千倍干擾下異頻弱電流羅氏線圈測量裝置制造方法
【專利摘要】千倍干擾下異頻弱電流羅氏線圈測量裝置,由羅氏線圈,輸入端子,濾波電路單元,量程自動(dòng)切換單元,放大單元,電平偏置電路,50Hz陷波電路,AD采樣單元,CPU,顯示屏,存儲(chǔ)單元,操作旋鈕,打印機(jī)組成。本實(shí)用新型能實(shí)現(xiàn)上千倍工頻干擾電流下測量異頻(如47Hz,53Hz)弱電流的測量,在電氣測量領(lǐng)域,特別是在強(qiáng)干擾背景下的電力系統(tǒng)測試領(lǐng)域有著重要的用途。
【專利說明】千倍干擾下異頻弱電流羅氏線圈測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及測量【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]絕大多數(shù)電氣設(shè)備運(yùn)行于50Hz工頻交流電壓下,很多情況下需要測量工頻50Hz下的狀態(tài)參數(shù),其中大多是直接測量電壓電流信號(hào),或通過傳感器將各種物理量轉(zhuǎn)換為電壓電流信號(hào)然后測量。由于電網(wǎng)中存在很強(qiáng)的50Hz干擾,所以在高壓變電站現(xiàn)場一些微弱的測試信號(hào)因50Hz強(qiáng)干擾而難以測量,往往帶來很大的誤差甚至無法測量。所以,在很多電氣參數(shù)測試項(xiàng)目上可采用異頻法進(jìn)行測量,即在設(shè)備上加上異于工頻的正弦波信號(hào)源(如53Hz),然后利用選頻濾波技術(shù)抑制50Hz干擾,只測量該53Hz信號(hào)所對應(yīng)的參數(shù),可求得結(jié)果A。然后按同樣方法在工頻對稱偏頻測量47Hz求得結(jié)果B,取A+B的平均數(shù)即可認(rèn)為是50Hz下的結(jié)果C。該方法既可以兩點(diǎn)對稱變頻測量(如47Hz,53Hz),也可以多點(diǎn)對稱變頻測量(如45,47,53,55Hz)以提高結(jié)果的準(zhǔn)確度和可信度。這種變頻(或稱異頻)測量法能有效避免50Hz工頻的強(qiáng)干擾所帶來的誤差,能在有強(qiáng)工頻干擾的環(huán)境如高壓變電站,電廠準(zhǔn)確測量電氣設(shè)備參數(shù)。變頻測試法已在多種測試儀器上應(yīng)用,如變頻抗干擾介質(zhì)損耗測試儀,異頻線路參數(shù)測試儀,變頻接地參數(shù)測試系統(tǒng)等。
[0003]變頻測試法要達(dá)到不受干擾準(zhǔn)確測量這個(gè)最終目的,主要涉及兩個(gè)方面的技術(shù):變頻和選頻。變頻是需要將50Hz的市電電源轉(zhuǎn)變成電壓和頻率均可調(diào)的正弦波變頻電源,選頻則是需要在現(xiàn)場各種復(fù)雜的干擾中將變頻后的微弱信號(hào)提取出來,并進(jìn)行準(zhǔn)確測量。變頻技術(shù)發(fā)展時(shí)間較早,相對而言比較成熟,作為“源一表”測量系統(tǒng)中的源,不涉及測量和計(jì)算結(jié)果的輸出。同時(shí)其一般都通過隔離變壓器與外界干擾隔離,不受干擾影響,只需要按其自身內(nèi)部電路程序變頻即可。所以變頻電源這部分主要技術(shù)差異在于功率大小,其它技術(shù)指標(biāo)方面一般沒什么差別。
[0004]選頻技術(shù)相對而言要復(fù)雜很多,作為“源一表”測量系統(tǒng)中的表,其要在各種復(fù)雜的干擾情況下,分離出微弱的變頻信號(hào)并進(jìn)行測量輸出結(jié)果。往往是干擾信號(hào)比有用的變頻信號(hào)幅值強(qiáng)數(shù)倍至數(shù)十倍,有用的變頻信號(hào)被“淹沒”在各種干擾信號(hào)里。而且所測的信號(hào)里包括了工頻干擾、高頻干擾、諧波干擾,再疊加上變頻信號(hào),波形已變得雜亂無章復(fù)雜多變無明確規(guī)律,要在這樣雜亂復(fù)雜的波形里還原提取出有用的微弱信號(hào)還要準(zhǔn)確測量,難度可想而知。而且測試頻率和干擾頻率越近,選頻的難度就越大。顯然,選頻技術(shù)直接關(guān)系著成套變頻測量系統(tǒng)結(jié)果的準(zhǔn)確性,是成套系統(tǒng)能否達(dá)到排除干擾準(zhǔn)確測量這個(gè)最終目的的關(guān)鍵技術(shù),是成套系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸。
[0005]現(xiàn)有的選頻測量技術(shù)主要是基于模擬式濾波電路或稱硬件濾波電路,如LC電感電容器件等。但模擬式濾波電路存在著如下缺點(diǎn),1、只能抑制和衰減干擾,不能完全真正濾除干擾。2、模擬濾波電路適合于測試信號(hào)和干擾頻率差別很大的情況(如200Hz和50Hz),對于兩個(gè)很接近的頻率(如53Hz和50Hz)則難以達(dá)到理想效果;3、受硬件電路自身特性限制,其抗干擾能力只能達(dá)到十分之一 ;4、因硬件電路對不同的頻率和幅值響應(yīng)特性不一致,難以保證在各頻率各量程下均測量準(zhǔn)確;5、模擬電路不利于智能化,自動(dòng)化,集成化。
[0006]在變電站中一些測量項(xiàng)目經(jīng)常需要測量電流大小,一般也采用加上異頻信號(hào)源,然后測量金屬構(gòu)架或電纜中流過的該異頻電流大小。但另一個(gè)難點(diǎn)是,變電站金屬構(gòu)架一般尺寸較大且形狀不規(guī)則,導(dǎo)體直徑可達(dá)I米左右,常規(guī)的鉗形電流表無法鉗住如此大的導(dǎo)體。某些地方布線密集且數(shù)量很多,鉗形電流表同樣無法發(fā)揮作用。所以采用柔性羅氏線圈采樣電流,成為一個(gè)理想的選擇方案。
[0007]羅氏線圈(Rogowski線圈、洛氏線圈、羅柯夫斯基線圈)又叫電流測量線圈、微分電流傳感器,是一個(gè)均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環(huán)形線圈。輸出信號(hào)是電流對時(shí)間的微分。通過一個(gè)對輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行積分的電路,就可以真實(shí)還原輸入電流。該線圈具有電流可實(shí)時(shí)測量、響應(yīng)速度快、不會(huì)飽和、幾乎沒有相位誤差的特點(diǎn),故其可應(yīng)用于繼電保護(hù),可控硅整流,變頻調(diào)速,電阻焊等信號(hào)嚴(yán)重畸變以及電爐、短路測試、雷電信號(hào)采集等大電流的場合。
[0008]由于羅氏線圈有一個(gè)空芯,而不是一個(gè)鐵芯,它具有低電感,并能順應(yīng)瞬息萬變的電流。無二次開路危險(xiǎn);可測量不規(guī)則導(dǎo)體;安裝方便,無須破壞導(dǎo)體;此外,因?yàn)樗鼪]有鐵芯飽和,它是高線性度的,可承受更大電流。該線圈具有電流可實(shí)時(shí)測量、響應(yīng)速度快、不會(huì)飽和、幾乎沒有相位誤差的特點(diǎn),可應(yīng)用于繼電保護(hù),可控硅整流,變頻調(diào)速,電阻焊等信號(hào)嚴(yán)重畸變以及電爐、短路測試、雷電信號(hào)采集等大電流的場合。一個(gè)正確的成形羅柯夫斯基線圈,和同樣距離的繞組,在很大程度上是免疫電磁干擾。
[0009]本實(shí)用新型采用柔性羅氏線圈作為采集電流傳感器,可以測量頻率幾赫茲到1M,從幾安到幾百千安。其具有極佳的瞬態(tài)跟蹤能力,可以用于測量尺寸很大或形狀不規(guī)則的導(dǎo)體電流,可應(yīng)用在傳統(tǒng)測量電流的TA無法正常使用的電流的測量。
[0010]但羅氏線圈由于其原始的感應(yīng)信號(hào)很微弱,如常見的羅氏線圈變比為1000A/50mV,所以一般只能用來測量數(shù)百安以上的大電流。當(dāng)被測的異頻信號(hào)為1mA時(shí),羅氏線圈的原始感應(yīng)信號(hào)僅為0.5 μ V,需要有很高的測量精度和分辨率,在實(shí)驗(yàn)室無干擾環(huán)境下準(zhǔn)確測量都非常困難。
[0011]另一個(gè)存在的很大難題是:需要測量的1mA級(jí)的異頻(如48 Hz或52Hz)電流,是與1A級(jí)(或更大)的50Hz干擾電流混合在一起的,也即干擾比被測信號(hào)幅值強(qiáng)上千倍,而且兩者頻率非常接近;同時(shí)外界空間還存在著很強(qiáng)的電磁干擾。這對儀器的測量精度,分辨率,抗干擾能力提出了非常大的挑戰(zhàn)。在這種環(huán)境下要準(zhǔn)確提出并還原出1mA電流的感應(yīng)出的0.5 μ V信號(hào)的大小和波形,且該信號(hào)被淹沒在上千倍的干擾下,需要克服的技術(shù)難度非常大,幾乎成為“不可能完成的任務(wù)”,可以形象地比喻為在一個(gè)震耳欲聾的工地上要準(zhǔn)確測出一根針落地的聲音大小。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0012]本實(shí)用新型提供一種千倍干擾下異頻弱電流羅氏線圈測量裝置,目的在于克服目前現(xiàn)有技術(shù)中的不足,設(shè)計(jì)一種采用羅氏線圈采樣的數(shù)字化選頻濾波測量系統(tǒng),可在1000倍的50Hz干擾電流下準(zhǔn)確測量40— 70Hz微弱的異頻電流。裝置核心基于高性能CPU和小波變換軟件算法和硬件濾波電路。測量裝置可抗千倍干擾而數(shù)據(jù)準(zhǔn)確穩(wěn)定,如在10A,50Hz干擾下準(zhǔn)確選頻測量10mA,53Hz的電流大小和相位。
[0013]本實(shí)用新型核心性能的實(shí)現(xiàn)主要基于硬件濾波電路和小波變換運(yùn)算分析,能實(shí)現(xiàn)千倍干擾下的選頻電流測量,在電氣測量領(lǐng)域,特別是在強(qiáng)干擾背景下的電力系統(tǒng)測試領(lǐng)域有著重要的用途。
[0014]為解決上述問題,本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:
[0015]千倍干擾下異頻弱電流羅氏線圈測量裝置,本實(shí)用新型特征是,該裝置由羅氏線圈,輸入端子,濾波電路單元,量程自動(dòng)切換單元,放大單元,電平偏置電路,50Hz陷波電路,AD采樣單元,CPU,顯示屏,存儲(chǔ)單元,操作旋鈕,打印機(jī)組成;其連接結(jié)構(gòu)為:羅氏線圈的信號(hào)輸出線接到輸入端子,輸入端子連接到濾波電路單元,濾波電路單元連接到量程自動(dòng)切換單元,量程自動(dòng)切換單元輸出連接到放大單元,放大單元輸出連接到電平偏置電路,電平偏置電路輸出連接到50Hz陷波電路,50Hz陷波電路輸出連接到AD采樣單元,AD采樣單元輸出數(shù)字信號(hào)到CPU,CPU經(jīng)運(yùn)算處理后將結(jié)果發(fā)送至顯示屏顯示結(jié)果;CPU還連接存儲(chǔ)單元,存儲(chǔ)有相關(guān)設(shè)置參數(shù);CPU還連接操作旋鈕用于人機(jī)交互,連接打印機(jī)用于打印測量結(jié)果;其中量程自動(dòng)切換單元由CPU根據(jù)相關(guān)參數(shù)控制自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程。
[0016]本實(shí)用新型裝置采用柔性羅氏線圈作為采樣單元,且羅氏線圈的長度不小于I米。
[0017]本實(shí)用新型裝置測量范圍為40-70HZ,測量頻率步進(jìn)0.1Hz任意可選。
[0018]本實(shí)用新型裝置采用自動(dòng)量程切換用以測量大范圍電流。
[0019]本實(shí)用新型裝置的抗干擾能力主要由硬件濾波電路和軟件濾波算法兩部分共同實(shí)現(xiàn)。
[0020]本實(shí)用新型裝置可在50Hz干擾幅值比被測的40-70HZ異頻信號(hào)幅值大一千倍的情況下,仍能準(zhǔn)確測量異頻信號(hào)。
[0021]羅氏線圈是一種空心環(huán)形的線圈,有柔性和硬性兩種,可以直接套在被測量的導(dǎo)體上來測量交流電流。羅氏線圈測量電流的理論依據(jù)是法拉第電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律,當(dāng)被測電流沿軸線通過羅氏線圈中心時(shí),在環(huán)形繞組所包圍的體積內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)變化的磁場,線圈的輸出電壓與di/dt成正比。也就是說,羅氏線圈的輸出電壓與被測電流的微分成正比,只要將其輸出經(jīng)過積分器,即可得到與一次電流成正比的輸出電壓。羅氏線圈的輸出信號(hào)線通過輸入端子接到濾波單元,濾波單元由電感電容組成的PI濾波電路,可以將部分高頻信號(hào)濾除。濾波單元后端接量程自動(dòng)切換單元,量程自動(dòng)切換單元由多個(gè)不同阻值的電阻串聯(lián)而成,在不同的位置分出多個(gè)量程,分別對應(yīng)20mA,200mA, 2k, 20A, 200A等量程。CPU程序識(shí)別并自動(dòng)控制切換對應(yīng)的繼電器,使得信號(hào)幅值大小在最佳的測量范圍內(nèi)。量程切換后電壓信號(hào)送入放大單元,對信號(hào)進(jìn)行放大,放大后的交流信號(hào)接入電平偏置電路進(jìn)行電平移位,成為波形與被測電流一致的直流信號(hào)。該信號(hào)再送入50Hz陷波電路,對50Hz成分進(jìn)行陷波濾除。然后將剩余的波形送入AD采樣單元,對波形進(jìn)行AD采樣,變成數(shù)字信號(hào),送入CPU進(jìn)行軟件運(yùn)算。
[0022]信號(hào)經(jīng)AD采樣電路進(jìn)行高速采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換成程序可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)送入CPU。然后CPU對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行小波變換分析,從復(fù)雜的波形中分離出所需要測量的微弱的異頻正弦波信號(hào)。CPU通過軟件可分離出指定頻率下的電壓,按照一定的變比換算成電流,將結(jié)果顯示在顯示屏上。CPU可同時(shí)控制存儲(chǔ),打印,菜單操作等功能。
[0023]CPU可選常用的TI公司DSP型號(hào)如TMS320F2812,也可以是其它通用處理器,如ARM架構(gòu)處理器。DSP也稱數(shù)字信號(hào)處理器,是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu),具有專門的硬件乘法器,廣泛采用流水線操作,提供特殊的DSP指令,可以用來快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求,DSP芯片一般具有如下的一些主要特點(diǎn):(1)在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法。(2)程序和數(shù)據(jù)空間分開,可以同時(shí)訪問指令和數(shù)據(jù)。(3)片內(nèi)具有快速RAM,通常可通過獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問。(4)具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持。(5)快速的中斷處理和硬件I/O支持。(6)具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器。(7)可以并行執(zhí)行多個(gè)操作。(8)支持流水線操作,使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。
[0024]小波變換當(dāng)前應(yīng)用數(shù)學(xué)和工程學(xué)科中一個(gè)迅速發(fā)展的新領(lǐng)域,經(jīng)過近10年的探索研究,重要的數(shù)學(xué)形式化體系已經(jīng)建立,理論基礎(chǔ)更加扎實(shí)。傳統(tǒng)的信號(hào)理論,是建立在傅里葉分析基礎(chǔ)上的,而傅里葉變換作為一種全局性的變化,其有一定的局限性。在實(shí)際應(yīng)用中人們開始對傅里葉變換進(jìn)行各種改進(jìn),小波分析由此產(chǎn)生了。小波分析是一種新興的數(shù)學(xué)分支,它是泛函數(shù)、傅里葉分析、調(diào)和分析、數(shù)值分析的最完美的結(jié)晶;在應(yīng)用領(lǐng)域,特別是在信號(hào)處理、圖像處理、語音處理以及眾多非線性科學(xué)領(lǐng)域,它被認(rèn)為是繼傅里葉分析之后的又一有效的時(shí)頻分析方法。小波變換與傅里葉變換相比,是一個(gè)時(shí)間和頻域的局域變換因而能有效地從信號(hào)中提取信息,通過伸縮和平移等運(yùn)算功能對函數(shù)或信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化分析,解決了傅里葉變換不能解決的許多困難問題。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比,本實(shí)用新型的異頻弱電流羅氏線圈測量裝置具有如下優(yōu)點(diǎn):
(I)選頻抗干擾能力強(qiáng),比以往模擬選頻電路抗干擾能力提高數(shù)百倍以上,可在上千倍的干擾下準(zhǔn)確測量微弱的異頻電流信號(hào)。(2)采用羅氏進(jìn)行采樣,可適用于大直徑和不規(guī)則的導(dǎo)體。(3)可數(shù)字化任意0.1Hz變頻選頻,在50Hz強(qiáng)干擾下也能選擇非常接近49Hz,51Hz等頻率進(jìn)行測量,這就保證了測量結(jié)果與工頻的等效性。(4)可數(shù)字化的進(jìn)行軟件校準(zhǔn),保證了各頻率和各量程下測量的準(zhǔn)確性。(5)智能化程度高??勺詣?dòng)切換量程,可保存打印結(jié)果,可保存及導(dǎo)出測試波形,非常有利于進(jìn)一步的技術(shù)分析。(6)電路架構(gòu)清晰,前端模擬電路較簡單。(7)系統(tǒng)核心部分為CPU和軟件算法,有利于保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
[0026]本測量裝置在電氣測量領(lǐng)域,特別是在電廠,變電站等強(qiáng)干擾環(huán)境下的電氣設(shè)備參數(shù)測量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面用最佳的實(shí)施例對本實(shí)用新型做詳細(xì)的說明。
[0029]如圖1所示,千倍干擾下異頻弱電流羅氏線圈測量裝置,本實(shí)用新型特征是,該裝置由羅氏線圈,輸入端子,濾波電路單元,量程自動(dòng)切換單元,放大單元,電平偏置電路,50Hz陷波電路,AD采樣單元,CPU,顯示屏,存儲(chǔ)單元,操作旋鈕,打印機(jī)組成;其連接結(jié)構(gòu)為:羅氏線圈的信號(hào)輸出線接到輸入端子,輸入端子連接到濾波電路單元,濾波電路單元連接到量程自動(dòng)切換單元,量程自動(dòng)切換單元輸出連接到放大單元,放大單元輸出連接到電平偏置電路,電平偏置電路輸出連接到50Hz陷波電路,50Hz陷波電路輸出連接到AD采樣單元,AD采樣單元輸出數(shù)字信號(hào)到CPU,CPU經(jīng)運(yùn)算處理后將結(jié)果發(fā)送至顯示屏顯示結(jié)果;CPU還連接存儲(chǔ)單元,存儲(chǔ)有相關(guān)設(shè)置參數(shù);CPU還連接操作旋鈕用于人機(jī)交互,連接打印機(jī)用于打印測量結(jié)果;其中量程自動(dòng)切換單元由CPU根據(jù)相關(guān)參數(shù)控制自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程。
[0030]本實(shí)用新型裝置采用柔性羅氏線圈作為采樣單元,且羅氏線圈的長度不小于I米。
[0031]本實(shí)用新型裝置測量范圍為40-70HZ,測量頻率步進(jìn)0.1Hz任意可選。
[0032]本實(shí)用新型裝置采用自動(dòng)量程切換用以測量大范圍電流。
[0033]本實(shí)用新型裝置的抗干擾能力主要由硬件濾波電路和軟件濾波算法兩部分共同實(shí)現(xiàn)。
[0034]本實(shí)用新型裝置可在50Hz干擾幅值比被測的40-70HZ異頻信號(hào)幅值大一千倍的情況下,仍能準(zhǔn)確測量異頻信號(hào)。
[0035]本實(shí)用新型裝置的選頻濾波功能主要由硬件濾波電路和CPU基于小波變換算法進(jìn)行高速分析運(yùn)算而實(shí)現(xiàn)。
[0036]本實(shí)用新型裝置采用柔性羅氏線圈作為采樣單元,且羅氏線圈的長度不小于I米。
[0037]該系統(tǒng)使用了 SD卡作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì),測試數(shù)據(jù)可存儲(chǔ),可導(dǎo)出,可打印。
【權(quán)利要求】
1.千倍干擾下異頻弱電流羅氏線圈測量裝置,其特征是,該裝置由羅氏線圈,輸入端子,濾波電路單元,量程自動(dòng)切換單元,放大單元,電平偏置電路,50Hz陷波電路,AD采樣單元,CPU,顯示屏,存儲(chǔ)單元,操作旋鈕,打印機(jī)組成;其連接結(jié)構(gòu)為:羅氏線圈的信號(hào)輸出線接到輸入端子,輸入端子連接到濾波電路單元,濾波電路單元連接到量程自動(dòng)切換單元,量程自動(dòng)切換單元輸出連接到放大單元,放大單元輸出連接到電平偏置電路,電平偏置電路輸出連接到50Hz陷波電路,50Hz陷波電路輸出連接到AD采樣單元,AD采樣單元輸出數(shù)字信號(hào)到CPU,CPU經(jīng)運(yùn)算處理后將結(jié)果發(fā)送至顯示屏顯示結(jié)果;CPU還連接存儲(chǔ)單元,存儲(chǔ)有相關(guān)設(shè)置參數(shù);CPU還連接操作旋鈕和打印機(jī);其中量程自動(dòng)切換單元由CPU根據(jù)相關(guān)參數(shù)控制自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程。
2.如權(quán)利要求1所述千倍干擾下異頻弱電流羅氏線圈測量裝置,其特征在于,該裝置采用柔性羅氏線圈作為采樣單元,且羅氏線圈的長度不小于I米。
3.如權(quán)利要求1所述千倍干擾下異頻弱電流羅氏線圈測量裝置,其特征在于:該裝置測量范圍為40-70HZ,測量頻率步進(jìn)0.1Hz0
【文檔編號(hào)】G01R19/25GK203965509SQ201420315938
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】周仿榮, 馬御棠, 王磊, 邵建康, 申元 申請人:云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司電力研究院, 上海大帆電氣設(shè)備有限公司, 云南電網(wǎng)公司技術(shù)分公司