电流传感器的相频校准系统及方法与流程

本发明涉及测量仪器领域，尤其涉及的是一种电流传感器的相频校准系统及方法。

背景技术：

功率测量仪、电能质量检测仪、电力检测装置等具备电流相位测量功能的仪器，在测量超过仪器测量范围的大电流时，一般通过电流传感器间接进行测量。由于电流传感器的结构原因会导致电流相位延迟，电流传感器引入的相位误差会导致测量仪器测量的功率精度大大降低。

由于电流传感器的相位误差对高精度测量仪器在测量功率、电力事件监测、故障判断等方面具有重要影响，因此需要对电流传感器的相位误差进行校准。目前的相位误差校准方法大多采用固定相位值偏差校准法，或者采用多次循环遍历各频率段的相位误差校准法，该些校准方法效率很低且校准的精度较差，不能满足高精度测量仪器对测量精度和效率的要求。

技术实现要素：

本发明的电流传感器的相频校准系统及方法，解决了功率测量仪器在使用电流传感器测量电流时引入相位误差而导致的电流相位测量精度及功率测量精度不够的技术问题。

为解决上述问题，本发明提出一种电流传感器的相频校准系统，包括：电压电流信号源，电压电流测量仪，控制器；所述电压电流信号源的电流信号线穿过待校准电流传感器的线圈后返回连接至所述电压电流信号源，所述电压电流信号源的电压输出端连接所述电压电流测量仪的电压输入端，待校准电流传感器的电流输出端连接所述电压电流测量仪的电流输入端；

所述电压电流信号源输出同相位、同频率的第一电压信号和第一电流信号；所述待校准电流传感器响应于所述第一电流信号而生成并输出测量电流信号至所述电压电流测量仪；所述电压电流测量仪采样输入的所述第一电压信号和所述测量电流信号，并将采样的数据传输至所述控制器中；

所述控制器包括存储器和处理器，所述存储器存储有程序，所述程序被处理器执行时能够实现以下步骤：

以第一电压信号的采样信号作为输入信号、待校准电流传感器的测量电流信号的采样信号作为输出信号，进行拟合得到待校准电流传感器的传递函数；

将所述传递函数转换为频率特性函数，将所述频率特性函数进行变换得到相频响应函数；

将所述电压电流测量仪测得的测量电流信号的频率代入所述相频响应函数，得到所述待校准电流传感器的相位延迟角度，以校准所述待校准电流传感器的电流相位。

根据本发明的一个实施例，所述以第一电压信号的采样信号作为输入信号、待校准电流传感器的测量电流信号的采样信号作为输出信号，进行拟合得到待校准电流传感器的传递函数的步骤，包括：

根据第一电压信号、测量电流信号的采样信号确定待校准电流传感器的输入信号和输出信号之间的传递函数的数学模型，所述数学模型为n阶rc网络模型；

将所述第一电压信号的采样信号进行归一化处理，得到待校准电流传感器的输入信号xm：xm＝um*i/ratio/u；其中，m为输入信号、输出信号的采样点数；um为第m个输入信号采样值；u为电压电流信号源输出的第一电压信号的有效值；i为电压电流信号源输出的第一电流信号的有效值；ratio为待校准电流传感器的变比值；

将测量电流信号的采样信号作为待校准电流传感器的输出信号ym；

将所述输出信号ym及所述输入信号xm代入所述n阶rc网络模型，得到超定方程组；

根据最小二乘法解该超定方程组，得到最优解，该最优解作为传递函数的参数，从而确定所述待校准电流传感器的传递函数。

根据本发明的一个实施例，还包括校准参数存储器，用以存储所述传递函数的参数；所述控制器可读写所述校准参数存储器中的所述传递函数的参数。

根据本发明的一个实施例，将所述传递函数转换为频率特性函数，将所述频率特性函数进行变换得到相频响应函数的步骤，包括：

所述传递函数为二阶网络的传递函数：

根据z＝e^jw以及欧拉公式e^jw＝cosw+jsinw对传递函数进行转换，得到频率特性函数：

将所述频率特性函数进行变换得到相频响应函数，所述相频响应函数为：

其中：b0，b1，b2，a1，a2是传递函数的参数，a0为1；w为角频率，w＝2*π*f/fs，f为测量电流信号的频率，fs为电压电流测量仪采样的采样频率。

根据本发明的一个实施例，所述控制器包括第一控制器和第二控制器；

所述第一控制器的存储器存储的程序被其处理器执行时能够实现步骤：以第一电压信号的采样信号作为输入信号、待校准电流传感器的测量电流信号的采样信号作为输出信号，进行拟合得到待校准电流传感器的传递函数，并存储所述传递函数的参数；

所述第二控制器内置在所述电压电流测量仪中或为所述电压电流测量仪自带，所述第二控制器的存储器存储的程序被其处理器执行时能够实现步骤：获取所述传递函数的参数，将所述传递函数转换为频率特性函数，将所述频率特性函数进行变换得到相频响应函数；将所述电压电流测量仪测得的测量电流信号的频率代入所述相频响应函数，得到所述待校准电流传感器的相位延迟角度，将当前测得的测量电流信号的相位角减去所述相位延迟角度，得到该待校准电流传感器的电流相位校准值。

根据本发明的一个实施例，所述待校准电流传感器的数量为一个或多于一个，电压电流测量仪与待校准电流传感器一一对应；

在待校准电流传感器为多于一个时，所述电压电流信号源的电流信号线依次穿过各个待校准电流传感器的线圈后返回连接至所述电压电流信号源，各个待校准电流传感器将各自输出的测量电流信号输出至对应的电压电流测量仪中。

根据本发明的一个实施例，所述电压电流信号源输出的第一电压信号的有效值为所述电压电流测量仪的电压测量量程值，所述电压电流信号源输出的第一电流信号的有效值为所述电压电流测量仪的电流测量量程值。

根据本发明的一个实施例，采样所述第一电压信号和所述测量电流信号的时间长度大于所述电压电流信号源输出的信号的一个周期。

本发明还提供一种电流传感器的相频校准系统，包括：电压电流信号源，电压电流测量仪，控制器及校准参数存储器；所述电压电流信号源的电流信号线穿过待校准电流传感器的线圈后返回连接至所述电压电流信号源，所述电压电流信号源的电压输出端连接所述电压电流测量仪的电压输入端，待校准电流传感器的电流输出端连接所述电压电流测量仪的电流输入端；

所述电压电流信号源输出第一电流信号；所述待校准电流传感器响应于所述第一电流信号而生成并输出测量电流信号；所述电压电流测量仪接收所述测量电流信号；所述校准参数存储器存储有所述待校准电流传感器的传递函数的参数；

所述控制器包括存储器和处理器，所述存储器存储有程序，所述程序被处理器执行时能够实现以下步骤：

读取所述校准参数存储器中的传递函数的参数；

将所述电压电流测量仪测得的测量电流信号的频率及所述传递函数的参数代入相频响应函数，得到所述待校准电流传感器的相位延迟角度，以校准所述待校准电流传感器的电流相位。

本发明还提供一种电流传感器的相频校准方法，包括以下步骤：

s1：将电压电流信号源的电流信号线穿过待校准电流传感器的线圈后返回连接至所述电压电流信号源，将所述电压电流信号源的电压输出端连接电压电流测量仪的电压输入端，将待校准电流传感器的电流输出端连接所述电压电流测量仪的电流输入端；

s2：所述电压电流信号源输出同相位、同频率的第一电压信号和第一电流信号；所述待校准电流传感器响应于所述第一电流信号而生成并输出测量电流信号至所述电压电流测量仪；所述电压电流测量仪采样输入的所述第一电压信号和所述测量电流信号；

s3：以第一电压信号的采样信号作为输入信号、待校准电流传感器的测量电流信号的采样信号作为输出信号，进行拟合得到待校准电流传感器的传递函数；

s4：将所述传递函数转换为频率特性函数，将所述频率特性函数进行变换得到相频响应函数；

s5：将所述电压电流测量仪测得的测量电流信号的频率代入所述相频响应函数，得到所述待校准电流传感器的相位延迟角度，以校准所述待校准电流传感器的电流相位。

采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：

1、将电压作为输入、将电流作为输出进行拟合得到传递函数，电压和电流原始输出为同相位、同频率，而电流经过待校准电流传感器后产生相移，根据传递函数求得相频响应函数，进而可得到电流的相位延迟角度，从而实现相频校准，解决了待校准电流传感器的相位延迟而导致测量仪器测量的功率精度大大降低的问题；

2、本发明的电流传感器的相频校准系统及方法便于实现，并适用于任意电流传感器；

3、考虑了电流流经电流传感器变比因素及量纲不一致的问题，对输入信号进行了归一化处理，相位校准精度高且适用于任意幅频特性的电流传感器；

4、可同时进行多个电流传感器的相频校准，提升了校准效率。

附图说明

图1为本发明一实施例的电流传感器的相频校准系统的结构框图；

图2为本发明一实施例的电流传感器的相频校准系统的工作流程示意图；

图3为本发明一实施例的电流传感器的相频校准方法的流程示意图；

图4为本发明一实施例的传递函数的相频特性曲线图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

参看图1和图2，电流传感器的相频校准系统，包括：电压电流信号源，电压电流测量仪，控制器；电压电流信号源的电流信号线穿过待校准电流传感器的线圈后返回连接至电压电流信号源，电压电流信号源的电压输出端连接电压电流测量仪的电压输入端，待校准电流传感器的电流输出端连接电压电流测量仪的电流输入端。电压电流信号源的电流端子有正负两极端子，电流信号从正极端子出，穿过待校准电流传感器的线圈后回到负极端子。电压电流信号源优选为标准功率信号源，电压电流测量仪优选为高精度功率测量仪器，具体不限，只要能实现所需电流电压的提供与测试即可，当然测量精度越高，校准结果越精确。

待校准电流传感器的数量可以为一个或多于一个，电压电流测量仪与待校准电流传感器一一对应，可以根据测量需要而连接一定数量的待校准电流传感器至系统中，进行相频校准。

在待校准电流传感器为一个时，电压电流信号源的电流信号线穿过该待校准电流传感器的线圈后返回连接至电压电流信号源，该待校准电流传感器的电流输出端连接电压电流测量仪的电流输入端，电压电流信号源的电压输出端与电压电流测量仪的电压输入端直接连接。

图1示出的是待校准电流传感器为n个的情况，n大于1。在待校准电流传感器为多于一个时，电压电流信号源的电流信号线依次穿过各个待校准电流传感器的线圈后返回连接至电压电流信号源，各个待校准电流传感器的输出端连接对应的电压电流测量仪的电流输入端，各个待校准电流传感器将各自输出的测量电流信号输出至对应的电压电流测量仪中。本实施例中，可同时进行多个电流传感器的相频校准，提升了校准效率。

电压电流信号源输出同相位、同频率的第一电压信号和第一电流信号，即第一电压信号和第一电流信号的相位差为0°。当然，第一电压信号和第一电流信号的幅值是任意可选的。

优选的是，电压电流信号源输出的第一电压信号的有效值为所述电压电流测量仪的电压测量量程值，所述电压电流信号源输出的第一电流信号的有效值为所述电压电流测量仪的电流测量量程值，由于后续计算过程中，引入的误差因素有量程，因而将电流信号和电压信号均设置为量程值，可以降低量程带来的误差，使得校准精度更高。

待校准电流传感器响应于第一电流信号，在输出端输出测量电流信号，该测量电流信号输入至电压电流测量仪中。电压电流测量仪采样输入的第一电压信号和测量电流信号，并将采样的数据传输至控制器中。

采样所述第一电压信号和测量电流信号的时间长度大于电压电流信号源输出的信号的一个周期，以采样得到至少一个周期的第一电压信号和测量电流信号。可以理解，根据奈奎斯特定律，采样频率必须大于输出信号频率的两倍。

控制器包括存储器和处理器，所述存储器存储有程序，所述程序被处理器执行时能够实现以下步骤：

以第一电压信号的采样信号作为输入信号、待校准电流传感器的测量电流信号的采样信号作为输出信号，进行拟合得到待校准电流传感器的传递函数；

将所述传递函数转换为频率特性函数，将所述频率特性函数进行变换得到相频响应函数；

将所述电压电流测量仪测得的测量电流信号的频率代入所述相频响应函数，得到所述待校准电流传感器的相位延迟角度，以校准所述待校准电流传感器的电流相位。

优选的，以第一电压信号的采样信号作为输入信号、待校准电流传感器的测量电流信号的采样信号作为输出信号，进行拟合得到待校准电流传感器的传递函数的步骤，进一步包括：

1)根据第一电压信号、测量电流信号的采样信号确定待校准电流传感器的输入信号和输出信号之间的传递函数的数学模型，所述数学模型为n阶rc网络模型，模型公式如下：

yn＝b0xn+b1xn-1+...+bnx0-a1yn-1-a2yn-2-...-any0

其中：

n为rc网络的阶数；

yn为第n个输出信号采样值；

xn为第n个输入信号采样值；

bn为xn的系数，n为下标，其余系数依次类推；

an为yn的系数，n为下标，其余系数依次类推；

2)将所述第一电压信号的采样信号进行归一化处理，得到待校准电流传感器的输入信号xm：

xm＝um*i/ratio/u；

其中，

m为输入信号、输出信号的采样点数；

um为第m个输入信号采样值；

u为电压电流信号源输出的第一电压信号的有效值；

i为电压电流信号源输出的第一电流信号的有效值；

ratio为待校准电流传感器的变比值；

由于将第一电压信号的采样数据作为输入信号、而将测量电流信号的采样数据作为输出信号，一方面要克服第一电压信号和测量电流信号之间的量纲不统一的问题，另一方面要克服由于电流流经待校准电流传感器产生的幅度衰减(变比)而导致第一电压信号和测量电流信号之间的比例误差的问题，因而，对第一电压信号的采样信号进行上述公式的归一化处理，可以使得归一化后的数据可以作为理论上的电流输入信号，克服上述的问题，以与输出信号配合求得传递函数；

3)将测量电流信号的采样信号作为待校准电流传感器的输出信号ym；

4)将所述输出信号ym及所述输入信号xm代入所述n阶rc网络模型，得到如下超定方程组：

其中：

n为rc网络的阶数；

m为输入信号/输出信号的采样点数；

yn为第n个输出信号采样值；

xn为第n个输入信号采样值；

ym为第m个输出信号采样值；

xm为第m个输入信号采样值进行归一化处理后的数值；

bn均为xn的系数，n为下标，其余系数依次类推；

an均为yn的系数，n为下标，其余系数依次类推；

根据最小二乘法解该超定方程组，可以得到最优解：[an，bn]，n同为下标，最优解包括各个采样值的系数，该最优解[an，bn]作为传递函数的参数，从而确定待校准电流传感器的传递函数。

系统的传递函数描述的是输入和输出之间的关系，如果系统的传递函数已知，则可以根据不同形式的输入量研究系统的输出量。在本实施例中，即可以根据电流传感器的传递函数计算任意频率的信号通过电流传感器产生的相位延迟，从而对通过电流传感器的任意频率信号进行相位校准，即为相频校准。

进一步的，电流传感器的相频校准系统还可以包括校准参数存储器，用以存储传递函数的参数，在控制器计算出传递函数的参数之后将其存储到校准参数存储器中，当然，校准参数存储器和控制器的程序存储器可以为同一个存储器或不同的存储器。控制器可读写所述校准参数存储器中的所述传递函数的参数。在图1中，校准参数存储器的数量与待校准电流传感器的数量也是一一对应的，每一校准参数存储器存储对应的待校准电流传感器的传递函数的参数。

在一个实施例中，将所述传递函数转换为频率特性函数，将所述频率特性函数进行变换得到相频响应函数的步骤，包括：

取n＝2，所述传递函数为二阶网络的传递函数：

根据z＝e^jw以及欧拉公式e^jw＝cosw+jsinw对传递函数进行转换，得到频率特性函数：

将所述频率特性函数进行变换得到相频响应函数，所述相频响应函数为：

其中：b0，b1，b2，a1，a2是前面步骤中获取的传递函数的参数，a0为1；w为角频率，w＝2*π*f/fs，f为测量电流信号的频率，fs为电压电流测量仪采样的采样频率。

电压电流测量仪根据测得的测量电流信号的频率f，代入相频响应函数即可得到该频率下该待校准电流传感器的相位延迟角度电压电流测量仪将当前测得的测量电流信号的相位角减去即可得到该待校准电流传感器的电流相位校准值。

在一个实施例中，控制器包括第一控制器和第二控制器。继续参看图1，所述第一控制器可以为集中管控各个电压电流测量仪、校准参数存储器及电压电流信号源的校准控制平台，第二控制器内置在所述电压电流测量仪中或为所述电压电流测量仪自带的控制器。在图1中，校准控制平台与电压电流信号源通过usb线连接，用来对电压电流信号源进行配置及输出信号的设置；校准控制平台与电压电流测量仪之间通过以太网连接，用来传输采样数据等；校准控制平台与校准参数存储器之间通过485总线连接，用来传输传递函数的参数。

所述第一控制器的存储器存储的程序被其处理器执行时能够实现步骤：以第一电压信号的采样信号作为输入信号、待校准电流传感器的测量电流信号的采样信号作为输出信号，进行拟合得到待校准电流传感器的传递函数，并存储所述传递函数的参数。

所述第二控制器的存储器存储的程序被其处理器执行时能够实现步骤：获取所述传递函数的参数，将所述传递函数转换为频率特性函数，将所述频率特性函数进行变换得到相频响应函数；将所述电压电流测量仪测得的测量电流信号的频率代入所述相频响应函数，得到所述待校准电流传感器的相位延迟角度，将当前测得的测量电流信号的相位角减去相位延迟角度，得到该待校准电流传感器的电流相位校准值。

将控制器的任务分置两处配合完成，将相位延迟角度的计算及相位校准设置在电压电流测量仪中，可以保证在电压电流测量仪中测量到待校准电流传感器的频率后，便能获取传递函数的参数而直接对其进行相位校准，避免了数据的上传与下发，使测量结果可直接显示校准后的结果。

在一个实施例中，本发明还提供一种电流传感器的相频校准系统，包括：电压电流信号源，电压电流测量仪，控制器及校准参数存储器；所述电压电流信号源的电流信号线穿过待校准电流传感器的线圈后返回连接至所述电压电流信号源，所述电压电流信号源的电压输出端连接所述电压电流测量仪的电压输入端，待校准电流传感器的电流输出端连接所述电压电流测量仪的电流输入端；

所述电压电流信号源输出第一电流信号；所述待校准电流传感器响应于所述第一电流信号而生成并输出测量电流信号；所述电压电流测量仪接收所述测量电流信号；所述校准参数存储器存储有所述待校准电流传感器的传递函数的参数；

所述控制器包括存储器和处理器，所述存储器存储有程序，所述程序被处理器执行时能够实现以下步骤：

读取所述校准参数存储器中的传递函数的参数；

将所述电压电流测量仪测得的测量电流信号的频率及所述传递函数的参数代入相频响应函数，得到所述待校准电流传感器的相位延迟角度，以校准所述待校准电流传感器的电流相位。

在本实施例中，该待校准电流传感器的传递函数的参数预先存储在校准参数存储器中，在实际测量校准时，只需将校准参数存储器中的传递函数的参数读取出来，便可确定相频响应函数，从而进行后续的相位延迟计算及相位校准。传递函数的参数计算及相频响应函数的得出可以与前述实施例中的方式相同。

参看图3，本发明还提供一种电流传感器的相频校准方法，包括以下步骤：

s1：将电压电流信号源的电流信号线穿过待校准电流传感器的线圈后返回连接至所述电压电流信号源，将所述电压电流信号源的电压输出端连接电压电流测量仪的电压输入端，将待校准电流传感器的电流输出端连接所述电压电流测量仪的电流输入端；

s2：所述电压电流信号源输出同相位、同频率的第一电压信号和第一电流信号；所述待校准电流传感器响应于所述第一电流信号而生成并输出测量电流信号至所述电压电流测量仪；所述电压电流测量仪采样输入的所述第一电压信号和所述测量电流信号；

s3：以第一电压信号的采样信号作为输入信号、待校准电流传感器的测量电流信号的采样信号作为输出信号，进行拟合得到待校准电流传感器的传递函数；

s4：将所述传递函数转换为频率特性函数，将所述频率特性函数进行变换得到相频响应函数；

s5：将所述电压电流测量仪测得的测量电流信号的频率代入所述相频响应函数，得到所述待校准电流传感器的相位延迟角度，以校准所述待校准电流传感器的电流相位。

关于本发明的电流传感器的相频校准方法的具体内容可以参看前述电流传感器的相频校准系统中的描述内容，在此不再赘述。

以下再将具体实施例的步骤和具体数值引入来展开阐述。

步骤1：电流传感器的相频校准系统的接线示意图如图1所示，其中，电压电流信号源同步输出电压信号和电流信号；电压信号直接连接电压电流测量仪的电压测量通道；电流信号穿过待校准电流传感器的线圈，待校准电流传感器的感应电流输出给电压电流测量仪的电流测量通道；

电压电流测量仪的输入电压信号：幅值u＝10vrms；频率f＝50hz；相位角φ＝0°，偏置电压vdc＝0v；

电压电流测量仪的输入电流信号：幅值i＝10arms；频率f＝50hz；相位角φ＝0°，偏置电流idc＝0a；

待校准电流传感器的变比值ratio为1000∶1；

步骤2：电压电流测量仪以每秒2m个采样点的速度对上述输入电压信号和输入电流信号进行同步采样，并实时上传给控制器；

控制器对电压采样数据um进行归一化处理得到待校准电流传感器的传递函数的输入信号xm，xm＝um*i/ratio/u＝um*10/1000/10＝um/1000；

采集的电流采样数据作为待校准电流传感器的传递函数的输出信号ym，求解前述的超定方程组得到的最优解如下：

an＝[1-0.6605-0.2716]，bn＝[0.3190.3905-0.6425]

该最优解作为传递函数的参数。

步骤3：控制器将待校准电流传感器的传递函数的参数写入校准参数存储器中；

步骤4：电压电流测量仪在测量待校准电流传感器的输入电流信号时，读取校准参数存储器中的参数得到该待校准电流传感器的传递函数为：

该待校准电流传感器在实际测量中，电压电流测量仪将读取电流传感器校准参数存储器中的传递函数的参数，并根据传递函数的参数对不同电流输入信号的频率进行相位校准，获取的待校准电流传感器的传递函数的相频特性如图4所示。

得到不同频率信号下的相位响应见下表(1)：

表(1)

根据传递函数对电流传感器输入信号的相位进行校准，校准前和校准后的结果见下表(2)：

表(2)

由上表(2)可知，通过对电流传感器的相位进行校准，将电流传感器引入的相位偏差控制在0.2°以内，从而使得通过电流传感器测量电流的电压电流测量仪所测得的功率精度得到良好的保证。

根据以上实施例可以论证本发明的以下优点：进行电流传感器的相频校准，可以将电流传感器引入的相位偏差控制在0.2°之内，频率越高相频校准效果越显著；实施方式简单，可以同时对多个电流传感器进行校准，提高了相频校准效率；适用于任意类型的电流传感器，不需要遍历幅值和频率，能快速高效完成对电流传感器的相位校准；可实现全自动校准流程，不需要人工值守。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。