因，难以用一般方法对其进行监测，故应采用特殊的监测方法。
为了提高电力系统的运行稳定性及可靠性，有必要对电力系统设备检测技术进行研究，并研制检测平台，提高现场事故抢修效率。电力设备故障可能有多种原因，其中大多伴随着故障电流信号的出现，因此对故障电流信号的监测非常重要。然而目前缺乏适用于结构比较复杂、测量困难等设备的故障电流监测的电流传感器及监测系统，如电力变压器，卡板等，导致这些设备发生故障时无法及时定位，降低了其运行稳定性和可靠性。针对电力系统中各种设备的运行故障，目前并没有可行的监测方案实施在线监测与故障诊断。
发明内容
本发明提供一种微弱电流信号监测系统，通过实时在线采集电流波形，分析平台可以通过监测电流进行参数计算、趋势预测、数据存储、波形显示，并采用EMD_HHT计算出归一化时频谱，提取故障特性量，实现对设备运行状态的综合诊断，识别早期故障特征，并进行有效的故障诊断，以便采取预防措施，避免事故发生。
本发明采取的技术方案为：
一种微弱电流信号监测系统，包括电流传感器、数据采集系统、积分器、电光转换器、光纤、光电转换器、分析平台。电流传感器的输出直接传输给数据采集系统进行信号采集，将模拟信号转换为数字信号，然后采用积分器对其进行积分还原，积分后的数据输出经过电光转换器转换为光信号，然后利用光纤传输至低压端电路中，低压端电路中的光电转换器将光信号转换成电信号，然后传输给分析平台进行分析处理。分析平台用于对被监测电流进行参数计算、趋势预测、数据存储、波形显示，并采用EMD-HHT时频分析方法提取信号的特征，实现各分量的准确提取。
所述电流传感器采用方形结构Rogowski线圈，其结构是4根缠绕线圈的直线型Rogowski线圈，4根直线型线圈首尾相接，固定在环氧树脂板上。
所述方形Rogowski线圈的结构为：骨架为两个半环形式，四个线圈分成两组，分别位于两个半环上，通过导线实现线圈输出的相连；测量时，两个半环可以打开，形成开合式结构，从而可以方便的测量被测导线上的电流，无需导线断开，可对工作中的设备实现测量。方形Rogowski线圈四个边加在一起，电压输出为：
所述电流传感器由两个传感器组成：第一传感器①、第二传感器②，每个传感器由四个直线型线圈构成一个方形结构的Rogowski线圈，两个传感器骨架的结构和尺寸相同，不同点在于线圈匝数不一样，第一传感器①线圈匝数少为200匝，用于大电流的测量，第二传感器②线圈匝数少为1000匝，用于小电流的测量，通过两个线圈的配合实现宽动态范围内电流的精确测量。该监测系统测量范围广，小电流时可测量毫安级，大电流时可测量百安级电流，精度高，应用广泛。
所述数据采集系统由信号调节电路、A/D转换模块、微处理器FPGA芯片、电光转换模块连接组成，电流传感器的输出传给信号调节电路，将其转换成合适的大小，然后信号传送至A/D转换模块，A/D转换模块用于将模拟量信号转换成数字量信号，然后在微处理器FPGA芯片中进行组帧处理，微处理器采用FPGA芯片作为核心处理器，对数据进行处理后，通过电光转换模块转换成光信号，然后传至低压端电路。
所述数据采集系统为有源电路的设计，本发明采用电路较为简单可靠的一次电流取能方式，保证良好测量准确度的同时，并向高压侧信号采集系统电路供电。
所述积分器采用改进后的低频增益特性的积分电路，这种积分器不仅适合实际应用，且能较好的提高算法的精度和减弱低频噪音。积分器的传递函数为：
本发明一种微弱电流信号监测系统，技术效果如下：
1)电流传感器，采用方形结构Rogowski线圈，体积小，易于紧密加工和制作。通过对称结构的安装设计，提高了测量精度，达到较高的测量准确度和较大的动态范围等要求。方形结构Rogowski线圈骨架为两个半环形式，四个线圈分成两组，分别位于两个半环上，通过导线实现线圈输出的相连。测量时，两个半环可以打开，形成开合式结构，从而可以方便的测量被测导线上的电流，无需导线断开，可对工作中的设备实现测量。
2)电流传感器由两个传感器组成，每个传感器由四个直线型线圈构成方形结构Rogowski线圈，两个传感器骨架的结构和尺寸相同，不同点在于线圈匝数不一样，第一传感器①线圈匝数少，用于大电流的测量；第二传感器②匝数多，用于小电流的测量，通过两个线圈的配合实现宽动态范围内电流的精确测量。
3)积分器采用改进后的低频增益特性的积分电路，这种积分器不仅适合实际应用，且能较好的提高算法的精度和减弱低频噪音。
4)分析平台可以通过监测电流进行参数计算、趋势预测、数据存储、波形显示、故障诊断等。并且分析平台含有故障诊断软件的设计，通过EMD-HHT时频分析提取信号的特征，区别正常特征和故障特征，实现对设备运行状态的综合诊断，识别早期故障特征，及时对设备进行维修和更换。
5)本发明一种微弱电流信号监测系统，该监测系统测量范围广，小电流时可测量毫安级，大电流时可测量百安级电流，精度高，应用广泛。
附图说明
图1为本发明一种微弱电流信号监测系统原理框图。
图2为本发明中电流传感器示意图。
图3为本发明中方形结构Rogowski线圈结构示意图。
图4为本发明中改进低频增益的积分原理图。
图5为本发明中信号EMD-HHT分解图。
图6为本发明中电流传感器误差测试结果图。
具体实施方式
一种微弱电流信号监测系统，如图1所示，由电流传感器1、数据采集系统2、积分器3、电光转换器4、光纤5、光电转换器6、分析平台7等部分构成。电流传感器1的输出直接传输给数据采集系统2进行信号采集，将模拟信号转换为数字信号。由于电流传感器1的输出为电压微分信号，为了消除频率波动等因素的影响，需要对其进行积分还原。采用改进后的低频增益特性的积分电路对其进行积分还原。积分器3的传递函数为：
上述公式中，各字母含义如图4中所标注。图4中Rf＝1MΩ，R＝1kΩ，C＝100nF，Cf＝2.2uF，s为拉氏变换。
积分后的数据输出经过电光转换器4(E/O转换)转换为光信号，然后利用光纤5传输至低压端电路中。低压端电路中的光电转换器6件将光信号转换成电信号，然后传输给分析平台7进行分析处理。分析平台7用于对被监测电流进行参数计算、趋势预测、数据存储、波形显示等。分析平台7采用笔记本电脑实现，利用Labview软件编程，对被监测电流信号进行分析计算。
Rogowski线圈具有动态范围大、测量频带宽、无铁磁饱和等优点，适用于测量变化范围较大的电流。本发明中采用方形结构Rogowski线圈结构，如图3所示，基本结构是4根缠绕线圈的直线型Rogowski线圈，4根直线型线圈首尾相接，固定在环氧树脂板上。采用方形结构Rogowski线圈，体积小，易于紧密加工和制作。通过对称结构的安装设计，提高测量精度。由结果表1可知，电流传感器误差受影响较小，比差影响小于0.05％，角差影响小于0.3’，达到较高的测量准确度和较大的动态范围等要求。
表1位置影响测试结果
所述电流传感器1由两个传感器构成：第一传感器①、第二传感器②，每个传感器由四个直线型线圈构成一个方形结构Rogowski线圈，骨架为如图2所示：两个半环形式，四个线圈分成两组，分别位于两个半环上，通过导线实现线圈输出的相连。测量时，两个半环可以打开，形成开合式结构，从而可以方面的测量被测导线上的电流，无需导线断开，可对工作中的设备实现测量。两个线圈骨架的结构和尺寸相同，不同点在于线圈匝数不一样，第一传感器①线圈匝数为200匝，第二传感器②线圈匝数为1000匝；第一传感器①线圈匝数少，用于大电流的测量，第二传感器②匝数多，用于小电流的测量，通过两个线圈的配合实现宽动态范围内电流的精确测量。
方形结构Rogowski线圈四个边加在一起，电压输出：
其中uout为传感器输出电压，φ为传感器中的磁通量，μ0为真空磁导率，μr为直线型线圈骨架的相对磁导率(此处为1)，d为直线型线圈的横截面直径，N为传感器线圈匝数，i(t)为被测一次电流。
一次额定电流为50A时，设计的Rogowski线圈取d＝3mm，l＝10mm，传感器1线圈匝数N1＝200匝，传感器2线圈匝数N2＝1000匝，此时两个传感器的输出uout分别为2.50mv和12.82mv。
电流传感器1误差测试结果如图6所示，从图6中可以看出，第一传感器①在测量大电流时误差较小，第二传感器②则更适合测量小电流信号，因此当测量电流结果大于1A时，以第一传感器①的结果作为最终输出结果；测量小于1A的电流时，以第二传感器②的输出结果作为最终输出。
所述的数据采集系统，数据采集系统是由信号调节电路、A/D转换模块、微处理器FPGA芯片、电光转换模块组成。电流传感器的输出传给信号调节电路，将其转换成合适的大小，然后信号传送至A/D转换模块。A/D转换模块用于将模拟量信号转换成数字量信号，然后在微处理器中进行组帧处理等。微处理器采用FPGA芯片作为核心处理器，对数据进行处理后，通过电光转换模块转换成光信号，然后传至低压端电路。
数据采集系统2为有源电路的设计，目前对高压侧电路进行供能的方案有激光取能、一次电压取能、一次电流取能。考虑到激光取能装置结构复杂，价格高昂，长期工作可靠性和稳定性有待提高，而电压取能电路较复杂，本发明采用电路较为简单可靠的一次电流取能方式，保证良好测量准确度的同时，并向高压侧信号采集系统电路供电。
所述积分器3如图4所示，采用改进后的低频增益特性的积分电路，该积分器基本比较适合实际应用，并且有较好的减弱低频噪音。积分器的传递函数为：
上述公式中，各字母含义如图4中所标注。图4中Rf＝1MΩ，R＝1kΩ，C＝100nF，Cf＝2.2uF，s为拉氏变换。
分析平台7含有故障诊断软件的设计，信号EMD-HHT分解图如图5所示，仿真结果表明，通过EMD-HHT时频分析提取信号的特征，区别正常特征和故障特征，进行故障特征诊断，识别早期故障特征，及时对设备进行维修和更换。
本发明一种微弱电流信号监测系统，设计了一种可以方便开合的开合式线圈作为电流传感器，电流传感器由第一传感器①、第二传感器②组成，每个传感器由四个直线型线圈构成一个方形Rogowski线圈。第一传感器①、第二传感器②骨架的结构和尺寸相同，但匝数不一样，第一传感器①的线圈匝数少，用于实现较大电流的测量；第二传感器②线圈匝数多，用于实现微弱电流的测量。通过传感器的配合，实现较大动态范围内电流的准确测量。线圈输出需要积分，为了提高精度，本发明中积分器3采用改进后的低频增益特性的积分电路，这种积分器不仅适合实际应用，且能较好的提高算法的精度和减弱低频噪音。分析平台7可以通过监测电流进行参数计算、趋势预测、数据存储、波形显示，并采用EMD_HHT计算出归一化时频谱，提取故障特性量，实现对设备运行状态的综合诊断，识别早期故障特征，及时对设备进行维修和更换。

Claims (9)

1.一种微弱电流信号监测系统，包括电流传感器(1)、数据采集系统(2)、积分器(3)、电光转换器(4)、光纤(5)、光电转换器(6)、分析平台(7)；其特征在于：电流传感器(1)的输出直接传输给数据采集系统(2)进行信号采集，将模拟信号转换为数字信号，然后采用积分器(3)对其进行积分还原，积分后的数据输出经过电光转换器(4)转换为光信号，然后利用光纤(5)传输至低压端电路中，低压端电路中的光电转换器(6)将光信号转换成电信号，然后传输给分析平台(7)进行分析处理；
分析平台(7)用于对被监测电流进行参数计算、趋势预测、数据存储、波形显示，并采用EMD-HHT时频分析方法提取信号的特征，实现各分量的准确提取。
2.根据权利要求1所述一种微弱电流信号监测系统，其特征在于：所述电流传感器(1)采用方形结构Rogowski线圈，其结构是4根缠绕线圈的直线型Rogowski线圈，4根直线型线圈首尾相接，固定在环氧树脂板上。
3.根据权利要求2所述一种微弱电流信号监测系统，其特征在于：所述方形Rogowski线圈的结构为：骨架为两个半环形式，四个线圈分成两组，分别位于两个半环上，通过导线实现线圈输出的相连；测量时，两个半环可以打开，形成开合式结构，方形Rogowski线圈四个边加在一起，电压输出为：
u o u t = - 4 * d φ d t = - μ r μ 0 d 2 N 2 41 * Σ k = 1 N 1 N 2 - 2 N k + 2 k 2 * d i ( t ) d t .
4.根据权利要求1所述一种微弱电流信号监测系统，其特征在于：所述电流传感器(1)由两个传感器组成：第一传感器(①)、第二传感器(②)，每个传感器由四个直线型线圈构成一个方形结构的Rogowski线圈，两个传感器骨架的结构和尺寸相同，不同点在于线圈匝数不一样，第一传感器(①)线圈匝数少为200匝，用于大电流的测量，第二传感器(②)线圈匝数少为1000匝，用于小电流的测量。
5.根据权利要求1所述一种微弱电流信号监测系统，其特征在于：所述数据采集系统(2)由信号调节电路、A/D转换模块、微处理器FPGA芯片、电光转换模块连接组成，电流传感器(1)的输出传给信号调节电路，将其转换成合适的大小，然后信号传送至A/D转换模块，A/D转换模块用于将模拟量信号转换成数字量信号，然后在微处理器FPGA芯片中进行组帧处理，微处理器采用FPGA芯片作为核心处理器，对数据进行处理后，通过电光转换模块转换成光信号，然后传至低压端电路。
6.根据权利要求1所述一种微弱电流信号监测系统，其特征在于：所述数据采集系统(2)为有源电路的设计，采用电路较为简单可靠的一次电流取能方式，并向高压侧信号采集系统电路供电。
7.根据权利要求1所述一种微弱电流信号监测系统，其特征在于：所述积分器(3)采用改进后的低频增益特性的积分电路，积分器的传递函数为：
H ( s ) = - 4 R f + R f 2 C f s ( 4 + 4 R f C f s + R f 2 C f Cs 2 + 24 R f C f C ) * R .
8.一种微弱电流信号监测方法，其特征在于：电流传感器(1)的输出直接传输给数据采集系统(2)进行信号采集，将模拟信号转换为数字信号，然后采用积分器(3)对其进行积分还原，积分后的数据输出经过电光转换器(4)转换为光信号，然后利用光纤(5)传输至低压端电路中，低压端电路中的光电转换器(6)将光信号转换成电信号，然后传输给分析平台(7)进行分析处理；分析平台(7)用于对被监测电流进行参数计算、趋势预测、数据存储、波形显示，并采用EMD-HHT时频分析方法提取信号的特征，实现各分量的准确提取。
9.一种微弱电流信号监测方法，其特征在于：所述电流传感器(1)由两个传感器组成：第一传感器(①)、第二传感器(②)，每个传感器由四个直线型线圈构成一个方形结构的Rogowski线圈，第一传感器(①)线圈匝数少，用于大电流的测量；第二传感器(②)匝数多，用于小电流的测量，通过两个线圈的配合实现宽动态范围内电流的精确测量。
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Application publication date: 20170613

Assignee: Yichang Yizhixing Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHINA THREE GORGES University

Contract record no.: X2023980034895

Denomination of invention: A Weak Current Signal Monitoring System

Granted publication date: 20190709

License type: Common License

Record date: 20230426