CN110133564A - 一种电流传感器相位特性的同步测试方法及装置 - Google Patents

一种电流传感器相位特性的同步测试方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种电流传感器相位特性的同步测试方法及装置，该测试方法包括用基波和谐波成分叠加的电流信号作为电流互感器的激励，对激励和响应信号做加窗离散傅里叶变换，对激励与响应信号的离散峰值谱线的相位做频谱泄漏对消处理，根据激励与响应信号的相频特性计算电流互感器的相位延迟。该装置包括激励源、多通道同步数据采集模块、信号调理模块、ADC模块和计算机。本发明采用矩形窗函数与汉宁窗函数进行卷积，再与三角窗函数卷积得到综合卷积序列，能够抑制噪声干扰，抑制其他频率成分的泄漏干扰和减少对相邻成分的泄漏量；在激励和响应的相位差计算时，利用次大峰值谱线的相位信息，通过频谱泄漏对消处理计算，实现高精度的激励和响应相位差计算。

Description

一种电流传感器相位特性的同步测试方法及装置
技术领域
本发明涉及一种电流传感器相位特性的同步测试方法及装置，属电流传感器技术领域。
背景技术
随着我国工业和电力系统的飞速发展,用电负荷的要求不断增加,全国各地对电网的发展越来越重视。继电保护的安全可靠性,电能计量的精确性成为电力系统关注的重点问题。目前对于测量和计量系统的算法研究已经比较成熟,依靠算法提高精度已很难再有明显突破,而导致精度问题的主要因素是电源一次系统和电磁式电流互感器制造工艺及二次负载阻抗引起的误差。其中,最主要的检测误差是由电磁式电流互感器在饱和工作状态下非线性特性所引入的。影响电磁式电流互感器传变特性的其中一大因素是电磁式电流互感器一次系统中的直流谐波分量因素。
电流传感器是把被测电流转换成与之有确定比例关系的、便于测量的电流的测量装置，可以实现高达数千安培的电流检测，在具备功率分析、电能检测等功能的仪器中应用广泛。在功率测量仪器仪表中，电流传感器的精度会直接影响功率测量以及故障诊断的可靠性，所以要求电流传感器的被测信号和输出信号之间的相位延迟越小越好。虽然目前一些高精度的电流传感器的响应时间已经能够做到微秒级别，但是测量高频信号时微秒级的响应时间所产生的角差对功率测量的结果仍会造成不可忽略的误差，甚至会导致错误的故障诊断结果。实际应用中，为了解决电流传感器引入相位误差的问题，一般是通过软件相位校准来实现相位补偿。
DFT的传统方法中，存在主瓣宽度过大导致时间分辨率不足的问题，或者存在旁瓣衰减较慢，导致频谱泄露较大的问题，而且提高时间分辨率的代价往往是增加较大的计算量，同时对信号的动态分析能力不足。
相频特性的电流传感器相位校准系统的传统方法中，需要根据RC网络数学模型，将采集到的电流传感器的被测信号和输出信号的采样数据代入数学模型，得到超定方程组，然后采用最小二乘法求解上述超定方程组，得到最优解[an,bn]，最后得到待校准电流传感器在Z域上的传递函数。该方法存在计算量很大的问题。
发明内容
本发明的目的是，为了解决电流传感器的响应时间导致相位测量误差，从而直接对功率测量精度产生较大影响的难题，同时也为电流互感器相位特性的同步测试提供了解决思路，本发明提供一种电流传感器相位特性的同步测试方法及装置。
本发明实现的技术方案如下，一种电流传感器相位特性的同步测试方法，所述方法包括用基波和谐波成分叠加的电流信号作为电流互感器的激励，对激励和响应信号做加窗离散傅里叶变换，对激励与响应信号的离散峰值谱线的相位做频谱泄漏对消处理，根据激励与响应信号的相频特性计算电流互感器的相位延迟。
一种电流传感器相位特性的同步测试方法，包括以下步骤：
(a)采用基波和谐波成分叠加的电流信号作为电流互感器的激励x(t)，将激励接入电流互感器的输入端，同时将原边电流侧的激励接入相应的调理电路，然后利用ADC模块的一个通道以一定采样频率采集一次侧大电流信号经过调理电路转化后的小电压信号x(n)；离散电压序列x(n)长度为N点，n＝0，1，2，…，N-1；
(b)对电流传感器的输出端信号y(t)进行采集，利用ADC模块的另一通道以相同采样频率同步采集电流互感器输出的小电压信号，经过相应调理电路后得到的信号y(n)，y(n)长度为N点，n＝0，1，2，…，N-1；将所采集的输出端信号作为电流传感器的响应；
(c)将长度均为N/4的矩形窗函数与汉宁窗函数进行卷积，并在卷积结果的末尾补零，得到长度为N/2的序列；再将此序列与长度为N/2的三角窗函数卷积，并在卷积结果的末尾补零，得到数据长度为N的综合卷积序列w(n)；
(d)利用w(n)对离散化激励信号x(n)和响应信号y(n)分别加权，得到加权后的激励信号xw(n)和响应信号yw(n)；
(e)对加权后的激励信号xw(n)和响应信号yw(n)进行离散傅里叶变换，得到激励频谱函数X(n)和响应频谱函数Y(n)；
(f)搜索激励频谱函数X(n)和响应频谱函数Y(n)的峰值谱线，得到激励频谱函数X(n)的幅度最大谱线的相位PX1和次大谱线的相位PX2、响应频谱函数Y(n)的幅度最大谱线的相位PY1和次大谱线的相位PY2，采用频谱泄漏对消处理得到激励和响应频谱的峰值谱线相位差PXY。
所述基波和谐波成分叠加的电流信号是仅包含基波的电流信号，或是同时包含基波和谐波的电流信号，其中谐波成分的频率为基波的整数倍。
所述数据长度N是指提取的离散化激励与响应信号数据点数，为便于实现傅里叶变换，N设置为2的整数次幂，若N不为2的整数次幂，则通过在数据点末尾补零使提取的离散化激励与响应信号数据点数为2的整数次幂。
所述激励信号x(t)和响应信号y(t)的时域表达式为：
式中，H为信号中含有的最高次谐波；m为谐波次数；Axm、Aym分别为电压和电流的第m次谐波幅值；t为时间；fm为第m次谐波频率；为第m次谐波的电压相位，为第m次谐波的电流相位，当m＝1时表示的是信号基波。
所述离散化激励信号x(n)和响应信号y(n)为：
式中，n＝0，1，2，…，N-1；x(n)为一次侧大电流信号经过调理电路转化后的小电压信号；y(n)为电流互感器输出小电压信号经过相应调理电路后得到的信号；fs为采样频率。
所述激励和响应频谱的峰值谱线相位差计算公式为：
一种实现本发明电流传感器相位特性的同步测试方法的装置，包括用于产生周期性电流信号的激励源，用于采集电流传感器的激励和响应信号的多通道同步数据采集模块ADC，用于将激励与响应信号的幅值变换至ADC输入范围内的信号调理电路，用于进行电流传感器激励与响应相位差计算的计算模块；其中激励源输出的周期性电压信号与电流传感器的输入端相连，多通道同步数据采集模块的两个输入通道通过信号调理电路分别与电流传感器的输入端和输出端相连，多通道同步数据采集模块与计算模块相连。
所述的激励源使用三相精密功率源，所述三相精密功率源对一个电流传感器进行测试时，使用A、B、C三相电压通道中的任一输出通道；对2个电流传感器进行测试时，使用A、B、C三相电压通道中的任意2个输出通道；所述三相精密功率源产生的周期信号仅包含基波的电流信号，或是同时包含基波和谐波的电流信号。
所述多通道同步数据采集模块，通过信号调理电路分别与电流传感器的输入端和输出端相连，实现电流传感器的激励和响应信号的采集，实现对电流传感器的输入和输出通道进行高速、同步数据采集。
本发明的有益效果是，本发明采用矩形窗函数与汉宁窗函数进行卷积，再将此序列与三角窗函数卷积得到的长度为N的综合卷积序列w(n)，能够抑制噪声干扰，抑制其他频率成分的泄漏干扰和减少对相邻成分的泄漏量；在激励和响应的相位差计算时，除了用传统的峰值谱线相位信息，还利用了次大峰值谱线的相位信息，通过第1部分第g步中的频谱泄漏对消处理计算，实现了高精度的激励和响应相位差计算。本方法计算过程简单，计算结果准确有效，具有很好的相位校正能力，为电流互感器相位特性的同步测试提供了一条有效的途径。
附图说明
图1为本发明中一种电流传感器相位特性的同步测试方法流程图；
图2为本发明测试装置中信号调理模块的激励调理电路图；
图3为本发明测试装置中信号调理模块的响应调理电路图；
图4为本发明测试装置中的计算模块与ADC模块的连接示意图；
图5为本实施例电流传感器相位特性量同步测试的综合卷积序列w(n)波形。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如图1所示。
本实施例一种电流传感器相位特性的同步测试装置，包括激励源、多通道同步数据采集模块(ADC模块)、信号调理模块和计算模块。激励源输出端与电流传感器的输入端相连；多通道同步数据采集模块的两个输入通道通过信号调理电路分别与电流传感器的输入端和输出端相连；多通道同步数据采集模块与计算模块相连。
如图1所示，本实施例使用三相精密功率源Fluke 6100A，通过Fluke 6100A的操作界面设置激励信号的幅值、频率和初相角，产生A相含三次谐波与五次谐波的20A电流信号，基波频率f0为50Hz，100Hz，1000Hz，2000Hz，基波，三次谐波，五次谐波的初相角皆为60°。
多通道同步数据采集模块ADC采用DAQ-USB 6002采集卡进行信号采样，采样频率设置为64k Hz，选择DAQ-USB 6002的两个输入通道，通过信号调理电路分别与电流传感器的原边电流测和输出端相连；信号调理电路包括激励调理电路与响应调理电路；激励调理电路的输入端连接激励源的输出端及电流传感器的原边，激励调理电路的输出端连接ADC；响应调理电路的输入端连接电流传感器的副边，响应调理电路的输出端连接ADC。
激励调理电路与响应调理电路的原理图分别如图2和图3所示，两种输入信号的大小均符合NI DAQ-USB 6002信号采集模块的采样要求，调理电路的校正系数皆已知，响应信号y(n)与激励信号x(n)的线性关系为y(n)＝x(n)*325.1-0.287，接着利用NI DAQ-USB6002采集激励信号与响应信号，最后利用计算模块上的Matlab软件中实现的相位特性同步测试方法对激励信号与响应信号的相位差进行分析。
此外还将此算法进行C语言编程实现，然后嵌入到计算模块，如DSP芯片TMS320VC5502中，测试算法的嵌入性能，DSP与ADC的连接如图4所示，调理后的激励信号和调理后的响应信号分别通过端口VIN1和VIN2接入ADC模块芯片。
本实施例一种电流传感器相位特性的同步测试方法步骤如下：
第一步，设采样频率为fs，对时域连续激励信号x(t)和响应信号y(t)进行采样，激励信号x(t)和响应信号y(t)的时域表达式为：
式中，H为信号中含有的最高次谐波；m为谐波次数；Axm、Ami分别为电压和电流的第m次谐波幅值；t为时间；fm为第m次谐波频率；为第m次谐波的相位；特别的，当m＝1时表示的是信号基波。
为验证所述电流传感器相位特性同步检测方法，本实施例中，电压信号时长设置为10s，基波频率f0Hz，基波幅值为20A，基波初相位为60°；3次谐波频率为3f0Hz，谐波幅值为3A，初相位为60°，5次谐波频率为5f0Hz，谐波幅值为1A，初相位为60°；根据采样定理，采样频率设置为2000Hz。
对电压和电流信号进行离散采样，得到信号长度N＝256的电压和电流离散采样序列：
式中，n＝0，1，2，…，N-1，x(n)为一次侧大电流信号经过调理电路转化后的小电压信号，y(n)为电流互感器输出小电压信号经过相应调理电路后得到的信号。
第二步，利用综合卷积序列w(n)对x(n)和y(n)进行加权处理得到xw(n)和yw(n)。
综合卷积序列为将长度均为N/4的矩形窗函数与汉宁窗函数进行卷积，并在卷积结果的末尾补零，得到长度为N/2的序列，再将此序列与长度为N/2的三角窗函数卷积，并在卷积结果的末尾补零，得到长度为N的序列。
式中，wr(n1)为长度N/4的矩形窗函数，n1＝0，1，2，…，N/4-1；wh(n1)为长度N/4的汉宁窗函数，n1＝0，1，2，…，N/4-1；wt(n1)为长度N/4的三角窗函数，n1＝0，1，2，…，N/2-1；表示卷积运算。
综合卷积序列w(n)如图5所示。
xw(n)＝x(n)w(n) (6)
yw(n)＝y(n)w(n) (7)
第三步，对x(n)和y(n)进行离散傅里叶变换，其公式为：
第四步，搜索激励频谱函数X(k)和响应频谱函数Y(k)的峰值谱线，得到激励频谱函数X(n)的幅度最大谱线的相位PX1和次大谱线的相位PX2、响应频谱函数Y(n)的幅度最大谱线的相位PY1和次大谱线的相位PY2，采用频谱泄漏对消处理得到激励和响应频谱的峰值谱线相位差PXY，具体计算公式为：
第五步，利用PXY校正测量相位，其中基波的相位校正结果如下表所示。
本实施例解决了电流传感器的响应时间导致相位测量有误差，从而直接对功率测量精度产生较大影响的难题，同时也为电流互感器相位特性的同步测试提供了解决思路。采用矩形窗函数与汉宁窗函数进行卷积，再将此序列与三角窗函数卷积得到的长度为N的综合卷积序列w(n)，能够抑制噪声干扰，抑制其他频率成分的泄漏干扰和减少对相邻成分的泄漏量；在激励和响应的相位差计算时，除了用传统的峰值谱线相位信息，还利用了次大峰值谱线的相位信息，通过第1部分第g步中的频谱泄漏对消处理计算，实现了高精度的激励和响应相位差计算。本实施例方法计算过程简单，计算结果准确有效，具有很好的相位校正能力，为电流互感器相位特性的同步测试提供了一条有效的途径。
在DFT的传统方法中，存在主瓣宽度过大导致时间分辨率不足的问题，或者存在旁瓣衰减较慢，导致频谱泄露较大的问题，而且提高时间分辨率的代价往往是增加较大的计算量，同时对信号的动态分析能力不足。而本实施例所提供的解决方案中，先用矩形窗和汉宁窗；再用三角窗卷积。矩形窗函数的主瓣窄，能够抑制噪声干扰；汉宁窗的旁瓣衰减快，有利于抑制其他频率成分的泄漏干扰；三角窗的旁瓣峰值电平低，能够减少对相邻成分的泄漏量，提高基波和谐波成分相位角的分析精度。
在相频特性的电流传感器相位校准系统的传统方法中，需要根据RC网络数学模型，将采集到的电流传感器的被测信号和输出信号的采样数据代入数学模型，得到超定方程组，然后采用最小二乘法求解上述超定方程组，得到最优解[an,bn]，最后得到待校准电流传感器在Z域上的传递函数；该方法存在计算量很大的问题。而本实施例所提供的解决方案中，通过综合卷积序列加窗FFT的方法，结合频谱泄漏对消处理计算，实现了高精度的激励和响应相位差计算，大大减少了计算量，更利于嵌入式的实现。

Claims (9)

1.一种电流传感器相位特性的同步测试方法，其特征在于，
所述方法包括以下步骤：
(a)采用基波和谐波成分叠加的电流信号作为电流互感器的激励x(t)，将激励接入电流互感器的输入端，同时将原边电流侧的激励接入相应的调理电路，然后利用ADC模块的一个通道以一定采样频率采集一次侧大电流信号经过调理电路转化后的小电压信号x(n)；离散电压序列x(n)长度为N点，n＝0，1，2，…，N-1；
(b)对电流传感器的输出端信号y(t)进行采集，利用ADC模块的另一通道以相同采样频率同步采集电流互感器输出的小电压信号，经过相应调理电路后得到的信号y(n)，y(n)长度为N点，n＝0，1，2，…，N-1；将所采集的输出端信号作为电流传感器的响应；
(c)将长度均为N/4的矩形窗函数与汉宁窗函数进行卷积，并在卷积结果的末尾补零，得到长度为N/2的序列；再将此序列与长度为N/2的三角窗函数卷积，并在卷积结果的末尾补零，得到数据长度为N的综合卷积序列w(n)；
(d)利用w(n)对离散化激励信号x(n)和响应信号y(n)分别加权，得到加权后的激励信号xw(n)和响应信号yw(n)；
(e)对加权后的激励信号xw(n)和响应信号yw(n)进行离散傅里叶变换，得到激励频谱函数X(n)和响应频谱函数Y(n)；
(f)搜索激励频谱函数X(n)和响应频谱函数Y(n)的峰值谱线，得到激励频谱函数X(n)的幅度最大谱线的相位PX1和次大谱线的相位PX2、响应频谱函数Y(n)的幅度最大谱线的相位PY1和次大谱线的相位PY2，采用频谱泄漏对消处理得到激励和响应频谱的峰值谱线相位差PXY。
2.根据权利要求2所述的一种电流传感器相位特性的同步测试方法，其特征在于，所述基波和谐波成分叠加的电流信号是仅包含基波的电流信号，或是同时包含基波和谐波的电流信号，其中谐波成分的频率为基波的整数倍。
3.根据权利要求2所述的一种电流传感器相位特性的同步测试方法，其特征在于，所述数据长度N是指提取的离散化激励与响应信号数据点数，为便于实现傅里叶变换，N设置为2的整数次幂，若N不为2的整数次幂，则通过在数据点末尾补零使提取的离散化激励与响应信号数据点数为2的整数次幂。
4.根据权利要求2所述的一种电流传感器相位特性的同步测试方法，其特征在于，所述激励信号x(t)和响应信号y(t)的时域表达式分别为：
式中，H为信号中含有的最高次谐波；m为谐波次数；Axm、Aym分别为电压和电流的第m次谐波幅值；t为时间；fm为第m次谐波频率；为第m次谐波的电压相位，为第m次谐波的电流相位，当m＝1时表示的是信号基波。
5.根据权利要求2所述的一种电流传感器相位特性的同步测试方法，其特征在于，所述离散化激励信号x(n)和响应信号y(n)为：
式中，n＝0，1，2，…，N-1；x(n)为一次侧大电流信号经过调理电路转化后的小电压信号；y(n)为电流互感器输出小电压信号经过相应调理电路后得到的信号；fs为采样频率。
6.根据权利要求2所述的一种电流传感器相位特性的同步测试方法，其特征在于，所述激励和响应频谱的峰值谱线相位差计算公式为：
7.一种实现权利要求1所述电流传感器相位特性的同步测试方法的装置，其特征在于，所述装置包括用于产生周期性电流信号的激励源，用于采集电流传感器的激励和响应信号的多通道同步数据采集模块，用于将激励与响应信号的幅值变换至ADC模块输入范围内的信号调理电路，用于进行电流传感器激励与响应相位差计算的计算模块；其中激励源输出的周期性电压信号与电流传感器的输入端相连，多通道同步数据采集模块的两个输入通道通过信号调理电路分别与电流传感器的输入端和输出端相连，多通道同步数据采集模块与计算模块相连。
8.根据权利要求7所述的电流传感器相位特性的同步测试装置，其特征在于，所述的激励源使用三相精密功率源，所述三相精密功率源产生的周期信号仅包含基波的电流信号，或是同时包含基波和谐波的电流信号。
9.根据权利要求7所述的电流传感器相位特性的同步测试装置，其特征在于，所述多通道同步数据采集模块，通过信号调理电路分别与电流传感器的输入端和输出端相连，实现电流传感器的激励和响应信号的采集，实现对电流传感器的输入和输出通道进行高速、同步数据采集。
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