CN112285635A

CN112285635A - 外接电流互感器的终端校正方法及系统

Info

Publication number: CN112285635A
Application number: CN202011586428.0A
Authority: CN
Inventors: 郭小炼; 于毅; 刘洋; 胡许光
Original assignee: Wuhan Zhongyuan Electronic Information Co ltd
Current assignee: Wuhan Zhongyuan Electronic Information Co ltd
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2021-01-29
Anticipated expiration: 2040-12-29
Also published as: CN112285635B

Abstract

本发明提出了一种外接电流互感器的终端校正方法及系统，所述方法通过电压和电流测量的校准能够对终端内部信号采样处理的电路硬件差异进行消除，而根据不同外接电流互感器相位差而确定的经验化相位校正参数能够一一对应地补偿使用不同外接电流互感器的相位差异。

Description

外接电流互感器的终端校正方法及系统

技术领域

本发明涉及电量采集终端校正技术领域，尤其涉及一种外接电流互感器的终端校正方法及系统。

背景技术

随着工业物联网的兴起，导轨式电量采集终端以其施工安装方便和配置灵活的特点越来越多的应用在工业需求侧、生产线能耗管理改造、智能楼宇等系统。生产过程中无法对每一种开合式电流互感器在标准校验装置上进行校准，原因是导轨式电量采集终端产品的优点是可以根据现场线路电流、线径等安装条件选用不同规格开合式电流互感器，假设有N种开合式电流互感器，那么每台导轨式电量采集终端需要在标准校验装置上校准N次，这是无法做到批量生产的。传统的做法是生产50套导轨式电量采集终端，对这50套终端分别使用现有的某种开合式电流互感器按照模拟前端计量芯片的校准流程进行校准，然后从每台终端中读取各自的校正参数，这样这种开合式电流互感器就有50组校正参数，然后对这50组校正参数的取平均得到一组经验化的校正参数作为这种开合式电流互感器的经验校正参数。同样地，对其它型号的开合式电流互感器，采用同样的方法得到经验化的校正参数。最终，将不同开合式电流互感器的不同经验化的校正参数固化到终端程序中。在终端的实际应用中，当选择了某种开合式电流互感器型号后，程序将对应的开合式电流互感器经验化的校正参数找到并初始化模拟前端计量芯片，使之和选择的开合式电流互感器相适应。这种方法本质上将大量的校准工作前移至前期开发的测试环节，以期避开繁复的校准流程而使批量生产成为可能。

上述方案的问题在于试图以经验化的参数同时消除开合式电流互感器和导轨式电量采集终端内部的硬件差异。然而从外部交流电压、电流接入到最终终端得到电压、电流有效值，经过了导轨式电量采集终端内部较多的组成部件（图1），如信号采样、信号放大调理、模拟前端计量芯片等，根据硬件设计的原理分析这些差异主要包括采样电阻阻值的差异、运放差异和分压电阻阻值差异、模拟前端计量芯片的内部AD转换差异。即使开合式电流互感器是理想的无误差的电流互感器，这些终端内部自身的差异最终也会造成终端对外部输入交流电压、电流有效值测量的偏差，而依据电压电流有效值得到的功率自然也会产生偏差。可以看到经验化的参数需要消除的硬件差异远不止开合式电流互感器的差异，因此其效果虽然提升了生产的效率，但是产品的测量精度无法得到保证。在实际的小批量生产的过程中，发现有约20%的产品无法达到预期的精度要求（有功功率误差1%），经过具体的检查，这些功率超差的终端往往电压、电流的测量精度就超过了0.5%。

发明内容

有鉴于此，一方面，本发明提出了一种外接电流互感器的终端校正方法，以解决传统外接开合式电流互感器的终端校正方法无法消除终端内部硬件差异的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种外接电流互感器的终端校正方法，包括：

步骤S1，根据输入到终端的三相额定电压计算电压有效值，获取电压标准值，计算电压有效值相对于电压标准值的电压测量误差，根据电压测量误差计算电压增益校正参数，根据电压增益校正参数实现电压测量的校正；

步骤S2，根据外接电流互感器采样三相额定电流得到的二次侧电流计算电流有效值，获取电流标准值，计算电流有效值相对于电流标准值的电流测量误差，根据电流测量误差计算电流增益校正参数，根据电流增益校正参数实现电流测量的校正；

步骤S3，获取外接电流互感器的相位差，根据相位差计算相位校正参数，根据相位校正参数实现相位测量的校正;

步骤S3中，根据相位差计算相位校正参数，包括：

PHSx=

；

其中PHSx为相位校正参数，θ为外接电流互感器的相位差。

可选的，步骤S1中，根据电压测量误差计算电压增益校正参数，包括：

UGAINx=

，UGAINx为电压增益校正参数，ErrU为电压测量误差；

步骤S2中，根据电流测量误差计算电流增益校正参数，包括：

IGAINx=

，IGAINx为电流增益校正参数，ErrI为电流测量误差。

可选的，步骤S3中，获取外接电流互感器的相位差，包括：

步骤S31，获取外接电流互感器的二次侧电流输出百分比；

步骤S32，根据二次侧电流输出百分比确定百分比经验值；

步骤S33，根据百分比经验值计算外接电流互感器的相位差。

可选的，步骤S33包括：

θ(η)=(θa-θb)*

+θb，其中θa为外接电流互感器的最大相位差，θb为外接电流互感器的标称相位差，β取26.92，η为百分比经验值。

可选的，步骤S32包括：将0~100％分为多个连续的百分比区间，根据二次侧电流输出百分比所处的百分比区间确定百分比经验值。

可选的，步骤S32包括：将0~100％分为(0，N1]、(N1，25%]、(25%，100%]3个百分比区间，N1满足N1∈(5%，25%)且曲线θ-η在N1处的切线与曲线θ-η最接近；

若二次侧电流输出百分比所处的百分比区间为(0，N1]，则取(5%，N1]的中点为百分比经验值，若二次侧电流输出百分比所处的百分比区间为(N1，25%]，则取(N1，25%]的中点为百分比经验值，若二次侧电流输出百分比所处的百分比区间为(25%，100%]，则取100%为百分比经验值。

可选的，N1满足：曲线θ-η在N1处的切线与θ(5%)、θ(25%)所围梯形面积与曲线θ-η在[5%，25%]区间所围面积的差最小。

本发明的外接电流互感器的终端校正方法相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)通过电压和电流测量的校准能够对终端内部信号采样处理的电路硬件差异进行消除，而根据不同外接电流互感器相位差而确定的经验化相位校正参数能够一一对应地补偿使用不同外接电流互感器的相位差异；

(2)通过对电流测量的范围进行分段并在不同的区间采用不同的相位校正参数，能够进一步提升终端整体的测量精度；

(3)对电流测量的范围分为(0，15%]、(15%，25%]、(25%，100%]3段，分别采用10%、20%、100%二次侧电流输出对应的相位校正参数，在避免校正过程过于复杂的前提下最大化的提高了终端整体的测量精度；

(4)可使小批量终端产品的精度超差率由原先的20%左右降低到3%，且这3%的超差是开合式电流互感器的相位差偏差过大引起；整个方案要求在生产时增加一个校准环节，而且只是校准电压和电流，因此标准校验装置的功率源无需变换输出，这样就减少了等待功率源稳定的时间；另外，校准时需要的标准校验装置对于电表终端生产厂家本就是必备的，无需另外添置，唯一需要订制的0.1级高精度互感器，由于使用数量较少，基本也无成本上的增加；由于引入了校准环节，从而降低了对终端内部电阻精度等级的要求，原先产品使用的电阻精度等级为1‰，价格较高且备货周期较长，经过实验，电阻的精度等级可以降低为1%。节省了产品的成本。

另一方面，本发明提出了一种外接电流互感器的终端校正系统，以解决传统外接电流互感器的终端校正系统无法消除终端内部硬件差异的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种外接电流互感器的终端校正系统，包括：

电压测量校正模块，用于根据输入到终端的三相额定电压计算电压有效值，获取电压标准值，计算电压有效值相对于电压标准值的电压测量误差，根据电压测量误差计算电压增益校正参数，根据电压增益校正参数实现电压测量的校正；

电流测量校正模块，用于根据外接电流互感器采样三相额定电流得到的二次侧电流计算电流有效值，获取电流标准值，计算电流有效值相对于电流标准值的电流测量误差，根据电流测量误差计算电流增益校正参数，根据电流增益校正参数实现电流测量的校正；

相位测量校正模块，用于获取外接电流互感器的相位差，根据相位差计算相位校正参数，根据相位校正参数实现相位测量的校正;

相位测量校正模块中，根据相位差计算相位校正参数，包括：

PHSx=

；

其中PHSx为相位校正参数，θ为外接电流互感器的相位差。

所述终端校正系统与上述终端校正方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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为本发明的终端内部电压电流信号采样处理示意图。

图2为本发明的外接电流互感器的终端校正方法的流程图。

图3为本发明的开合式电流互感器的相位差-二次侧电流输出百分比的曲线图。

图4为本发明的外接电流互感器的终端校正系统的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

一般的，对于外接电流互感器的终端校正，传统校正方法还有：一、生产时对导轨式电量采集终端和某种配套型号电流互感器进行整体校准；该方案得到的校正参数只限于校准时配套使用的电流互感器型号，当实际使用不同一次电流、不同变比、不同型号的互感器时，这套校正参数是不合适的，该方案不适用；二、现场使用时对导轨式电量采集终端和实际使用的开合式电流互感器进行整体校准；这样校正参数即是依据实际使用的开合式电流互感器得到的，但是该方法需要较高精度的仪表做参照标准，且要求现场的电流稳定，而导轨式电量采集终端在现场安装后，线路上的电流千差万别且不稳定，因此该方法也不适用；三、将校正参数内置，一种开合式电流互感器对应一套内置校正参数，不进行校准；该方案便于生产，但是只考虑了开合式电流互感器的特性差异但没有兼顾导轨式电量采集终端间的差异，由于不同的终端由于内部的采样电路元器件的差异，无法使得每台终端的测量精度都达到要求。

一般的，针对导轨式电量采集终端内部的硬件差异问题，可以通过采购更高精度等级的电阻、更精密的运放芯片甚至变更模拟前端计量芯片方案来试图解决，但是这些措施无疑会对给元器件采购带来困难，也会增加产品成本，这样的改进方法显然也不可行。

为了解决上述终端校正方法的局限性，如图2所示，本实施例的外接电流互感器的终端校正方法，包括：

步骤S3，获取外接电流互感器的相位差，根据相位差计算相位校正参数，根据相位校正参数实现相位测量的校正。

步骤S1中，导轨式电量采集终端将输入的三相额定电压经过内部的分压电阻分压并经运放差分放大后输出给模拟前端计量芯片，模拟前端计量芯片将每相模拟信号进行AD 转换得到数字化的数值存储在芯片的电压有效值寄存器中，程序读取芯片该寄存器数值后再以一定比例将数值转换为测得的电压有效值Ux’，当标准源将电压标准值Ux通过串口发送给终端后，终端应用程序会计算出电压有效值相对于电压标准值的误差ErrU=(Ux’-Ux)/ Ux，然后根据公式①UGAINx=

计算出电压增益校正参数UGAINx，最后存储并写入模拟前端计量芯片相应的通道增益寄存器实现电压测量的校准。可以看到，完成这一步校准后终端内部的分压电阻、运放和模拟前端计量芯片的偏差即被校正，即所得到的电压增益校正参数就反映了被校准终端内部的硬件偏差，而和开合式电流互感器选用的型号无关，可以被这台终端的各种开合式电流互感器校正参数共用。

步骤S2中，三相额定电流首先通过外部电流互感器采样得到较小的二次侧电流，然后在导轨式电量采集终端内部通过采样电阻对该二次侧电流信号进行采样，然后将采样电压输出给模拟前端计量芯片，模拟前端计量芯片将每相模拟信号进行AD转换得到数字化的数值存储在芯片的电流有效值寄存器中，程序读取芯片该寄存器数值后再以一定比例将数值转换为测得的电流有效值Ix’，当标准源将电流标准值Ix通过串口发送给终端后，终端应用程序会计算出测量值相对于标准值的误差ErrI=(Ix’-Ix)/Ix，然后根据公式②IGAINx =

计算出电流增益校正参数IGAINx，最后存储并写入模拟前端计量芯片相应的通道增益寄存器实现电流测量的校准。可以看到，此步骤被校正偏差的环节有：外部电流互感器的比值差、终端内部的采样电阻、模拟前端计量芯片的偏差。如果使用的外部电流互感器的精度很高如0.1级订制的互感器，那么所得到的电流增益校正参数就基本反映了被校准终端内部的硬件偏差，从而被这台终端的各种开合式电流互感器校正参数共用。另外，对于不同开合式电流互感器的不同问题也可以简单的处理。假设程序按照比例k将芯片寄存器值转换为实际测量值，当实际使用的开合式电流互感器变比不同与校准时电流互感器变比时，程序只需要成比例地变化k即可。

步骤S3中，由于经过了上两步的电压和电流通道增益的校准，电压、电流有效值的校正误差可达0.02%~0.03%，同时，由于有功功率P=U*I*PF，因此，在阻性条件下（PF=1）的有功功率也自动完成。其中，PF为功率因数，PF等于有功功率与视在功率的比值，与负载的性质有关。此步骤只完成对相位进行校正。程序读取模拟前端计量芯片功率寄存器数值后再以一定比例将数值转换为测得的功率值Px’，当标准源将功率标准值Px通过串口发送给终端后，终端应用程序会计算出功率值相对于标准值的误差ErrP=(Px’-Px)/Px，然后根据公式③

PHSx=

计算出相位校正参数PHSx，最后存储并写入模拟前端计量芯片相应的相位寄存器实现相位测量的校正。可以看到，此步骤被校正偏差的环节有：外部电流互感器的相位差、终端内部电压、电流信号采样处理环节的相位偏差。而实际上由于测量的电压、电流信号频率很低为50Hz，终端内部的电阻采样、运放放大等环节的相频响应曲线在如此低的频率下引起的相位误差基本可以忽略，因此这个步骤得到的相位校正参数就基本只反映了外部电流互感器的相位差，或者说相位校正参数很大程度上由使用的外部电流互感器决定。

经过以上的分析，本实施例的校正参数由2部分组成：电压、电流增益校正参数UGAINx、IGAINx；相位校正参数PHSx。

UGAINx、IGAINx是每台终端在在标准校验装置的额定电压和额定电流条件下配合一套0.1级订制的电流互感器通过步骤S1和步骤S2得到。经过上面的分析，UGAINx的值和开合式电流互感器选用的型号无关。对于IGAINx，假设校准所采用的0.1级订制电流互感器校准电流时校正的误差为δk0，而在实际产品的应用中使用了比值差为ε的开合式电流互感器，那么电流测量的误差变为（1+ε）δk0，由于导轨式电量采集终端配套的开合式电流互感器一般为0.5级，根据厂家提供的比值差，ε远小于1（0.01级），因此可以认为电流的测量误差仍然接近δk0，即校准后的得到的电流增益校正值IGAINx仍然能够适用于不同的开合式电流互感器。

相位校正参数PHSx并不通过校准得到而是根据导轨式电量采集终端实际会使用到的不同的开合式电流互感器的相位差按照公式③来计算得到经验化的值。从上面的分析可以看到，相位校正参数很大程度上由使用的外部电流互感器决定，公式③的自变量ErrP 在Ф=60°即PF=0.5时有ErrP=[cos(60°+θ)-cos(60°)]/cos(60°)=2cos(60°+θ)-1，将该式带入公式③得到PHSx与电流互感器相位差之间的关系，即公式④PHSx=

。Ф为电压与电流的夹角，当负载是感性时，电压超前电流；当负载是容性时，电压滞后电流。PF与Ф具有关系PF＝cosФ，Ф=60°时，表示电压与电流有60度夹角。这样终端程序就可以依据开合式电流互感器厂家提供的相位差经验值确定每种开合式电流互感器的相位校正参数PHSx了。

这样本实施例通过电压和电流测量的校准能够对终端内部信号采样处理的电路硬件差异进行消除，而根据不同外接电流互感器相位差而确定的经验化相位校正参数能够一一对应地补偿使用不同外接电流互感器的相位差异。

本实施例可仅使用一个相位差经验值确定每种开合式电流互感器的相位校正参数PHSx，但由于开合式电流互感器的相位差特性在全量程内并非是一个固定值，而是随着二次侧输出电流的增大而减小并逐渐稳定。为了进一步提升导轨式电量采集终端产品整体的测量准确性，需要随着二次侧输出电流的改变而改变开合式电流互感器的相位差，进而得到实时更新的相位校正参数PHSx。

本实施例研究了开合式电流互感器厂家提供的开合式电流互感器相位差数据，并对多个开合式电流互感器的数据进行了拟合，发现开合式电流互感器的相位差(θ)-二次侧电流输出百分比(η)曲线大体符合关系式⑤θ(η)=(θa-θb)*

+θb，曲线如图3所示。其中，θb为外接电流互感器的标称相位差，一般也是额定电流测量下的相位差，θa为外接电流互感器的最大相位差，一般出现在额定电流5%一下，是厂家给出的产品的最大值，β值经过拟合后取26.92。因此，本实施例优选步骤S3中，获取外接电流互感器的相位差，包括：步骤 S31，获取外接电流互感器的二次侧电流输出百分比；步骤S32，根据二次侧电流输出百分比确定百分比经验值；步骤S33，根据百分比经验值计算外接电流互感器的相位差。

其中，步骤S32中，测量准确性最高的选择是实时改变开合式电流互感器的相位差，只要二次侧输出电流变化便立即改变开合式电流互感器的相位差，二次侧电流输出百分比即为百分比经验值，根据式⑤实时计算外接开合式电流互感器的相位差，这样会造成终端的程序过于复杂、计算量过大。

为平衡校正过程的复杂性及终端的精度，本实施例优选步骤S32包括：将0~100％分为多个连续的百分比区间，根据二次侧电流输出百分比所处的百分比区间确定百分比经验值。这样将整个电流测量范围分段，而模拟前端计量芯片正好提供了这样一个功能，通过设置其中的PRTH1、PRTH2两个寄存器，将整个输入电流范围划分成多个区间，对每一段可以在不同的寄存器中预设不同的相位校正参数，与多个区间一一对应。如选择二次侧电流输出百分比所处的百分比区间的中点值作为百分比经验值，代入式⑤进行计算，然后根据多个百分比经验值对终端进行相位测量的分段校正。

容易想到，百分比区间的个数越多，相位测量校正的精度越高，百分比区间的个数极限值是无穷多个，但百分比区间的个数太多肯定会造成校正过程过于复杂，且由于指数函数的特性，分段太多对提高精度并无太大意义。实际中发现，百分比区间的个数在2~4个较为合适，百分比区间的个数为3时可以很好的兼顾校正复杂性及精度，从而本实施例可将整个输入电流范围划分成3段区间：Region1、Region2、Region3，对每一段可以在不同的寄存器中预设不同的相位校正参数：PHSx_L、PHSx_M、PHSx_H与上述3段区间一一对应。 Region1、Region2、Region3分别对应3个百分比区间，接下来便是确定百分比区间的分段点。本实施例优选步骤S32包括：将0~100％分为(0，N1]、(N1，25%]、(25%，100%]3个百分比区间，N1满足N1∈(5%，25%)且曲线θ-η在N1处的切线与曲线θ-η最接近；若二次侧电流输出百分比所处的百分比区间为(0，N1]，则取(5%，N1]的中点为百分比经验值，若二次侧电流输出百分比所处的百分比区间为(N1，25%]，则取(N1，25%]的中点为百分比经验值，若二次侧电流输出百分比所处的百分比区间为(25%，100%]，则取100%为百分比经验值。则Region1、 Region2、Region3分别对应(0，N1]、(N1，25%]、(25%，100%]3个百分比区间。具体的，根据指数函数y=

的规律，当x=7时，y的值已经衰减到y(0)的1‰以下，这样就找到了第一个分段点

=7，η=0.26，取η为25%，大于开合式电流互感器量程25%的时候，相位差以标称相位差θ b带入公式④计算得到PHSx_H。由于额定电流5%以下的测量点的精度相关产品标准未作要求，可以与第一区间段Region1使用同样的相位校正参数。现在的问题就变成了在5%~25%之间找到另外一个分段点，在该分段点处做一切线使其能够最大限度接近θ-η曲线。该问题可近似转换为在(5%，25%)区间找到一点x，使得x点的切线与θ(5%)、θ(25%)所围梯形面积与曲线θ-η在[5%，25%]区间所围面积的差最小，即

表达式的值最小。使用计算机软件求解，可以得到

的值为0.15，即N1=15%，则3个百分比区间分别为(0，15%]、 (15%，25%]、(25%，100%]。对于百分比区间(0，15%]，由于额定电流5%以下的测量点的精度相关产品标准未作要求，(5%，15%]的中点为10%，可以用互感器厂家提供的开合式电流互感器的10%点的相位差θ(10%)带入公式④计算得到PHSx_L；对于百分比区间(15%，25%]，其中点为20%，可以用互感器厂家提供的开合式电流互感器的20%点的相位差θ(20%)带入公式④计算得到PHSx_M；对于百分比区间(25%，100%]，根据实际情况以及文档的分析，(25%，100%]之间的任意二次侧电流输出百分比对应的相位差值很接近，本实施例选择选取100%，可参考性更强。最终通过对电流测量的范围进行分段并在不同的区间采用不同的相位校正参数能够进一步提升终端整体的测量精度。

经本实施例的校正方法校正后，小批量终端产品的精度超差率由原先的20%左右降低到3%，且这3%的超差是开合式电流互感器的相位差偏差过大引起；整个方案要求在生产时增加一个校准环节，而且只是校准电压和电流，因此标准校验装置的功率源无需变换输出，这样就减少了等待功率源稳定的时间；另外，校准时需要的标准校验装置对于电表终端生产厂家本就是必备的，无需另外添置，唯一需要订制的0.1级高精度互感器，由于使用数量较少，基本也无成本上的增加；由于引入了校准环节，从而降低了对终端内部电阻精度等级的要求，原先产品使用的电阻精度等级为1‰，价格较高且备货周期较长，经过实验，电阻的精度等级可以降低为1%。节省了产品的成本。

如图4所示，本实施例还提供一种外接电流互感器的终端校正系统，包括：

PHSx=

；

其中PHSx为相位校正参数，θ为外接电流互感器的相位差。

本实施例的终端校正系统通过电压和电流测量的校准能够对终端内部信号采样处理的电路硬件差异进行消除，而根据不同外接电流互感器相位差而确定的经验化相位校正参数能够一一对应地补偿使用不同外接电流互感器的相位差异。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。