CN111766431B - 一种免二次校准的交流电压、电流复用采集方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种免二次校准的交流电压、电流复用采集方法及系统，本发明通过更换互感器接线板，实现电压、电流信号采集通道的复用，在交流信号采集通道I/V变换电路采用由运算放大器构成的有源方式，取样电阻为唯一值，不区分电压、电流信号；电压互感器、电流互感器采用0.05级电流型，二次电流参数一致，且将所采电压、电流信号全部映射到0‑1范围，根据通道的信号类型乘以对应的满码值即可换算得到原始信号值，当通道信号类型发生改变时通过参数设置改变对应通道的满码值即可，无需进行二次校准，实现对线路电压、电流、有功功率、无功功率等参量的高精度采集，大大降低了现场设备的运维成本。

Description

一种免二次校准的交流电压、电流复用采集方法及系统

技术领域

本发明涉及配电自动化技术领域，特别是涉及一种免二次校准的交流电压、电流复用采集方法及系统。

背景技术

配电终端作为配电自动化SCADA系统中不可或缺的组成部分，其基础功能之一是采集电网的电压、电流数据并根据采集到的电压、电流数据计算得出电网的有功功率、无功功率、视在功率以及功率因数等参量。随着经济发展带来的用电负荷的增加以及现场设备的升级改造，现场接线方式的改变不可避免的导致配电终端信号采集通道所接电压、电流信号类型需要更改，如某通道升级前接电压信号，升级后需要接电流信号。

为适应这种多变的需求，配电终端上的交流电压、电流互感器一般都是单独设计到接线板上，现场需要时可以直接更换合适的接线板并在现场重新校准或将现场的配电终端直接返厂改造并校准以满足配电终端通用测量精度指标的要求。现场校准需要将标准信号源设备运送至现场，返厂改造也要涉及设备的拆卸以及运输等，这两种方式都对人力、物力资源造成巨大的浪费，大大增加了现场设备的运维成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种免二次校准的交流电压、电流复用采集方法及系统，旨在解决现有技术中配电终端信号采集通道电压、电流信号类型更改时造成人力物力浪费的问题，实现无需进行二次校准，提高采集精度，降低现场设备的运维成本。

为达到上述技术目的，本发明提供了一种免二次校准的交流电压、电流复用采集方法，所述方法包括以下操作：

信号采集电路中采用二次电流一致的电压、电流互感器且I/V变换电路采样电阻一致，将大电压、电流信号转换为幅值相同的小电压信号；

判断是否需要校准，如果需要则对配电终端提供相位为0、幅值额定且只含基波的电压或电流信号，进行幅值校准和相位校准；

将额定范围内的电压、电流信号值映射到0-1的范围内，并根据信号类型乘以对应的满码值换算得到原始信号值，完成电压、电流的信号采集。

优选地，所述电压、电流互感器为0.05级电流型。

优选地，所述幅值校准的具体操作如下：

使用标准信号源给配电终端施加只含基波的额定电压或电流信号，配电终端处理器芯片实时判断是否采集到整周波的128个数据，采集到整周波数据后对数据进行128点FFT快速傅里叶变换，然后直接提取FFT后的基波模值作为该采集通道的幅值校准系数。

优选地，所述相位校准的具体操作如下：

采用零度校准法，校准时使用标准信号源给配电终端每个采集通道施加相位为0且只含基波的额定电压或电流信号，配电终端处理器芯片采集到整周波128个数据后对数据进行FFT变换，然后以任一通道为基准通道，取其余通道的向量除以该基准通道向量得到夹角向量值，取该夹角向量共轭的单位向量作为相位校准系数。

优选地，所述夹角向量计算公式为：

所述夹角向量对应的单位向量为：

所述夹角向量共轭的单位向量为：

优选地，所述将额定范围内的电压、电流信号值映射到0-1的范围内具体操作如下：

处理器芯片实时对采集数据进行滑动窗口FFT快速傅里叶变换；

FFT变换后取基波向量及各次谐波向量分别与相位校准系数作向量积，得到基波以及各次谐波相位校正后的向量；

取基波及各次谐波相位校正后向量的复数值，各复数的实部、虚部分别除以幅值校准系数，得到最终校准后基波及各次谐波的向量；

将校准后基波及各次谐波的向量模值平方求和，最后开平方，得到0-1范围的数值。

本发明还提供了一种免二次校准的交流电压、电流复用采集系统，所述系统包括：

采集通道电路模块，用于对所采集大电压、电流信号统一转换为幅值相同的小电压信号，采用的电压、电流互感器二次电流一致且I/V变换电路中采样电阻值一致；

校准模块，用于判断是否需要校准，如果需要则对配电终端提供相位为0、幅值额定且只含基波的电压或电流信号，进行幅值校准和相位校准；

信号计算模块，用于将额定范围内的电压、电流信号值映射到0-1的范围内，并根据信号类型乘以对应的满码值换算得到原始信号值，完成电压、电流的信号采集。

优选地，所述电压、电流互感器为0.05级电流型。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

与现有技术相比，本发明通过更换互感器接线板，实现电压、电流信号采集通道的复用，在交流信号采集通道I/V变换电路采用由运算放大器构成的有源方式，取样电阻为唯一值，不区分电压、电流信号；电压互感器、电流互感器采用0.05级电流型，二次电流参数一致，且将所采电压、电流信号全部映射到0-1范围，根据通道的信号类型乘以对应的满码值即可换算得到原始信号值，当通道信号类型发生改变时通过更换互感器接线板以及参数设置改变对应通道的满码值即可，无需进行二次校准，实现对线路电压、电流、有功功率、无功功率等参量的高精度采集，大大降低了现场设备的运维成本。

附图说明

图1为本发明实施例中所提供的一种免二次校准的交流电压、电流复用采集方法流程图；

图2为本发明实施例中所提供的交流采样通道电路结构图；

图3为本发明实施例中所提供的系统采样流程图；

图4为本发明实施例中所提供的一种免二次校准的交流电压、电流复用采集系统框图。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

下面结合附图对本发明实施例所提供的一种免二次校准的交流电压、电流复用采集方法及系统进行详细说明。

如图1所示，本发明实施例公开了一种免二次校准的交流电压、电流复用采集方法，所述方法包括以下操作：

信号采集电路中采用二次电流一致的电压、电流互感器且I/V变换电路采样电阻一致，将大电压、电流信号转换为幅值相同的小电压信号；

判断是否需要校准，如果需要则对配电终端提供相位为0、幅值额定且只含基波的电压或电流信号，进行幅值校准和相位校准；

将额定范围内的电压、电流信号值映射到0-1的范围内，并根据信号类型乘以对应的满码值换算得到原始信号值，完成电压、电流的信号采集。

如图2所示，将电压互感器、电流互感器单独设计为接线板且均采用0.05级电流型，可保证输入信号的电压、电流类型改变时相位误差在可接受范围内，从而保证最终计算得出的功率误差不超标，且互感器二次电流一致，电压互感器TV参数选用2mA/2mA，电流互感器TA参数选用5A/2mA，I/V变换采用有源式，电压、电流通道采样电阻R选用100Ω，采用该方式后，电压和电流通道的电路参数一致，I/V变换后的信号电压值一致，因此ADC前端无论是接TV还是接TA都没有差别，为电压、电流信号类型改变时避免二次校准提供硬件基础。

系统采样流程如图3所示，在初始运行时，判断是否需要校准，如果需要校准则需给配电终端提供相位为0幅值为额定只含基波的电压、电流信号。所述校准包括对配电终端进行幅值校准和相位校准。

幅值校准：校准时使用标准信号源给配电终端施加只含基波的额定电压或电流信号，配电终端处理器芯片实时判断是否采集到整周波的128个数据，采集到整周波数据后对数据进行128点FFT快速傅里叶变换，然后直接提取FFT后的基波模值作为该采集通道的幅值校准系数。采用该方式配合电路参数搭配，后期在更换互感器接线板后无论该采集通道接电压信号还是接电流信号都可使用该幅值校准系数对信号幅值进行计算。

相位校准：采用零度校准法，校准时使用标准信号源给配电终端每个采集通道施加相位为0且只含基波的额定电压或电流信号，配电终端处理器芯片采集到整周波128个数据后对数据进行FFT变换，然后以任一通道为基准通道，取其余通道的向量除以该基准通道向量得到夹角向量值，取该夹角向量共轭的单位向量作为相位校准系数。假设基准通道向量为a+bj，其余某通道向量为a'+b'j，计算过程如下：

夹角向量为：

夹角向量对应的单位向量为：

夹角向量共轭的单位向量为：

上式即为相位校准系数。

通过上述方式配合电路参数搭配，后期更换互感器接线板后无论该采集通道接电压信号还是接电流信号都可使用该相位校准系数对信号相位进行计算。

如果不需要校准，则在正常采集数据时，处理器芯片实时对采集数据进行滑动窗口FFT快速傅里叶变换。FFT变换后取基波向量及各次谐波向量分别与相位校准系数作向量积，得到基波以及各次谐波相位校正后的向量。取基波及各次谐波相位校正后向量的复数值，各复数的实部、虚部分别除以幅值校准系数，得到最终校准后基波及各次谐波的向量。将校准后基波及各次谐波的向量模值平方求和，最后开平方，得到0-1范围的数值，然后根据每个采集通道采集的电压、电流信号类型，将该数值分别乘以相应的满码值即可得到对应的电压、电流值。例如，额定电压为100V，额定电流为5A，经过该校准及计算方法后，0-100V的电压值及0-5A的电流值能够全部映射到0-1的范围，系统只需根据信号类型分别乘以满码值100和5，即可得到原始信号电压、电流值，当通道的信号类型改变时可通过参数设置的方式改变通道对应的满码值而无需进行二次校准。

采用该方法，将额定范围内的电压、电流值统一映射到0-1范围，当采集通道采集的电压、电流信号类型改变时，只需使用配套维护软件将采集通道的满码值配置为与信号类型相对应的值即可，无需使用标准信号源对配电终端进行二次校准。

本发明实施例通过更换互感器接线板，实现电压、电流信号采集通道的复用，在交流信号采集通道I/V变换电路采用由运算放大器构成的有源方式，取样电阻为唯一值，不区分电压、电流信号；电压互感器、电流互感器采用0.05级电流型，二次电流参数一致，且将所采电压、电流信号全部映射到0-1范围，根据通道的信号类型乘以对应的满码值即可换算得到原始信号值，当通道信号类型发生改变时通过更换互感器接线板以及参数设置改变对应通道的满码值即可，无需进行二次校准，实现对线路电压、电流、有功功率、无功功率等参量的高精度采集，大大降低了现场设备的运维成本。

如图4所示，本发明实施例还公开了一种免二次校准的交流电压、电流复用采集系统，所述系统包括：

采集通道电路模块，用于对所采集大电压、电流信号统一转换为幅值相同的小电压信号，采用的电压、电流互感器二次电流一致且I/V变换电路中采样电阻值一致；

校准模块，用于判断是否需要校准，如果需要则对配电终端提供相位为0、幅值额定且只含基波的电压或电流信号，进行幅值校准和相位校准；

信号计算模块，用于将额定范围内的电压、电流信号值映射到0-1的范围内，并根据信号类型乘以对应的满码值换算得到原始信号值，完成电压、电流的信号采集。

将电压互感器、电流互感器单独设计为接线板且均采用0.05级电流型，可保证输入信号的电压、电流类型改变时相位误差在可接受范围内，从而保证最终计算得出的功率误差不超标，且互感器二次电流一致，电压互感器TV参数选用2mA/2mA，电流互感器TA参数选用5A/2mA，I/V变换采用有源式，电压、电流通道采样电阻R选用100Ω，采用该方式后，电压和电流通道的电路参数一致，I/V变换后的信号电压值一致，因此ADC前端无论是接TV还是接TA都没有差别，为电压、电流信号类型改变时避免二次校准提供硬件基础。

在系统初始运行时，判断是否需要校准，如果需要校准则需给配电终端提供相位为0幅值为额定只含基波的电压、电流信号。所述校准包括对配电终端进行幅值校准和相位校准。

幅值校准：校准时使用标准信号源给配电终端施加只含基波的额定电压或电流信号，配电终端处理器芯片实时判断是否采集到整周波的128个数据，采集到整周波数据后对数据进行128点FFT快速傅里叶变换，然后直接提取FFT后的基波模值作为该采集通道的幅值校准系数。采用该方式配合电路参数搭配，后期在更换互感器接线板后无论该采集通道接电压信号还是接电流信号都可使用该幅值校准系数对信号幅值进行计算。

相位校准：采用零度校准法，校准时使用标准信号源给配电终端每个采集通道施加相位为0且只含基波的额定电压或电流信号，配电终端处理器芯片采集到整周波128个数据后对数据进行FFT变换，然后以任一通道为基准通道，取其余通道的向量除以该基准通道向量得到夹角向量值，取该夹角向量共轭的单位向量作为相位校准系数。假设基准通道向量为a+bj，其余某通道向量为a'+b'j，计算过程如下：

夹角向量为：

夹角向量对应的单位向量为：

夹角向量共轭的单位向量为：

上式即为相位校准系数。

通过上述方式配合电路参数搭配，后期更换互感器接线板后无论该采集通道接电压信号还是接电流信号都可使用该相位校准系数对信号相位进行计算。

如果不需要校准，则在正常采集数据时，处理器芯片实时对采集数据进行滑动窗口FFT快速傅里叶变换。FFT变换后取基波向量及各次谐波向量分别与相位校准系数作向量积，得到基波以及各次谐波相位校正后的向量。取基波及各次谐波相位校正后向量的复数值，各复数的实部、虚部分别除以幅值校准系数，得到最终校准后基波及各次谐波的向量。将校准后基波及各次谐波的向量模值平方求和，最后开平方，得到0-1范围的数值，然后根据每个采集通道采集的电压、电流信号类型，将该数值分别乘以相应的满码值即可得到对应的电压、电流值。例如，额定电压为100V，额定电流为5A，经过该校准及计算方法后，0-100V的电压值及0-5A的电流值能够全部映射到0-1的范围，系统只需根据信号类型分别乘以满码值100和5，即可得到原始信号电压、电流值，当通道的信号类型改变时可通过参数设置的方式改变通道对应的满码值而无需进行二次校准。

通过该系统，将额定范围内的电压、电流值统一映射到0-1范围，当采集通道采集的电压、电流信号类型改变时，只需使用配套维护软件将采集通道的满码值配置为与信号类型相对应的值即可，无需使用标准信号源对配电终端进行二次校准。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种免二次校准的交流电压、电流复用采集方法，其特征在于，所述方法包括以下操作：

信号采集电路中采用二次电流一致的电压、电流互感器且I/V变换电路采样电阻一致，将大电压、电流信号转换为幅值相同的小电压信号；判断是否需要校准，如果需要则对配电终端提供相位为0、幅值额定且只含基波的电压或电流信号，进行幅值校准和相位校准；所述幅值校准的具体操作如下：

使用标准信号源给配电终端施加只含基波的额定电压或电流信号，配电终端处理器芯片实时判断是否采集到整周波的128个数据，采集到整周波数据后对数据进行128点FFT快速傅里叶变换，然后直接提取FFT后的基波模值作为采集通道的幅值校准系数；

将额定范围内的电压、电流信号值映射到0-1的范围内，并根据信号类型乘以对应的满码值换算得到原始信号值，完成电压、电流的信号采集。

2.根据权利要求1所述的一种免二次校准的交流电压、电流复用采集方法，其特征在于，所述电压、电流互感器为0.05级电流型。

3.根据权利要求1所述的一种免二次校准的交流电压、电流复用采集方法，其特征在于，所述相位校准的具体操作如下：

采用零度校准法，校准时使用标准信号源给配电终端每个采集通道施加相位为0且只含基波的额定电压或电流信号，配电终端处理器芯片采集到整周波128个数据后对数据进行FFT变换，然后以任一通道为基准通道，取其余通道的向量除以该基准通道向量得到夹角向量值，取该夹角向量共轭的单位向量作为相位校准系数。

4.根据权利要求3所述的一种免二次校准的交流电压、电流复用采集方法，其特征在于，假设基准通道向量为a+bj，其余某通道向量为a′+b′j，所述夹角向量计算公式为：

所述夹角向量对应的单位向量为：

所述夹角向量共轭的单位向量为：

5.根据权利要求3所述的一种免二次校准的交流电压、电流复用采集方法，其特征在于，所述将额定范围内的电压、电流信号值映射到0-1的范围内具体操作如下：

处理器芯片实时对采集数据进行滑动窗口FFT快速傅里叶变换；

FFT变换后取基波向量及各次谐波向量分别与相位校准系数作向量积，得到基波以及各次谐波相位校正后的向量；

取基波及各次谐波相位校正后向量的复数值，各复数的实部、虚部分别除以幅值校准系数，得到最终校准后基波及各次谐波的向量；

将校准后基波及各次谐波的向量模值平方求和，最后开平方，得到0-1范围的数值。

6.一种免二次校准的交流电压、电流复用采集系统，其特征在于，所述系统包括：

采集通道电路模块，用于对所采集大电压、电流信号统一转换为幅值相同的小电压信号，采用的电压、电流互感器二次电流一致且I/V变换电路中采样电阻值一致；

校准模块，用于判断是否需要校准，如果需要则对配电终端提供相位为0、幅值额定且只含基波的电压或电流信号，进行幅值校准和相位校准；所述幅值校准的具体操作如下：

使用标准信号源给配电终端施加只含基波的额定电压或电流信号，配电终端处理器芯片实时判断是否采集到整周波的128个数据，采集到整周波数据后对数据进行128点FFT快速傅里叶变换，然后直接提取FFT后的基波模值作为采集通道的幅值校准系数；

信号计算模块，用于将额定范围内的电压、电流信号值映射到0-1的范围内，并根据信号类型乘以对应的满码值换算得到原始信号值，完成电压、电流的信号采集。

7.根据权利要求6所述的一种免二次校准的交流电压、电流复用采集系统，其特征在于，所述电压、电流互感器为0.05级电流型。

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