CN112667967B - 一种输出电压发生零点漂移的数据预处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种输出电压发生零点漂移的数据预处理方法及装置，属于电流测量领域，数据预处理方法包括：根据输出电压频率，确认包含预设周期数的时间区段；识别脉冲信号的起始点和结束点；计算脉冲信号起始点之前的电压数据的平均值；将脉冲信号的电压数据与平均值作差，获取无零点漂移时的电压数据，其中，一个脉冲信号持续时间为一个周期；所述脉冲信号起始点之前的相邻电压数据变化不超过预设值，且脉冲信号起始点之前至少存在一个周期数。本发明可以对零点漂移量进行识别并消除，补偿后期数据处理可能产生的较大误差。
Description
技术领域
本发明属于电流测量领域，更具体地，涉及一种输出电压发生零点漂移的数据预处理方法及装置。
背景技术
随着现代电网的不断延伸和扩展，大容量的电力系统、高电压、大电流成为发展趋势，因此对于电流测量装置提出了更高的要求。传统电磁式电流互感器(CT)体积大且在大电流下磁路容易饱和，长时间的测量会使得测量结果产生较大误差。而罗氏线圈相较于CT体积更小、测量精度更高且无磁饱和，已经渐渐广泛应用于大电流测量。
由于脉冲电流存在波形陡度大且持续时间短的特征，对测量精度要求较高，同时脉冲电流发生器越来越小型化发展，罗氏线圈也常应用于脉冲电流测量领域。
罗氏线圈是一个将导线均匀绕制在非铁磁空心环形骨架材料上的线圈，载流导线穿过线圈中心会在线圈两端产生一个感应电动势，即输出信号。这个输出信号的大小正比于电流对时间的微分，而且罗氏线圈输出电压值一般很小，还原被测电流信号，需要将线圈输出电压信号经过放大电路和积分电路。
在利用罗氏线圈进行电流测量时，输出的电压结果会受到一系列条件的影响：线圈绕线均匀程度、绕制方式、骨架结构、骨架材料、干扰电磁场和环境温度等，从而产生一定的直流电压偏置。虽然输出电压的整体波形不会发生失真，但波形整体会向上或向下发生一定的偏移，导致输出电压数值的变化。现有技术在还原被测电流时要经过放大及积分运算，在经过积分电路后，原先较小的偏置误差会不断累积从而扩大，再加上放大电路的作用，往往会产生较大的误差。
已有的改善输出电压零点漂移的方法皆是从测量器件本身和环境条件入手。例如使用PCB板绕制线圈使绕线均匀且骨架各处横截面一致、给测量装置加屏蔽罩以屏蔽干扰电磁场等。这些方法也只能在较小程度上减小零点漂移的影响，而且对于测量技术条件要求较高。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种输出电压发生零点漂移的数据预处理方法及装置，旨在解决现有的罗氏线圈进行电流测量时，由于输出电压的偏移，导致被测电流误差较大的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种输出电压发生零点漂移的数据预处理方法，包括以下步骤；
根据输出电压频率，确认包含预设周期数的时间区段；
在时间区段内识别脉冲信号的起始点和结束点；
计算脉冲信号起始点之前的电压数据的平均值；将脉冲信号的电压数据与平均值作差，获取无零点漂移时的电压数据；
其中，一个脉冲信号持续时间为一个周期；脉冲信号起始点之前的相邻电压数据变化不超过预设值，且脉冲信号起始点之前至少存在一个周期数。
优选地，通常预设值为1。
优选地，脉冲信号包括时间和电压值。
优选地，识别脉冲信号的起始点和结束点的方法为：
根据脉冲信号计算电压持续变化率；
通过电压的持续变化率识别起始点和结束点。
优选地，计算电压的持续变化率的方法为：
选择脉冲信号起始点所在区段或结束点所在区段，依次计算区段内每个采样点与其下i个采样点之间的电压变化率，获取电压的持续变化率，其中，i≥3。
优选地，根据电压的持续变化率识别起始点和结束点的方法为：
电压变化率开始单调增加的点为脉冲信号的起始点；电压变化率结束单调减小的点为脉冲信号的结束点。
优选地，输出电压为基于罗氏线圈测量脉冲电流时的输出电压。
基于上述提供的测量脉冲电流时输出电压发生零点漂移的数据预处理方法，本发明提供了相应的数据预处理装置，包括：顺次相连的波形筛选模块、识别模块、均值计算模块和加法器；
波形筛选模块用于根据输出电压频率，确认包含预设周期数的时间区段；
识别模块用于在时间区段内识别脉冲信号的起始点和结束点；
均值计算模块用于计算脉冲信号起始点之前的电压数据的平均值；
加法器用于将脉冲信号的电压数据与平均值作差，获取无零点漂移时的电压数据；
其中，一个脉冲信号持续时间为一个周期；所述脉冲信号起始点之前的相邻电压数据变化不超过预设值，且脉冲信号起始点之前至少存在一个周期数。
优选地，预设值通常为1；
优选地，识别模块包括电压持续变化率计算单元和识别单元；
电压持续变化率计算单元用于选择脉冲信号起始点所在区段或结束所在区段，依次计算区段内每个采样点与其下i个采样点之间的电压变化率，获取电压的持续变化率，其中，i≥3；
识别单元用于将电压变化率开始单调增加的点作为脉冲信号的起始点；将电压变化率结束单调减小的点作为脉冲信号的结束点。
优选地，脉冲信号为基于罗氏线圈测量脉冲电流时的脉冲信号。
本发明提供的输出电压发生零点漂移的数据预处理方法可存储至计算机可读存储介质中，存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时可实现输出电压发生零点漂移的数据预处理方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供的输出电压发生零点漂移的数据预处理方法包括：选取包含预设周期数的脉冲信号；识别脉冲信号的起始点和结束点；计算脉冲信号起始点之前的电压数据的平均值；将脉冲信号的电压数据与平均值作差，获取无零点漂移时的电压数据。上述预处理步骤可以对零点漂移量进行识别并消除，补偿后期数据处理可能产生的较大误差。
附图说明
图1是本发明实施例提供的数据预处理流程示意图；
图2是本发明实施例提供的罗氏线圈测量一脉冲电流时的输出电压波形；
图3是本发明实施例提供的脉冲电流经分流器测得的电流波形、对图2脉冲信号未经过数据预处理还原得到的电流波形、对图2脉冲信号经过数据预处理还原得到的电流波形三者对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种输出电压发生零点漂移的数据预处理方法，包括以下步骤：
根据输出电压频率，确认包含预设周期数的时间区段；
在时间区段内识别脉冲信号的起始点和结束点；
计算脉冲信号起始点之前的电压数据的平均值；
将脉冲信号的电压数据与所述平均值作差，获取无零点漂移时的电压数据；
其中，一个脉冲信号持续时间为一个周期；所述脉冲信号起始点之前的相邻电压数据变化不超过预设值，且脉冲信号起始点之前至少存在一个周期数。
需指出，预设周期数的时间区段包含完整的脉冲信号，同时预设周期数为至少2个周期数。
优选地，预设值为1。
优选地，识别脉冲信号的起始点和结束点的方法为：
根据脉冲信号数据计算电压持续变化率；
通过电压的持续变化率识别起始点和结束点。
优选地，计算电压持续变化率的方法为：
选择脉冲信号起始点所在区段或结束所在区段，依次计算区段内每个采样点与其下i个采样点之间的电压变化率，其中，i≥3。
优选地，根据电压的持续变化率识别起始点和结束点的方法为：
电压变化率开始单调增加的点为脉冲信号的起始点；电压变化率结束单调减小的点为脉冲信号的结束点。
优选地，输出电压为基于罗氏线圈测量脉冲电流时的输出电压。
基于上述提供的测量脉冲电流时输出电压发生零点漂移的数据预处理方法，本发明提供了相应的数据预处理装置，包括：顺次相连的波形筛选模块、识别模块、均值计算模块和加法器；
波形筛选模块用于选取包含预设周期数的脉冲信号；
识别模块用于识别脉冲信号的起始点和结束点；
均值计算模块用于计算脉冲信号起始点之前的电压数据的平均值；；
其中，一个脉冲信号持续时间为一个周期；脉冲信号起始点之前的相邻电压数据变化不超过预设值，且脉冲信号起始点之前至少存在一个周期数；
加法器用于将脉冲信号的电压数据与平均值作差，获取无零点漂移时的电压数据。
优选地，识别模块包括电压持续变化率计算单元和识别单元；
电压持续变化率计算单元用于选择脉冲信号起始点所在区段或结束点所在区段，依次计算区段内每个采样点与其下i个采样点之间的电压变化率，获取电压的持续变化率，其中，i≥3；
识别单元用于将电压变化率开始单调增加的点作为脉冲信号的起始点；将电压变化率结束单调减小的点作为脉冲信号的结束点。
优选地，脉冲信号为基于罗氏线圈测量脉冲电流时的脉冲信号。
本发明提供的输出电压发生零点漂移的数据预处理方法可存储至计算机可读存储介质中，存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时可实现输出电压发生零点漂移的数据预处理方法。
实施例
图1是本发明提供的一种基于罗氏线圈测量脉冲电流时输出电压发生零点漂移的数据预处理方法，包括如下步骤：
S01.根据输出电压频率，确认包含预设周期数的时间区段；
该步骤具体包括：
选取采样率1.25GHz，采样间隔为0.8ns，利用罗氏线圈对一冲击电流进行测量，得到如图2所示的输出电压波形图。该波形图选取的时间区段内包含完整的脉冲信号，所得的波形纵轴是电压值(单位V)，横轴是时间(单位us)；
S02.在时间区段内识别脉冲信号的起始点和结束点；
根据脉冲信号数据计算电压持续变化率；
通过电压的持续变化率识别起始点和结束点。
电压持续变化率的计算范围是包含输出电压起始点和结束点的区段，对区段内的每一个采样点依次计算采样点和相邻第一个下采样点、相邻第二个下采样点……，直到相邻第五个下采样点之间的电压变化率，即计算电压持续变化率，分别为A1＝ΔU1/Δt，A2＝ΔU2/Δt，……，A5＝ΔU5/Δt，Δt为一个采样间隔0.8ns，ΔUi(i＝1,2,3,4,5)为本采样点和相邻第i个下采样点之间的电压差；Ai(i＝1,2,3,4,5)突然开始单调增加的采样点为起始点，而Ai(i＝1,2,3,4,5)由单调减小突然变化到较稳定值的采样点为结束点；
S03.计算脉冲信号起始点之前的电压数据的平均值；
其中，一个脉冲信号持续时间为一个周期；所述脉冲信号起始点之前的相邻电压数据变化不超过预设值，且脉冲信号起始点之前至少存在一个周期数；
具体地，根据脉冲信号起始点之前的电压数据，对从第一个采样点开始至脉冲信号的起始点之间的电压数据计算平均值Uav＝∑Uk/n,(k＝1,2,...,n)，n是从第一个采样点到脉冲信号的起始点之间的总采样点数；
S04.将脉冲信号的电压数据与平均值作差，获取无零点漂移时的电压数据。
经过上述方法获取的无零点漂移的脉冲信号的采样点对应电压值为U＝Ui-Uav(Ui为脉冲信号的电压数据)；
上述获取无零点漂移时的电压数据的过程为预处理过程。通常通过罗氏线圈输出的无零点漂移时的电压数据，计算被测电流，具体关系为：M为对U进行积分运算的放大倍数，得到的被测电流的波形如图3中星形标志所在曲线所示；
对脉冲信号的电压数据不进行预处理，直接进行积分并放大还原得到电流波形如图3中矩形标志所在曲线所示；利用分流器测量被测电流波形，得到如图3中圆球形标志所在曲线所示的波形；
根据图3可知，相比于直接进行积分放大与分流器测量被测电流波形的吻合度，对脉冲信号的电压数据进行预处理后积分放大与分流器测量被测电流波形的吻合度更高，因此，本发明提供的基于罗氏线圈测量脉冲电流时输出电压发生零点漂移的数据预处理方法可很好地还原被测电流。
本领域的技术人员容易理解，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 (5)
1.一种输出电压发生零点漂移的数据预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据输出电压频率，确认包含预设周期数的时间区段；
在所述时间区段内识别脉冲信号的起始点和结束点；
计算脉冲信号起始点之前的电压数据的平均值；
将脉冲信号的电压数据与所述平均值作差，获取无零点漂移时的电压数据；
其中，一个脉冲信号持续时间为一个周期；所述脉冲信号起始点之前的相邻电压数据变化不超过预设值，且脉冲信号起始点之前至少存在一个周期数；
其中，输出电压为基于罗氏线圈测量脉冲电流时的输出电压；
其中，在所述时间区段内识别脉冲信号的起始点和结束点的具体步骤为：
选择脉冲信号起始点所在区段或结束点所在区段，依次计算区段内每个采样点与其下i个采样点之间的电压变化率，获取电压的持续变化率，其中，i≥3；
将电压变化率开始单调增加的点作为脉冲信号的起始点；且将电压变化率结束单调减小的点作为脉冲信号的结束点。
2.基于权利要求1所述的数据预处理方法的数据预处理装置，其特征在于，包括顺次相连的波形筛选模块、识别模块、均值计算模块和加法器；
所述波形筛选模块用于根据输出电压频率，确认包含预设周期数的时间区段；
所述识别模块用于在所述时间区段内识别脉冲信号的起始点和结束点；
所述均值计算模块用于计算脉冲信号起始点之前的电压数据的平均值；
所述加法器用于将脉冲信号的电压数据与平均值作差，获取无零点漂移时的电压数据；
其中，一个脉冲信号持续时间为一个周期；所述脉冲信号起始点之前的相邻电压数据变化不超过预设值，且脉冲信号起始点之前至少存在一个周期数。
3.根据权利要求2所述的数据预处理装置，其特征在于，所述识别模块包括相连的电压持续变化率计算单元和识别单元；
所述电压持续变化率计算单元用于选择脉冲信号起始点所在区段或结束点所在区段，依次计算区段内每个采样点与其下i个采样点之间的电压变化率，获取电压的持续变化率，其中，i≥3；
识别单元用于将电压变化率开始单调增加的点作为脉冲信号的起始点；将电压变化率结束单调减小的点作为脉冲信号的结束点。
4.根据权利要求2或3所述的数据预处理装置，其特征在于，所述脉冲信号为基于罗氏线圈测量脉冲电流时的脉冲信号。
5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述的方法的步骤。
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