专利名称：直流配用电系统中逆向小电流的测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及直流电流的测量技术领域，特别涉及一种直流配用电系统中逆向小电流的测量装置及测量方法。
背景技术：
随着我国经济的发展，电力、工业、交通等行业现代化水平越来越高，应用直流电的区域和部门越来越多，如发配电系统、城市和矿山的牵引车、电气化轨道、化工、冶金及国
防工业等。随着直流电的应用越来越广泛，直流电网结构也越来越复杂，形成环网结构。环网供电能大大改善单电源供电缺陷，全面提升用户端电压质量；且当线路的某一部分出现故 障，可以及时隔离故障部位，设法从两侧开关向负荷正常供电，这样可避免电网发生大面积停电事故，缩短故障抢修时间，减少停电损失。但是，由于直流配用电系统的环网结构，电路中可能发生电流反向且数值很小的情况，我们称之为逆向小电流。这个逆向小电流出现时刻没有规律，大小约为几安 几十安培，但它的出现对电网和设备有不良影响。因此需要对这个逆向小电流进行测量，当逆向小电流出现时，电路需断开。逆向小电流的测量有两个难点。首先是测量精度和过载能力的问题。一般情况下，电路中流过kA数量级的稳态电流，发生短路故障时，电路中会出现几百kA数量级的短时短路电流。这就要求逆向小电流的测量装置既能够准确测量安培级小电流，又能够长时间承受kA级大电流，还能承受短时数百kA的短路电流。除此之外，逆向小电流测量的响应时间当然越短越好，不过根据断路器开断小电流的时间，IOms的响应时间能满足要求。目前常用的直流电流测量方法按原理可分为两大类一类基于欧姆定律，根据被测电流在已知电阻上的电压来确定被测电流的大小，如分流器；另一类是根据被测电流所建立的磁场为基础，将电流的测量问题转变为磁场的测量问题来测量电流，比如通过测量其磁感应强度、磁通或者磁势等方法来测量电流，如霍尔效应法、直流互感器、直流电流比较仪等等。虽然测量直流电流的方法有多种，但都不能满足逆向小电流的测量要求。分流器性能稳定，可靠性较高，是目前中压直流系统中普遍采用的直流测量方法，但由于其原理是欧姆定律，所以它只有在额定电流附近测量精度较高，而在电流值很小时(如几十安培)，精确度很低。基于霍尔效应的测量方法由于霍尔元件本身线性度较差，存在不等位电势、漂移以及易受周围温度和外磁场的影响等缺点，精度难以保证；此外霍尔传感器过载能力不高，可能会被短路电流损坏；若为了防止霍尔传感器被短路电流损坏而选择大量程，则测量小电流时难以保证精度。直流互感器是利用磁平衡原理，存在磁饱和、体积大、造价高等问题。直流比较仪结构复杂，体积较大，而且易受环镜影响，不满足低成本和小型化的要求。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目在于提供一种直流配用电系统中逆向小电流的测量装置及测量方法，能够精确测量出直流电路中的稳态电流和逆向小电流，具有测量范围广、精确度高、响应速度快、过载能力强、线性度高以及尺寸小、安装简单方便的特点。为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是一种直流配用电系统中逆向小电流的测量装置，包括相互连接的信号采集系统、信号调理系统以及数据处理系统；当选用的积分器为模拟积分器时，所述信号采集系统包括分流器以及与分流器相电连接的隔离变送器，还包括罗氏线圈以及与罗氏线圈相电连接模拟积分器；所述信号调理系统包括和隔离变送器相电连接的放大电路，和放大电路依次电连接的滤波电路以及隔离电路，还包括和模拟积分器相电连接的放大电路，和放大电路依次电连接的滤波电路以及隔离电路；所述数据处理系统包括和信号调理系统中的两个隔离电路均电连接的微处理器； 当选用的积分器为数字积分器时，所述信号采集系统包括分流器以及与分流器相电连接的隔离变送器，还包括罗氏线圈；所述信号调理系统包括和隔离变送器相电连接的放大电路，和放大电路依次电连接的滤波电路以及隔离电路，还包括和罗氏线圈相电连接的放大电路，和放大电路电连接的隔离电路，所述两个隔离电路均与A/D转换器电连接；所述数据处理系统包括和A/D转换器电连接的单片机。当选用的积分器为数字积分器时，在所述A/D转换器和微处理器间电连接有DSP或 FPGA。所述微处理器通过CAN现场总线或以太网将数据处理结果传输给上位机。所述分流器利用电路中原来串有的分流器。所述罗氏线圈套在电流回路导体外，为将导线均匀密绕在环形等截面非磁性骨架上而形成的空心电感线圈。一种直流配用电系统中逆向小电流的测量装置的测量方法当选用的积分器为模拟积分器时，首先由分流器测量电路中的电流，当电路工作在稳态电流值附近时，系统只对分流器进行信号采集，隔离变送器将采集信号的高压侧和低压侧隔离开来，隔离后的信号经放大、滤波、隔离等信号调理后送入微处理器，进行数据处理；当分流器测量值小于设定值时，设定值根据分流器分辨率的5-10倍来选择，则用分流器和罗氏线圈相结合测量小电流值，此时，启动模拟积分器，开始对罗氏线圈测量的电流变化率进行积分，对积分值进行放大、滤波、隔离等信号调理，同时将开始积分时刻的分流器值作为积分初值，与对罗氏线圈测量的电流变化率进行积分并进行放大、滤波、隔离等信号调理后的积分值相加得此时的小电流值，将小电流值送入微处理器，由微处理器对小电流进行判断，若小于0，则表示电流逆向，输出报警或脱扣等控制信号；若大于0，继续测量，此外，还能够选择用CAN现场总线或以太网将数据处理结果传输给上位机，达到遥测的目的；当选用的积分器为数字积分器时，首先由分流器测量电路中的电流，当电路工作在稳态电流值附近时，系统只对分流器进行信号采集，隔离变送器将采集信号的高压侧和低压侧隔离开来，隔离后的信号经放大、滤波、隔离等信号调理后送入A/D转换器；当分流器测量值小于设定值时，设定值根据分流器分辨率的5-10倍来选择，则用分流器和罗氏线圈相结合测量小电流值，对罗氏线圈输出信号经放大、隔离信号调理后送入A/D转换器，由单片机进行数字积分，同时将开始积分时刻的分流器值作为积分初值，与对罗氏线圈测量的电流变化率进行放大、隔离信号调理后送入A/D转换器的信号积分后相加得此时的小电流值，由单片机对小电流进行判断，若小于O，则表示电流逆向，输出报警或脱扣等控制信号；若大于O，继续测量，此外，还能够用CAN现场总线或以太网将数据处理结果传输给上位机。当选用的积分器为数字积分器时，送入A/D转换器的信号先经过DSP或FPGA处理后再送入单片机。本发明所述的这种直流配用电系统中逆向小电流的测量装置能够精确测量出直流电路中的稳态电流和逆向小电流。它具有以下优点(1)测量范围广。理论上来说，它的测量范围与所选罗氏线圈的测量范围大约相等，而罗氏线圈由于无磁饱和现象，测量范围可达到几百千安。也就是说其实它不仅可精确测量稳态电流值和小电流值，只要是分流器能承受的短路电流值，本装置均可测量。(2)精确度高。逆向小电流的测量要求在确保一 个大量程的前提下测量很小电流值，单一的测量手段很难保证精确度。本装置选择了分流器和罗氏线圈精度较高的测量区域，相比于只用单一手段测量，两者结合的测量精度要高。
(3)响应速度快。本装置的响应时间其实就是罗氏线圈测量时的响应时间，而罗氏线圈由于不含铁芯，无磁滞效应，响应速度极快，瞬态反应能力强。(4)过载能力强。分流器是配用电系统原本安装的，完全能承受电路的短时短路电流；一般罗氏线圈测量上限在千安级别，完全能满足系统短路电流的过载要求。(5)线性度高。由于分流器和罗氏线圈均不含磁饱和元件，在测量范围内线性度很高，容易标定。(6)尺寸小，安装简单方便。分流器为系统原有，无需另外安装，节约空间和成本。罗氏线圈安装时只需套在电流回路导体之上，无须破坏原有导电回路，简单方便。总而言之，本发明所述的这种直流配用电系统中逆向小电流的测量装置测量范围广，精确度高，响应速度快，过载能力强，线性度高，尺寸小，装置简单，容易实现，适合于工程实际应用。
图I是本发明测量装置的结构框图。
图2是积分器为数字积分器时本发明测量装置的结构框图。
图3是罗氏线圈结构示意图。
图4是测量城市轨道交通牵引系统中逆向小电流的具体实施硬件图。
图5是测量城市轨道交通牵引系统中逆向小电流的具体实施软件图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。本发明一种直流配用电系统中逆向小电流的测量装置，包括相互连接的信号采集系统、信号调理系统以及数据处理系统；当选用的积分器为模拟积分器时，如图I所示，所述信号采集系统包括分流器以及与分流器相电连接的隔离变送器，还包括罗氏线圈以及与罗氏线圈相电连接模拟积分器；所述信号调理系统包括和隔离变送器相电连接的放大电路，和放大电路依次电连接的滤波电路以及隔离电路，还包括和模拟积分器相电连接的放大电路，和放大电路依次电连接的滤波电路以及隔离电路；所述数据处理系统包括和信号调理系统中的两个隔离电路均电连接的微处理器。优选的，所述微处理器通过CAN现场总线或以太网将数据处理结果传输给上位机。当选用的积分器为数字积分器时，如图2所示，所述信号采集系统包括分流器以及与分流器相电连接的隔离变送器，还包括罗氏线圈；所述信号调理系统包括和隔离变送器相电连接的放大电路，和放大电路依次电连接的滤波电路以及隔离电路，还包括和罗氏线圈相电连接的放大电路，和放大电路电连接的隔离电路，所述两个隔离电路均与A/D转换器电连接；所述数据处理系统包括和A/D转换器电连接的单片机。优选的，在所述A/D转换器和微处理器间电连接有DSP或FPGA。优选的，所述微处理器通过CAN现场总线或以太网将数据处理结果传输给上位机。如图3所示，所述罗氏线圈为将导线均匀密绕在环形等截面非磁性骨架上而形成的空心电感线圈。实际应用时将它套在待测电流导体外。当通体中流过电流时，根据电流的磁效应，电流在骨架内产生磁场。根据电磁感应定律，变化的磁场产生电流。因此要想在 线圈中产生电流，必须有变化的磁场，而要产生变化的磁场，则导体中流过的必须是变化的电流。由此可见，罗氏线圈无法测量直流电流，它测量的是电流的变化率。e(t)为罗氏线圈二次侧感应出得电压，其输出电压正比于被测电流的变化率e(t) = —Μ—(式 I)
、J dt式中M为导线和线圈之间的互感；i为被测导线电流。
I fi(t) = --L e(t)dt(式 2)
M O1式2为罗氏线圈经积分器后所得的电流值，这个值其实只是电流的变化量。要想真正还原被测信号还需确定积分初值，如式3所示。i(t) = i(0) - ^ f: e(t)dt (式 3)由于罗氏线圈不能测量出直流电流，因此无法确定积分初值，需要外界给定，才能最终给出电路中的逆向小电流值。如图4和图5所示，分别是测量城市轨道交通牵引系统中逆向小电流的具体实施硬件图和软件图。系统中额定直流电流为4000A，短路电流值为llOkA，逆向小电流值约为几十A。系统中原本采用的分流器为4000A-60mV，当电流值小于100A时，分流器测量精度很低，不能满足逆向小电流的测量精度。因此在本方案中采用这样的处理方法当电流值大于500A时，将分流器测量结果作为最终电流值；当电流值小于500A时，将分流器初始测量值与罗氏线圈积分值之和作为最终电流值。采用O. 5%等级的罗氏线圈，则测量误差小于2. 5A，基本满足逆向小电流测量精度。为保证响应时间小于10ms，AD采样率选用lOkHZ。结合图4和图5，正常情况下，电路工作在稳定电流值附近，只有分流器测量电路中的电流，积分器未加电源，不能工作。当分流器测量电流小于500A时，电压比较电路输出高电平信号，通过功率放大电路和继电器，控制积分器的电源接通，积分器开始对罗氏线圈测量值进行积分。与此同时，电压比较电路产生的高电平信号经反向隔离送入微处理器的外部中断口，程序进入中断程序，进行小电流的测量。中断程序中，对分流器和罗氏线圈同时进行AD采样，保证此时分流器的测量值是积分的初始值。对采样值进行处理后相加，得小电流值。此后只对罗氏线圈积分值进行采样，替代之前的积分值，与开始的分流器测量值相加得实时小电流测量值。若此值大于O，则返回循环采集；若小于O，说明电流逆向，输出控制信号，报警或控制断路器断开，结束中断返回。其间对继电器触点进行检测，若断开，说明积分器电源断开了，则结束中断返回。
图4和图5所示流程是结合城市轨道交通这一具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明。不能认定本发明的具体实施方式
仅限于此。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
权利要求
1.一种直流配用电系统中逆向小电流的测量装置，其特征在于包括相互连接的信号采集系统、信号调理系统以及数据处理系统； 当选用的积分器为模拟积分器时，所述信号采集系统包括分流器以及与分流器相电连接的隔离变送器，还包括罗氏线圈以及与罗氏线圈相电连接模拟积分器；所述信号调理系统包括和隔离变送器相电连接的放大电路，和放大电路依次电连接的滤波电路以及隔离电路，还包括和模拟积分器相电连接的放大电路，和放大电路依次电连接的滤波电路以及隔离电路；所述数据处理系统包括和信号调理系统中的两个隔离电路均电连接的微处理器； 当选用的积分器为数字积分器时，所述信号采集系统包括分流器以及与分流器相电连接的隔离变送器，还包括罗氏线圈；所述信号调理系统包括和隔离变送器相电连接的放大电路，和放大电路依次电连接的滤波电路以及隔离电路，还包括和罗氏线圈相电连接的放大电路，和放大电路电连接的隔离电路，所述两个隔离电路均与A/D转换器电连接；所述数据处理系统包括和A/D转换器电连接的单片机。
2.根据权利要求I所述的直流配用电系统中逆向小电流的测量装置，其特征在于当选用的积分器为数字积分器时，在所述A/D转换器和微处理器间电连接有DSP或FPGA。
3.根据权利要求I所述的直流配用电系统中逆向小电流的测量装置，其特征在于所述微处理器通过CAN现场总线或以太网将数据处理结果传输给上位机。
4.根据权利要求I所述的直流配用电系统中逆向小电流的测量装置，其特征在于所述分流器利用电路中原来串有的分流器。
5.根据权利要求I所述的直流配用电系统中逆向小电流的测量装置，其特征在于所述罗氏线圈套在电流回路导体外，为将导线均匀密绕在环形等截面非磁性骨架上而形成的空心电感线圈。
6.权利要求I所述直流配用电系统中逆向小电流的测量装置的测量方法，其特征在于 当选用的积分器为模拟积分器时，首先由分流器测量电路中的电流，当电路工作在稳态电流值附近时，系统只对分流器进行信号采集，隔离变送器将采集信号的高压侧和低压侧隔离开来，隔离后的信号经放大、滤波、隔离等信号调理后送入微处理器，进行数据处理；当分流器测量值小于设定值时，设定值根据分流器分辨率的5-10倍来选择，则用分流器和罗氏线圈相结合测量小电流值，此时，启动模拟积分器，开始对罗氏线圈测量的电流变化率进行积分，对积分值进行放大、滤波、隔离等信号调理，同时将开始积分时刻的分流器值作为积分初值，与对罗氏线圈测量的电流变化率进行积分并进行放大、滤波、隔离等信号调理后的积分值相加得此时的小电流值，将小电流值送入微处理器，由微处理器对小电流进行判断，若小于0，则表示电流逆向，输出报警或脱扣等控制信号；若大于0，继续测量，此外，还能够选择用CAN现场总线或以太网将数据处理结果传输给上位机，达到遥测的目的； 当选用的积分器为数字积分器时，首先由分流器测量电路中的电流，当电路工作在稳态电流值附近时，系统只对分流器进行信号采集，隔离变送器将采集信号的高压侧和低压侧隔离开来，隔离后的信号经放大、滤波、隔离等信号调理后送入A/D转换器；当分流器测量值小于设定值时，设定值根据分流器分辨率的5-10倍来选择，则用分流器和罗氏线圈相结合测量小电流值，对罗氏线圈输出信号经放大、隔离信号调理后送入A/D转换器，由单片机进行数字积分，同时将开始积分时刻的分流器值作为积分初值，与对罗氏线圈测量的电流变化率进行放大、隔离信号调理后送入A/D转换器的信号积分后相加得此时的小电流值，由单片机对小电流进行判断，若小于O，则表示电流逆向，输出报警或脱扣等控制信号；若大于O，继续测量，此外，还能够用CAN现场总线或以太网将数据处理结果传输给上位机。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于当选用的积分器为数字积分器时，送入A/D转换器的信号先经过DSP或FPGA处理后再送入单片机。
全文摘要
一种直流配用电系统中逆向小电流的测量装置及测量方法，该测量系统包括相互连接的信号采集系统、信号调理系统以及数据处理系统；采用分流器与罗氏线圈相结合测量直流电流，罗氏线圈输出到积分器，当分别选用模拟积分器和数字积分器时，系统稍有不同；其测量方法为稳态时，用分流器测量电流；电流小于设定值，用分流器和罗氏线圈结合测量小电流值，方法是把分流器测量值作为积分初值，罗氏线圈测量电流的变化率，经积分器积分得电流变化量，相加得小电流值，若小于0，输出控制信号；若大于0，则继续测量；能够精确测量直流电路中稳态电流和逆向小电流，具有测量范围广、精确度高、响应速度快、过载能力强、线性度高以及尺寸小、安装方便的特点。
文档编号G01R19/25GK102818927SQ20121022307
公开日2012年12月12日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者荣命哲, 吴洁月, 刘定新, 王小华, 吴翊, 杨飞 申请人:西安交通大学