CN110231586A - 互感器全量程自校准装置的使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种互感器全量程自校准装置，包括交流恒流源、两个A/D转换模块、两个D/A转换模块、处理器、液晶显示屏、两个互感器，其中两个互感器一个为待校准互感器、另一个为标准互感器，使用该装置实现自校准过程。本发明有益的效果是：解决目前测量用电流互感器无法在全范围保持高精度的问题，特别是在一次额定电流输入小于20％时精度明显下降，该装置可修正互感器的输出，提升互感器的精度等级，能够对传统的互感器，模拟量输出和数字量输出的电子式互感器进行全量程校正，并输出校正后的模拟量信号，可显著提升互感器的精度等级，提升后的互感器精度和标准互感器精度差值小于相对误差设定值δ。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备校正领域，尤其涉及一种互感器全量程自校准装置的使用方法。
背景技术
电流互感器的应用非常广泛，在电力、用电节能、安防、消防、物联网、楼宇自动化、工业控制、信息通讯技术、充电桩等领域都有应用。互感器的精度，直接影响到电力系统测量、计量的准确性和继电器保护装置动作的可靠性。对于电能计量关口贸易，计量用互感器的基本误差涉及到结算的准确公正，对于实验室，特别是国内的CNAS、3C实验室的温升试验测试包括高低压开关柜、动力柜、配电箱、母线槽的测试，互感器精度对测试结论准确性显得非常关键。还有充电桩等计费核算的领域，因互感器精度原因造成的经济损失很大。
目前测量用电流互感器的精度等级有0.1、0.2、0.5、1.0，特殊用途测量用电流互感器0.2S、0.5S、测量电流为额定电流的20％以下，特别是5％以下时精度和标定的精度等级差距较大。造成测量误差的原因有两大原因：一是电流互感器本身造成的，电流互感器本身造成的测量误差是由于电流互感器有励磁电流Ie存在，而Ie是输入电流的一部分，它不传变到二次侧，故形成了变比误差。Ie除在铁芯中产生磁通外，尚产生铁芯损耗，包括涡流损失和磁滞损失。所流经的励磁支路是一个呈电感性的支路，励磁电流Ie与电流互感器二次输出量I2不同相位，这是造成角度误差的主要原因。二是运行和使用条件造成的。运行和使用中造成的测量误差过大是电流互感器铁芯饱和与二次负载过大所致。
在一些重要的领域已经远远不能满足要求，而高精度专用互感器的价格又非常高。不管是传统互感器还是电子式互感器，在不提升成本或少量提升成本的前提下，提升互感器的精度显得很有价值。
一个测量用电流互感器在设备上安装完成后，互感器的精度影响主要因素包括比差、角差、二次负载的线路都已经确定，在互感器的额定测试范围内即不让互感器铁芯饱和的情况下，电流互感器的输入曲线和输出曲线是固定的，目前尚没有将测量用电流互感器进行全量程自动校准的方法，同时结合方法输出高精度信号的装置。
表1测量用电流互感器(0.1～1级)电流误差和相位差限值：
表2特殊用途的测量用电流互感器电流误差和相位差限值：
发明内容
本发明要解决上述现有技术存在的问题，提供一种互感器全量程自校准装置，解决目前测量用电流互感器无法在全范围保持高精度的问题。
本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种互感器全量程自校准装置，包括交流恒流源、两个A/D转换模块、两个D/A转换模块、处理器、液晶显示屏、两个互感器，其中两个互感器一个为待校准互感器、另一个为标准互感器，所述交流恒流源与两个互感器、处理器连接，所述两个互感器与交流恒流源、A/D转换模块连接，所述A/D转换模块与两个互感器、处理器连接，所述处理器与交流恒流源、A/D转换模块、D/A转换模块、液晶显示屏连接。
A/D转换模块采用AD1282型32位高精度A/D转换模块。
D/A转换模块采用DAC0832型32位高精度D/A芯片。
处理器采用ARM Cortex处理器。
标准互感器采用刚性Rogowski线圈。
上述的互感器全量程自校准装置的使用方法，步骤如下：
第一步：将一种刚性线圈和待校准互感器同时接在交流恒流源的输出端，刚性线圈经过积分器转换为模拟信号A，待校准互感器的输出信号为模拟信号B，将模拟信号A和模拟信号B同时接入互感器全量程自校准装置，并接入互感器全量程自校准装置的工作电源；
第二步：启动自校准装置，输入待校准互感器的额定电流In及待校正互感器和标准互感器相对误差值δ，将互感器自校准装置设置为学习模式，启动交流恒流源直至交流恒流源电流大于1.2In学习完成；记录液晶显示器的标准互感器电流、待校准互感器的输入电流，校正后输出电流。
上述的互感器全量程自校准装置的使用方法，第二步中的学习模式，过程如下：
全量程装置启动完成后，通过拨码设置为学习模式，在液晶面板上设置电流互感器的额定电流In及待校正互感器和标准互感器相对误差值δ，CPU根据额定电流In自动生成校正点，启动并调节交流恒流源，使输出电流均匀稳定上升，将一种标准互感器和待校准互感器同时接在互感器校正用交流恒流源的输出端，通过标准互感器采样得模拟信号A，通过待校准互感器的输出信号为模拟信号B，将模拟信号A和模拟信号B经过5次同步判断，确认同步后记录当前分段的起始值、分段编号，同一电流点高速连续采集3组待校准互感器数据，每组数据采集间隔5ms，L[3]＝[A1,A2,A3]，M[3]＝[A4,A5,A6],N[3]＝[A7,A8,A9],和标准互感器的3组数据，每组数据采集间隔5ms，P[3]＝[B1,B2,B3]，Q[3]＝[B4,B5,B6],R[3]＝[B7,B8,B9]进行对比，通过公式(1)、(2)、(3)计算得均方根误差RMSE，当RMSEi＜0.05时，通过式(4)计算的样本平均值μ、通过公式(5)均方根误差的标准差σ、通过式(6)计算得误差修正系数，当标准差小于0.01级时，计算当前分段的误差系数Xn，集成数据并保存至ROM中供输出调用；
公式(1)：
公式(2)：
公式(3)：
公式(4)：
公式(5)：
公式(6)：
重复上述学习步骤后，校正点自动加1，直至标准互感器采样的电流值大于待校正电流互感器的额定值的1.2倍即1.2In，结束原始数据的采集。
原始数据采集完成后进入校正系数分段并生成第一个校正系数，然后通过公式(7)依次计算得所有相对误差偏差值Yn；再通过公式(8)计算得相邻Yn的偏差值Zn；
公式(7)：
Yn＝|Xn-Xn-1|；
公式(8)：
Zn＝|Yn-Yn-1|；
当Zn≤δ且n<120时，n＝n+1,重复上述步骤，当n≥120时，结束本次学习，当Zn＞δ，生成误差系数修正分段，记录当前分段的编号及范围，并存入误差修正系数；
当n＜120时，n＝n+1,重复上述步骤，当n≥120时，结束本次学习；
自动学习完成后，通过拨码设置为显示模式。
上述的互感器全量程自校准装置的使用方法，显示模式下，实时采集待测互感器的输入信号，并调用对应的误差修正系数，重新计算产生一个校正后的模拟值，模拟值可通过ethernet、RS485及RS232,供后台调取，并通过互感器全量程自校准装置的D/A转换模块输出校正后的模拟值；
校正过程中均方根误差大于0.3时，自动停止学习，并输出报警信号。
本发明有益的效果是：本发明的互感器全量程自校准装置及其使用方法，解决目前测量用电流互感器无法在全范围保持高精度的问题，特别是在一次额定电流输入小于20％时精度明显下降，该装置可修正互感器的输出，提升互感器的精度等级，能够对传统的互感器，模拟量输出和数字量输出的电子式互感器进行全量程校正，并输出校正后的模拟量信号，可显著提升互感器的精度等级，提升后的互感器精度和标准互感器精度差值小于相对误差设定值δ。
附图说明
图1为本发明实施例学习模式-误差修正系数生成的示意图；
图2为本发明实施例学习模式-误差系数自动分段的示意图；
图3为本发明实施例显示模式流程示意图；
图4为本发明实施例的接线图；
图5为本发明实施例的结构框图。
附图标记说明：交流恒流源1-1，两个A/D转换模块1-2，两个D/A转换模块1-3，处理器1-4，液晶显示屏1-5，互感器1-6。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例一：
第一步：按图3所示的接线方式进行接线：
将一种刚性Rogowski线圈和待校准互感器同时接在交流恒流源的输出端，刚性Rogowski线圈经过Rocoil积分器转换为模拟信号A，待校准互感器的输出信号为模拟信号B，将模拟信号A和模拟信号B同时接入互感器自校准装置，并接入互感器自校准装置的工作电源；
第二步：启动自校准装置，输入待校准互感器的额定电流In及待校正互感器和标准互感器相对误差值δ＝0.1％，将互感器自校准装置设置为学习模式(LEARN)，启动交流恒流源直至交流恒流源电流大于1.2In学习完成；记录液晶显示器的标准互感器电流、待校准互感器的输入电流，校正后输出电流；如下表所示：
刚性Rogowski线圈采用型号是SX-150Ragid coil，该线圈在0.1A～100KA范围内具备非常稳定的输出，并且采用可追述的标准，其校准精度可优于0.1％。其输出将不易受导体穿越线圈的位置影响。
积分器采用Rocoil 7000系列积分器，积分器的输出为一电压波形，它准确地还原了被测电流波形。其包括了具有高谐波含量的复杂波形以及各种瞬态事件。
上述待校准互感器的额定一次电流为750A，精度等级为0.5级。
实施例二：
第一步：按图4所示的接线方式进行接线：
将一种刚性Rogowski线圈和待校准互感器同时接在交流恒流源的输出端，刚性Rogowski线圈经过Rocoil积分器转换为模拟信号A，待校准互感器的输出信号为模拟信号B，将模拟信号A和模拟信号B同时接入互感器自校准装置，并接入互感器自校准装置的工作电源；
第二步：启动自校准装置，输入待校准互感器的额定电流In及待校正互感器和标准互感器相对误差值δ＝0.2％，将互感器自校准装置设置为学习模式(LEARN)，启动交流恒流源直至交流恒流源电流大于1.2In学习完成；记录液晶显示器的标准互感器电流、待校准互感器的输入电流，校正后输出电流；如下表所示：
刚性Rogowski线圈采用型号是SX-150Ragid coil，该线圈在0.1A～100KA范围内具备非常稳定的输出，并且采用可追述的标准，其校准精度可优于0.1％。其输出将不易受导体穿越线圈的位置影响。
积分器采用Rocoil 7000系列积分器，积分器的输出为一电压波形，它准确地还原了被测电流波形。其包括了具有高谐波含量的复杂波形以及各种瞬态事件。
待校准互感器的额定一次电流为750A，精度等级为1级。
互感器全量程自校准装置，包括交流恒流源1-1、两个A/D转换模块1-2、两个D/A转换模块1-3、处理器1-4、液晶显示屏1-5、两个互感器1-6，其中两个互感器一个为待校准互感器、另一个为标准互感器，交流恒流源1-1与两个互感器1-6、处理器1-4连接，两个互感器1-6与交流恒流源1-1、A/D转换模块1-2连接，A/D转换模块1-2与两个互感器1-6、处理器1-4连接，处理器1-4与交流恒流源1-1、A/D转换模块1-2、D/A转换模块1-3、液晶显示屏1-5连接。
A/D转换模块1-2采用AD1282型32位高精度A/D转换模块。
D/A转换模块1-3采用DAC0832型32位高精度D/A芯片。
处理器1-4采用ARM Cortex处理器。
标准互感器采用刚性Rogowski线圈。
上述的互感器全量程自校准装置的使用方法，步骤如下：
第一步、将一种刚性线圈和待校准互感器同时接在交流恒流源的输出端，刚性线圈经过积分器转换为模拟信号A，待校准互感器的输出信号为模拟信号B，将模拟信号A和模拟信号B同时接入互感器全量程自校准装置，并接入互感器全量程自校准装置的工作电源；
第二步、启动自校准装置，输入待校准互感器的额定电流In及待校正互感器和标准互感器相对误差值δ，将互感器自校准装置设置为学习模式，启动交流恒流源直至交流恒流源电流大于1.2In学习完成；记录液晶显示器的标准互感器电流、待校准互感器的输入电流，校正后输出电流。
上述的互感器全量程自校准装置的使用方法，第二步中的学习模式，过程如下：
全量程装置启动完成后，通过拨码设置为学习模式，在液晶面板上设置电流互感器的额定电流In及待校正互感器和标准互感器相对误差值δ，CPU根据额定电流In自动生成校正点，启动并调节交流恒流源，使输出电流均匀稳定上升，将一种标准互感器和待校准互感器同时接在互感器校正用交流恒流源的输出端，通过标准互感器采样得模拟信号A，通过待校准互感器的输出信号为模拟信号B，将模拟信号A和模拟信号B经过5次同步判断，确认同步后记录当前分段的起始值、分段编号，同一电流点高速连续采集3组待校准互感器数据，每组数据采集间隔5ms，L[3]＝[A1,A2,A3]，M[3]＝[A4,A5,A6],N[3]＝[A7,A8,A9],和标准互感器的3组数据，每组数据采集间隔5ms，P[3]＝[B1,B2,B3]，Q[3]＝[B4,B5,B6],R[3]＝[B7,B8,B9]进行对比，通过公式(1)、(2)、(3)计算得均方根误差RMSE，当RMSEi＜0.05时，通过式(4)计算的样本平均值μ、通过公式(5)均方根误差的标准差σ、通过式(6)计算得误差修正系数，当标准差小于0.01级时，计算当前分段的误差系数Xn，集成数据并保存至ROM中供输出调用；
公式(1)：
公式(2)：
公式(3)：
公式(4)：
公式(5)：
公式(6)：
重复上述学习步骤后，校正点自动加1，直至标准互感器采样的电流值大于待校正电流互感器的额定值的1.2倍即1.2In，结束原始数据的采集。
原始数据采集完成后进入校正系数分段并生成第一个校正系数，然后通过公式(7)依次计算得所有相对误差偏差值Yn；再通过公式(8)计算得相邻Yn的偏差值Zn；
公式(7)：
Yn＝|Xn-Xn-1|；
公式(8)：
Zn＝|Yn-Yn-1|；
当Zn≤δ且n<120时，n＝n+1,重复上述步骤，当n≥120时，结束本次学习，当Zn＞δ，生成误差系数修正分段，记录当前分段的编号及范围，并存入误差修正系数；
当n＜120时，n＝n+1,重复上述步骤，当n≥120时，结束本次学习；
自动学习完成后，通过拨码设置为显示模式。
上述的互感器全量程自校准装置的使用方法，显示模式下，实时采集待测互感器的输入信号，并调用对应的误差修正系数，重新计算产生一个校正后的模拟值，模拟值可通过ethernet、RS485及RS232,供后台调取，并通过互感器全量程自校准装置的D/A转换模块输出校正后的模拟值；
校正过程中均方根误差大于0.3时，自动停止学习，并输出报警信号。
本发明实施例的特点是：解决目前测量用电流互感器无法在全范围保持高精度的问题，特别是在一次额定电流输入小于20％时精度明显下降，该装置可修正互感器的输出，提升互感器的精度等级，能够对传统的互感器，模拟量输出和数字量输出的电子式互感器进行全量程校正，并输出校正后的模拟量信号，可显著提升互感器的精度等级，提升后的互感器精度和标准互感器精度差值小于相对误差设定值δ。
虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化。
Claims (8)
1.一种互感器全量程自校准装置，其特征在于：包括交流恒流源(1-1)、两个A/D转换模块(1-2)、两个D/A转换模块(1-3)、处理器(1-4)、液晶显示屏(1-5)、两个互感器(1-6)，其中两个互感器一个为待校准互感器、另一个为标准互感器，所述交流恒流源(1-1)与两个互感器(1-6)、处理器(1-4)连接，所述两个互感器(1-6)与交流恒流源(1-1)、A/D转换模块(1-2)连接，所述A/D转换模块(1-2)与两个互感器(1-6)、处理器(1-4)连接，所述处理器(1-4)与交流恒流源(1-1)、A/D转换模块(1-2)、D/A转换模块(1-3)、液晶显示屏(1-5)连接。
2.根据权利要求1所述的互感器全量程自校准装置，其特征在于：所述A/D转换模块(1-2)采用AD1282型32位高精度A/D转换模块。
3.根据权利要求1所述的互感器全量程自校准装置，其特征在于：所述D/A转换模块(1-3)采用DAC0832型32位高精度D/A芯片。
4.根据权利要求1所述的互感器全量程自校准装置，其特征在于：所述处理器(1-4)采用ARM Cortex处理器。
5.根据权利要求1所述的互感器全量程自校准装置，其特征在于：所述互感器(1-6)中的标准互感器采用刚性Rogowski线圈。
6.根据权利要求1所述的互感器全量程自校准装置的使用方法，其特征在于，步骤如下：
(一)、将一种刚性线圈和待校准互感器同时接在交流恒流源的输出端，刚性线圈经过积分器转换为模拟信号A，待校准互感器的输出信号为模拟信号B，将模拟信号A和模拟信号B同时接入互感器全量程自校准装置，并接入互感器全量程自校准装置的工作电源；
(二)、启动自校准装置，输入待校准互感器的额定电流In及待校正互感器和标准互感器相对误差值δ，将互感器自校准装置设置为学习模式，启动交流恒流源直至交流恒流源电流大于1.2In学习完成；记录液晶显示器的标准互感器电流、待校准互感器的输入电流，校正后输出电流。
7.根据权利要求5所述的互感器全量程自校准装置的使用方法，其特征在于：所述步骤(二)中的学习模式，过程如下：
全量程装置启动完成后，通过拨码设置为学习模式，在液晶面板上设置电流互感器的额定电流In及待校正互感器和标准互感器相对误差值δ，CPU根据额定电流In自动生成校正点，启动并调节交流恒流源，使输出电流均匀稳定上升，将一种标准互感器和待校准互感器同时接在互感器校正用交流恒流源的输出端，通过标准互感器采样得模拟信号A，通过待校准互感器的输出信号为模拟信号B，将模拟信号A和模拟信号B经过5次同步判断，确认同步后记录当前分段的起始值、分段编号，同一电流点高速连续采集3组待校准互感器数据，每组数据采集间隔5ms，L[3]＝[A1,A2,A3]，M[3]＝[A4,A5,A6],N[3]＝[A7,A8,A9],和标准互感器的3组数据，每组数据采集间隔5ms，P[3]＝[B1,B2,B3]，Q[3]＝[B4,B5,B6],R[3]＝[B7,B8,B9]进行对比，通过公式(1)、(2)、(3)计算得均方根误差RMSE，当RMSEi＜0.05时，通过式(4)计算的样本平均值μ、通过公式(5)均方根误差的标准差σ、通过式(6)计算得误差修正系数，当标准差小于0.01级时，计算当前分段的误差系数Xn，集成数据并保存至ROM中供输出调用；
公式(1)：
公式(2)：
公式(3)：
公式(4)：
公式(5)：
公式(6)：
重复上述学习步骤后，校正点自动加1，直至标准互感器采样的电流值大于待校正电流互感器的额定值的1.2倍即1.2In，结束原始数据的采集。
原始数据采集完成后进入校正系数分段并生成第一个校正系数，然后通过公式(7)依次计算得所有相对误差偏差值Yn；再通过公式(8)计算得相邻Yn的偏差值Zn；
公式(7)：
Yn＝|Xn-Xn-1|；
公式(8)：
Zn＝|Yn-Yn-1|；
当Zn≤δ且n＜120时，n＝n+1,重复上述步骤，当n≥120时，结束本次学习，当Zn＞δ，生成误差系数修正分段，记录当前分段的编号及范围，并存入误差修正系数；
当n＜120时，n＝n+1,重复上述步骤，当n≥120时，结束本次学习；
自动学习完成后，通过拨码设置为显示模式。
8.根据权利要求6所述的互感器全量程自校准装置的使用方法，其特征在于：显示模式下，实时采集待测互感器的输入信号，并调用对应的误差修正系数，重新计算产生一个校正后的模拟值，模拟值可通过ethernet、RS485及RS232,供后台调取，并通过互感器全量程自校准装置的D/A转换模块输出校正后的模拟值；
校正过程中均方根误差大于0.3时，自动停止学习，并输出报警信号。
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