一种开合式电流互感器及其偏差在线监测方法
阅读说明：本技术 一种开合式电流互感器及其偏差在线监测方法 (Open-close type current transformer and deviation online monitoring method thereof ) 是由 王越 张发忠 邓文栋 胡春华 朱洋 李文杰 程孟 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种开合式电流互感器及其偏差在线监测方法,所述电流互感器包括壳体、磁芯及误差监测单元,所述磁芯安装于壳体内部,所述误差监测单元与所述磁芯相接触,用于注入波信号的输入、信号采集、数据处理及偏差计算。所述偏差在线监测方法包括：程序初始化,通过注入信号绕组向互感器输入注入波信号,通过注入信号绕组及二次输出绕组进行双通道同步采样,对采样信号进行滤波处理,对滤波后的信号进行分析计算,获得电流互感器的角差、比差。本发明实现了在互感器带电运行时完成偏差的测量,提高了开合式电流互感器多次开合后的偏差监测精度,为二次设备的偏差校准提供了可信的修正系数。(The invention discloses an open-close type current transformer and a deviation online monitoring method thereof. The online deviation monitoring method comprises the following steps: and initializing a program, inputting an injection wave signal into the mutual inductor through an injection signal winding, carrying out double-channel synchronous sampling through the injection signal winding and a secondary output winding, filtering the sampling signal, and carrying out analysis and calculation on the filtered signal to obtain the angular difference and the specific difference of the current mutual inductor. The invention realizes the measurement of the deviation when the transformer is in live operation, improves the deviation monitoring precision of the open-close type current transformer after being opened and closed for many times, and provides a credible correction coefficient for the deviation calibration of secondary equipment.)
技术领域
本发明涉及电流互感器技术领域，具体涉及一种开合式电流互感器及其偏差在线监测方法。
背景技术
目前使用的电流互感器从安装方式上划分可分为穿心式和开合式两种。穿心式电流互感器的优点是精度高，缺点是安装过程中需要将被测的电力线路断开，并将被测线路穿过电流互感器。但是，有很多的被测电力线路不具备断线的条件，比如10kV直线杆上的电力线路。使用开合式电流互感器可以克服穿心电流互感器的缺点，但是在多次开合后，开合式互感器存在一定的角差比差的偏差，直接影响互感器的测量精度。
目前已有的偏差监测方式一般为互感器出场时的偏差标定，但设备体积大、耗能高，且只能完成互感器的离线偏差监测，无法实现互感器工作状态的现场偏差标定。开合式电流互感器出厂后，随着使用年限的增长，并伴随可能的多次开合操作，其角差比差极有可能已发生较大偏差，需要一种方法在不影响电流互感器工作的前提下对角差比差进行现场在线偏差标定。
发明内容
本发明提出了一种开合式电流互感器及其偏差在线监测方法，其目的是：在开合式电流互感器处于运行状态时获得高精度的电流互感器角差比差。
本发明技术方案如下：
一种开合式电流互感器，包括壳体和磁芯，所述壳体包括上壳体和下壳体，所述磁芯包括分别安装于所述上壳体和下壳体内部的上磁芯和下磁芯，所述上壳体与下壳体的两端分别设有相互配合的开合口，上壳体与下壳体通过所述开合口实现互感器开合，所述上磁芯及下磁芯上下合拢构成闭合磁回路，其特征在于：还包括误差监测单元，所述误差监测单元与所述磁芯相接触，所述误差监测单元包括二次输出绕组、二次输出采样电阻、注入信号绕组、注入信号采样电阻、注入信号发生模块和误差运算模块，所述注入信号绕组的两端与所述注入信号采样电阻并联，所述二次输出绕组的两端与所述二次输出采样电阻并联，所述注入信号发生模块通过注入信号采样电阻与所述注入信号绕组相连接，所述误差运算模块分别与二次输出采样电阻、注入信号采样电阻及注入信号发生模块相连接，用于控制注入信号发生模块工作、采集二次输出采样电阻及注入信号采样电阻上的电压信号并进行数据处理及误差运算；所述二次输出绕组与注入信号绕组的匝数相等。
进一步地，所述二次输出绕组和注入信号绕组对称分布于下磁芯的两侧，所述上壳体及下壳体的半圆环形外侧沿环绕有紧固卡箍，所述上壳体与下壳体的一端的开合口的外侧面设有紧固螺钉及开合检测装置，所述紧固螺钉与所述紧固卡箍相配合用于固定上下壳体，所述开合检测装置用于检测开合口的开合状态。
进一步地，所述开合式电流互感器还包括绕组支架，所述绕组支架包括上绕组支架和下绕组支架，所述上绕组支架和下绕组支架分别固定安装于所述上壳体和下壳体内部，所述上磁芯和下磁芯分别穿过所述上绕组支架和下绕组支架，所述注入信号绕组缠绕于所述上绕组支架，所述二次输出绕组缠绕于所述下绕组支架；所述上壳体和下壳体两端的开合口外侧面设置有用于紧固所述上壳体和下壳体的螺栓和螺栓座。
一种基于所述开合式电流互感器实现的偏差在线监测方法，包括如下步骤：
S1：程序初始化，设置计算参数的初值；
S2：通过所述注入信号绕组向互感器输入注入波信号；
S3：采集二次输出采样电阻及注入信号采样电阻上的电压信号；
S4：对采样信号进行滤波处理；
S5：对滤波后的信号进行分析计算，获得电流互感器的角差、比差。
进一步地，所述步骤S4对采样信号进行有限长单位冲激响应带通滤波。
进一步地，所述步骤S5包括：
S51：对经步骤S4滤波处理后的NFFT个稳定后的信号点进行快速傅里叶变换，将二次输出侧信号变换结果及注入信号侧信号变换结果分别放入数组FFTm、FFTa中。
S52：按下式计算傅里叶变换结果的分辨率DPI，以及二次输出侧信号及注入信号侧信号在傅里叶变换结果数组中的索引Index：
其中，S为同步采样率，NFFT为快速傅里叶变换使用的采样点数，fi为注入波信号频率。
S53：由Index分别从FFTm、FFTa中提取出二次输出侧信号及注入信号侧信号的傅里叶变换结果，为a+bi的复数形式，按下式对二次输出侧信号及注入信号侧信号的相角phase、幅值amp进行计算：
计算得出二次输出侧信号的相角phasem、注入信号侧信号的相角phasea、二次输出侧信号的幅值ampm和注入信号侧信号的幅值ampa；S54：按下式计算出二次输出侧信号与注入信号侧信号的角差Rtmp和比差Atmp：
进一步地，所述偏差在线监测方法还包括步骤S6：重复步骤S3-S5进行多次采样计算，达到设定的计算次数后停止，取多次计算的角差平均值、比差平均值作为最终的电流互感器的偏差在线监测结果。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)在开合式电流互感器上引入误差监测单元，通过注入信号绕组向互感器输入注入波信号，通过注入信号绕组及二次输出绕组进行同步采样，在互感器带电运行时完成偏差的测量；
(2)进行偏差在线监测时，在信号同步采样过程中运用过采样方式进行降噪处理、注入波提取过程中采用具有线性相位特性的有限长单位冲激响应滤波器、注入波分析过程中运用傅里叶变换获取角差比差、偏差获取过程中采用多轮分析取均值方式，提高了偏差监测的精度，为二次设备的偏差校准提供了可信的修正系数；
(3)本发明算法复杂度低，实时性强，可在现场嵌入式设备良好运行，具有较大的工程实用价值；本发明算法精度高，在注入波信号极其微弱，原一次线路中谐波含量较高时仍能保持极高的偏差测量精度；
(4)结构上，紧固卡箍与螺钉或者螺栓与螺栓座配合使用，加强了外壳安装的稳定性；使用绕组支架加强了磁芯安装的稳固性，且利于绕组的均匀分布；引入的误差监测单元与电流互感器一体化设计，安装方便。
附图说明
图1为本发明的实施例一结构示意图；
图2为本发明的实施例二结构示意图；
图3为绕组支架的结构示意图；
图4为本发明的流程图；
图5为各标准角差下的角差监测结果示意图；
图6为各标准比差下的比差监测结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的技术方案：
实施例一：如图1，一种开合式电流互感器，包括壳体和磁芯，所述壳体包括上壳体1和下壳体7，所述磁芯包括分别安装于所述上壳体1和下壳体7内部的上磁芯2和下磁芯6，所述上壳体1与下壳体7的两端分别设有相互配合的开合口3，上壳体1与下壳体7通过所述开合口3实现互感器开合，所述上磁芯2及下磁芯6上下合拢构成闭合磁回路。
所述上壳体1与下壳体7的一端的开合口3的外侧面设有开合检测装置4，所述开合检测装置4内部有一只光敏管，利用光敏管对光的敏感性检测开合互感器的状态。
所述上壳体1及下壳体7内部填充有密封介质9，所述密封介质9为环氧树脂。
所述上磁芯2和下磁芯6闭合后构成圆环，所述上壳体1为半圆环形状，所述下壳体7的上半部分为与所述上壳体1相匹配的半圆环形状，下半部分为长方体形状。
所述上壳体1及下壳体7的半圆环形外侧沿环绕有紧固卡箍10，所述紧固卡箍10的连接处通过紧固螺钉5固定。
所述开合式电流互感器还包括误差监测单元8，所述误差监测单元8安装于所述下壳体7的下半部分内部，所述误差监测单元8与所述磁芯相接触，所述误差监测单元8包括二次输出绕组8-1、二次输出采样电阻8-2、注入信号绕组8-6、注入信号采样电阻8-5、注入信号发生模块8-4和误差运算模块8-3，所述注入信号绕组8-6的两端与所述注入信号采样电阻8-5并联，所述二次输出绕组8-1的两端与所述二次输出采样电阻8-2并联，所述注入信号发生模块8-4通过注入信号采样电阻8-5与所述注入信号绕组8-6相连接，所述误差运算模块8-3分别与二次输出采样电阻8-2、注入信号采样电阻8-5及注入信号发生模块8-4相连接，用于控制注入信号发生模块8-4工作、采集二次输出采样电阻8-2及注入信号采样电阻8-5上的电压信号并进行数据处理及误差运算。所述二次输出绕组8-1与注入信号绕组8-6匝数相等，相对于被测电流的比差、角差相等。
所述误差监测单元8还包括电源模块和通信模块，所述下壳体7的底板上设置有多个过孔，用于固定所述电源模块的输入端子及通信模块的输入端子和输出端子。
所述二次输出绕组8-1和注入信号绕组8-6均缠绕于所述下磁芯6，二次输出绕组8-1和注入信号绕组8-6对称分布于下磁芯6的两侧。
实施例二：如图2所示为发明的另一种结构，在此只描述壳体、磁芯和绕组分布与实施例一相区别的部分，其余部分不再赘述。
所述上磁芯2和下磁芯6闭合后构成口字型环，所述上壳体1和下壳体7为相互配合的U型结构，所述上壳体1和下壳体7两端的开合口3外侧面设置有用于紧固所述上壳体1和下壳体7的螺栓12和螺栓座13。
所述电流互感器还包括绕组支架，所述绕组支架包括上绕组支架11和下绕组支架14，所述上绕组支架11和下绕组支架14分别固定安装于所述上壳体1和下壳体7内部，所述上磁芯2和下磁芯6分别穿过所述上绕组支架11和下绕组支架14，所述注入信号绕组8-6缠绕于所述上绕组支架11，所述二次输出绕组8-1缠绕于所述下绕组支架14。
如图3，所述绕组支架为长方体中空结构，绕组支架的两端设有垂直外沿，所述绕组支架为可拆合结构。
所述误差监测单元8安装于所述下壳体7内部，所述误差监测单元8与所述下磁芯6之间设置有隔板15，所述隔板15上设有通孔，所述注入信号绕组8-6的输出端和二次输出绕组8-1的输出端穿过所述通孔与误差监测单元8相连接。
如图4，一种基于上述开合式电流互感器实现的偏差在线监测方法，包括如下步骤：
S1：程序初始化，设置各计算参数初值，包括计算次数X，工频频率fn，注入波频率fi，同步采样率S，计算周期采样点数NT，快速傅里叶变换FFT(fast Fourier transform)使用的采样点数NFFT，有限长单位冲激响应滤波器FIR(Finite Impulse Response)的滤波系数数组FIRcoff。
按下表设置各项参数：
X/次
f<sub>n</sub>/Hz
f<sub>i</sub>/Hz
S/SPS
N<sub>T</sub>/点
N<sub>FFT</sub>/点
10
50
200
6400
8192
4096
由于设置了fi为200Hz，故针对200Hz进行滤波器FIR设计，调整带通滤波的带通参数，得出阶数为406阶的滤波系数数组FIRcoff。
S2：误差运算模块8-3控制注入信号发生模块8-4工作，产生频率为fi的正弦信号，通过注入信号绕组8-6将此信号输入到互感器中，并等待注入信号超过一个信号周期。
S3：通过二次输出绕组8-1及注入信号绕组8-6进行双通道同步采样，采集二次输出采样电阻8-2及注入信号采样电阻8-5上的电压信号，利用过采样技术对采样信号进行降噪处理，将二次输出绕组8-1、注入信号绕组8-6的采样结果分别存入数组Rawm、Rawa中(下标m为二次输出侧参数，下标a为注入信号侧参数，下同)。
S4：当同步采样点数达到计算周期采样点数NT时，关闭双通道同步采样，对Rawm、Rawa数组利用FIRcoff进行有限长单位冲激响应带通滤波，以提取采样信号中的频率为fi的信号，提取结果分别存入数组FIRm、FIRa中。
S5：分析提取出来的信号，对滤波稳定后的信号进行分析计算，得出二次输出侧信号与注入信号侧信号的相角差与幅值比差，即为本轮计算的开合式电流互感器的角差Rtmp、比差Atmp。具体步骤如下：
S51：对经步骤S4滤波处理后的NFFT个稳定后的信号点进行FFT快速傅里叶变换，变换结果分别放入数组FFTm、FFTa中。
S52：根据NFFT、S按公式(1)计算傅里叶变换结果的分辨率DPI，以及二次输出侧信号及注入信号侧信号在傅里叶变换结果数组中的索引Index。
S53：由Index分别从FFTm、FFTa中提取出二次输出侧信号及注入信号侧信号的傅里叶变换结果，为a+bi的复数形式，按公式(2)对二次输出侧信号及注入信号侧信号的相角phase、幅值amp进行计算：
计算得出二次输出侧信号的相角phasem、注入信号侧信号的相角phasea、二次输出侧信号的幅值ampm和注入信号侧信号的幅值ampa。
S54：按公式(3)计算得出本轮计算的二次输出侧信号与注入信号侧信号的角差Rtmp和比差Atmp。
S6：重复步骤S3-S5，直到重复次数达到计算次数X，最后取各轮计算的Rtmp、Atmp平均值，即为最终的高精度电流互感器角差R、比差A的在线监测结果。
为进一步验证所述方法的有效性，将算法程序下载到嵌入式设备中，利用AD同步采样的方式采集两通道信号发生器产生的相位不同、幅值不同的信号，经过本发明所述方法处理后，得出图5所示的各标准角差下的角差监测结果及图6所示的各标准比差下的比差监测结果，有着极高的精度，符合现场实用的标准。本方法在注入波信号极其微弱，原一次线路中谐波含量较高时仍能保持0.5’以内的角差监测精度以及误差趋近于零的比差监测精度。
实际测量表明，在参数按S1步骤设置时，算法运行在Cotex-M4内核的单片机下，S3-S4步骤用时1.28秒，S4-S5步骤用时130毫秒，每轮计算总耗时1.41秒。本方法具有精度高、计算快的优点，非常符合现场嵌入式设备的实用标准。
本方法在同步采样过程中运用过采样方式进行降噪处理，提高采样精度；在注入波提取过程中采用具有线性相位特性的有限长单位冲激响应滤波器，确保了提取过程中的双通道相位差保持；注入波分析过程中运用傅里叶变换获取注入信号绕组8-6、二次输出绕组8-1中注入波的相位差、幅值比，从而得出互感器对注入信号的相角、幅值的影响，即角差比差；偏差获取过程中采用多轮分析取均值方式进一步提高了偏差监测的精度。
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