一种低耗时数字积分器及应用其的大电流测量装置的制作方法

1.本发明涉及电流采样技术领域，尤其是一种低耗时数字积分器及应用其的大电流测量装置。


背景技术：

2.现场大电流测量一般采用一次侧互感器，现将大电流转换成小电流，然后通过电表内的互感器再采集电流。参考中国专利公开号为cn205880037u的一种交流电大电流的测量系统，提供一种交流电大电流的测量系统，对交流电大电流进行分流，达到用普通电流互感器测量大电流的目的。交流电大电流通过分流后，对其中一个分流电流进行测量。分流导体横截面积累计不小于大电流导体的横截面积。大电流导体与分流导体连接部分导体的长度不小于大电流导体的横截面直径。分流导体，在与大电流导体为同心圆的圆周上均匀分布。在其中一条分流导体上装配电流互感器，测量电流值。将测量电流值按相应倍数扩大，得出大电流数值。存在以下缺点：互感器磁性会受磁场影响，导致电流的采样精度降低；大电流互感器一般体型较大，需要有足够的安装空间，消耗成本及对安装的要求提高；大电流互感器后端再接一级电表内的小互感器，则一共需要两级互感器，减少了可靠性；安装不方便。


技术实现要素：

3.本发明解决了现有技术大电流的采样精度低、成本高的问题，提出一种低耗时数字积分器及应用其的大电流测量装置，通过优化积分器算法，用软件代替硬件，减少外围设备，降低大电流测量成本，提高准确度，并利用罗氏线圈作为采集端，无磁芯饱和现象发生，测量准确，使用灵活。
4.为实现上述目的，提出以下技术方案：
5.一种低耗时数字积分器，其主体为数值数据积分器，采用累加计算原理，其计算序列为：
6.a(1),a(1)+a(2),a(1)+a(2)+a(3),...,sum(a)
7.包括低耗时算法：
[0008][0009]
其中，f(n)为待积分函数n次相加的和，x(n
‑
1)为中间变量。
[0010]
由于使用了中间变量，将其中每次算点的时候不用每次都从第一个点算起，减少重复工作，计算量为1024*4,每1024个积分会消耗7ms左右，这样即使三路电流通道，运算时间也不会超过25ms，占比160ms的采样时间比例较低，还有足够的时间可以运行部分功能，使其能够在单片机上运行。
[0011]
作为优选，所述低耗时算法的获取过程如下：
[0012]
对于同一计算序列：
[0013]
a(1),a(1)+a(2),a(1)+a(2)+a(3),...,sum(a)；
[0014]
待积分函数n次相加的和f(n)的计算过程如下：
[0015]
f(1)＝0
[0016][0017][0018][0019]
……
[0020][0021]
定义一个中间变量x序列为：
[0022]
x(1)，x(2)，x(3)，
…
，x(n
‑
1)，x(n)；
[0023]
将中间变量x序列插入计算公式中得到：
[0024]
f(1)＝a(1)
‑
a(1)
·
x(1)＝a(1)；
[0025][0026][0027]
……
[0028][0029]
作为优选，所述数值数据积分器为cumtrapz积分器或cumsum积分器。
[0030]
一种电流测量装置，采用上述的一种低耗时数字积分器，包括罗氏线圈、低耗时数字积分器和单片机，所述罗氏线圈用于电流采样，采集交流电流信号输入到低耗时数字积分器，所述低耗时数字积分器将交流电流信号转化为电流采样值，并将电流采样值输入到单片机，所述单片机为低耗时数字积分器提供给载体。
[0031]
通过优化数字积分器的算法，能将数字积分器移植到了常规的mcu中，减少了外围器件的使用，提高可靠性的基础上，减少了硬件成本开销，满足了低成本的要求。采用罗氏线圈作为采集端，使用灵活、成本低、最高带宽大于30mhz、为非侵入性或无损测量，能够用于无磁芯饱和现象的大电流测量。罗氏线圈在现场使用的优点包括抗干扰能力强，安装方便，适用于大电流的应用场合。
[0032]
作为优选，所述罗氏线圈包括第一罗氏线圈和第二罗氏线圈，所述第一罗氏线圈和所述第二罗氏线圈活动连接；所述活动连接的接头电连接于单片机。
[0033]
罗氏线圈分为第一罗氏线圈和第二罗氏线圈，在使用时就无需要求被测引线可以拆卸，只要将被测引线放在第一罗氏线圈和第二罗氏线圈之间，然后拼接第一罗氏线圈和第二罗氏线圈即可。这样设置的目的是增强罗氏线圈的使用灵活性。
[0034]
作为优选，所述罗氏线圈包括环形磁芯和缠绕在环形磁芯上的漆包线。
[0035]
本发明的有益效果是：
[0036]
1.罗氏线圈在现场使用的优点，抗干扰能力强，安装方便，适用于大电流的应用场合；
[0037]
2.优化成本，减少外围硬件器件，通过软件实现硬件的功能；
[0038]
3.降低应用过程中对单片机性能的要求，提高成本优势及芯片的通用性。
附图说明
[0039]
图1是实施例电流通道的采样波形原理图；
[0040]
图2是实施例cumsum积分器采集的原始波形图；
[0041]
图3是实施例经过matlab运算后的积分波形图；
[0042]
图4是实施例经过低耗时数字积分器运算后的积分波形图；
具体实施方式
[0043]
实施例：
[0044]
本实施例提出一种电流测量装置，包括罗氏线圈、低耗时数字积分器和单片机，罗氏线圈用于电流采样，采集交流电流信号输入到低耗时数字积分器，低耗时数字积分器将交流电流信号转化为电流采样值，并将电流采样值输入到单片机，单片机为低耗时数字积分器提供给载体。罗氏线圈包括第一罗氏线圈和第二罗氏线圈，第一罗氏线圈和第二罗氏线圈活动连接；活动连接的接头电连接于单片机。罗氏线圈包括环形磁芯和缠绕在环形磁芯上的漆包线。
[0045]
罗氏线圈分为第一罗氏线圈和第二罗氏线圈，在使用时就无需要求被测引线可以拆卸，只要将被测引线放在第一罗氏线圈和第二罗氏线圈之间，然后拼接第一罗氏线圈和第二罗氏线圈即可。这样设置的目的是增强罗氏线圈的使用灵活性。
[0046]
在选择最终的积分器之前，首先使用模拟积分器opa，确认罗氏线圈的工作性能。使用的模拟积分器型号为m5lp芯片，是一款高度集成的反向积分器模块，具有高精度、低零漂、高带宽、低成本、以及稳定的相位和极好的线性度。罗氏线圈通过该积分器，得到电流的瞬时波形，通过ad芯片采样，电流通道的采样波形原理图如图1。
[0047]
通过该模拟积分器后，得到的瞬时功率误差如表一：
[0048]
表一 经模拟积分器获得的瞬时功率误差表
[0049][0050]
由于罗氏线圈是d(i)/d(t)的采样原理，需要有积分器才能最终获得电流的采样值。数字积分器种类比较多，在matlab中分为：
[0051]
1.表达式积分；
[0052]
2.多项式积分；
[0053]
3.数值数据积分。
[0054]
对于ad芯片来说，采样属于离散点，选用数值数据的积分器比较合适。数值数据积分器为cumtrapz积分器或cumsum积分器。本实施选取其中一个积分器，cumsum积分器，罗氏线圈的采样信号直接得到的采样值输入到该积分器中后，输入的信号如图2：
[0055]
罗氏线圈的采样信号通过matlab运算后，得到的曲线参考图3；
[0056]
本实施例还提出一种低耗时数字积分器，其主体为cumtrapz积分器，采用累加计算原理，其计算序列为：
[0057]
a(1),a(1)+a(2),a(1)+a(2)+a(3),...,sum(a)
[0058]
包括低耗时算法：
[0059][0060]
其中，f(n)为待积分函数n次相加的和，x(n
‑
1)为中间变量。
[0061]
低耗时算法的获取过程如下：
[0062]
对于cumtrapz积分器的同一计算序列：
[0063]
a(1),a(1)+a(2),a(1)+a(2)+a(3),...,sum(a)；
[0064]
待积分函数n次相加的和f(n)的计算过程如下：
[0065]
f(1)＝0
[0066][0067]
[0068][0069]
……
[0070][0071]
对于每个f(n)，计算需要n次相加和再减一次，数据n越大，运算量会成倍上升，为了实现1024个点的运算，大概一路电流就会消耗(1+1024)*1024/2+1024次的运算时间，对一颗只有60m左右的芯片来说，时间上500ms左右，如果是三相表，则需要消耗大概1.5s左右，然而一次1024个点，也就是160ms就采样完成了，实际不满足采样完成就能计算完成的原则。如果选择更高主频的芯片，对硬件和成本都要求很高了。所以迫切需要优化数字积分器的算法。
[0072]
本实施例定义一个中间变量x序列为：
[0073]
x(1)，x(2)，x(3)，
…
，x(n
‑
1)，x(n)；
[0074]
将中间变量x序列插入计算公式中得到：
[0075]
f(1)＝a(1)
‑
a(1)
·
x(1)＝a(1)；
[0076][0077][0078]
……
[0079][0080]
将低耗时数字积分器带入到罗氏线圈的电流采样的计算，得到的波形图参考图4，得到的瞬时功率误差参考表二；
[0081]
表二 经低耗时数字积分器获得的瞬时功率误差表
[0082]
[0083]
对比图2、图3和图4，以及参考表二，低耗时数字积分器与matlab的cumsum积分器得到结果基本一致。
[0084]
由于使用了中间变量，将其中每次算点的时候不用每次都从第一个点算起，减少重复工作，计算量为1024*4,每1024个积分会消耗7ms左右，这样即使三路电流通道，运算时间也不会超过25ms，占比160ms的采样时间比例较低，还有足够的时间可以运行部分功能，使其能够在单片机上运行。
[0085]
通过优化数字积分器的算法，能将数字积分器移植到了常规的mcu中，减少了外围器件的使用，提高可靠性的基础上，减少了硬件成本开销，满足了低成本的要求。采用罗氏线圈作为采集端，使用灵活、成本低、最高带宽大于30mhz、为非侵入性或无损测量，能够用于无磁芯饱和现象的大电流测量。罗氏线圈在现场使用的优点包括抗干扰能力强，安装方便，适用于大电流的应用场合。