CN115372876A - 用于电子式互感器的测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于电子式互感器的测量装置和测量方法,该测量装置包括:一个模数转换电路;电子式互感器为基于罗氏线圈原理的电子式互感器,电子式互感器用于输出被测量的信号的微分结果,测量装置还包括:一个滤波器组,滤波器组包括多个低通滤波器,滤波器组连接在分压器的输出端和模数转换电路的输入端,分压器和滤波器组构成模拟电路,滤波器组的通频带与模数转换电路的可采样范围相应;一个数字滤波器,数字滤波器与模数转换电路的输出端连接,信号依次经过分压器、滤波器组、模数转换电路进入到数字滤波器,数字滤波器用于对信号进行还原。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统领域,特别是一种用于电子式互感器的测量装置和测量方法。
背景技术
电子式互感器包括连接到传输系统和转换器的一个或多个电压传感器或电流传感器,用以传输正比于被测量的量,供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。电子式互感器目前被广泛应用在电力系统领域。
由于电子式互感器输出的信号正比于被测量的量根据时间的变化率,例如一次侧信号,如何精确地还原被测量的量称为亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明提出了一种用于电子式互感器的测量装置,包括:
一个分压器,所述分压器的输入端用于连接一个电子式互感器;
一个模数转换电路;
所述电子式互感器为基于罗氏线圈原理的电子式互感器,所述电子式互感器用于输出被测量的信号的微分结果,所述测量装置还包括:
一个滤波器组,所述滤波器组包括多个低通滤波器,所述滤波器组连接在所述分压器的输出端和所述模数转换电路的输入端,所述分压器和所述滤波器组构成模拟电路,所述滤波器组的通频带与所述模数转换电路的可采样范围相应;
一个数字滤波器,所述数字滤波器与所述模数转换电路的输出端连接,信号依次经过所述分压器、所述滤波器组、所述模数转换电路进入到所述数字滤波器,所述数字滤波器用于对信号进行还原。
本发明通过模拟电路和数字滤波器相结合的方式来还原电子式互感器输出的信号,使得以微分结果输出的信号被精确地还原,将误差精度控制在一定范围内。
根据如上所述的测量装置,可选地,所述数字滤波器基于如下公式对接收到的信号进行还原:
其中,y(n)表示积分还原后的当前信号,y(n-1)表示积分还原后的上一个信号,x(n)表示积分还原前的当前信号,x(n-1)表示积分还原前的上一个信号;
k表示所述模拟电路的直流增益,
fA表示所述模数转换电路的采样频率,Tk表示还原后的信号的时间常数,
根据如上所述的测量装置,可选地,Tk=0.21s。这样,该测量装置能够兼容传统的互感器后续对应的硬件设备。
根据如上所述的测量装置,可选地,所述滤波器组包括串联的两个低通滤波器,其中一个低通滤波器用于对信号进行过滤,另外一个低通滤波器用于抗混叠。
根据如上所述的测量装置,可选地,所述滤波器组包括串联的两个低通滤波器,其中一个低通滤波器包括一个第一电阻和一个第一电容,另外一个低通滤波器包括一个第二电阻和一个第二电容,所述分压器包括一个第三电阻和一个第四电阻,所述第一电阻的一端与所述第四电阻的一端连接,所述第一电阻的另一端连接于所述第一电容的一端,所述第二电阻的一端连接于所述所述第一电阻和所述第一电容之间,所述第二电阻的另一端连接于所述第二电容的一端,所述第三电阻的一端连接于所述第二电阻和所述第二电容之间,所述第一电容的另一端、所述第二电容的另一端以及所述第三电阻的另一端均连接于所述第四电阻的另一端。该模拟电路结构简单且不包括放大器的,能够获取到信号中的直流分量,减少信号信息的丢失,以便后续更好地还原信号。
根据如上所述的测量装置,可选地,所述电子式互感器的传递函数GRogo为:
其中,j为虚数单位,ω=2πf,f为当前信号的频率,M为所述电子式互感器的互感值,Zs(jω)为所述模拟电路的阻抗,L为所述电子式互感器的自感值,Rr为所述电子式互感器的内阻。
根据如上所述的测量装置,可选地,所述模拟电路的传递函数Ganalogue为:
根据如上所述的测量装置,可选地,信号为一次侧信号。
本发明还提供一种继电保护装置,包括根据上述任一项所述的用于电子式互感器的测量装置。
本发明再提供一种用于电子式互感器的测量方法,包括:
接收一个电子式互感器发送的一个当前信号,所述电子式互感器为基于罗氏线圈原理的电子式互感器,所述电子式互感器用于输出被测量的信号的微分结果,所述分压器的输入端连接着所述电子式互感器的输出端;
通过一个滤波器组对所述当前信号进行多次滤波,所述分压器和所述滤波器组构成模拟电路;
将所述当前信号转换为数字信号;
对所述当前信号进行还原。
根据如上所述的测量方法,可选地,对所述当前信号进行还原包括:
基于如下公式对所述当前信号进行还原:
其中,y(n)表示积分还原后的当前信号,y(n-1)表示积分还原后的上一个信号,x(n)表示积分还原前的当前信号,x(n-1)表示积分还原前的上一个信号;
k表示所述模拟电路的直流增益,
fA表示所述模数转换电路的采样频率,Tk表示还原后的信号的时间常数,
根据如上所述的测量方法,可选地,Tk=0.21s。
根据如上所述的测量方法,可选地,对所述当前信号进行多次滤波包括:
通过一个低通滤波器对所述当前信号进行过滤;
通过另外一个低通滤波器对所述当前信号进行抗混叠处理。
根据如上所述的测量方法,可选地,所述滤波器组包括串联的两个低通滤波器,其中一个低通滤波器包括一个第一电阻和一个第一电容,另外一个低通滤波器包括一个第二电阻和一个第二电容,所述分压器包括一个第三电阻和一个第四电阻,所述第一电阻的一端与所述第四电阻的一端连接,所述第一电阻的另一端连接于所述第一电容的一端,所述第二电阻的一端连接于所述所述第一电阻和所述第一电容之间,所述第二电阻的另一端连接于所述第二电容的一端,所述第三电阻的一端连接于所述第二电阻和所述第二电容之间,所述第一电容的另一端、所述第二电容的另一端以及所述第三电阻的另一端均连接于所述第四电阻的另一端。
根据如上所述的测量方法,可选地,所述电子式互感器的传递函数GRogo为:
其中,j为虚数单位,ω=2πf,f为当前信号的频率,M为所述电子式互感器的互感值,Zs(jω)为所述模拟电路的阻抗,L为所述电子式互感器的自感值,Rr为所述电子式互感器的内阻。
根据如上所述的测量方法,可选地,所述模拟电路的传递函数Ganalogue为:
根据如上所述的测量方法,可选地,信号为一次侧信号。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例,使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点,附图中:
图1为根据本发明一实施例的用于电子式互感器的测量装置的结构意图。
图2为根据本发明另一实施例的模拟电路的结构示意图。
图3为根据本发明一实施例的用于电子式互感器的测量方法的流程意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,以下举实施例对本发明进一步详细说明。
以罗氏(Rogowski)线圈作为传感元件的电子式互感器,其输出信号是被测量的信号的微分结果,例如一次侧信号的微分结果。本发明通过模拟电路和软件滤波器的结合,尽可能地精确还原被测量的信号。
实施例一
本实施例提供一种用于电子式互感器的测量装置,用于还原电子式互感器获取到的被测量的量。
如图1所示,为根据本实施例的用于电子式互感器的测量装置的结构示意图。该用于电子式互感器的测量装置包括一个分压器11、一个模数转换电路13、一个滤波器组12和一个数字滤波器14。其中,分压器11和滤波器组12构成模拟电路20。
其中,电子式互感器10为基于罗氏线圈原理的电子式互感器10,电子式互感器10用于输出被测量的信号的微分结果。这里的信号可以是电子式互感器10的一次侧信号,即电子式互感器10的输入端侧的信号。
分压器11的输入端用于连接一个电子式互感器10。该分压器11用于改变电子式互感器10输出的信号,使信号的瞬时最大值尽量接近但不超过模数转换电路13可测量的最大值,即使信号与模数转换电路13的采样范围相适应,以达到最佳的采样精度。
本实施例的滤波器组12中包括多个低通滤波器(图1中未示出)。该滤波器组12的通频带与模数转换电路13的可采样范围相应,即低通滤波器组12允许通过的频段的信号与模数转换电路13能够采样的频段的信号相匹配。该滤波器组12能够滤除高频干扰信号,同时能够抗混叠,并能够滤除信号传输中外部的差模和共模电磁干扰信号,抑制设备自身产生的电磁辐射。具体地,该滤波器组12例如包括2个串联的低通滤波器,其中一个低通滤波器用于对信号进行过滤,以与模数转换电路13的可采样范围(波形的幅度)相匹配,作为一个示例性说明,该低通滤波器的输入端连接分压器11。另外一个低通滤波器用于抗混叠,作为一个示例性该低通滤波器的输出端连接于数字滤波器14,输入端连接于用于对信号进行过滤的低通滤波器。实际中,对信号进行过滤的低通滤波器与用于抗混叠的低通滤波器的位置可以相互交换。作为一个示例性说明,对信号进行过滤的低通滤波器的通频带窄于用于抗混叠的低通滤波器的通频带。
模数转换电路13用于将模拟电路20传输的模拟信号转换成数字信号,并发送给数字滤波器14,以供数字滤波器14进行处理。
该数字滤波器14与模数转换电路13的输出端连接,信号依次经过分压器11、滤波器组12、模数转换电路13进入到数字滤波器14,数字滤波器14用于对信号进行积分还原。数字滤波器14实际上由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种算法,该数字滤波器14实际上是一种软件形式的滤波器,可以由CPU、FPGA、DSP或者其它处理器来完成。采用该滤波器还原信号,能够较好的还原信号,例如将误差范围控制在0.2%以内。
作为一个示例性说明,本实施例的数字滤波器14可以基于如下公式对接收端的信号进行积分还原:
其中,y(n)表示积分还原后的当前信号,y(n-1)表示积分还原后的上一个信号,x(n)表示积分还原前的当前信号,x(n-1)表示积分还原前的上一个信号;
k表示模拟电路20的直流增益,
fA表示模数转换电路的采样频率,Tk表示电子式互感器10的时间常数,
p1表示模拟电路20和电子式互感器10总传递函数的极点的最小值,总传递函数为模拟电路20的传递函数×电子式互感器10的传递函数。具体如何获取模拟电路20和电子式互感器10总传递函数的极点的最小值属于现有技术,在此不再赘述。对于某一按指数规律衰变的量,其幅值衰变为1/e倍时所需的时间称为时间常数。
本发明通过模拟电路20和数字滤波器14相结合的方式来还原电子式互感器10输出的信号,使得以微分结果输出的信号被精确地还原,将误差精度控制在一定范围内。
实施例二
本实施例对上述实施例的用于电子式互感器的测量装置做进一步补充说明。本实施例主要对模拟电路20做进一步补充说明。
如图2所示,为根据本实施例的模拟电路20的结构示意图。该模拟电路20包括分压器11和滤波器组12。本实施例的滤波器粗包括串联的两个低通滤波器,其中一个低通滤波器包括一个第一电阻121和一个第一电容122,另外一个低通滤波器包括一个第二电阻123和一个第二电容124。本实施例的分压器11包括一个第三电阻125和一个第四电阻126。
其中,第一电阻121的一端与第四电阻126的一端连接,第一电阻121的另一端连接于第一电容122的一端,第二电阻123的一端连接于第一电阻121和第一电容122之间,第二电阻123的另一端连接于第二电容124的一端,第三电阻125的一端连接于第二电阻123和第二电容124之间,第一电容122的另一端、第二电容124的另一端以及第三电阻125的另一端均连接于第四电阻126的另一端。
从图2中可以看出,本实施例的滤波器组12不包括放大器。由于不存在放大器,本实施例的滤波器组12能够获取到信号中的直流分量,这样后续能够更好地还原信号。
本实施例提供了一种结构简单且不包括放大器的模拟电路20,能够获取到信号中的直流分量,减少信号信息的丢失,以便后续更好地还原信号。
实施例三
本实例对数字滤波器14的具体功能做进一步补充说明。本实施例中,电子式互感器10例如为电子式电流互感器。
作为一个示例性说明,本实施例中电子式互感器10的传递函数GRogo为:
其中,j为虚数单位,ω=2πf,f为当前信号的频率,M为电子式互感器10的互感值,ZS(jω)为模拟电路20的阻抗,L为电子式互感器10的自感值,Rr为电子式互感器10的内阻。
当前信号指的是当次需要还原的信号。例如,对于电子式互感器10输出的信号可以是周期性输出的。
作为一个示例性说明,若模拟电路20如图2所示,则模拟电路20的传递函数Ganalogue为:
这样模拟电路20和电子式互感器10总传递函数Ghardware为:
Ghardware=Ganalogue·GRogo
为了使信号还原地更加准确,可以选用传递函数为Gcorr的直接II型一阶无限脉冲响应滤波器(IIR Filter)来还原信号,即借助双线性变换,以使总的传递函数Gsum=Ghardware·GCorr与传统的互感器的保持一致,这里的传统的互感器指的是基于电磁原理的互感器。GCorr即为数字滤波器14的传递函数。
由于传统的互感器的Gsum采用下面的公式来表示:
其中,Tk表示电子式互感器10的时间常数,j表示虚数单位,ω=2πf,f为当前信号的频率,即需要被还原的频率的信号。
根据上述公式,并根据数字信号处理技术中的Z变换方法,进而得到如下公式:
其中,k表示模拟电路20的直流增益,fA表示模数转换电路的采样频率,
Tk表示还原后的信号的时间常数,p1表示模拟电路20和电子式互感器10总传递函数的极点的最小值,总传递函数为模拟电路20的传递函数×电子式互感器10的传递函数。这里的fA例如为16kHz。Tk例如为0.21s(秒),该0.21s也就是兼容和修正传统的互感器的特性的时间常数,这里若Tk取0.21s,则该测量装置所输出的还原信号能够与传统的互感器对应的后续处理硬件相兼容,这样就不用改变后续的硬件结果,兼容性较强。
最终,得到数字滤波器14的差分方程:
其中,y(n)表示积分还原后的当前信号,也就是通过周期性采样得到的第n个信号被还原之后的信号,y(n-1)表示积分还原后的上一个信号,也就是通过周期性采样得到的第n-1个信号被还原之后的信号,x(n)表示积分还原前的当前信号,也就是通过周期性采样得到的第n个信号,x(n-1)表示积分还原前的上一个信号,也就是通过周期性采样得到的第n-1个信号。在n=1的时候,x(n-1)与y(n-1)均为0。
根据本发明,数字滤波器14的差分方程考虑了模拟电路20、模数转换电路13的硬件回路的影响,能够准确地还原当前的信号,使得信号以数字形式输出。
实施例三
本实施例提供一种用于电子式互感器的测量方法。该方法的执行主体可以是实施例一的用于电子式互感器的测量装置。
如图3,为根据本实施例的用于电子式互感器的测量方法的流程示意图。该测量方法包括:
步骤301,接收一个电子式互感器发送的一个当前信号,电子式互感器为基于罗氏线圈原理的电子式互感器,电子式互感器用于输出被测量的信号的微分结果,分压器的输入端连接着电子式互感器的输出端。
如图1所示,分压器11的输入端用于连接一个电子式互感器10的输出端。该分压器11用于改变电子式互感器10输出的信号,使信号的瞬时最大值尽量接近但不超过模数转换电路13可测量的最大值,即使信号与模数转换电路13的采样范围相适应,以达到最佳的采样精度。
本实施例的信号可以是一次侧信号。
步骤302,通过一个滤波器组对当前信号进行多次滤波,分压器和滤波器组构成模拟电路。
本实施例的滤波器组12中包括多个低通滤波器(图1中未示出)。该滤波器组12的通频带与后面连接的模数转换电路13的可采样范围相应,即低通滤波器组12允许通过的频段的信号与模数转换电路13能够采样的频段的信号相匹配。该滤波器组12能够滤除高频干扰信号,同时能够抗混叠,并能够滤除信号传输中外部的差模和共模电磁干扰信号,抑制设备自身产生的电磁辐射。具体地,该滤波器组12例如包括2个串联的低通滤波器,其中一个低通滤波器用于对信号进行过滤,以与模数转换电路13的可采样范围(波形的幅度)相匹配,作为一个示例性说明,该低通滤波器的输入端连接分压器11。另外一个低通滤波器用于抗混叠,作为一个示例性该低通滤波器的输出端连接于数字滤波器14,输入端连接于用于对信号进行过滤的低通滤波器。实际中,对信号进行过滤的低通滤波器与用于抗混叠的低通滤波器的位置可以相互交换。作为一个示例性说明,对信号进行过滤的低通滤波器的通频带窄于用于抗混叠的低通滤波器的通频带。
步骤303,将当前信号转换为数字信号。
具体可以采用图2所示的模数转换电路13将当前信号转换为数字信号。
步骤304,对当前信号进行还原。
具体可以采用前述实施例中的数字滤波器对当前进行还原。
作为一个示例性说明,本实施例的数字滤波器14可以基于如下公式对接收端的信号进行积分还原:
其中,y(n)表示积分还原后的当前信号,y(n-1)表示积分还原后的上一个信号,x(n)表示积分还原前的当前信号,x(n-1)表示积分还原前的上一个信号;
k表示模拟电路20的直流增益,
fA表示模数转换电路的采样频率,Tk表示电子式互感器10的时间常数,
p1表示模拟电路20和电子式互感器10总传递函数的极点的最小值,总传递函数为模拟电路20的传递函数×电子式互感器10的传递函数。具体如何获取模拟电路20和电子式互感器10总传递函数的极点的最小值属于现有技术,在此不再赘述。
可选地,Tk=0.21s,这样,本实施例的测量方法能够与现有传统的互感器所对应的后续处理的硬件相兼容。
可选地,电子式互感器的传递函数Grogo为:
其中,j为虚数单位,ω=2πf,f为当前信号的频率,M为电子式互感器的互感值,Zs(jω)为模拟电路的阻抗,L为电子式互感器的自感值,Rr为电子式互感器的内阻。
可选地,模拟电路的传递函数Ganalogue为:
本发明通过模拟电路和数字滤波器相结合的方式来还原电子式互感器输出的信号,使得以微分结果输出的信号被精确地还原,将误差精度控制在一定范围内。
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、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (17)
1.用于电子式互感器的测量装置,包括:
一个分压器,所述分压器的输入端用于连接一个电子式互感器;
一个模数转换电路;
其特征在于,所述电子式互感器为基于罗氏线圈原理的电子式互感器,所述电子式互感器用于输出被测量的信号的微分结果,所述测量装置还包括:
一个滤波器组,所述滤波器组包括多个低通滤波器,所述滤波器组连接在所述分压器的输出端和所述模数转换电路的输入端,所述分压器和所述滤波器组构成模拟电路,所述滤波器组的通频带与所述模数转换电路的可采样范围相应;
一个数字滤波器,所述数字滤波器与所述模数转换电路的输出端连接,信号依次经过所述分压器、所述滤波器组、所述模数转换电路进入到所述数字滤波器,所述数字滤波器用于对信号进行还原。
3.根据权利要求2所述的测量装置,其特征在于,Tk=0.21s。
4.根据权利要求1所述的测量装置,其特征在于,所述滤波器组包括串联的两个低通滤波器,其中一个低通滤波器用于对信号进行过滤,另外一个低通滤波器用于抗混叠。
5.根据权利要求1所述的测量装置,其特征在于,所述滤波器组包括串联的两个低通滤波器,其中一个低通滤波器包括一个第一电阻和一个第一电容,另外一个低通滤波器包括一个第二电阻和一个第二电容,所述分压器包括一个第三电阻和一个第四电阻,所述第一电阻的一端与所述第四电阻的一端连接,所述第一电阻的另一端连接于所述第一电容的一端,所述第二电阻的一端连接于所述所述第一电阻和所述第一电容之间,所述第二电阻的另一端连接于所述第二电容的一端,所述第三电阻的一端连接于所述第二电阻和所述第二电容之间,所述第一电容的另一端、所述第二电容的另一端以及所述第三电阻的另一端均连接于所述第四电阻的另一端。
8.根据权利要求1所述的测量装置,其特征在于,信号为一次侧信号。
9.继电保护装置,其特征在于,包括权利要求1-8中任一项所述的用于电子式互感器的测量装置。
10.用于申子式互感器的测量方法,其特征在于,包括:
接收一个电子式互感器发送的一个当前信号,所述电子式互感器为基于罗氏线圈原理的电子式互感器,所述电子式互感器用于输出被测量的信号的微分结果,所述分压器的输入端连接着所述电子式互感器的输出端;
通过一个滤波器组对所述当前信号进行多次滤波,所述分压器和所述滤波器组构成模拟电路;
将所述当前信号转换为数字信号;
对所述当前信号进行还原。
12.根据权利要求11所述的测量方法,其特征在于,Tk=0.21s。
13.根据权利要求10所述的测量方法,其特征在于,对所述当前信号进行多次滤波包括:
通过一个低通滤波器对所述当前信号进行过滤;
通过另外一个低通滤波器对所述当前信号进行抗混叠处理。
14.根据权利要求10所述的测量方法,其特征在于,所述滤波器组包括串联的两个低通滤波器,其中一个低通滤波器包括一个第一电阻和一个第一电容,另外一个低通滤波器包括一个第二电阻和一个第二电容,所述分压器包括一个第三电阻和一个第四电阻,所述第一电阻的一端与所述第四电阻的一端连接,所述第一电阻的另一端连接于所述第一电容的一端,所述第二电阻的一端连接于所述所述第一电阻和所述第一电容之间,所述第二电阻的另一端连接于所述第二电容的一端,所述第三电阻的一端连接于所述第二电阻和所述第二电容之间,所述第一电容的另一端、所述第二电容的另一端以及所述第三电阻的另一端均连接于所述第四电阻的另一端。
17.根据权利要求10所述测量方法,其特征在于,信号为一次侧信号。
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