CN109387803A

CN109387803A - 提高小电流测量精度的电流互感器信号处理系统及方法

Info

Publication number: CN109387803A
Application number: CN201811179200.2A
Authority: CN
Inventors: 王玮; 张圣鹏; 张鹏; 贾明娜
Original assignee: Shandong University of Technology
Current assignee: Shandong University of Technology
Priority date: 2018-10-10
Filing date: 2018-10-10
Publication date: 2019-02-26
Anticipated expiration: 2038-10-10
Also published as: CN109387803B

Abstract

提高小电流测量精度的电流互感器信号处理系统及方法，属于电气工程测量领域。包括由光纤连接的高压侧和低压侧，其特征在于：电流互感器、放大执行模块、待测信号驱动模块依次连接，待测信号驱动模块通过光纤连接低压侧；低压侧的待测信号光电转换模块、低压侧微处理模块、放大指令生成模块、放大信号驱动模块依次连接，放大信号驱动模块通过光纤连接高压侧的放大信号光电转换模块，放大信号光电转换模块连接放大执行模块。在本提高小电流测量精度的电流互感器信号处理系统及方法中，对母线电流信号的信噪比进行判断，并根据母线电流信号的信噪比对母线电流信号进行放大，提高了母线电流的测量精度。

Description

提高小电流测量精度的电流互感器信号处理系统及方法

技术领域

提高小电流测量精度的电流互感器信号处理系统及方法，属于电气工程测量领域。

背景技术

在现有技术中，电流互感器在应用过程中主要起到测量和保护的作用，其中保护用电流互感器目前多使用空心线圈作为高压侧的传感器件，测量用电流互感器多使用低功率电流互感器（Low Power Current Transformer，简称为LPCT）作为高压侧的传感器件，由于LPCT具有十分宽广的线性度范围，如目前的LPCT在稳态下、20倍额定电流范围内，其比值误差和相位误差均已能够达到0.2级要求，因此LPCT完全可以担负起计量和保护的双重功能，鉴于该原因，并考虑到成本因素，目前市面上的电子式电流互感器产品在高压侧传感头的选择上，很多企业使用了单个LPCT的方案。

而在高压侧的信号转换器方面，目前主要有光强调制式、压频（V/F）转换式和模数（A/D）转换式，其中压频转换和模数转换所能传输的频带均受限，而对于保护测量一体化来说，使用光强调制式作为高压侧信号转换方案，无需在高压侧进行A/D采样，可直接将代表母线电流的模拟电压信号驱动LED发光，用连续的LED发光强度表示母线电流信号，目前LED的频带可以达到100MHz，因此这种方式可以轻松实现5MHz频带宽度的信号传送，这对行波保护是非常有利的。由此可见，利用一个LPCT同时作为测量和保护器件，并利用光强调制方式实现信号的传输，使用这种方式进行电子式电流互感器的设计，在成本和传输频带上比目前市面产品具有明显优势。

然而，利用单个LPCT并使用光强调制方式的存在以下不足：LPCT利用取样电阻输出的反映母线电流的电压信号其范围是受到高压侧电路电源电压限制的，例如，若高压侧电路使用+5V电源，那么对5P20精度的测量保护一体化电流互感器来说，当额定电流为300A时，针对保护倍数为20而言，则意味着0~6000A范围的电流信号要对应于该0~5V范围的电压信号进行反映，若设计电路用5V峰峰值（V _pp）的动态范围电压来表示6000A的电流，那么对于300A的额定电流来说需要使用250mV动态范围的电压来表示，而15A电流（5%的额定电流）就要使用12.5mV的动态范围来表示，如此小的电压动态范围所表示的信号的信噪比很低，进而会影响其测量精度。又如，若用该LPCT进行0.2S级测量用电流互感器设计，若额定电流为300A，则0~360A（120%倍的额定电流）的电流均要通过0~5V的电压动态范围表示出来，且0.2S级互感器要求在额定电流1%~5%的电流的测量精度均要达到0.75%，若设计电路使用5V的动态范围表示360A的电流，则1%额定电流需要使用41.7mV的动态电压范围表示，此时的测量精度也是无法保证的。由此可见，无论是使用一个LPCT进行保护测量一体化的电流互感器设计，还是仅实现S级测量用电流互感器的设计，在保证大测量范围的前提下，对低端小电流的测量精度是一个难以兼顾解决的问题。

一般来说，电流互感器在运行时，由于故障发生的概率极小，因此其绝大部分时间处于测量的使用状态，即互感器所测电流绝大多数时间是处于200A~300A范围内的，因此对该范围的测量精度要求很高，但表示该范围电流的电压动态范围又较小，再加上光强调制方式将该电压信号以模拟光信号的形式送入光纤时，光/电转换环节会进一步使信号的信噪比降低，从而最终影响小电流的测量精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种提高小电流测量精度的电流互感器信号处理系统及方法，首先对母线电流信号的信噪比进行判断，并根据母线电流信号的信噪比对母线电流信号进行放大，提高了母线电流的测量精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该提高小电流测量精度的电流互感器信号处理系统，包括由光纤连接的高压侧和低压侧，电流互感器连接在高压侧，通过光纤将电流互感器输出的信号由高压侧传送至低压侧，其特征在于：在所述的高压侧中设置有放大执行模块，电流互感器的输出端连接放大执行模块的输入端，放大执行模块连接待测信号驱动模块的输入端，待测信号驱动模块驱动其内的第一发光二极管发出光信号，光信号通过第一光纤将光信号传送至低压侧；

在所述的低压侧中，待测信号光电转换模块将接收到第一光纤发送的光信号转换为电信号并将电信号传送至低压侧微处理模块，低压侧微处理模块的输出端连接放大指令生成模块并驱动其发出放大指令，放大信号生成模块的输出端将放大指令发送至放大信号驱动模块，放大信号驱动模块驱动其内的第二发光二极管发出光信号，光信号通过第二光纤将光信号传送至高压侧，高压侧的放大信号光电转换模块将转换得到的放大指令反馈至放大执行模块的控制信号输入端。

优选的，在所述的放大执行模块与待测信号驱动模块之间设置有信号调理模块，信号调理模块生成参考信号并将参考信号与放大执行模块的输出信号混合。

优选的，所述的信号调理模块包括用于生成参考信号的参考电压生成模块，以及将参考信号与放大执行模块输出的信号进行混合的信号混合模块。

优选的，在所述的放大信号光电转换模块的输出端设置有将放大指令进行放大的放大器。

优选的，在放大执行模块与所述的放大器之间还设置有放大指令识别模块，放大指令识别模块向放大执行模块发送放大控制信号。

优选的，所述的放大指令识别模块为高压侧微处理模块，或采用比较器。

一种利用提高小电流测量精度的电流互感器信号处理系统实现的处理方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤a，根据信噪比区间划分流程，将电流互感器的输出信号划分为多个信噪比区间；

步骤b，电流互感器输出与母线电流对应的输出信号；

步骤c，放大执行模块根据放大信号对电流互感器的输出信号进行放大，并将放大执行模块的输出信号接入待测信号驱动模块生成光信号，光信号经过第一光纤传送至低压侧；

步骤d，低压侧的待测信号光电转换模块接收第一光纤传输的光信号，并将该光信号转换为电信号，然后将转换得到的电信号发送至低压侧微处理模块中；

步骤e，低压侧微处理模块对待测信号光电转换模块送入的电信号进行处理，得到该电信号所反映的母线电流信号，并对母线电流信号进行信噪比判断；

步骤f，如果当前母线电流信号包含低信噪比信号，则执行步骤g~步骤h，如果当前母线电流信号不包含低信噪比信号，则执行步骤i~步骤k；

步骤g，低压侧微处理模块根据母线电流信号的信噪比程度向放大信号生成模块发出控制信号，放大信号发生模块根据低压侧控制模块送入的控制信号发出相对应的放大信号，放大信号送至放大信号驱动模块，并由放大信号驱动模块发出对应放大信号的光信号，并通过第二光纤将光信号发送至高压侧；

步骤h，高压侧的放大信号光电转换模块接收第二光纤传输的光信号，将光信号转换为放大信号，然后将放大信号发送至放大执行模块，并返回步骤c；

步骤i，由低压侧微处理模块计算得到实际的母线电流的大小，并将母线电流信号发送至后续的二次设备；

步骤j，低压侧微处理器模块判断此时接收到的信号的信噪比区段与当前放大信号指令所对应的放大倍数是否匹配，如果匹配，执行步骤e，如果不匹配，执行步骤k；

步骤k，低压侧微处理器生成新的放大指令信号，新生成的放大指令信号所对应的放大倍数小于当前放大指令信号的放大倍数，并返回步骤c。

优选的，在所述的步骤a中，信噪比区间划分流程为：预先根据电流互感器的额定电流参数将电流互感器测量的母线电流分为若干区段，当电流互感器的当前母线电流大小为额定电流的5%以下时，定义为低信噪比区段；当电流互感器的当前母线电流大小为额定电流的5%~20%时，定义为中信噪比区段；当电流互感器的当前母线电流大小为额定电流的20%以上时，定义为高信噪比区段。

优选的，在所述的步骤g中，所述放大信号的大小根据母线电流的信噪比程度的增大而对应减小。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、在本提高小电流测量精度的电流互感器信号处理系统及方法中，对母线电流信号的信噪比进行判断，并根据母线电流信号的信噪比对母线电流信号进行放大，提高了母线电流的测量精度。

2、对使用单个LPCT实现保护测量一体化的电子式电流互感器、对单LPCT实现S级测量精度的测量用电子式电流互感器，可以在保证大测量范围的前提下，通过对小电流信号在一次侧进行放大以提高其信噪比，从而提高了对小电流的测量精度。

3、利用两根光纤实现了对高压侧、低压侧电路的闭环控制，且控制策略简单、可靠，实时性高。

4、低压侧微处理模块只提取待测电流稳定于某一电流区间时、信噪比调整完成后的信号进行计算，因此可以保证测量精度。

5、根据母线电流区间的划分数量，由低压侧生成对应数量的控制信号，通过反馈光纤将该信号传至高压侧后，生成控制放大执行模块的对应数量的放大信号，达到将各种母线电流信号均变为高信噪比信号的目的。

附图说明

图1为提高小电流测量精度的电流互感器信号处理系统原理方框图。

图2为提高小电流测量精度的电流互感器信号处理方法流程图。

具体实施方式

图1~2是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~2对本发明做进一步说明。

如图1所示，提高小电流测量精度的电流互感器信号处理系统，包括高压侧以及低压侧，高压侧与低压侧之间由光纤连接。高压侧包括LPCT、放大执行模块、信号调理模块、待测信号驱动模块、高压侧微处理模块以及放大信号光电转换模块。低压侧包括待测信号光电转换模块、低压侧微处理模块、放大信号生成模块以及放大信号驱动模块。

LPCT输出的电压信号接入放大执行模块的输入端，放大执行模块的输出端连接信号调理模块的输入端，信号调理模块的输出端连接待测信号驱动模块的输入端，待测信号驱动模块内通过线性发光驱动电路驱动发光二极管（记为第一发光二极管）发光，将待测信号通过一条光纤（记为第一光纤）传送至低压侧。

光信号经光纤传送至低压侧之后接入待测信号光电转换模块，在待测信号光电转换模块中设置有光电二极管（记为第一光电二极管），通过第一光电二极管将光信号转换为电信号并接入低压侧微处理模块的输入端。低压侧微处理模块的输出端连接放大信号生成模块的输入端，放大信号生成模块的输出端连接放大信号驱动模块的输入端。低压侧微处理模块的输出端同时连接二次设备。

放大信号驱动模块通过恒流源电路驱动发光二极管（记为第二发光二极管）发光，将放大信号通过一条光纤（记为第二光纤）传送至高压侧。在放大信号光电转换模块中设置有光电二极管（记为第二光电二极管），通过第二光电二极管将对应于放大信号的光信号转换为电信号并接入高压侧微处理模块的输入端，高压侧微处理模块的输出端连接放大执行模块的控制信号输入端。

上述线性发光驱动电路的具体实施方式记载在本申请人在2016年8月17日申请的，申请号为201610678235.5，专利名称为一种光信号线性传输系统及有源电子式电流互感器的专利文件中，线性发光驱动电路的具体实施方式与该文件中记载的“光信号线性传输系统”相同，在此不再赘述。

如图2所示，提高小电流测量精度的电流互感器信号处理方法，包括如下步骤：

步骤1001，LPCT输出端输出母线信号；

LPCT的输出端输出电压信号，该电压信号与母线上的电流信号相对应，同时该电压信号为待传输的信号，记为待测信号U ₁。

步骤1002，放大执行模块根据放大信号对待测信号进行放大；

放大执行模块根据接收到的放大信号对待测信号U ₁进行放大，如果接收到放大信号，根据放大信号对待测信号U ₁进行相应倍数的放大，如果未接收到放大信号，则不对待测信号U ₁进行放大，将放大执行模块输出端的信号记为电压信号U ₂，若放大执行模块未对待测信号U ₁进行放大，则待测信号U ₁与电压信号U ₂相同。

步骤1003，信号调理模块对母线信号进行信号叠加；

信号调理模块包括参考电压生成模块以及信号混合模块，参考电压生成模块输出的参考电压U _DC与放大执行模块输出的电压信号U ₂一起接入信号混合模块的输入端，信号混合模块将两个信号进行混合后输出混合信号U ₃。参考信号生成模块可通过基准电压芯片实现；信号混合模块可通过集成运算放大器实现。

步骤1004，待测信号驱动模块驱动发出光信号；

信号调理模块输出的混合信号U ₃送入待测信号驱动模块中，并将混合信号U ₃作为驱动电源，通过待测信号驱动模块驱动相应的发光二极管（第一发光二极管）发光。在待测信号驱动模块中设置有限流电阻，混合信号U ₃与限流电阻组成驱动第一发光二极管发光的线性发光驱动电路。第一发光二极管发出的光通过光纤（第一光纤）发送至低压侧。

步骤1005，待测信号光电转换模块进行光电转换；

待测信号光电转换模块接收第一光纤传输的光信号，在待测信号光电转换模块中设置有第一光电二极管，由第一光电二极管将光纤送入的光信号转换为代表混合信号U ₃的电信号，记为混合信号U ₃’。

在此需要特别强调的是，混合信号U ₃在经过光纤传输至二次侧的过程中会因各种原因而发生衰减，因此混合信号U ₃’并不能等同于混合信号U ₃，而是混合信号U ₃的衰减信号。

步骤1006，对电压信号进行信噪比判断；

待测信号光电转换模块将转换得到的混合信号U ₃’送入低压侧微处理模块，首先由低压微处理模块对混合信号U ₃’进行信号分离，通过信号分离将混合信号U ₃’分离为U _DC’和电压信号U ₂’，由于参考电压信号U _DC为已知信号，所以通过测量参考电压信号U _DC和电压信号U _DC’的衰减程度即可对应得到电压信号U ₂在传输过程中的衰减程度，因此可以计算得到待传输电气信号U ₁，进而计算得到母线电流的大小。信号分离的方案可以通过微处理器对电压信号进行采样，然后利用FFT算法对各种频率分量的信号进行计算得到。

低压侧微处理模块在得到母线电流的大小之后，对母线电流的信噪比进行判断，具体判定依据如下：

预先根据LPCT的额定电流参数将LPCT测量的母线电流分为若干区段，当LPCT测得的当前母线电流大小为额定电流的5%以下时，定义为低信噪比区段；当LPCT测得的当前母线电流大小为额定电流的5%~20%时，定义为中信噪比区段；当LPCT测得的当前母线电流大小为额定电流的20%以上时，定义为高信噪比区段，如果当前母线电流大小处于高信噪比区段，可认为当前母线电流精度可以满足要求。

步骤1007，信号是否包含低信噪比信号；

低压侧微处理模块判断此时母线的电流信号是否包含低信噪比信号，如果包含低信噪比信号，则顺序执行步骤1008~步骤1009，如果不包含低信噪比性信号，顺序执行步骤1010~步骤1012。

步骤1008，形成放大指令信号并传递至高压侧；

低压侧微处理模块根据母线电流信号的信噪比程度向放大信号生成模块发出控制信号，放大信号生成模块根据低压侧微处理模块送入的控制信号发出相对应的信号放大指令，放大指令信号以直流电压信号的形式体现，代表放大指令信号的直流电压的大小根据母线电流的信噪比程度的不同而不同，优选该电压信号的根据母线电流信噪比程度的增大（或减小）而对应减小（或增大）。

放大信号生成模块将输出的放大指令信号送至放大信号驱动模块，放大信号驱动模块以放大指令信号作为驱动电源，通过放大信号驱动模块驱动相应的发光二极管（第二发光二极管）发光。在放大信号驱动模块中设置有限流电阻，放大指令信号与限流电阻组成驱动第二发光二极管发光的恒流源电路。第二发光二极管发出的光通过光纤（第二光纤）发送至高压侧。

步骤1009，在高压侧形成放大信号；

放大信号光电转换模块接收第二光纤传输的放大指令信号，在放大信号光电转换模块中设置有第二光电二极管，由第二光电二极管将光纤送入的放大指令信号转换为代表放大指令信号的电信号，并将该电信号传送至高压侧微处理模块，高压侧微处理模块接收到放大指令信号之后，根据其接收到的放大指令信号的大小向放大执行模块发出不同的控制信号，并返回执行步骤1002，放大执行模块根据高压侧微处理模块的控制信号对待测信号U ₁进行放大。高压侧微处理模块和低压侧微处理模块可通过常规的单片机实现，高压侧微处理模块还可以通过比较器实现。

为便于理解，对步骤1008~1009进行举例说明，低压侧微处理模块根据母线电流信号信噪比，根据母线电流信号属于低信噪比区段、中信噪比区段还是高信噪比区段分别向放大信号生成模块发出不同的控制信号，放大信号生成模块根据控制信号输出2V、1V、0V直流信号，相应的直流信号驱动放大信号驱动模块中的第二发光二极管发光，并通过第二光纤传送至高压侧，并在高压侧的放大信号光电转换模块中将光信号对应转换为电信号，并将该放大指令信号发送至高压侧微处理模块。

再次需要特别指出的是，虽然放大指令信号以光信号的形式通过第二光纤由低压侧传送至高压侧的过程中会发生衰减，即在放大信号光电转换模块中转换得到的放大指令信号同样为衰减后的信号，但是放大指令信号只是起到对母线电流信号信噪比的标记作用，以便作为高压侧微处理模块的参考，其实际电压值并不作为计算用，因此高压侧微处理模块只需要根据预先设定的衰减程度大致判断出放大指令信号所处的区段（0V、1V或2V）即可，如原始的0V、1V或2V信号分别分别衰减为0V、0.8V以及1.6V，高压侧微处理模块仍可根据其确定的电压值判断出放大指令信号原始的数值，因此不会对高压侧微处理模块向放大执行模块发出控制信号的正确性造成影响。

在放大信号光电转换模块中还可以设置放大器，将光信号转换得到的电信号（放大指令信号）进行进一步放大，如将0V、0.8V以及1.6V放大两倍变为0V，1.6V以及3.2V，因此提高了各个放大指令信号之间的电压数值间隔，更有利于高压侧微处理模块对放大指令信号进行判断。

在高压侧微处理模块的输出端与放大执行模块之间可设置数字电位器，放大执行模块可通过常规的放大电路实现，高压侧微处理器根据放大指令信号的不同向数字电位器发送不同的控制信号，使得数字电位器的阻值发生变化，数字电位器的阻值作为控制放大电路放大倍数的电阻接入放大执行模块中，从而实现了对放大执行模块放大倍数的控制。

步骤1010，得到母线信号并传输至二次设备。

此时低压侧接收到的反应母线电流信号的电压信号均为信噪比满足要求的高信噪比信号，低压侧微处理模块将接收到信号传输至二次设备。在传输至二次设备之前需要按照如下步骤将电压信号还原为母线电流信号：

低压侧微处理模块将混合信号U ₃’分离为U _DC’和电压信号U ₂’，然后低压侧微处理模块根据其放大情况将电压信号U ₂’进行相应倍数的缩小，变为电压信号U ₂’’，电压信号U _DC’和电压信号U ₂’’分别为经过传输后参考电压信号U _DC和电压信号U ₂的衰减信号，由于参考电压信号U _DC为已知信号，所以通过测量参考电压信号U _DC和电压信号U _DC’的衰减程度即可对应得到电压信号U ₂在传输过程中的衰减程度，因此可以计算得到待传输电气信号U ₁，进而计算得到母线电流的大小，然后低压侧微处理模块将最终计算得到的母线电流信号发送至后续的二次设备。

步骤1011，放大倍数与信噪比是否匹配；

低压侧微处理器模块判断此时接收到的信号的信噪比区段与当前放大信号指令所对应的放大倍数是否匹配，如果匹配，执行步骤1006，如果不匹配，执行步骤1012。

由上述可知，在执行本步骤时，低压侧接收到的反应母线电流信号的电压信号均为信噪比满足要求的高信噪比信号，但是在信号传输过程中，会出现信号本身的信噪比已经满足信噪比要求的情况，此时如果继续按照当前的放大倍数对该信号进行处理，则会出现低压侧接收到更高信噪比信号的情况，在该情况下，易造成低压侧信号的饱和，因此需要根据当前信号的信噪比情况对信号进行必要的缩小。

步骤1012，生成放大倍数小于当前放大倍数的放大指令；

低压侧微处理器生成新的放大指令信号，新生成的放大指令信号所对应的放大倍数小于当前放大指令信号的放大倍数，即对当前信号进行相应缩小，并返回步骤1002。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.提高小电流测量精度的电流互感器信号处理系统，包括由光纤连接的高压侧和低压侧，电流互感器连接在高压侧，通过光纤将电流互感器输出的信号由高压侧传送至低压侧，其特征在于：在所述的高压侧中设置有放大执行模块，电流互感器的输出端连接放大执行模块的输入端，放大执行模块连接待测信号驱动模块的输入端，待测信号驱动模块驱动其内的第一发光二极管发出光信号，光信号通过第一光纤将光信号传送至低压侧；

2.根据权利要求1所述的提高小电流测量精度的电流互感器信号处理系统，其特征在于：在所述的放大执行模块与待测信号驱动模块之间设置有信号调理模块，信号调理模块生成参考信号并将参考信号与放大执行模块的输出信号混合。

3.根据权利要求2所述的提高小电流测量精度的电流互感器信号处理系统，其特征在于：所述的信号调理模块包括用于生成参考信号的参考电压生成模块，以及将参考信号与放大执行模块输出的信号进行混合的信号混合模块。

4.根据权利要求1所述的提高小电流测量精度的电流互感器信号处理系统，其特征在于：在所述的放大信号光电转换模块的输出端设置有将放大指令进行放大的放大器。

5.根据权利要求4所述的提高小电流测量精度的电流互感器信号处理系统，其特征在于：在放大执行模块与所述的放大器之间还设置有放大指令识别模块，放大指令识别模块向放大执行模块发送放大控制信号。

6.根据权利要求5所述的提高小电流测量精度的电流互感器信号处理系统，其特征在于：所述的放大指令识别模块为高压侧微处理模块，或采用比较器。

7.利用权利要求1~6任一项所述的提高小电流测量精度的电流互感器信号处理系统实现的处理方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤b，电流互感器输出与母线电流对应的输出信号；

8.根据权利要求7所述的处理方法，其特征在于：在所述的步骤a中，信噪比区间划分流程为：预先根据电流互感器的额定电流参数将电流互感器测量的母线电流分为若干区段，当电流互感器的当前母线电流大小为额定电流的5%以下时，定义为低信噪比区段；当电流互感器的当前母线电流大小为额定电流的5%~20%时，定义为中信噪比区段；当电流互感器的当前母线电流大小为额定电流的20%以上时，定义为高信噪比区段。

9.根据权利要求7所述的处理方法，其特征在于：在所述的步骤g中，所述放大信号的大小根据母线电流的信噪比程度的增大而对应减小。