阅读说明：本技术 一种剩余电流保护断路器的电流非线性补偿方法 (Current nonlinear compensation method for residual current protection circuit breaker ) 是由 陈建进 李涛 于 2019-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明属于剩余电流保护断路器领域,特别涉及一种剩余电流保护断路器的电流非线性补偿方法,所述的方法包括以下步骤：电流互感器将一次侧交流大电流转换成二次侧小电流,通过整流输出直流电流,再经过电流电压转换和信号调理输入至ADC进行数字采样,最后由微处理器对ADC数字采样的数据进行分段线性拟合处理,通过修正每个分段区间的比值系数K值,实现对电流互感器非线性区间的线性补偿,满足全电流输入范围的电流检测精度要求。本发明技术方案无需电路元件搭建,成本低,调试验证以及生产更加方便,也更容易达到更高的精度；由于采用的微处理器进行软件分段,可以将分段实现得更为细致,实现也更加方便灵活。(The invention belongs to the field of residual current protection circuit breakers, and particularly relates to a current nonlinear compensation method of a residual current protection circuit breaker, which comprises the following steps: the current transformer converts primary side alternating current into secondary side small current, outputs direct current through rectification, inputs the secondary side small current into an ADC through current-voltage conversion and signal conditioning for digital sampling, finally carries out piecewise linear fitting processing on data of the ADC digital sampling by a microprocessor, realizes linear compensation on nonlinear intervals of the current transformer by correcting a ratio coefficient K value of each piecewise interval, and meets the current detection precision requirement of a full current input range. According to the technical scheme, circuit element building is not needed, the cost is low, debugging, verification and production are more convenient, and higher precision is easier to achieve; because the adopted microprocessor carries out software segmentation, the segmentation can be more meticulously realized, and the realization is more convenient and flexible.)

一种剩余电流保护断路器的电流非线性补偿方法

技术领域

本发明属于剩余电流保护断路器领域，特别涉及一种剩余电流保护断路器的电流非线性补偿方法。

技术背景

电流互感器是依据电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流。剩余电流保护断路器通过电流互感器来检测负载电流大小，并进行相应的过载长延时、短路短延时、短路瞬动保护。由于电流互感器铁芯饱和、涡流、磁滞以及励磁电流的存在，使得电流互感器的输入输出传变特性呈现非线性，大大影响电流测量精度。

针对非线性变换问题，主要思路是对电流互感器信号进行分段处理，针对不同的量程进行不同的非线性补偿处理。根据磁化曲线的特性，铁芯的磁化曲线分三个阶段，起始阶段、中间阶段、饱和阶段；起始阶段的小电流部分，剩余电流保护断路器对测量误差的容许度较高，可以不用补偿，而中间阶段呈线性，所以只需考虑大电流饱和阶段的非线性。目前常用的是采用硬件模拟电路进行分段处理，通过运算放大器对输出信号进行采样后，判断输出信号大小选通不同的量程，不同的量程的反馈系数各不相同，从而达到不同量程拥有不同增益的信号处理效果。在大电流阶段，电流互感器趋于饱和，当电流再增大时，电流互感器输出信号增大幅度变小，这时硬件电路选通运算放大系数高的运放，提高信号幅度，补偿由于互感器趋于饱和带来的非线性问题。

由于通过硬件电路解决，需要增加相应的电路和元器件，带来相应的成本增加；若要提升线性精度要求，需要选通更多不同增益的运算放大器，硬件复杂度就会大大增加，同时电路元器件的温漂具有不确定因素，会延长研发设计及调试测试周期；电路元器件的增加，会占用PCB布线面积，导致PCB线路板的成本增加，也加大了生产风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结合微处理器，通过软件实现分段补偿，弥补电流互感器非线性所带来的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种剩余电流保护断路器的电流非线性补偿方法，所述的方法包括以下步骤：电流互感器将一次侧交流大电流转换成二次侧小电流，通过整流输出直流电流，再经过电流电压转换和信号调理输入至ADC进行数字采样，最后由微处理器对ADC数字采样的数据进行分段线性拟合处理，通过修正每个分段区间的比值系数K值，实现对电流互感器非线性区间的线性补偿，满足全电流输入范围的电流检测精度要求；所述的分段线性拟合处理包括样机额定电流校准、样机补偿系数计算、生产额定电流校准三部分组成；

所述的样机额定电流校准：选一台剩余电流保护断路器样机，在电流延时测试台输入额定电流In，执行电流校准程序，对负载电流实时ADC数字采样得到给定额定电流In条件下的采样值An，根据公式(1)，计算出比值系数Kn；

K＝A×8192÷I (1)

式中，K为给定电流条件下的比值系数，A为给定电流条件下对应的ADC采样值，I为输入给定电流值；

所述的样机补偿系数计算：选同一台剩余电流保护断路器样机，在剩余电流保护断路器的电流延时测试台，输入4个给定电流值I1、I2、I3、I4，测试出对应的ADC采样值A1、A2、A3、A4，并根据公式(1)计算出比值系数K1、K2、K3、K4，然后根据公式(2)，用给定额定电流In条件下计算出对应的4个差值C1、C2、C3、C4，用该差值作为对应的线性补偿系数，并把补偿系数C1、C2、C3、C4和这4个给定电流ADC采样值A1、A2、A3、A4作为常量输入到微处理中，烧录：

C＝Kn-K (2)

式中，C为给定电流条件下的补偿系数，Kn为给定额定电流条件下的比值系数，K为给定电流下的比值系数；

所述的生产额定电流校准：批量生产时，首先对每一台剩余电流保护断路器进行样机额定电流校准，计算出额定电流下的每台剩余电流保护断路器比值系数Kn；

样机额定电流校准完之后，剩余电流保护断路器输入当前电流，ADC实时采样当前电流采样值A，并将当前电流采样值A与An、A1、A2、A3、A4进行比较，根据公式(3)计算出当前电流的比值系数K；

K ＝Kn- C (3)；

式中，K为当前电流的比值系数，Kn为给定额定电流条件下的比值系数，C为当前电流的补偿系数，其中当A≤A1时C＝0；当A1<A≤A2时C＝C1；当A2<A≤A3时C＝C2；当A3<A≤A4时C＝C3；当A4<A时C＝C4；

然后再通过当前电流采样值A和公式(4)计算出当前的实际电流值；

I ＝A×8192÷K (4)

式中，I为当前电流值，A为当前电流采样值，K为当前电流的比值系数。

所述的I1＝5In，I2＝8In，I3＝10In，I4＝12In，In为剩余电流保护断路器的额定电流。

本发明技术方案无需电路元件搭建，成本低，调试验证以及生产更加方便，也更容易达到更高的精度；由于采用的微处理器进行软件分段，可以将分段实现得更为细致，实现也更加方便灵活。

附图说明

图1为本发明中分段线性拟合流程图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明做出进一步阐述：

一种剩余电流保护断路器的电流非线性补偿方法，所述的方法包括以下步骤：电流互感器将一次侧交流大电流转换成二次侧小电流，通过整流输出直流电流，再经过电流电压转换和信号调理输入至ADC进行数字采样，最后由微处理器对ADC数字采样的数据进行分段线性拟合处理，通过修正每个分段区间的比值系数K值，实现对电流互感器非线性区间的线性补偿，满足全电流输入范围的电流检测精度要求；所述的分段线性拟合处理包括样机额定电流校准、样机补偿系数计算、生产额定电流校准三部分组成；

所述的样机额定电流校准：选一台剩余电流保护断路器样机，在电流延时测试台输入额定电流In，执行电流校准程序，对负载电流实时ADC数字采样得到给定额定电流In条件下的采样值An，根据公式(1)，计算出比值系数Kn；

K＝A×8192÷I (1)

式中，K为给定电流条件下的比值系数，A为给定电流条件下对应的ADC采样值，I为输入给定电流值；

所述的样机补偿系数计算：选同一台剩余电流保护断路器样机，在剩余电流保护断路器的电流延时测试台，输入4个给定电流值I1、I2、I3、I4，测试出对应的ADC采样值A1、A2、A3、A4，并根据公式(1)计算出比值系数K1、K2、K3、K4，然后根据公式(2)，用给定额定电流In条件下计算出对应的4个差值C1、C2、C3、C4，用该差值作为对应的线性补偿系数，并把补偿系数C1、C2、C3、C4和这4个给定电流ADC采样值A1、A2、A3、A4作为常量输入到微处理中，烧录：

C＝Kn-K (2)

式中，C为给定电流条件下的补偿系数，Kn为给定额定电流条件下的比值系数，K为给定电流下的比值系数；

所述的生产额定电流校准：批量生产时，首先对每一台剩余电流保护断路器进行样机额定电流校准，计算出额定电流下的每台剩余电流保护断路器比值系数Kn；

样机额定电流校准完之后，剩余电流保护断路器输入当前电流，ADC实时采样当前电流采样值A，并将当前电流采样值A与An、A1、A2、A3、A4进行比较，根据公式(3)计算出当前电流的比值系数K；

K＝Kn-C (3)；

式中，K为当前电流的比值系数，Kn为给定额定电流条件下的比值系数，C为当前电流的补偿系数，其中当A≤A1时C＝0；当A1<A≤A2时C＝C1；当A2<A≤A3时C＝C2；当A3<A≤A4时C＝C3；当A4<A时C＝C4；

然后再通过当前电流采样值A和公式(4)计算出当前的实际电流值；

I＝A×8192÷K (4)

式中，I为当前电流值，A为当前电流采样值，K为当前电流的比值系数。

所述的I1＝5In，I2＝8In，I3＝10In，I4＝12In，In为额定电流。

剩余电流保护断路器的电流检测与保护范围一般在0.2In-16In之间，其中In为额定电流。

由剩余电流保护断路器的电流互感器输入输出测试数据可知，在5In以上电流输入时电流互感器输入输出特性开始呈现非线性，由于剩余电流保护断路器的电流短延时、瞬动保护设定值一般分别为5In、8In，综合考虑计算量少、微处理器软件算法简单等工程因素，本方案采用5个数据特征点(In、I1、I2、I3、I4，其中I1＝5In，I2＝8In，I3＝10In，I4＝12In)进行分段线性拟合。

式中，K为给定电流条件下的比值系数，A为给定电流条件下对应的微处理器软件ADC采样值，I为输入给定电流值。根据实际电路参数和电流互感器特性参数可知，给定额定电流条件下A÷I得到值在0.3左右，为了微处理器软件无需进行浮点运算又能确保K值的计算精度，先把A值左移13位，即A值先乘上常量8192后再与I相除，保证了A÷I得到商值的小数点后3-4位有效性。

如图1所示以剩余电流保护断路器壳架电流250A为例，在一批待量产的产品中，先随机抽取一台进行分段线性拟合实验。首先样机额定电流校准，在给定额定电流250A条件下进行电流校准，微处理器软件计算出比值系数Kn。然后样机补偿系数计算，输入4个给定电流值，手动计算出相应比值系数、补偿系数，具体测试数据见表1，并把补偿系数、4个给定电流值的电流采样值手动输入到微处理器软件源代码对应的FLASH区域表格中，程序重新编译后烧录到这批待量产的产品中，接下来开始批量生产测试。最后生产额定电流校准，在批量生产时，先对每一台剩余电流保护断路器进行额定电流校准，然后依据产品试验标准进行长延时、短延时、瞬时特性的例行检验生产测试，通过液晶显示实时电流值或者在液晶上显示的保护跳闸动作电流值与测试台的实际给定电流值进行比较分析，保护跳闸的电流精度均大于±10％，符合产品标准要求。

表1 分段线性拟合测试数据

基于分段线性拟合的电流数据采集系统设计技术，解决了因电流互感器在全工作电流范围内非线性导致电流数据采集不准问题，有效降低了硬件电路和电流互感器成本，并能很好的满足电流测量和保护精度要求。

提出了适合工程应用的5点分段线性拟合算法，程序代码简单，生产操作容易，效率高。

自生电源的电源冗余设计，负载电流经过电流互感器感应输出二次侧电流，流经自生电源电路转换输出稳定电压，作为备用电源给系统供电，大大提高了产品可靠性。

本发明技术方案无需电路元件搭建，成本低，调试验证以及生产更加方便，也更容易达到更高的精度；由于采用的微处理器进行软件分段，可以将分段实现得更为细致，实现也更加方便灵活。