CN115825546A - 一种直流暂态电流宽频数字标准器实现方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种直流暂态电流宽频数字标准器实现方法，包括：传感器、信号调理模块、AD转换模块、主控模块和光纤收发模块；传感器串接于电流回路中，得到直流电流信号；直流电流信号经过信号调理模块的信号调理后，进入AD转换模块，得到对应的离散数字信号；离散数字信号送入主控模块，通过频域的离散值滤波算法对离散数字信号进行处理，生成暂态标准电流数据的实时数据；根据数字采样协议，由光纤收发模块将暂态标准电流数据的实时数据传输至外部装置。本申请方法可以同时兼容阶跃响应测试以及频率响应测试两种暂态测试，现场测试时无需更换标准器，提高了试验效率，满足了测量精度的要求。

Description

一种直流暂态电流宽频数字标准器实现方法

技术领域

本申请涉及标准器测试领域，具体涉及一种直流暂态电流宽频数字标准器实现方法。

背景技术

随着大功率全控型电力电子器件的迅速发展，以及直流电网制造水平的不断提高，特高压直流输电技术在特高压输电领域受到越来越广泛的关注及应用。相比于交流系统，直流系统的故障发展更快，控制保护难度更大。作为特高压直流控制保护系统中核心测量设备，电子式互感器也面临着更高的技术与可靠性要求。目前直流电流互感器的测试主要都是基于标准与试品进行实时比较的闭环测试，暂态测试主要有阶跃响应测试以及频率响应测试两种测试。这两种测试的测试方式都是采用测试电流源施加测试信号，标准器将电流信号转换为可被测试仪采集的小电压信号后送至直流电流互感器测试仪采样后形成标准源，直流电流互感器测试仪同步采集直流电流标准器的信号与试品的信号完成闭环测试，如图2所示。

这个测试过程直流电流标准器是测试过程的关键设备，目前直流电流标准器的实现方式一般有三种，一种是直流比较仪、高精密无感电阻以及高频电流互感器。直流比较仪输出的是小电流信号还需要I/U变换后再进行模数转换后方能使用。直流比较仪是一种通过反馈调节来实现直流电流信号转换的，对于稳态直流来说具有很高的转换精度，但对于阶跃信号，其响应时间远不能满足要求，所以并不能作为直流电流阶跃响应的标准信号。高精密无感电阻直接将电流信号转为电压信号，但由于通过的电流值很大，所以电阻值一般都是在毫欧级或微欧级，而在阶跃过程中电流的阶跃上升频率非常高此时分布电容与分布电感的影响就不能被忽视，在电流转为电压的过程会出现波形失真现象。高频电流互感器无法传变非周期分量，无法应用于暂态阶跃响应测试中。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是，现有技术中直流电流标准器无法同时兼容阶跃响应测试和频率响应测试两种测试，现场测试时需不停更换标准器，试验效率低下且无法满足测量精度的要求，目的在于提供一种直流暂态电流宽频数字标准器实现方法，解决了同时实现上述两种测试场景的测试需求，以提高测试效率的问题。

本申请通过下述技术方案实现：

本申请提供一种直流暂态电流宽频数字标准器实现方法，包括：传感器、信号调理模块、AD转换模块、主控模块和光纤收发模块；所述传感器串接于电流回路中，得到直流电流信号；所述直流电流信号经过所述信号调理模块的信号调理后，进入所述AD转换模块，得到对应的离散数字信号；所述离散数字信号送入所述主控模块，通过频域的离散值滤波算法对所述离散数字信号进行处理，生成暂态标准电流数据的实时数据；根据数字采样协议，由所述光纤收发模块将所述暂态标准电流数据的实时数据传输至外部装置。

本申请通过传感器、信号调理模块、AD转换模块、主控模块和光纤收发模块的硬件电路结构，以及主控模块中的软件程序，共同配合作用下，解决了阶跃响应测试和频率响应测试两种测试均可兼容的问题。

进一步的，所述传感器包括串联的高精密电阻R和高精密电感L。所述高精密电阻R为1mΩ，所述高精密电感L为20nH。

进一步的，通过频域的离散值滤波算法对所述离散数字信号进行处理，包括：构造滤波函数以消除所述高精密电感L的影响，通过在离散时域上进行三点积分补偿，获得最终电流i的离散采样值离散序列，即暂态标准电流数据的实时数据。

进一步的，所述滤波函数如下：

其中，u为输入电压值，u_o为输出电压值，L为电感值，R为电阻值。

进一步的，所述在离散时域上进行三点积分补偿，如下：

其中，f(n)为原始电压采集信号u的离散采样值序列，y(n)为u₀的积分补偿后的离散采样值序列，a＝L/R，a为衰减时间常数，y(n-1)为前一点的值，y(n-2)为前两点的值。

进一步的，所述主控模块采用ZYNQ芯片。

进一步的，所述信号调理模块采用二阶无源低通滤波器，且其截止频率为500kHz。

进一步的，所述AD转换模块采用18位的逐次逼近型模数转换器AD7982。

进一步的，所述电源模块为所述AD转换模块、主控模块和光纤收发模块提供电源，所述电源模块为可充电电池。

本申请与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本申请方案的直流暂态电流宽频数字标准器实现方法，可以同时兼容阶跃响应测试以及频率响应测试两种暂态测试，现场测试时无需更换标准器，提高了试验效率，满足了测量精度的要求，同时降低了测试成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。在附图中：

图1为本申请实施例1直流电流宽频数字标准器的结构示意图；

图2为直流互感器暂态闭环测试原理图；

图3为直流比较仪的实现原理图；

图4为高精密电阻高频等效电路图；

图5为传感器回路示意图；

图6为信号调理回路示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本申请作进一步的详细说明，本申请的示意性实施方式及其说明仅用于解释本申请，并不作为对本申请的限定。

目前直流电流标准器的实现方式一般有三种，一种是直流比较仪、高精密无感电阻以及高频电流互感器。

1)直流比较仪，如图3所示，振荡器输出对称的励磁电压波形，当一次绕组无电流通入时，两个主铁心中只有励磁电压所产生的交流磁场，反向串接的励磁绕组兼检测绕组的感应电压互相抵消，不推动后续电路工作。

当一次绕组通入直流电流时，其产生的偏置磁场打破了上述平衡状态，使得一个主铁心提前饱和，另一个则滞后饱和。检测绕组输出的不对称电压推动后续反馈随动系统电路工作，将表征一次电流的偶次谐波信号经检波放大后，形成二次电流输送至二次绕组，实时跟随一次直流电流信号。

铁芯设计为双铁心差动式磁调制器结构，两个主铁芯的几何尺寸和磁性能参数尽可能一致，则检测绕组输出的电压信号为偶次谐波，幅值与输入的一次电流成比例。

一次电流I1与二次电流I2方向相同，一次绕组与二次绕组的绕制方向相反，以保证两者产生的磁通方向相反。当一次与二次的磁动势平衡时：I1*N1＝I2*N2，可见，磁动势平衡时，电流比较仪工作在零磁通状态。

一次电流产生的偏置磁场打破检测绕组输出波形的对称性，而峰差检波器的作用就是将该波形正负峰值的差值转换为直流电压信号，以反映一次电流的大小和方向。经峰差解调后的信号进入缓冲放大器，主要作用是进行阻抗匹配，承接前级电压放大和负载低阻抗输出的变换。缓冲放大器并没有放大信号，其主要功能是阻抗匹配。由于此时的信号幅值仍然很小，为便于后续电路运行，将信号输送至阻抗变换放大器进行放大。接下来进入零安匝检测环节，检测二次安匝相对于一次安匝的差值，如差值不为零，则调节信号幅值，输送至下一环节，直至检测到的差值信号为零。这种方式由于其响应时间较长所以一般用作直流稳态测试。

2)高频电流标准互感器，一般采用带铁芯的标准电流互感器，精度较高但由于带铁芯无法传变非周期信号，所以一般只能用作直流互感器的工频电流测试。

3)高精密无感电阻，一般采用大功率金属箔精密电阻，一次电流流过精密电阻后转换为小电压信号。其分布电容可低于0.5pF，分布电感低于2nH。当通过大电流时，标准电阻值一般为毫欧级，在高频输入时其等效回路如图4所示。

由于回路中电感的作用所以在频率响应测试时，高频情况下会引入较大误差，而分布电感又不能被测量所以其精度很难被保证，所以一般只能用于阶跃响应的时间特性测试。

实施例1

本实施例1提出一种直流暂态电流宽频数字标准器的实现方法，首先，本实施例1所涉及的直流暂态电流宽频数字标准器包括传感器、信号调理模块、AD转换模块、主控模块、光纤收发模块及电源模块，如图1所示。传感器串接于大电流回路中，经过信号调理模块的信号调理后，进入AD转换模块输出对应的离散数字信号，送入ZYNQ芯片的主控模块，ZYNQ芯片中的FPGA核对数据进行同步采集，ZYNQ芯片中的arm核对数据根据传感器电阻与电感值进行频域的离散值滤波算法，最后生成暂态标准电流数据的实时数据，按数字采样协议，最终由光纤收发模块传输至外部装置。采用可充电的电源模块为装置运行提供工作电源。本实施例1可同时兼容阶跃响应测试和频率响应测试场景的测试需求，提高测试效率降低了测试的成本。本实施例1通过传感器、信号调理模块、AD转换模块、主控模块和光纤收发模块的硬件电路结构，以及主控模块中的软件程序算法，共同配合作用下，解决了阶跃响应测试和频率响应测试两种测试均可兼容的问题。其具体内容如下：

1、传感回路设计，采用大功率高精密电阻R与大功率高精密电感L串联的方式，如图5所示，以确定电感值L消除高紧密电阻上的分布电感的随机值对传感器转换精度的影响。

此时输出电压u与输入电流i之间时域关系为：

u(t)＝Ri(t)+Ldi(t)/dt

所以其稳态传输时电流没有变化所以稳态公式为：

u(t)＝Ri(t)

在高频电流下其频域关系为：

u＝Ri+jωLi

按照10％额定电流的阶跃响应、频率响应测试的要求，电流标准器按照1000A来设计，所以为了兼顾采样精度与采样范围，电阻R设计为1mΩ，电感的输出电流按照阶跃响应上升时间10us，衰减为3个周期来考虑，最高频率为25kHz，此时也完全满足直流电流互感器频率响应测试的设计要求。按照采样不溢出的原则，ωLi＜4V来设计，此时电感L值选20nH。

2、滤波回路设计，信号调理模块采用无源二阶RC低通滤波设计，如图6所示，截止频率为500kHz。

滤波回路采用二阶低通滤波设计。为了解决信号中的干扰导致的频率混叠而采用二阶低通滤波，为了不对传感器的实际输出信号造成影响，二阶低通的截止频率设计为500kHz。

3、AD采样后软件离散滤波频域补偿，由于硬件低通回路的截止频率f为500kHz，所以采样fn至少为截止频率的2倍，所以AD采样回路的采样速率为1MHz。

根据步骤1的公式此时采集的信号是一个微分信号，并不能直接反应出电压值，需要进行电感补偿。

根据频域公式：

u＝Ri+jωLi可以获得：

i＝u/(R+jωL)

此时R、L为已知值，对于固定频谱测试来说可以直接获得其电流值，但对于复杂频谱或阶跃响应信号时需要的是离散采样值序列i(n)，而此时就需要对原始采样信号进行离散积分。

为了获得最后的结果消除L值的影响，构造一个新的滤波函数：

将这个新的函数代入电流转换公式可得：

u₀＝Ri

此时对新构造的函数

进行分析，

设

为积分衰减时间常数。

此时在离散时域上进行三点积分补偿，

上式中f(n)为原始电压采集信号u的离散采样值序列，y(n)为u₀的积分补偿后的离散采样值序列。

从而获得最终电流i的离散采样值离散序列：

i(n)＝y(n)/R。

4、数值发送，包括采样数据同步和发送数据组帧。数据同步采用线性插值同步法，不依赖额外的同步信号，适合高速的数据采样过程。为降低处理器消耗，同步后的数据采用高波特率的曼彻斯特编码发送，最大采样频率下每10个采样点发送一帧数据，每帧数据内采样点按顺序排列，协议内同时附加起始符、采样计数器和CRC校验码，保证高速数据传输的稳定。

本实施例1中，具体实现器件选择如下：

1、传感器模块，采用大功率高精密电阻与大功率高精密电感串联的方式来实现，电阻值采用1mΩ，电感值采用20nH。

2、信号调理模块，采用无源二阶RC低通滤波设计，截止频率为500kHz。

3、AD转换模块，在一种可能的实施例中，采用18位的逐次逼近型模数转换器AD7982，采样率最大1000kSPS，可实现高精度、高采样率的模数转换功能。其他18位的逐次逼近的AD芯片也适用于本申请实施例的方案。AD7982采用2.5V单电源供电，内置一个低功耗、高速、18位无失码采样ADC、一个内部转换时钟和一个多功能串行接口端口。在转换信号上升沿，该器件对差分输入引脚之间的电压差进行采样。基准电压由外部提供，并且可以设置为电源电压。该器件的功耗和吞吐速率呈线性变化关系。支持SPI通信方式和菊花链连结模式，并提供一个可选的繁忙指示。

4、主控模块，在一种可能的实施例中，采用Xilinx公司的XC7Z020型ZYNQ芯片，由ARM片上系统和FPGA两部分组成，ARM片上系统基于双核CortexA9的应用处理器，频率最高866MHz，每个CPU有32KB的一级指令和数据缓存，两个CPU共享512KB的二级缓存，片上包含boot ROM和256KB的片内RAM，同时支持16/32bit的DDR2和DDR3，适用于数据处理及外设控制；FPGA基于Artix7系列，包含85K的逻辑单元，53200个查找表，106400个触发器和4.9Mb的片内RAM块，可实现实时并行的信号控制。主控模块的时钟信号由高精度恒温晶振OCXO50提供。OCXO50恒温晶振工作温度为-40至85度，小于1ppb的温漂特性，-160dBc/1KHz的低相位噪声，最大10ppb/year的低老化，保证了模块时序控制的精确性，以及长期工作的稳定性。双核CPU带一个FPGA内核类均适应于本申请实施例的方案。

5、光纤收发模块，在一种可能的实施例中，采用Avago公司的HFBR 1414和AFBR2418TZ串行光纤收发器件，具备高速的光信号收发能力，可满足多数波特率下的串行数据收发需求。

HFBR 1414光纤发送器件采用Tube封装方式的ST接口，工作温度-40至85度，最大上升时间：6.5ns，最大下降时间：6.5ns，脉冲宽度失真：7.56ns。

AFBR 2418TZ光纤接收器件采用ST接口，工作温度-40至85度，接收数据波长865nm，接收数据速率最大50MBd，具备良好的数据兼容性。

6、电源模块，采用可充电电池，一次充满电标准器可工作24小时以上，满足现场测试时的工作需要。

本实施例1采用高精密电阻采用固定电感的方式，消除高精密电阻中随机分布电感与电容的影响，大大提高了暂态标准器的输出精度与稳定度。采用低通滤波回路按照采样速率进行设计，截止频率达到500kHz远高于电流回路的输出频率，不会对原始波形产生影响，同时可以解决高频信号干扰产生的频率混叠效应。AD回路高采样速率，采样速率达到1Mhz，满足柔性直流电流互感器输出频率10kHz、50kHz以及100kHz的测试需求，同时也大大提高离散采样值三点积分补偿的积分精度。采用连续三点积分补偿，对于任意频谱均可做到有效补偿，阶跃响应测试时无需进行暂态过程判断。采用双核CPU设计，传感回路的电阻电感值可通过人机交互配置的方式获得，可灵活应用于各种测试环境。电池供电，无需外接电源，整个标准器系统采用浮地设计，测试过程不会受复杂频谱在地网上形成的串扰。

在本申请实施例中，应该理解到，所揭露的方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的。需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直流暂态电流宽频数字标准器实现方法，其特征在于，包括：传感器、信号调理模块、AD转换模块、主控模块和光纤收发模块；

所述传感器串接于电流回路中，得到直流电流信号；

所述直流电流信号经过所述信号调理模块的信号调理后，进入所述AD转换模块，得到对应的离散数字信号；

所述离散数字信号送入所述主控模块，通过频域的离散值滤波算法对所述离散数字信号进行处理，生成暂态标准电流数据的实时数据；

根据数字采样协议，由所述光纤收发模块将所述暂态标准电流数据的实时数据传输至外部装置。

2.根据权利要求1所述直流暂态电流宽频数字标准器实现方法，其特征在于，所述传感器包括串联的高精密电阻R和高精密电感L。

3.根据权利要求2所述直流暂态电流宽频数字标准器实现方法，其特征在于，所述高精密电阻R为1mΩ，所述高精密电感L为20nH。

4.根据权利要求2所述直流暂态电流宽频数字标准器实现方法，其特征在于，通过频域的离散值滤波算法对所述离散数字信号进行处理，包括：

构造滤波函数以消除所述高精密电感L的影响，通过在离散时域上进行三点积分补偿，获得最终电流i的离散采样值离散序列，即暂态标准电流数据的实时数据。

5.根据权利要求4所述直流暂态电流宽频数字标准器实现方法，其特征在于，所述滤波函数如下：

其中，u为输入电压值，u_o为输出电压值，L为电感值，R为电阻值。

6.根据权利要求5所述直流暂态电流宽频数字标准器实现方法，其特征在于，所述在离散时域上进行三点积分补偿，如下：

其中，f(n)为原始电压采集信号u的离散采样值序列，y(n)为u₀的积分补偿后的离散采样值序列，a＝L/R，a为衰减时间常数，y(n-1)为前一点的值，y(n-2)为前两点的值。

7.根据权利要求1所述的直流暂态电流宽频数字标准器实现方法，其特征在于，所述主控模块采用ZYNQ芯片。

8.根据权利要求1所述直流暂态电流宽频数字标准器实现方法，其特征在于，所述信号调理模块采用二阶无源低通滤波器，且其截止频率为500kHz。

9.根据权利要求1所述直流暂态电流宽频数字标准器实现方法，其特征在于，所述AD转换模块采用18位的逐次逼近型模数转换器AD7982。

10.根据权利要求1所述直流暂态电流宽频数字标准器实现方法，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块为所述AD转换模块、主控模块和光纤收发模块提供电源，所述电源模块为可充电电池。

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