CN111983296A - 电流互感器信号的处理方法和装置及电能计量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电流互感器领域。本发明公开了一种电流互感器信号的处理方法和装置以及电能计量方法，其中，电流互感器信号的处理方法包括如下步骤：步骤A，在设定的时间段t内，对电流互感器输出的交流电压信号进行N次AD采样，得到N个电压采样值V，构成一电压采样数组；步骤B，通过该电压采样数组计算出该交流电压信号的频率f以及每个电压采样值V的相位X；步骤C，对该电压采样数组内的每个电压采样值V进行补偿，补偿后的电压采样值V补为：
Figure DDA0002643145240000011
其中，f1为电压值的补偿函数，f2为相位的补偿函数；步骤D，将补偿后的电压采样数组进行DAC转换后输出。本发明可以很好地解决电流互感器输出失真的问题。

Description

电流互感器信号的处理方法和装置及电能计量方法
技术领域
本发明属于电流互感器领域，具体地涉及一种电流互感器信号的处理方法和装置及电能计量方法。
背景技术
电力是人们生产和生活中必不可少的能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。在电力系统的发电、供电和用电过程中，电能计量是非常重要的一个环节，是电网经济核算的依据。电能计量装置是对电能进行计量的主要工具，电能计量装置的准确与否，直接关系到发、供、用电三方的经济利益。
在电能计量装置中，需要采用电流互感器来进行电流采集，理想状态下，电流互感器的输入电流与输出电压应成线性关系，然而，实际上，在弱磁场下，电流互感器的磁芯磁导率低，感应不灵敏；在强磁场下，其磁芯容易饱和，使得电流互感器的实际输出电压出现失真，与输入电流变成非线性关系，如图1所示，导致电能计量过程容易失真，影响准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电流互感器信号的处理方法和装置以及电能计量方法用以解决上述存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种电流互感器信号的处理方法，包括如下步骤：
步骤A，在设定的时间段t内，对电流互感器输出的交流电压信号进行N次AD采样，得到N个电压采样值V，构成一电压采样数组；
步骤B，通过该电压采样数组计算出该交流电压信号的频率f以及每个电压采样值V的相位X；
步骤C，对该电压采样数组内的每个电压采样值V进行补偿，补偿后的电压采样值V补为：
Figure BDA0002643145220000021
其中，f1为电压值的补偿函数，由电流互感器的理想输出电压和实际输出电压进行拟合得出，f2为相位的补偿函数，由电流互感器的理想输出相位和实际输出相位进行拟合得出；
步骤D，将补偿后的电压采样数组进行DAC转换后输出。
进一步的，所述步骤A包括：
步骤A1，对电流互感器输出的交流电压信号进行滤波处理；
步骤A2，在设定的时间段t内，对滤波处理后的交流电压信号进行N次AD采样，得到N个电压采样值V，构成一电压采样数组。
进一步的，所述步骤A中，时间段t大于等于该交流电压信号的1个周期时间。
更进一步的，所述步骤B具体为：计算出该电压采样数组中相邻的最大电压采样值和最小电压采样值，则最大电压采样值和最小电压采样值的采样时间差即为该交流电压信号的1/2周期，从而得出该交流电压信号的频率f以及每个电压采样值的相位X。
更进一步的，所述步骤B中，采用排序法计算出该电压采样数组中相邻的最大电压采样值和最小电压采样值。
进一步的，还包括步骤E，对步骤D中经DAC转换后信号进行放大后再输出。
本发明还提供了一种电能计量方法，包括上述的电流互感器信号的处理方法。
本发明还提供了一种电流互感器信号的处理装置，包括ADC采样模块、处理模块和DAC转换模块；
ADC采样模块用于在设定的时间段t内，对电流互感器输出的交流电压信号进行N次AD采样，得到N个电压采样值V，构成一电压采样数组并传输给处理模块；
处理模块用于执行如下步骤：通过该电压采样数组计算出该交流信号的频率f以及每个电压采样值V的相位X；
对该电压采样数组内的每个电压采样值V进行补偿，补偿后的电压采样值V补为：
Figure BDA0002643145220000031
其中，f1为电压值的补偿函数，由理想输出电压和实际输出电压进行拟合得出，f2为相位的补偿函数，由理想输出相位和实际输出相位进行拟合得出；
将补偿后的电压采样数组传输给DAC转换模块；
DAC转换模块用于将补偿后的电压采样数组进行DAC转换后输出。
进一步的，所述ADC采样模块、处理模块和DAC转换模块集成在同一个MCU处理器内，所述ADC采样模块通过DMA传输方式将电压采样数组传输给处理模块，处理模块通过DMA传输方式将补偿后的电压采样数组传输给DAC转换模块。
进一步的，还包括滤波电路和模拟放大电路，滤波电路设置在电流互感器的输出端与ADC采样模块之间，模拟放大电路设置在DAC转换模块的输出端上。
本发明的有益技术效果：
本发明可以很好地解决电流互感器输出失真的问题，从而可以提高电能计量的准确度，且算法简单，易于实现，成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为电流互感器输出电压失真的示意图；
图2为本发明具体实施例的电流互感器信号的处理方法流程图；
图3为经过本发明的电流互感器信号的处理方法处理后的电流互感器输出电压与输入电流的关系图；
图4为本发明具体实施例的电流互感器信号的处理装置的结构示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图2所示，一种电流互感器信号的处理方法，包括如下步骤：
步骤A，在设定的时间段t内，对电流互感器输出的交流电压信号进行N次AD采样，得到N个电压采样值V，构成一电压采样数组。
优选的，在对电流互感器输出的交流电压信号进行AD采样前，先对该交流电压信号进行滤波处理，以滤除杂波的干扰，提高准确度。
本具体实施例中，是通过低通电路进行滤波，以滤除高频杂波干扰，但并不限于此。
本具体实施例中，还对滤波后的交流电压信号的电位进行整体抬高，使其整个的输出信号在MCU处理器的ADC(模数转换)可采样的范围内，便于AD采样。
优选的，本实施例中，时间段t大于等于该交流电压信号的1个周期时间，便于后续的频率f和相位X的计算，但并不以此为限，在一些实施例中，时间段t也可以小于1个周期时间。
N的值越大，则精度越高，但相应地会增加处理量，因此，N的值可以根据实际情况进行设定，此是本领域技术人员可以轻易实现的，不再细说。
如由于被检测的电流通常都是50Hz/60Hz正弦交流电，可以选择时间段t为50ms，N为50个，但并不限于此。
步骤B，通过该电压采样数组计算出该交流电压信号的频率f以及每个电压采样值V的相位X。
具体的，本实施例中，先计算出该电压采样数组中相邻的最大电压采样值和最小电压采样值，则最大电压采样值和最小电压采样值的采样时间差即为该交流电压信号的1/2周期，从而得出该交流电压信号的频率f以及每个电压采样值的相位X，算法简单，易于实现，但并不限于此，在其它实施例中，也可以采用其它方式得出该交流电压信号的频率f以及每个电压采样值V的相位X，如可以先计算出该电压采样数组中相邻的两个最大电压采样值或两个最小电压采样值，则两个最大电压采样值或两个最小电压采样值的采样时间差即为该交流电压信号的周期，从而得出该交流电压信号的频率f以及每个电压采样值的相位X等。
本具体实施例中，采用排序法计算出该电压采样数组中相邻的最大电压采样值和最小电压采样值，算法简单，易于实现，但并不限于此，在其它实施例中，也可以采用其它方法来实现。
步骤C，对该电压采样数组内的每个电压采样值V进行补偿，补偿后的电压采样值V补为：
Figure BDA0002643145220000061
其中，f1为电压值的补偿函数，由电流互感器的理想输出电压和实际输出电压进行拟合得出，f2为相位的补偿函数，由电流互感器的理想输出相位和实际输出相位进行拟合得出。
由于同一磁芯材料表现出的非线性失真有一定的一致性，因此，f1可以采用试验测试得出，即采用一已知的交流电流信号进行输入，记录其实际输出的交流电压信号V实际，并计算出该已知的交流电流信号经电流互感器的理想输出的交流电压信号V理想，将交流电压信号V实际与交流电压信号V理想进行拟合，得出f1，即V理想＝f1(V实际)。
f2采用上述的同样方法进行试验测试得出，此不再细说。
步骤D，将补偿后的电压采样数组进行DAC(数模转换)转换后输出。
具体的，将该电压采样数组内的每个电压采样值V都按公式1进行补偿，得到补偿后的电压采样数组，然后将补偿后的电压采样数组进行DAC转换后输出，以进行后续处理，如电能计量等。
本具体实施例中，还包括步骤E，对步骤D中经DAC转换后的信号进行放大处理后再输出，以得到理想的一个变比及功率参数，适应后续的相关处理需求。
经过上述处理方法处理后，电流互感器输出的电压信号没有失真，其与输入电流呈线性关系，如图3所示，提高了电流互感器的检测准确度，且算法简单，易于实现，成本低。
本发明还提供了一种电能计量方法，包括上述的电流互感器信号的处理方法，从而提高了电能计量的准确性。
如图4所示，本发明还提供了一种电流互感器信号的处理装置，包括MCU处理器1，MCU处理器1包括ADC采样模块11、处理模块13和DAC转换模块12。
ADC采样模块11用于在设定的时间段t内，在定时器111的控制下，定时触发对电流互感器4输出的交流电压信号进行N次AD采样，得到N个电压采样值V，构成一电压采样数组并传输给处理模块13；更具体的可以参考上述的步骤A，此不再细说。
处理模块13用于执行如下步骤：通过该电压采样数组计算出该交流信号的频率f以及每个电压采样值V的相位X。
对该电压采样数组内的每个电压采样值V进行补偿，补偿后的电压采样值V补为：
Figure BDA0002643145220000071
其中，f1为电压值的补偿函数，由理想输出电压和实际输出电压进行拟合得出，f2为相位的补偿函数，由理想输出相位和实际输出相位进行拟合得出。
将补偿后的电压采样数组传输给DAC转换模块12。
更具体的处理过程请参照上述的步骤B和C，此不再细说。
DAC转换模块13用于在定时器121的控制下，将补偿后的电压采样数组进行DAC转换后输出。
优选的，本具体实施例中，所述ADC采样模块11通过DMA(直接存储器存取)传输方式将电压采样数组传输给处理模块13，处理模块13通过定时器121触发DMA传输将补偿后的电压采样数组传输给DAC转换模块12，采样DMA传输方式，无需CPU的干预，不会使MCU处理器中断，提高传输效率，降低MCU处理器的负担。
进一步的，本具体实施例中，还包括滤波电路2和模拟放大电路3，滤波电路2设置在电流互感器4的输出端与ADC采样模块11之间，用于对电流互感器4的输出电压信号进行滤波，以滤除杂波干扰。
本具体实施例中，滤波电路2为低通电路，用以滤除高频杂波干扰。
模拟放大电路3设置在DAC转换模块12的输出端上，以对DAC转换后的信号进行放大处理后再输出，以得到理想的一个变比及功率参数，适应后续的相关处理需求。
当然，在其它实施例中，也可以是处理模块13采用MCU处理器来实现，ADC采样模块11和DAC转换模块12为独立模块，外设在MCU处理器外。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电流互感器信号的处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A，在设定的时间段t内，对电流互感器输出的交流电压信号进行N次AD采样，得到N个电压采样值V，构成一电压采样数组；
步骤B，通过该电压采样数组计算出该交流电压信号的频率f以及每个电压采样值V的相位X；
步骤C，对该电压采样数组内的每个电压采样值V进行补偿，补偿后的电压采样值V补为：
Figure FDA0002643145210000011
其中，f1为电压值的补偿函数，由电流互感器的理想输出电压和实际输出电压进行拟合得出，f2为相位的补偿函数，由电流互感器的理想输出相位和实际输出相位进行拟合得出；
步骤D，将补偿后的电压采样数组进行DAC转换后输出。
2.根据权利要求1所述的电流互感器信号的处理方法，其特征在于，所述步骤A包括：
步骤A1，对电流互感器输出的交流电压信号进行滤波处理；
步骤A2，在设定的时间段t内，对滤波处理后的交流电压信号进行N次AD采样，得到N个电压采样值V，构成一电压采样数组。
3.根据权利要求1所述的电流互感器信号的处理方法，其特征在于：所述步骤A中，时间段t大于等于该交流电压信号的1个周期时间。
4.根据权利要求3所述的电流互感器信号的处理方法，其特征在于：所述步骤B具体为：计算出该电压采样数组中相邻的最大电压采样值和最小电压采样值，则最大电压采样值和最小电压采样值的采样时间差即为该交流电压信号的1/2周期，从而得出该交流电压信号的频率f以及每个电压采样值的相位X。
5.根据权利要求4所述的电流互感器信号的处理方法，其特征在于，所述步骤B中，采用排序法计算出该电压采样数组中相邻的最大电压采样值和最小电压采样值。
6.根据权利要求1所述的电流互感器信号的处理方法，其特征在于：还包括步骤E，对步骤D中经DAC转换后信号进行放大后再输出。
7.一种电能计量方法，其特征在于：包括权利要求1-6任意一项所述的电流互感器信号的处理方法。
8.一种电流互感器信号的处理装置，其特征在于：包括ADC采样模块、处理模块和DAC转换模块；
ADC采样模块用于在设定的时间段t内，对电流互感器输出的交流电压信号进行N次AD采样，得到N个电压采样值V，构成一电压采样数组并传输给处理模块；
处理模块用于执行如下步骤：通过该电压采样数组计算出该交流信号的频率f以及每个电压采样值V的相位X；
对该电压采样数组内的每个电压采样值V进行补偿，补偿后的电压采样值V补为：
Figure FDA0002643145210000021
其中，f1为电压值的补偿函数，由理想输出电压和实际输出电压进行拟合得出，f2为相位的补偿函数，由理想输出相位和实际输出相位进行拟合得出；
将补偿后的电压采样数组传输给DAC转换模块；
DAC转换模块用于将补偿后的电压采样数组进行DAC转换后输出。
9.根据权利要求8所述的电流互感器信号的处理装置，其特征在于：所述ADC采样模块、处理模块和DAC转换模块集成在同一个MCU处理器内，所述ADC采样模块通过DMA传输方式将电压采样数组传输给处理模块，处理模块通过DMA传输方式将补偿后的电压采样数组传输给DAC转换模块。
10.根据权利要求8所述的电流互感器信号的处理装置，其特征在于：还包括滤波电路和模拟放大电路，滤波电路设置在电流互感器的输出端与ADC采样模块之间，模拟放大电路设置在DAC转换模块的输出端上。
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