CN108594153B - 一种光纤电流互感器温度与标度因数分区间补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤电流互感器温度与标度因数非线性分区间综合补偿方法，包括：通过光纤电流互感器测试平台，获取互感器输出的原始数据和温度数据；将采集电流信号进行平滑处理；分别建立由温度和标度因数非线性引起的测量误差模型；根据最小二乘方法，求解温度和标度因数非线性综合补偿模型参数矩阵；采用分区间建模的方法，计算不同温度和电流测量范围区间补偿系数。本发明减小了光纤电流互感器测量由标度因数非线性和温度引起的测量误差，尤其在复杂外部环境下和长期工作情况下提高了光纤电流互感器的环境适应性和准确度。

Description

一种光纤电流互感器温度与标度因数分区间补偿方法
技术领域
本发明属于电力测量系统领域，尤其涉及一种光纤电流互感器温度与标度因数分区间补偿方法。
背景技术
近些年来，电力行业的快速发展，电压的等级也在不断的提高。所以，对电流监测系统和继电保护系统的要求也越来越高，研究更加可靠和灵敏的电流互感器成为了必然。随着电力系统的快速进步，传统的电磁式电流互感器越发不能满足当前行业的需求，其存在的磁饱和、铁磁谐振、绝缘难度大、有油易燃易爆等缺点愈加明显的暴露出来。在这种背景和需求下，研制一种安全、可靠、更加灵敏的电流互感器成为这个领域未来发展的必然趋势。利用光学传感技术来监测电流，即利用光电子学的方法和光纤传感技术的手段来实现的光学电流互感器正被广泛关注和研究。
光纤电流互感器中的测量元件(敏感光纤)对环境温度较为敏感，外界温度变化会产生光路非互易性误差，此外标度因数也受温度影响，光纤电流互感器的偏置随着温度和输入电流的变化而变化。针对光纤电流互感器温度效应和标度因数非线性引起光纤电流互感器的工作点不稳定性，且很难剥离单独进行建模和补偿，如果将两部分因素统一起来进行综合建模和补偿，可以避免相互之间的耦合影响。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供了一种补偿光纤电流互感器温度和标度因数误差的分区间建模方法，实现全温度范围下对温度和标度因数误差进行精确补偿。
本发明实施例是这样实现的，一种光纤电流互感器温度与标度因数分区间补偿方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，通过光纤电流互感器测试平台，获取互感器输出的原始数据和温度数据。
步骤二，为了减小测量噪声随机误差的影响，将各电流测量点的采样值进行平滑处理，即：
Figure GDA0002580406130000011
式中，Iij表示第i个电流测量点的采样值，其中j＝1,2,...,k，Ii表示第i个电流测量点的平均值，k表示样本平均次数。
步骤三，将标准电流互感器作为测量点的电流真值，由标度因数非线性引起的测量误差可表示为：
Figure GDA0002580406130000012
式中，
Figure GDA0002580406130000021
表示第i个电流测量点的电流真值，εki表示由标度因数非线性引起的第i个电流测量点误差。
在不考虑环境温度的影响，电流互感器的测量误差ε(Ii)与Ii的关系可通过3阶多项式拟合来表示：
Figure GDA0002580406130000022
步骤四，在不考虑标度因数非线性的影响，电流互感器的测量误差ε(Ti)与温度Ti的关系可通过温度和温度梯度表示的2阶多项式拟合进行量化：
ε(Ti)＝b0+b1Ti+b2Ti 2+b3dTi+b4dTi 2+b5Ti*dTi
式中，dTi表示温度梯度，即dTi＝(Ti-Ti-p)/(Δt*p)，Δt为采样周期，p为延迟采样点数。
步骤五，由于光纤电流互感器同时受到温度和输入电流值的作用，多项式系数a0,...,a3和b0,...,b5并不是常值，a0,...,a3与电流值有关，b0,...,b5与输入环境温度有关。因此，两个的综合影响可以量化为温度和电流值的二元函数：
εi＝f(Ti,Ii)
光纤电流互感器的温度和标度因数非线性综合补偿模型可表示为：
Figure GDA0002580406130000023
式中，矩阵C中的元素Cij即为综合补偿模型参数，其中i＝0,...,5,j＝0,...,3；
为了便于参数辨识，将上述模型转化为一维矩阵形式：
Figure GDA0002580406130000024
其中，ε＝[ε1,ε2,...,εn]T，
Figure GDA0002580406130000025
Figure GDA0002580406130000026
表示矩阵V的第i行向量，n表示样本总数；
步骤六，根据在温度作用下采集到的光纤电流互感器的电流测量数据及最小二乘方法可知：
Figure GDA0002580406130000031
其中，矩阵
Figure GDA0002580406130000032
和矩阵C中的元素满足
Figure GDA0002580406130000033
进而得到温度和标度因数补偿模型。
步骤七，为了实现在全温度和全电流范围内达到较高的补偿精度，尽可能降低补偿模型的阶次和计算量，保证良好的实时性，采用分区间建模的方法，在不同温度和电流测量范围区间采用不同的补偿系数。
步骤八，当光纤电流互感器输出电流值和环境温度为已知时，可利用下式进行补偿：
Figure GDA0002580406130000034
式中，
Figure GDA0002580406130000035
为补偿后的光纤电流互感器的输出电流值。
进一步，在步骤一中：光纤电流互感器将采集电流信号和传感光纤上温度传感器输出信号通过光串口实时向外发送，在变温环境下，分别输入-6000A、-1000A，1000A和6000A标准电流，通过测试平台采集光纤电流互感器的电流和温度数据。
进一步，在步骤三中：从cm+1,k到dm,k和cm,k，样点数减少一半，但无论分解多少层，数据的总点数是保持不变的，所以正交离散小波变换是非冗余的。利用这种方法求解小波系数的计算量低于直接数值积分的方法，并且在软件和硬件上易于实现，从而提高光纤电流互感器信号实时处理的效率。
进一步，在步骤七中：在不同温度和电流测量范围区间采用不同的补偿系数，具体区间分配如下：
表1补偿参数区间分配
Figure GDA0002580406130000036
其中，温度区间不是简单的根据温度值大小进行划分，而是根据温度和温度梯度的正负将整个温度范围划分为四个区。
本发明提供的光纤电流互感器温度与标度因数分区间补偿方法，通过在复杂的应用环境下，利用本发明中的温度和标度因数建模补偿方法，可以有效消除光纤电流互感器信号中由环境温度和标度因数引入的误差，提高了光纤电流互感器输出电流信号的测量精度和环境适应性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的光纤电流互感器温度与标度因数分区间补偿方法流程图；
图2是本发明实施例提供的光纤电流互感器误差建模流程示意图。

Claims (2)

1.一种光纤电流互感器温度与标度因数分区间补偿方法，其特征在于，该光纤电流互感器温度与标度因数分区间补偿方法包括以下步骤：
步骤一，通过光纤电流互感器测试平台，获取互感器输出的原始数据和温度数据；
步骤二，为了减小测量噪声随机误差的影响，将各电流测量点的采样值进行平滑处理，即：
Figure FDA0002580406120000011
式中，Iij表示第i个电流测量点的采样值，其中j＝1,2,...,k，Ii表示第i个电流测量点的平均值，k表示样本平均次数；
步骤三，将标准电流互感器作为测量点的电流真值，由标度因数非线性引起的测量误差可表示为：
Figure FDA0002580406120000012
式中，
Figure FDA0002580406120000013
表示第i个电流测量点的电流真值，εki表示由标度因数非线性引起的第i个电流测量点误差；
在不考虑环境温度的影响，电流互感器的测量误差ε(Ii)与Ii的关系可通过3阶多项式拟合来表示：
Figure FDA0002580406120000014
步骤四，在不考虑标度因数非线性的影响，电流互感器的测量误差ε(Ti)与温度Ti的关系可通过温度和温度梯度表示的2阶多项式拟合进行量化：
ε(Ti)＝b0+b1Ti+b2Ti 2+b3dTi+b4dTi 2+b5Ti*dTi
式中，dTi表示温度梯度，即dTi＝(Ti-Ti-p)/(Δt*p)，Δt为采样周期，p为延迟采样点数；
步骤五，由于光纤电流互感器同时受到温度和输入电流值的作用，多项式系数a0,...,a3和b0,...,b5并不是常值，a0,...,a3与电流值有关，b0,...,b5与输入环境温度有关，因此，两个的综合影响可以量化为温度和电流值的二元函数：
εi＝f(Ti,Ii)
光纤电流互感器的温度和标度因数非线性综合补偿模型可表示为：
Figure FDA0002580406120000021
式中，矩阵C中的元素Cij即为综合补偿模型参数，其中i＝0,...,5,j＝0,...,3；
为了便于参数辨识，将上述模型转化为一维矩阵形式：
Figure FDA0002580406120000022
其中，ε＝[ε1,ε2,...,εn]T，
Figure FDA0002580406120000023
Figure FDA0002580406120000024
表示矩阵V的第i行向量，n表示样本总数；
步骤六，根据在温度作用下采集到的光纤电流互感器的电流测量数据及最小二乘方法可知：
Figure FDA0002580406120000025
其中，矩阵
Figure FDA0002580406120000026
和矩阵C中的元素满足
Figure FDA0002580406120000027
进而得到温度和标度因数非线性综合补偿模型；
步骤七，为了实现在全温度和全电流范围内达到较高的补偿精度，尽可能降低补偿模型的阶次和计算量，保证良好的实时性，采用分区间建模的方法，在不同温度和电流测量范围区间采用不同的补偿系数，具体区间分配如下；
表1 补偿参数区间分配
Figure FDA0002580406120000031
其中，温度区间不是简单的根据温度值大小进行划分，而是根据温度和温度梯度的正负将整个温度范围划分为四个区；
步骤八，当光纤电流互感器输出电流值和环境温度为已知时，可利用下式进行补偿：
Figure FDA0002580406120000032
式中，
Figure FDA0002580406120000033
为补偿后的光纤电流互感器的输出电流值。
2.如权利要求1所述的光纤电流互感器温度与标度因数分区间补偿方法，其特征在于，在步骤一中：光纤电流互感器将采集电流信号和传感光纤上温度传感器输出信号通过光串口实时向外发送，在变温环境下，分别输入-6000A、-1000A，1000A和6000A标准电流，通过测试平台采集光纤电流互感器的电流和温度数据。
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