CN117471147A - 一种零序电流检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种零序电流检测系统和方法。系统包括对时模块和分别安装于三相导线上的电流监测模块；各电流监测模块检测所在导线的正弦波形的第一电流信号，计算电流有效值，将第一电流信号转换为第二电流信号，在接收到对时信号时开始计时，并在第二电流信号达到第一特征点时结束计时，将计时时间差和对应电流有效值发送给计时模块；计时模块某时广播对时信号；根据接收的时间差计算对应的相位差，根据各相导线的时间差和电流有效值，计算零序电流。方法包括检测电流的步骤、电流转换的步骤、计时的步骤、时间差和相位差计算的步骤和零序电流计算步骤。本发明硬件安装灵活，系统时钟高度同步，可快速、简便、精准测量三相导线的零序电流。

Description

一种零序电流检测系统和方法

技术领域

本发明涉及电力配线领域，尤其是一种检测三相导线零序电流的系统和方法。

背景技术

目前在电力系统中有效的零序电流计算方法之一是将输电线路的A、B、C三路(三相导线)全部放进电流互感圆环内部然后计算分析电流互感器输出的电流信号，就可以直接得到零序电流值。但是这种零序电流计算方法受到的安装环境局限性很大，主要是受限于电流互感器的体积过大，因此安装不便，三相电流需要在空间上捆绑在一起也具有一定的安全隐患。。

第二种测量方法是：分别在输电线A、B、C三相上安装电流互感器来分别检测三相导线的电流信号，再将三相电流信号通过导线同时引入具有统一系统时钟的控制器内部进行零序电流计算。该方式在空间上将三相导线分离开，但是该方法需要安装导线，且引线复杂，极容易受到环境的限制，测试不便。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种零序电流检测系统和方法。以通过简便、灵活的安装方式，精准、快速地检测出三相导线的零序电流。

本发明采用的技术方案如下：

一种零序电流检测系统，其包括分别安装于三相导线上的三个电流监测模块，以及分别与各电流监测模块无线连接的对时模块，其中：

任一电流监测模块均被配置为：检测所在导线的正弦波形的第一电流信号，计算所述第一电流信号的电流有效值，并将第一电流信号转换为第二电流信号，所述第二电流信号带有可测量特征点；电流监测模块还在接收到对时信号时开始计时T1，并在第二电流信号达到第一特征点时结束计时T2，将计时时间差△T以及所述第一电流信号的电流有效值通过无线方式反馈给计时模块，其中△T＝T2–T1；

计时模块被配置为：在预定时间通过无线方式分别向各相导线的电流监测模块发送对时信号；还根据各相导线的电流监测模块发送的时间差△T，分别计算出对应电流的相位差；根据三相电流的相位差以及电流有效值，计算出零序电流。三相导线即A相、B相和C相导线，三相电流即各相导线的电流。

本系统的计时模块以广播形式向各电流监测模块发送对时信号，精简了硬件的安装工序和布线复杂度，无安装位置和布线要求，提高了电流监测模块安装的灵活性。所有的电流监测模块均能同时收到对时信号，使得系统时钟高度统一，可以同时对多条线路进行电流的测量，提高了测量效率，确保了测量环境的一致性。本系统将电流信号转换为带可测量特征点的信号，将其特征放大，以便于特征点的识别，进而使得对于电流信号在零点、极性转变点等节点处能够被快速、准确的识别出，进而提高时间差的计算精度。

进一步的，上述第二电流信号为矩形波信号。矩形波信号在极性转变时具备突变性质，便于计算机快速、准确地识别。

进一步的，上述可测量特征点为矩形波信号的上升沿或下降沿的时间点。上升沿或下降沿的时间点的特征明显，以此作为特征点，便于快速定位和识别。

进一步的，上述第一特征点为开始计时后首次达到上升沿或下降沿的时间点。

正弦波形的电压或电流信号，除幅值最大或最小点外，波形的斜率(最大值或最小值之间的波形的导数)为正值或者负值，在波形的变化过程中，必然会过零点，该零点可以作为周期波形的一个起始点(斜率为正的波形的零点作为正弦波的起始点)。将正弦波形转换成矩形波后，该零点对应于上升沿或下降沿。因此，设定矩形波信号的上升沿或下降沿为计时截止时间点，便于使电压、电流信号之间对时更加精准。至于设定以首个上升沿或下降沿作为计时截止时间点，一方面可以防止因电压不稳或导线的相互干扰导致电信号周期发生抖动或偏移，而影响电压、电流对时的一致性，另一方面也可以减小计时时长，减少系统时钟偏差带来的累计误差，提高计算精度和减小计算耗时。

进一步的，上述电流监测模块包括电流传感单元、第一控制单元和第一无线通信单元；

电流传感单元用于检测导线的正弦波形的第一电流信号；

第一控制单元用于计算所述第一电流信号的电流有效值，并将第一电流信号转换为带有可测量特征点的第二电流信号；还在接收到第一脉冲信号时，开始计时T1，在第二电流信号达到第一特征点时结束计时T2，计算计时时间差△T＝T2–T1，将该时间差△T以及所述电流有效值·通过第一无线通信单元发送给所述对时模块；

第一无线通信单元等待接收对时信号，在接收到对时信号时，向第一控制单元发送第一脉冲信号。

第一无线通信单元具备脉冲响应的功能，可快速对广播的对时信号做出响应，可以提高对时的及时性。

进一步的，上述对时模块包括第二控制单元和第二无线通信单元，所述第二控制单元在预定时间通过第二无线通信单元广播对时信号；所述第二无线通信单元接收各相导线的电流监测模块发送的时间差以及电流有效值数据，将该时间差和电流有效值数据传输给第二控制单元；所述第二控制单元基于各相导线的时间差，分别计算对应的相位差，还根据各相导线的相位差和电流有效值，计算零序电流。

本发明还提供了一种三相电流相位差的计算方法，其包括以下步骤：

A.分别获取三相导线的各相导线的正弦波形的第一电流信号，分别计算各相导线的电流有效值，并分别将各相导线的第一电流信号转换为第二电流信号，所述第二电流信号带有可测量特征点；

B.在某一时刻开始计时；所谓的某一时刻，即无特定要求的时刻，可以随时开始，也可设定特定的时间；

C.分别在各相导线的第二电流信号到达第一特征点时结束计时，再分别计算各相导线的时间差：结束计时时与开始计时时之间的时间差；

D.基于各相导线的时间差，分别计算对应的相位差；

E.根据各相导线的相位差和电流有效值，计算出零序电流。

本发明方法利用无线同步计时的方式，同时对多路线路的电流的相位进行采集，可以实现多路支路电流信号在时钟上的高度对齐，并确保测量环境的一致性，进而可以确保相位差的运算结果具备极高的精度。再有，该方法无需进行复杂的安装和布线，精简了安装工序，降低了硬件安装的复杂度，硬件的安装无特定环境要求，可对硬件传感设备进行随意安装，极大地提高了安装的灵活性和对环境的通用性。本方法可以同时测量多路线路的电流相位，大幅提高了检测效率。本发明将电流信号转换为带可测量特征点的信号，将其特征放大，以便于特征点的识别，进而使得对于电流信号在零点、极性转变点等节点处能够被快速、准确的识别出，进而提高时间差的计算精度，即对零序电流的计算精度有较好的提高。

进一步的，上述第二电流信号为矩形波信号。

进一步的，上述可测量特征点为矩形波信号的上升沿或下降沿的时间点。

进一步的，上述第一特征点为开始计时后，首次达到上升沿或下降沿的时间点。

需要说明的是，本文中将第一电流信号转换为第二电流信号，为实时转换，即第二电流信号与第一电流信号同步。虽然在信号转换过程中，会存在短暂的延时，但是该延时极为短暂，处于可接受的范围，因此可以忽略。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明方案在三相电流波形相位的测量上具有非常大的灵活性，可以任意选择测量电流波形设备的安装位置。相对于有线方式节省安装布线工序。

2、本发明以无线对时方式，周期性地在同一时间为三相导线的每一条支路上的电流监测设备(模块)提供对时信号，多个独立工作系统的工作的模块建立时间上的精确关联，使得当前相测量环境的所有电流传感设备在时钟上保持高度统一，在环境上保持一致，提高了检测效率，确保了检测精度和结果的客观性。

3、本发明将电流信号的特征放大化，可以以较小的运算量，快速、准确地识别出电流信号的特征点，

4、本发明方案可以为非GPS覆盖区的嵌入式设备校准运行时钟，且不依赖某一专用的硬件设备。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是零序电流检测系统的构造图。

图2是零序电流检测系统安装的一个实施例。

图3是电流监测模块构造的一个实施例。

图4是对时模块的构造图。

图5是零序电流检测系统构造的一个实施例。

图6是将第一电流信号转换为第二电流信号的效果图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例一

如图1所示，本实施例公开了一种零序电流检测系统，其包括分别安装三相导线上的三个电流监测模块(一一对应)和分别与各电流监测模块无线连接的对时模块。其中：

任一电流监测模块均被配置为：检测所在导线的正弦波形的第一电流信号(即交流电波形信号)，计算第一电流信号的电流有效值，并将该第一电流信号转换为第二电流信号，该第二电流信号带有可测量特征点。在一个实施例中，电流监测模块通过调制电路将正弦波转换为方波，具体而言，通过比较电路实现波形的转换：设定一直流电平(通常为零点电平)，将正弦波中达到该直流电平的部分转换为高电平，其余部分(未达到部分)转换为低电平，从而将正弦波转换为矩形波。电流监测模块还在接收到对时信号时开始计时T1，并在第二电流信号达到第一特征点时结束计时T2，将计时时间差△T＝T2–T1以及电流有效值通过无线方式反馈给计时模块。

将正弦波转换为方波后，第二电流信号的高、低电平边界则具备很强的突变性质，因此，可以将高低电平的边界作为特征点。在一个实施例中，上述的第一特征点为：开始计时后，首次达到上升沿或下降沿的时间点，即开始计时后达到第一个上升沿或第一个下降沿的时间点。

对时模块被配置为：在预定时间通过无线方式向电流监测模块发送对时信号，通常该对时信号为一脉冲触发信号。还根据电流监测模块发送的时间差△T计算出三相电流的相位差。具体而言，相位差θ＝△T/T_工频*360°，T_工频为电网工频。对时模块根据三相电流的相位差以及电流有效值，计算出零序电流I，计算方法为I＝Ia*sinθ1+Ib*sinθ2+Ic*sinθ3，其中，Ia、Ib、Ic分别是三相电流有效值，θ1、θ2、θ3分别是三相电流的相位差，电流有效值和相位差一一对应。

如图2所示，3组电流监测模块分别安装到三相导线上，对时模块与该3组电流监测模块无线双向通信。

实施例二

本实施例公开了电流监测模块的结构，其包括电流传感单元、第一控制单元、第一无线通信单元和取能单元。其中，取能单元通过设置电源或通过电磁互感方式取电以为电流监测模块的电子元器件供电。

电流传感单元用于检测导线的正弦波形的第一电流信号。

第一控制单元用于计算第一电流信号的有效值，还通过内部或外部的信号调制单元将第一电流信号转换为带有可测量特征点的第二电流信号。如图3所示，第一控制单元通过外部信号调制单元将第一电流信号转换为第二电流信号。第一控制单元还在接收到第一脉冲信号时，开始计时T1，在第二电流信号达到第一特征点时结束计时T2，计算计时时间差△T＝T2–T1，将该时间差△T和电流有效值通过第一无线通信单元发送出去(发送给对时模块)。

第一无线通信单元等待接收对时信号，即保持在工作状态，并在接收到对时信号时开始响应，具体而言，在接收到对时信号时，向第一控制单元发送第一脉冲信号。即第一无线通信单元具备接收到对时信号(脉冲触发信号)时，硬件IO口进行脉冲输出的功能(作用对象为控制模块)。

上述电流传感单元采用巨磁阻传感芯片，以非侵入式的方式测量导线电流。

实施例三

如图4所示，本实施例公开了对时模块的结构，其包括第二控制单元和第二无线通信单元。其中，第二控制单元在预定时间(实际为无特定要求的时间点)通过第二无线通信单元发出对时信号，基于实施例二，即为以广播形式向电流监测模块的第一无线通信单元发送对时信号。第二无线通信单元还接收各相导线的电流监测模块发送的时间差数据-电流监测模块的第一控制单元所计算出并通过第一无线通信单元发出的时间差△T-以及电流有效值数据，将该时间差△T和电流有效值数据传输给第二控制单元。第二控制单元接收时间差△T，并基于该时间差计算对应的相位差：相位差θ＝△T/T_工频*360°，T_工频为电网工频。还根据各相导线的相位差和电流有效值，计算零序电流I：I＝Ia*sinθ1+Ib*sinθ2+Ic*sinθ3，其中，Ia、Ib、Ic分别是三相电流有效值，θ1、θ2、θ3分别是三相电流的相位差，电流有效值和相位差一一对应。

第二控制单元还连接有远程数据传输接口，第二控制单元通过该远程数据传输接口，将从第二无线通信单元接收到的数据，或者将计算的数据(相位差)通过该远程数据传输接口发送给远端(进行后续应用或处理)。

参见附图5，为零序电流检测系统的整体结构图(信号调制单元集成于第一控制单元内)。第二无线通信单元分别与各相导线的电流监测模块的第一无线通信单元无线连接。

实施例四

本实施例公开了一种零序电流检测方法，包括以下步骤：

A.分别获取三相导线各条支路导线的正弦波形的第一电流信号，分别计算各相导线的第一电流信号的电流有效值，并分别将各支路的第一电流信号同步转换为第二电流信号，所谓第二电流信号，为带有可测量特征点的周期信号，其周期与第一电流信号相同或相应。

在一个实施例中，上述第二电流信号为矩形波信号。将第一电流信号转换为第二电流信号的过程为：设置一直流电平(通常为零点电平)，将正弦波中达到该直流电平的部分转换为高电平，其余部分(未达到部分)转换为低电平，从而将正弦波转换为矩形波。效果参见图6。转换过程通常借助于比较电路或信号调制器实现，比较电路有硬件电路的种类，也有通过软件模拟的比较电路。将正弦波转换为矩形波后，第二电流信号的高、低电平边界则具备很强的突变性质，因此，可以将高低电平的边界作为特征点(即上述可测量特征点)。

B.在某一时刻开始计时；需要说明的是，开始计时的时刻并无特定要求。

C.分别在各支路的第二电流信号到达第一特征点时结束计时，再分别计算各条支路的时间差：结束计时时与开始计时时间的时间差。以一条支路为例，开始计时时的时刻为T1，在该支路的第二电流信号到达第一特征点时的时刻为T2，则该条支路的时间差为△T＝T2–T1，其余支路同理。

将正弦波转换为方波后，第二电流信号的高、低电平边界则具备很强的突变性质，因此，可以将高低电平的边界作为特征点。在一个实施例中，上述的第一特征点为：开始计时后，首次达到上升沿或下降沿的时间点，即开始计时后达到第一个上升沿或第一个下降沿的时间点。

D.基于各支路的时间差，分别计算对应的相位差。相位差θ＝△T/T_工频*360°，T_工频为电网工频。

E.根据各相导线的相位差和电流有效值，计算出零序电流。零序电流计算方法为：I＝Ia*sinθ1+Ib*sinθ2+Ic*sinθ3，其中，Ia、Ib、Ic分别是三相电流有效值，θ1、θ2、θ3分别是三相电流的相位差，电流有效值和相位差一一对应。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种零序电流检测系统，其特征在于，包括分别安装于三相导线上的三个电流监测模块，以及分别与各所述电流监测模块无线连接的对时模块，其中：

任一所述电流监测模块均被配置为：检测所在导线的正弦波形的第一电流信号，计算所述第一电流信号的电流有效值，并将所述第一电流信号转换为第二电流信号，所述第二电流信号带有可测量特征点；所述电流监测模块还在接收到对时信号时开始计时T1，并在第二电流信号达到第一特征点时结束计时T2，将计时时间差△T以及所述第一电流信号的电流有效值通过无线方式反馈给计时模块，其中△T＝T2–T1；

所述计时模块被配置为：在预定时间通过无线方式分别向各相导线的所述电流监测模块发送对时信号；还根据各相导线的电流监测模块发送的时间差△T，分别计算出对应电流的相位差；根据三相电流的相位差以及电流有效值，计算出零序电流。

2.如权利要求1所述的零序电流检测系统，其特征在于，所述第二电流信号为矩形波信号。

3.如权利要求2所述的零序电流检测系统，其特征在于，所述可测量特征点为矩形波信号的上升沿或下降沿的时间点。

4.如权利要求3所述的零序电流检测系统，其特征在于，所述第一特征点为开始计时后首次达到上升沿或下降沿的时间点。

5.如权利要求1-4之一所述的零序电流检测系统，其特征在于，所述电流监测模块包括电流传感单元、第一控制单元和第一无线通信单元；所述电流传感单元用于检测导线的正弦波形的第一电流信号；

所述第一控制单元用于计算所述第一电流信号的电流有效值，并将第一电流信号转换为带有可测量特征点的第二电流信号；还在接收到第一脉冲信号时，开始计时T1，在第二电流信号达到第一特征点时结束计时T2，计算计时时间差△T＝T2–T1，将该时间差△T以及所述电流有效值通过第一无线通信单元发送给所述对时模块；

所述第一无线通信单元等待接收对时信号，在接收到对时信号时，向第一控制单元发送第一脉冲信号。

6.如权利要求1-4之一所述的零序电流检测系统，其特征在于，所述对时模块包括第二控制单元和第二无线通信单元，所述第二控制单元在预定时间通过第二无线通信单元广播对时信号；所述第二无线通信单元接收各相导线的电流监测模块发送的时间差以及电流有效值数据，将该时间差和电流有效值数据传输给第二控制单元；所述第二控制单元基于各相导线的所述时间差，分别计算对应的相位差，还根据各相导线的相位差和电流有效值，计算零序电流。

7.一种零序电流检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.分别获取三相导线的各相导线的正弦波形的第一电流信号，分别计算各相导线的电流有效值，分别将各相导线的第一电流信号转换为第二电流信号，所述第二电流信号带有可测量特征点；

B.在某一时刻开始计时；

C.分别在各相导线的第二电流信号到达第一特征点时结束计时，再分别计算各相导线的时间差：结束计时时与开始计时时间的时间差；

D.基于各相导线的时间差，分别计算对应的相位差；

E.根据各相导线的相位差和电流有效值，计算出零序电流。

8.如权利要求7所述的零序电流检测方法，其特征在于，所述第二电流信号为矩形波信号。

9.如权利要求8所述的零序电流检测方法，其特征在于，所述可测量特征点为矩形波信号的上升沿或下降沿的时间点。

10.如权利要求9所述的零序电流检测方法，其特征在于，所述第一特征点为开始计时后，首次达到上升沿或下降沿的时间点。