CN111025218A - 一种钳形电流表在线实时自校准的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钳形电流表在线实时自校准系统及方法，所述系统包括钳形电流表测量子系统、信号采集子系统及MCU软件算法子系统；所述钳形电流表测量子系统包括钳形互感器，所述钳形电流表测量子系统用于生成标准电流校准信号、采样标准电流校准信号及采样用户负载电流信号，然后将生成的标准电流校准信号，以及经过所述钳形互感器的标准电流校准信号和用户负载电流信号混合而成的实际混合电流信号分别输出至所述采集子系统；所述信号采集子系统用于对输入的各种电流信号进行A/D采集，然后将采样的A/D数据输出至所述MCU软件算法子系统；所述MCU软件算法子系统用于对获取的所述A/D数据运行自校准算法进行计算，从而进行实时自校准。

Description

一种钳形电流表在线实时自校准的系统和方法
技术领域
本发明属于电流表自校准技术领域，具体涉及一种钳形电流表在线实时自校准的系统和方法。
背景技术
钳型电流表是一种用于测量正在运行的电气线路的电流大小的仪表，可在不断电的情况下利用电磁感应原理测量电流。
CN2125144U号中国实用新型的说明书附图1中公开了钳形电流表的基本原理：通过绕在铁芯上的磁感应线圈将被测导线的交流信号转化为交流电压信号，经过信号调理电流进行调理、放大后送至A/D芯片进行采样，CPU读取A/D采样结果进行计算并显示测试结果。采用该结构的钳形电流表存在精度不高的问题，测量误差一般都在0.2％以上，且该误差是经过制造厂商经过校准后的精度。
由于钳形电流表在实际的应用场合中受现场环境、自身老化、钳口生锈或异物导等导致其测量误差变大，进而导致更大的电能计量误差，在此情况下，需要使用钳形电流表自校准的技术对上述情况进行误差校准。如CN1920580号中国发明专利中公开过一种静态的、在测试前进行钳形电流表自校准的方法，通过采用校准线圈，与辅助电路结合，对钳形电流表进行自校准。上述改进在一定程度上优化了钳形电流表的测量误差，但仍未根本解决问题：仅可校准优化当时或校准后的一段时间的误差，但在现场的长期使用中，存在受现场环境、自身老化、钳口生锈或异物导等导致其测量误差变大；现场操作人员的操作(如钳形电流表钳口与被测线的夹取位置变化)导致其误差变大或不一致等问题；针对测量过程的工况动态变化(如钳形电流表钳口与被测线的相对位置变化)无法进行校准，因此无法保证钳形电流表的计量误差精度、一致性。
综上所述，鉴于钳形电流表作为一种基础的、广泛使用的电流测量方法及工具，发明一种钳形电流表在线、实时自校准的方法、系统，是市场急需的，可以极大提高钳形电流表现场电流计量的精度、一致性，进而可以极大现场电能表误差计量的的误差精度、一致性。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种针对钳形电流表的在线实时自校准方法和系统，提高钳形电流表计量的精度、一致性，提高钳形电流表的便捷性，保证不同测量工况、不同测量人员的测试结果一致性。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种钳形电流表在线实时自校准系统，包括钳形电流表测量子系统、信号采集子系统及MCU软件算法子系统；所述钳形电流表测量子系统包括钳形互感器，所述钳形电流表测量子系统用于生成标准电流校准信号、采样标准电流校准信号及采样用户负载电流信号，然后将生成的标准电流校准信号，以及经过所述钳形互感器的标准电流校准信号和用户负载电流信号混合而成的实际混合电流信号分别输出至所述采集子系统；所述信号采集子系统用于对输入的各种电流信号进行A/D采集，然后将采样的A/D数据输出至所述MCU软件算法子系统；所述MCU软件算法子系统用于对获取的所述A/D数据运行自校准算法进行计算，从而进行实时自校准。
作为优选，所述信号采集子系统在对输入的各种电流信号进行A/D采集之前，还对输入的各种电流信号进行I/V转换、噪声过滤及增益放大处理，所述A/D采集是对处理后的信号进行的A/D采集。
作为优选，所述MCU软件算法子系统包括微处理器(如MCU、DSP)，运行在微处理上的在线实时自校准软件及算法，所述MCU软件算法子系统对获取的A/D数据运行自校准算法进行计算，从而进行实时自校准。
作为优选，所述信号采集子系统包括信号调理电路模块及A/D采样电路模块，所述信号调理电路模块用于对输入的各种电流信号进行I/V转换、噪声过滤及增益放大处理，以及将处理后的信号发送至所述A/D采样电路模块，所述A/D采样电路模块用于对输入的信号进行A/D采集，然后将采样的A/D数据输出至所述MCU软件算法子系统。
作为优选，所述钳形电流表测量子系统包括所述钳形电流表、标准电流校准信号发生电路；所述钳形电流表包括所述钳形互感器、校准线圈及检测线圈；所述标准电流校准信号发生电路用于生成标准电流校准信号，所述标准电流校准信号流过校准线圈传输至所述信号采集子系统，并同时通过所述钳形互感器使得检测线圈产生另一路标准电流校准信号，所述钳形电流表用于接收检测线圈输出的标准电流校准信号和采样用户负载电流信号，生成所述实际混合电流信号，以及将所述实际混合电流信号输出至所述信号采集子系统。
作为优选，所述输入输出子系统包括液晶显示屏、按键等输入输出设备，处理按键等输入设备输入并将结果显示在液晶显示屏上。
本发明还提供一种上述的钳形电流表在线实时自校准系统的自校准方法，其包括以下步骤：
S1、所述钳形电流表测量子系统实时采集用户负载电流信号；
S2、检测所述钳形电流表测量工况是否变化，如检测结果为是，则执行S3，如检测结果为否，则循环执行S1；检测所述钳形电流表测量工况是否变化的方式可以是：通过钳形电流表自带的钳形电流表集成传感器来识别钳口是否发生开合变化；
S3、钳形电流表在线实时自校准系统运作，校准完成后循环执行S1。
所述S3所述的自校准系统的运作，包括以下步骤：
S10、所述钳形电流表测量子系统生成标准电流校准信号及采样用户负载电流信号，然后将未经所述钳形互感器的所述标准电流校准信号和由所述钳形互感器输出的标准电流校准信号和用户负载电流信号混合而成的实际混合电流信号分别输出到所述信号采集子系统；
S20、所述信号采集子系统对输入的所述标准电流校准信号和实际混合电流信号进行A/D采集，然后将采样的A/D数据输出至所述MCU软件算法子系统；
S30、所述MCU软件算法子系统用于对获取的所述A/D数据运行自校准算法进行计算，从而进行实时自校准。
所述S30所述自校准算法包含如下步骤：
S100：设标准电流校准信号为X1，
Figure BDA0002345566290000031
频率为f1，有效值为RX1；设用户负载电流信号为X2，
Figure BDA0002345566290000032
频率为f2；设实际混合电流信号为X3，
Figure BDA0002345566290000033
S300：利用互相关函数对信号X1和X3进行互相关运算，其理论值
Figure BDA0002345566290000034
Figure BDA0002345566290000035
有效值RZ1为RX1/2；
S400：设采样频率为fs,则采样间隔为ΔT＝1/fs，所述信号采集子系统以采样频率fs对输入的电流信号采样，设共采样N点，由此可获得标准电流校准信号X1的离散采样序列D1[0:N-1]，实际混合电流信号X3的离散采样序列D3[0:N-1]；
S500:利用互相关函数对离散序列D1和D3进行互相关运算，可获得序列Z2[-N/2:N/2]；
S600:设每个波形周期的采样点数为Np，Np＝fs/f1，对序列离散D1求均方根值可得有效值RX1，对离散序列D3求均方根值可得有效值RX3；
S700:计算误差修正系数P＝(RX3-RZ1)/RZ1*100％，RZ1＝RX1/2；
具体的，所述S30中，在所述S700之后，还包括：
S800、所述钳形电流表测量子系统控制关闭标准电流校准信号；
S900、用S700获取的误差修正系数对测量数据进行修正。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种针对钳形电流表的在线实时自校准方法和系统，提高了钳形电流表计量的精度、一致性，提高了钳形电流表的便捷性，保证了不同测量工况、不同测量人员的测试结果一致性，进而提高了现场电能表电能计量校验的精度、一致性，有利于帅选出正常工作的电表，有利于解决电表大批量轮换中的浪费情况，从而节约电表轮换成本，创造经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例的钳形电流表在线实时自校准系统的系统框图；
图2为本发明实施例所述之钳形互感器的结构图；
图3为本发明实施例所述钳形电流表在线实时自校准系统的软件控制流程示意图；
图4为图3中所述的钳形电流表在线实时自校准流程；
图5为本发明所述钳形电流表在线实时自校准系统的校准原理示意图；
图6为本发明所述钳形电流表在线实时自校准系统的测量原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
本实施例提供一种钳形电流表在线实时自校准系统，如图1所示，其包括：钳形电流表测量子系统，信号采集子系统，MCU软件算法子系统及输入输出子系统；所述钳形电流表测量子系统包括标准电流信号生成电路和钳形互感器，标准电流信号生成电路用于生成标准电流校准信号并输出至钳形互感器和信号采集子系统，钳形互感器用于采样标准电流校准信号及采样用户负载电流，然后将标准电流校准信号及用户负载电流信号混合而成的实际混合电流信号输出到所述信号采集子系统；所述信号采集子系统用于对输入电流信号进行I/V转换、噪声过滤及增益放大处理，以及对处理后的信号进行A/D采集，然后将采样的A/D数据输出至所述MCU软件算法子系统，所述MCU软件算法子系统用于对获取的所述A/D数据运行自校准算法进行计算，从而进行实时自校准，所述输入输出子系统包括作为输入系统的键盘和作为输出系统的液晶显示器，或者其他类似的输入输出设备，用于接收用户指令，及显示MCU软件算法子系统的计算结果。校准是我们要同时采集标准电流校准信号(未经过钳形互感器，直接到A/D)和混合信号，然后使用FFT分析提取标准电流校准信号和混合信号中的标准电路校准信号，以这两个来计算修正系数。
如图2所示，本发明所述钳形互感器1包括壳体11、容置在壳体11中的铁芯12、设置在铁芯12上的检测线圈13以及校准线圈14。壳体11具有“X”形手柄110，铁芯12分为左半体120和右半体121，操作手柄110可使得左半体120与右半体121分离或闭合，当左半体120与右半体121闭合时，铁芯12中形成完整的磁路。
如图5所示，本发明所述钳形电流表测量子系统31由钳形互感器1和标准电流信号生成电路32组成，所述标准电路信号生成电路32包括可调信号发生器20、V/I转换电路21和标准电流信号开关29。本发明所述信号采集子系统33包括I/V转换器22、A/D采样器23、I/V转换器25和A/D采样器26。A/D采样器23的输出端，以及可调信号发生器20的输出端均连接至MCU24，MCU24同时还与液晶显示器28、键盘27信号连接，液晶显示器28及键盘27信号属于钳形电流表在线实时自校准系统的输入输出子系统，用于接收命令及显示计算结果。
本实施例所述钳形电流表可在整个测量过程中进行在线实时自校准。其工作原理如下：将钳形电流表夹在被测导线上，闭合标准电流信号开关29，由可调信号发生器20产生一个标准测量信号，经过V/I转换21产生标准电流校准信号I5，标准电流信号I5流过校正线圈14并且通过钳形互感器1使得检测线圈13产生电流信号I2；被测用户负载电流信号I3通过钳形互感器产生电流信号I4，电路信号I4和电路信号I2叠加组成实际混合电流信号I1。信号采集子系统对输入的标准电流校准信号I5和实际混合电路信号I1由I/V转换器进行I/V转换，然后再由A/D采集器进行信号采集从而分别得到离散序列D5、D1，并将采集数据输出至MCU软件算法子系统，MCU软件算法子系统对获取的所述A/D数据运行自校准算法计算，从而进行实时自校准。
如图6所示，自校准流程结束后，切断开关29，此时无标准电流校准信号产生，系统进入测量状态。假设钳形互感器匝比为N，则I4＝I3/N，I4经过I/V转换器25转换、A/D采集器36采样后输出至微处理器24，由微处理器24计算可得I4值，I4乘以修正系数P进行修正，然后将修正值除以N即可得到实际的用户负载电流信号I3值。
如图3所示，本实施例之钳形电流表在线实时自校准系统软件控制流程包括如下步骤：
S1、钳形电流表在线实时自校准系统启动运行；
S2、信号采集子系统实时对标准电路校准信号和实际混合电路信号进行A/D采集；
S3、自动检测钳形电流表测量工况是否变化(如检测钳形电流表钳口开合变化)，如检测到有变化则执行S4，否则循环执行S2；
S4、执行钳形电流表在线实时自校准流程，校准完成后循环执行S2。
如图4所示，所述钳形电流表在线实时自校准流程包括以下步骤：
S10、钳形电流表在线实时自校准系统开启；
S20、钳形电流表测量子系统生成标准电流校准信号及采集用户电流信号(即采样用户负载电流)，然后将未经互感器的标准电流校准信号和由所述钳形互感器输出的标准电流校准信号和用户负载电流信号混合而成的实际混合电流信号一并输出到信号采集子系统；
S30、所述信号采集子系统对输入电流信号进行I/V转换、噪声过滤及增益放大处理，以及对处理后的信号进行A/D采集，然后将采样的A/D数据输出至MCU软件算法子系统；
S40、所述MCU软件算法子系统用于对获取的所述A/D数据运行自校准算法计算，从而进行实时自校准；
S50、钳形电流表测量子系统关闭标准电流校准信号；
S60、钳形电流表在线实时自校准流程结束。
所述S40所述自校准算法包含如下步骤：
S100、设标准电流校准信号为X1，
Figure BDA0002345566290000061
频率为f1，有效值为RX1；设用户负载电流信号为X2，
Figure BDA0002345566290000062
频率为f2；设实际混合电流信号为X3，
Figure BDA0002345566290000063
S300、利用互相关函数对信号X1和X3进行互相关运算，其理论值
Figure BDA0002345566290000064
Figure BDA0002345566290000065
有效值RZ1为RX1/2；
S400、设采样频率为fs,则采样间隔为ΔT＝1/fs，所述信号采集子系统以采样频率fs对输入的电流信号采样，设共采样N点，由此可获得标准电流校准信号X1的离散采样序列D1[0:N-1]，实际混合电流信号X3的离散采样序列D3[0:N-1]；
S500、利用互相关函数对离散序列D1和D3进行互相关运算，可获得序列Z2[-N/2:N/2]；
S600、设每个波形周期的采样点数为Np，Np＝fs/f1，对序列离散D1求均方根值可得有效值RX1，对离散序列D3求均方根值可得有效值RX3；
S700、计算误差修正系数P＝(RX3-RZ1)/RZ1*100％，RZ1＝RX1/2；
S800、所述钳形电流表测量子系统控制关闭标准电流校准信号；
S900、用S700获取的误差修正系数对测量数据进行修正。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种钳形电流表在线实时自校准系统，其特征在于：包括钳形电流表测量子系统、信号采集子系统及MCU软件算法子系统；所述钳形电流表测量子系统包括钳形互感器，所述钳形电流表测量子系统用于生成标准电流校准信号、采样标准电流校准信号及采样用户负载电流信号，然后将生成的标准电流校准信号，以及经过所述钳形互感器的标准电流校准信号和用户负载电流信号混合而成的实际混合电流信号分别输出至所述采集子系统；所述信号采集子系统用于对输入的各种电流信号进行A/D采集，然后将采样的A/D数据输出至所述MCU软件算法子系统；所述MCU软件算法子系统用于对获取的所述A/D数据运行自校准算法进行计算，从而进行实时自校准。
2.根据权利要求1所述的钳形电流表在线实时自校准系统，其特征在于：所述信号采集子系统在对输入的各种电流信号进行A/D采集之前，还对输入的各种电流信号进行I/V转换、噪声过滤及增益放大处理，所述A/D采集是对处理后的信号进行的A/D采集。
3.根据权利要求1或2所述的钳形电流表在线实时自校准系统，其特征在于，所述MCU软件算法子系统包括微处理器及运行在微处理上的在线实时自校准软件及算法。
4.根据权利要求3所述的钳形电流表在线实时自校准系统，其特征在于，所述信号采集子系统包括信号调理电路模块及A/D采样电路模块，所述信号调理电路模块用于对输入的各种电流信号进行I/V转换、噪声过滤及增益放大处理，以及将处理后的信号发送至所述A/D采样电路模块，所述A/D采样电路模块用于对输入的信号进行A/D采集，然后将采样的A/D数据输出至所述MCU软件算法子系统。
5.根据权利要求1所述的钳形电流表在线实时自校准系统，其特征在于，所述钳形电流表测量子系统包括所述钳形电流表、标准电流校准信号发生电路；所述钳形电流表包括所述钳形互感器、校准线圈及检测线圈；所述标准电流校准信号发生电路用于生成标准电流校准信号，所述标准电流校准信号流过校准线圈传输至所述信号采集子系统，并同时通过所述钳形互感器使得检测线圈产生另一路标准电流校准信号，所述钳形电流表用于接收检测线圈输出的标准电流校准信号和采样用户负载电流信号，生成所述实际混合电流信号，以及将所述实际混合电流信号输出至所述信号采集子系统。
6.根据权利要求1所述的钳形电流表在线实时自校准系统，其特征在于，还包括输入和/或输出子系统，所述输入和/或输出子系统与所述MCU软件算法子系统信号连接，用于接收输入信号，和/或，输出或显示所述MCU软件算法子系统的计算结果。
7.一种权利要求1所述的钳形电流表在线实时自校准系统的自校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、所述钳形电流表测量子系统实时采集用户负载电流信号；
S2、检测所述钳形电流表测量工况是否变化，如检测结果为是，则执行S3，如检测结果为否，则循环执行S1；
S3、钳形电流表在线实时自校准系统运作，校准完成后循环执行S1。
8.根据权利要求7所述的自校准方法，其特征在于，所述S3所述的自校准系统的运作，包括以下步骤：
S10、所述钳形电流表测量子系统生成标准电流校准信号及采样用户负载电流信号，然后将未经所述钳形互感器的所述标准电流校准信号和由所述钳形互感器输出的标准电流校准信号和用户负载电流信号混合而成的实际混合电流信号分别输出到所述信号采集子系统；
S20、所述信号采集子系统对输入的所述标准电流校准信号和实际混合电流信号进行A/D采集，然后将采样的A/D数据输出至所述MCU软件算法子系统；
S30、所述MCU软件算法子系统用于对获取的所述A/D数据运行自校准算法计算，从而进行实时自校准。
9.根据权利要求8所述的自校准方法，其特征在于，所述S30所述的自校准算法包含如下步骤：
S100：设标准电流校准信号为X1，
Figure FDA0002345566280000021
频率为f1，有效值为RX1；设用户负载电流信号为X2，
Figure FDA0002345566280000022
频率为f2；设实际混合电流信号为X3，
Figure FDA0002345566280000023
S300：利用互相关函数对信号X1和X3进行互相关运算，其理论值
Figure FDA0002345566280000024
Figure FDA0002345566280000025
有效值RZ1为RX1/2；
S400：设采样频率为fs,则采样间隔为ΔT＝1/fs，所述信号采集子系统以采样频率fs对输入的电流信号采样，设共采样N点，由此可获得标准电流校准信号X1的离散采样序列D1[0:N-1]，实际混合电流信号X3的离散采样序列D3[0:N-1]；
S500:利用互相关函数对离散序列D1和D3进行互相关运算，可获得序列Z2[-N/2:N/2]；
S600:设每个波形周期的采样点数为Np，Np＝fs/f1，对序列离散D1求方根值可得有效值RX1，对离散序列D3求均方根值可得有效值RX3；
S700:计算误差修正系数P＝(RX3-RZ1)/RZ1*100％，RZ1＝RX1/2。
10.根据权利要求9所述的自校准方法，其特征在于，所述S30中，在所述S700之后，还包括：
S800、所述钳形电流表测量子系统控制关闭标准电流校准信号；
S900、用S700获取的误差修正系数对测量数据进行修正。
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