CN113568335B - 一种罗氏线圈电流互感器用模拟积分及自校准系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种罗氏线圈电流互感器用模拟积分及自校准系统和方法，通过电流控制传送器和电容器组成积分回路，将罗氏线圈输出的低电压信号还原为电流信号；利用校准回路设置电流控制器的偏置电流，修正积分电路的时漂和温漂。本发明避免了数字积分法的波形跟随及拖尾问题，解决了模拟积分稳定性受时漂和温漂影响问题，与传统基于运算放大器的模拟积分法相比，受罗氏线圈内阻影响小、适合高频电流分量的测量，应用于罗氏线圈电流互感器，能够更准确地还原一次电流信号，掌握电流暂态信息，提高电流互感器动态响应能力，更好地实现电力系统的保护与控制。

Description

一种罗氏线圈电流互感器用模拟积分及自校准系统和方法

技术领域

本发明属于电气设备运行检测技术领域，尤其是一种罗氏线圈电流互感器用模拟积分及自校准系统和方法。

背景技术

电流互感器是电力系统中重要的测量设备，用于将一次侧的大电流变换为便于测量的小电流或低电压，从而为继电保护、测量控制提供一次电流信息。为满足智能电网发展中对数字化、动态测量的要求，并解决电磁式电流互感器固有的磁路饱和、铁磁谐振等问题，国内外在电子式电流互感器的理论、技术和应用方面开展了大量的研究，开发了不同类型和用途的电子式电流互感器。罗氏线圈电流互感器是一类有源电子式电流互感器，利用罗氏线圈作为传感元件，将电流信号变换为低电压信号，经电子电路处理后还原为一次侧电流。

罗氏线圈输出的低电压信号是一次电流的微分信号，需要在罗氏线圈的输出端增加一个积分环节将低电压信号还原为一次电流，积分处理方法可分为模拟积分法和数字积分法。模拟积分法采用有源或无源模拟电路组成的积分器，数字积分法对输出电压做A/D转换后在处理器中进行数字积分运算。在模拟积分法中，电路元件参数的时漂和温漂会对影响积分结果的稳定性，在数字积分法中，由于采样率有限，数字积分运算无法完全跟踪瞬变电流，影响高频暂态电流信号测量，限制了其在保护控制等情景中的应用。目前工程应用中，多采用罗氏线圈结合有源模拟积分实现保护用电流信号的测量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种罗氏线圈电流互感器用模拟积分及自校准系统和方法，通过电流控制传送器和电容器组成积分回路，将罗氏线圈输出的低电压信号还原为电流信号；利用校准回路设置电流控制器的偏置电流，修正积分电路的时漂和温漂。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种罗氏线圈电流互感器用模拟积分及自校准系统，包括罗氏线圈、晶振、模拟通道选择模块、第一模拟积分系统、第二模拟积分系统、DSP和温度传感器，罗氏线圈和晶振的输出分别连接模拟通道选择模块的输入，模拟通道选择模块的第一输出连接第一模拟积分系统的输入，模拟通道选择模块的第二输出连接第二模拟积分系统的输入，第一模拟积分系统、第二模拟积分系统和温度传感器的输出分别连接DPS的输入，DPS的输出分别连接第一模拟积分系统和第二模拟积分系统的偏置电流输入，DPS的另一输出连接模拟通道选择模块的选择信号输入。

而且，所述第一模拟积分系统和第二模拟积分系统的硬件结构及参数完全相同，均包括第一电流传送器、第二电流传送器、第三电流传送器、温度补偿用电容器、补偿电阻和电流型A/D转换器，第一电流传送器的电压输入端连接模拟通道选择模块的输出，第一电流传送器的正负极电流输出端分别连接电流型A/D转换器，电流型A/D转换器进行数字输出，第一电流传送器的电流输入端通过补偿电阻分别连接第二电流传送器的电压输入端和第三电流传送器的负极电流输出，第二电流传送器的电流输入端、第二电流传送器的负极电流输出、第三电流传送器的电流输入端和第三电流传送器的正极电流输出端接地，第二电流传送器的正极电流输出和第三电流传送器的电压输入端连接并通过温度补偿用电容器接地。

而且，所述第一电流传送器、第二电流传送器和第三电流传送器的参数相同。

而且，所述模拟积分系统的电路连接关系为：

其中，M为罗氏线圈的互感系数，v_in为输入第一电流传送器的电压输入端的电压，v_x1为第一电流传送器的电流输入端的电压，v_x2为第二电流传送器的电流输入端的电压，i_x1为第一电流传送器的正极电流输出端流入电流，i_x2为第二电流传送器的正极电流输出端流入电流，i_x3为第三电流传送器的正极电流输出端流入电流，V(T)为电流传送器的热电压，I_g1为第一电流传送器的偏置电流、I_g2为第二电流传送器的偏置电流、I_g3为第三电流传送器的偏置电流，v_y2为第二电流传送器的电压输入端的电压，v_y3为第三电流传送器的电压输入端的电压，C为温度补偿用电容器电容，R_b为补偿电阻阻值，i_z1为第一电流传送器正极电流输出端流入电流，-i_z2为第二电流传送器负极电流输出端流入电流，i_z2为第二电流传送器正极电流输出端流入电流，i_z3为第三电流传送器正极电流输出端流入电流，i_out为第一电流传送器正极电流输出端输出电流。

一种罗氏线圈电流互感器用模拟积分及自校准系统的积分及自校准方法，包括确定模拟积分系统参数方法和确定自校准系统参数方法。

而且，所述确定模拟积分系统参数方法包括以下步骤：

步骤1、选择补偿电阻阻值，使其满足R_b＝V(T)/(2I_g1)；

步骤2、选择温度补偿用电容器电容C。

而且，所述温度补偿用电容器电容C的计算方法为：

其中，M为罗氏线圈的互感系数，I_e为额定状态下一次电流I(t)的有效值，V_300K为电流传送器在温度T＝300K时的热电压，电流型A/D转换器的测量范围i_out∈[I_omin,I_omax]，偏置电流的设定区间I_gi∈[I_gmin,I_gmax]，δ∈[0,0.8]为设计裕度。

而且，所述确定自校准系统参数方法包括以下步骤：

步骤1、将电路正常工作温度区间离散为N个点{T_i}，其中i＝1,2,…,N，在不同温度下测量电流传送器的热电压V(T_i)；

步骤2、确定偏置电流I_g1的参数，实现补偿电阻R_b的温漂修正；

步骤3、确定偏置电流I_g2和I_g3的参数，实现积分电路温漂及时漂的修正。

而且，所述步骤2的具体实现方法为：在不同温度下测量补偿电阻值R_b(T_i)，计算离散温度点下的偏置电流I_g1序列G₁＝{G_1i}＝{V(T_i)/[2R_b(T_i)]}，其中i＝1,2,…,N，当DSP接收的环境温度为T时，查找满足T_k≤T＜T_k+1的整数k，输出I_g1修正为：

而且，所述步骤3的具体实现方法为：计算偏置电流I_g2序列G₂＝{G_2i}和I_g3序列G₃＝{G_3i}使其满足：

G_2iG_3i＝nC(T_i)V²(T_i)/d

其中，n为常数，C(T_i)为温度补偿用电容器不同温度下的电容，V(T_i)为电流传送器不同温度下的热电压，d为时漂修正系数，β(T,t)为温度为T的环境下正常运行时DSP所测电流型A/D输出值，t为时间，C(T)和V(T)由离散化的热电压序列{V(T_i)}和电容序列{C(T_i)}线性插值获取，β_300K为在温度T＝300K时DSP所测电流型A/D输出值，C_300K为在温度T＝300K时温度补偿用电容器的电容，V_300K为在温度T＝300K时电流传送器的热电压；当DSP接收的环境温度为T时，查找满足T_k≤T＜T_k+1的整数k，输出I_g2和I_g3修正为：

本发明的优点和积极效果是：

本发明通过电流控制传送器和电容器组成积分回路，将罗氏线圈输出的低电压信号还原为电流信号；利用校准回路设置电流控制器的偏置电流，修正积分电路的时漂和温漂。本发明系统包括模拟积分系统、自校准系统两个部分，模拟积分系统包括电流传送器、温度补偿用电容器、补偿电阻、电流型A/D转换器，自校准系统主要包括晶振、温度传感器、偏置电流计算部分，该偏置电流作为积分系统中电流传送器的输入信号，负责模拟积分校准。本发明避免了数字积分法的波形跟随及拖尾问题，解决了模拟积分稳定性受时漂和温漂影响问题，与传统基于运算放大器的模拟积分法相比，受罗氏线圈内阻影响小、适合高频电流分量的测量，应用于罗氏线圈电流互感器，能够更准确地还原一次电流信号，掌握电流暂态信息，提高电流互感器动态响应能力，更好地实现电力系统的保护与控制。

附图说明

图1为本发明自校准系统结构图；

图2为本发明模拟积分系统结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

一种罗氏线圈电流互感器用模拟积分及自校准系统，如图1所示，包括罗氏线圈、晶振、模拟通道选择模块、第一模拟积分系统、第二模拟积分系统、DSP和温度传感器，罗氏线圈和晶振的输出分别连接模拟通道选择模块的输入，模拟通道选择模块的第一输出连接第一模拟积分系统的输入，模拟通道选择模块的第二输出连接第二模拟积分系统的输入，第一模拟积分系统、第二模拟积分系统和温度传感器的输出分别连接DPS的输入，DPS的输出分别连接第一模拟积分系统和第二模拟积分系统的偏置电流输入，DPS的另一输出连接模拟通道选择模块的选择信号输入。第一模拟积分系统和第二模拟积分系统的硬件结构及参数完全相同。

晶振回路输出方波信号，和罗氏线圈低电压信号共同输入模拟通道选择器，根据选择信号将这2路输入信号分配给2个参数相同的模拟积分系统，积分系统的数字输出发送给DSP芯片。温度传感器检测积分电路所处的环境温度T并发送给DSP芯片。DSP芯片根据积分系统的2路数字输出信号、环境温度T计算偏置电流后，输出给模拟积分系统，实现时漂及温漂的修正。当第一模拟积分系统用于罗氏线圈信号转换时，第二模拟积分系统可自动校准参数；当第二模拟积分系统用于罗氏线圈信号转换时，第一模拟积分系统可自动校准参数，保证I(t)/i_out为固定值。

如图2所示，模拟积分系统包括：第一电流传送器、第二电流传送器、第三电流传送器、温度补偿用电容器、补偿电阻和电流型A/D转换器，第一电流传送器的电压输入端连接模拟通道选择模块的输出，第一电流传送器的正负极电流输出端分别连接电流型A/D转换器，电流型A/D转换器进行数字输出，第一电流传送器的电流输入端通过补偿电阻分别连接第二电流传送器的电压输入端和第三电流传送器的负极电流输出，第二电流传送器的电流输入端、第二电流传送器的负极电流输出、第三电流传送器的电流输入端和第三电流传送器的正极电流输出端接地，第二电流传送器的正极电流输出和第三电流传送器的电压输入端连接并通过温度补偿用电容器接地。

罗氏线圈的输出电压信号v_in输入第一电流传送器，第一电流传送器的输出电流信号i_out接入电流型A/D转换器，第一电流传送器、第二电流传送器、第三电流传送器、温度补偿用电容器和补偿电阻共同组成积分回路，第一电流传送器、第二电流传送器和第三电流传送器采用参数相同的第二代电流传送器(CCII±)，其偏置电流分别为I_g1、I_g2和I_g3。

模拟积分系统的电路连接关系为：

其中，M为罗氏线圈的互感系数，v_in为输入第一电流传送器的电压输入端的电压，v_x1为第一电流传送器的电流输入端的电压，v_x2为第二电流传送器的电流输入端的电压，i_x1为第一电流传送器的正极电流输出端流入电流，i_x2为第二电流传送器的正极电流输出端流入电流，i_x3为第三电流传送器的正极电流输出端流入电流，V(T)为电流传送器的热电压，I_g1为第一电流传送器的偏置电流、I_g2为第二电流传送器的偏置电流、I_g3为第三电流传送器的偏置电流，v_y2为第二电流传送器的电压输入端的电压，v_y3为第三电流传送器的电压输入端的电压，C为温度补偿用电容器电容，R_b为补偿电阻阻值，i_z1为第一电流传送器正极电流输出端流入电流，-i_z2为第二电流传送器负极电流输出端流入电流，i_z2为第二电流传送器正极电流输出端流入电流，i_z3为第三电流传送器正极电流输出端流入电流，i_out为第一电流传送器正极电流输出端输出电流。

一种罗氏线圈电流互感器用模拟积分及自校准系统的积分及自校准方法，包括确定模拟积分系统参数方法和确定自校准系统参数方法。

其中确定模拟积分系统参数包括以下步骤：

步骤1、选择补偿电阻阻值，使其满足R_b＝V(T)/(2I_g1)。则简化后可得到载流线中电流为I(t)与第一电流传送器的输出电流信号i_out满足线性关系：

步骤2、选择温度补偿用电容器电容C：

其中，I_e为额定状态下一次电流I(t)的有效值，V_300K为电流传送器在温度T＝300K时的热电压，电流型A/D转换器的测量范围i_out∈[I_omin,I_omax]，偏置电流的设定区间I_gi∈[I_gmin,I_gmax]，δ∈[0,0.8]为设计裕度。

确定自校准系统参数包括以下步骤：

步骤1、将电路正常工作温度区间离散为N个点{T_i}(i＝1,2,…,N)，在不同温度下测量电流传送器的热电压V(T_i)。

步骤2、确定偏置电流I_g1的参数，实现补偿电阻R_b的温漂修正。

在不同温度下测量补偿电阻值R_b(T_i)，计算离散温度点下的偏置电流I_g1序列G₁＝{G_1i}＝{V(T_i)/[2R_b(T_i)]}(i＝1,2,…,N)，当DSP接收的环境温度为T时，查找满足T_k≤T＜T_k+1的整数k，输出I_g1修正为：

步骤3、确定偏置电流I_g2和I_g3的参数，实现积分电路温漂及时漂的修正。

所述步骤3的具体实现方法为：计算偏置电流I_g2序列G₂＝{G_2i}和I_g3序列G₃＝{G_3i}使其满足：

G_2iG_3i＝nC(T_i)V²(T_i)/d

互感器每运行一段时间后(例如1个月)，计算时漂修正系数：

其中，n为常数，C(T_i)为温度补偿用电容器不同温度下的电容，V(T_i)为电流传送器不同温度下的热电压，d为时漂修正系数，β(T,t)为温度为T的环境下正常运行时DSP所测电流型A/D输出值，t为时间，C(T)和V(T)由离散化的热电压序列{V(T_i)}和电容序列{C(T_i)}线性插值获取，β_300K为在温度T＝300K时DSP所测电流型A/D输出值，C_300K为在温度T＝300K时温度补偿用电容器的电容，V_300K为在温度T＝300K时电流传送器的热电压；当DSP接收的环境温度为T时，查找满足T_k≤T＜T_k+1的整数k，输出I_g2和I_g3修正为：

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种罗氏线圈电流互感器用模拟积分及自校准系统，其特征在于：包括罗氏线圈、晶振、模拟通道选择模块、第一模拟积分系统、第二模拟积分系统、DSP和温度传感器，罗氏线圈和晶振的输出分别连接模拟通道选择模块的输入，模拟通道选择模块的第一输出连接第一模拟积分系统的输入，模拟通道选择模块的第二输出连接第二模拟积分系统的输入，第一模拟积分系统、第二模拟积分系统和温度传感器的输出分别连接DPS的输入，DPS的输出分别连接第一模拟积分系统和第二模拟积分系统的偏置电流输入，DPS的另一输出连接模拟通道选择模块的选择信号输入；

所述第一模拟积分系统和第二模拟积分系统的硬件结构及参数完全相同，均包括第一电流传送器、第二电流传送器、第三电流传送器、温度补偿用电容器、补偿电阻和电流型A/D转换器，第一电流传送器的电压输入端连接模拟通道选择模块的输出，第一电流传送器的正负极电流输出端分别连接电流型A/D转换器，电流型A/D转换器进行数字输出，第一电流传送器的电流输入端通过补偿电阻分别连接第二电流传送器的电压输入端和第三电流传送器的负极电流输出，第二电流传送器的电流输入端、第二电流传送器的负极电流输出、第三电流传送器的电流输入端和第三电流传送器的正极电流输出端接地，第二电流传送器的正极电流输出和第三电流传送器的电压输入端连接并通过温度补偿用电容器接地；

所述第一电流传送器、第二电流传送器和第三电流传送器的参数相同；

所述模拟积分系统的电路连接关系为：

其中，M为罗氏线圈的互感系数，v_in为输入第一电流传送器的电压输入端的电压，v_x1为第一电流传送器的电流输入端的电压，v_x2为第二电流传送器的电流输入端的电压，i_x1为第一电流传送器的正极电流输出端流入电流，i_x2为第二电流传送器的正极电流输出端流入电流，i_x3为第三电流传送器的正极电流输出端流入电流，V(T)为电流传送器的热电压，I_g1为第一电流传送器的偏置电流、I_g2为第二电流传送器的偏置电流、I_g3为第三电流传送器的偏置电流，v_y2为第二电流传送器的电压输入端的电压，v_y3为第三电流传送器的电压输入端的电压，C为温度补偿用电容器电容，R_b为补偿电阻阻值，i_z1为第一电流传送器正极电流输出端流入电流，-i_z2为第二电流传送器负极电流输出端流入电流，i_z2为第二电流传送器正极电流输出端流入电流，i_z3为第三电流传送器正极电流输出端流入电流，i_out为第一电流传送器正极电流输出端输出电流。

2.一种如权利要求1所述的罗氏线圈电流互感器用模拟积分及自校准系统的积分及自校准方法，其特征在于：包括确定模拟积分系统参数方法和确定自校准系统参数方法。

3.根据权利要求2所述的一种罗氏线圈电流互感器用模拟积分及自校准系统的积分及自校准方法，其特征在于：所述确定模拟积分系统参数方法包括以下步骤：

步骤1、选择补偿电阻阻值，使其满足R_b＝V(T)/(2I_g1)；

步骤2、选择温度补偿用电容器电容C。

4.根据权利要求3所述的一种罗氏线圈电流互感器用模拟积分及自校准系统的积分及自校准方法，其特征在于：所述温度补偿用电容器电容C的计算方法为：

其中，M为罗氏线圈的互感系数，I_e为额定状态下一次电流I(t)的有效值，V_300K为电流传送器在温度T＝300K时的热电压，电流型A/D转换器的测量范围i_out∈[I_omin,I_omax]，偏置电流的设定区间I_gi∈[I_gmin,I_gmax]，δ∈[0,0.8]为设计裕度。

5.根据权利要求2所述的一种罗氏线圈电流互感器用模拟积分及自校准系统的积分及自校准方法，其特征在于：所述确定自校准系统参数方法包括以下步骤：

步骤1、将电路正常工作温度区间离散为N个点{T_i}，其中i＝1,2,…,N，在不同温度下测量电流传送器的热电压V(T_i)；

步骤2、确定第一电流传送器的偏置电流I_g1的参数，实现补偿电阻R_b的温漂修正；

步骤3、确定第二电流传送器的偏置电流和第三电流传送器的偏置电流I_g2和I_g3的参数，实现积分电路温漂及时漂的修正。

6.根据权利要求5所述的一种罗氏线圈电流互感器用模拟积分及自校准系统的积分及自校准方法，其特征在于：所述步骤2的具体实现方法为：在不同温度下测量补偿电阻值R_b(T_i)，计算离散温度点下的偏置电流I_g1序列G₁＝{G_1i}＝{V(T_i)/[2R_b(T_i)]}，其中i＝1,2,…,N，当DSP接收的环境温度为T时，查找满足T_k≤T＜T_k+1的整数k，输出I_g1修正为：

。

7.根据权利要求5所述的一种罗氏线圈电流互感器用模拟积分及自校准系统的积分及自校准方法，其特征在于：所述步骤3的具体实现方法为：计算偏置电流I_g2序列G₂＝{G_2i}和I_g3序列G₃＝{G_3i}使其满足：

G_2iG_3i＝nC(T_i)V²(T_i)/d

其中，n为常数，C(T_i)为温度补偿用电容器不同温度下的电容，V(T_i)为电流传送器不同温度下的热电压，d为时漂修正系数，β(T,t)为温度为T的环境下正常运行时DSP所测电流型A/D输出值，t为时间，C(T)和V(T)由离散化的热电压序列{V(T_i)}和电容序列{C(T_i)}线性插值获取，β_300K为在温度T＝300K时DSP所测电流型A/D输出值，C_300K为在温度T＝300K时温度补偿用电容器的电容，V_300K为在温度T＝300K时电流传送器的热电压；当DSP接收的环境温度为T时，查找满足T_k≤T＜T_k+1的整数k，输出I_g2和I_g3修正为：