基于映射算法的高精度交流钳形表设计.pdf

第二十八卷第二期Vol.28,No.2JOURNAL OF ANHUI ELECTRICAL ENGINEERING PROFESSIONAL TECHNIQUE COLLEGE安徽电气工程职业技术学院学报2023年6 月June 2023基于映射算法的高精度交流钳形表设计李友平，王汉，程广兵，王晓波（1.国网怀宁县供电公司，安徽安庆2 46 12 1；2.安徽电气工程职业技术学院，安徽合肥230051)摘要：为了拓宽钳形电流表的使用场合，采用映射算法设计出高精度交流钳形表，比普通钳形表具有更高的测量精度，使得钳形表可以应用在高测量精度要求的场合。关键词：钳形电流表；测量精度；映射法中图分类号：TM933.15*2文献标识码：A文章编号：16 7 2-9 7 0 6(2 0 2 3)0 2-0 0 5 3-0 6Design of High Precision AC Clamp Meter Based on Mapping AlgorithmLI Youping,WANG Han,CHENG Guangbing,WANG Xiaobo?(1.State Grid Huaining Power Supply Company,Anqing 246121,China;2.Anhui Electrical Engineering Professional Technique College,Hefei 230051,China)Abstract:In order to broaden the use of clamp meters,the mapping algorithm is used to design an ACclamp meter.With higher measurement precision than ordinary clamp meters,the clamp meter can beapplied on occasions of high measurement precision requirements.Key words:clamp meter;measurement precision;mapping algorithm0引言使用钳形电流表在进行电流测量时,无需断开被测电路，就能够实现导线或母排中流过电流的测量，特别适用于不方便断开线路或不允许停电的场合，在电力、交通和汽修等行业有着广泛应用。但是，钳形电流表受到励磁电流、漏磁通和数字处理电路元器件精确度不足等因素的影响，使得钳形电流表的测量精度普遍不高1-4，一般为2.5 5 级，限制了钳形表的使用范围,通常只能使用在对测量精度要求不高的场合。1高精度钳形电流表的硬件设计及误差来源为了增加钳形电流表的应用场合，有必要提供一种高精度交流钳形表，使钳形电流表能在对于精度要求较高的场合应用。高精度数字钳形表的硬件设计原理如图1所示。其中，部件1为钳形表钳头，作用为获取待测电流i并将待测电流i按比例缩小为电流i,其变比为N,即iz=N,部件2 为采样电阻R,作用为将电流i转换为u,以供模数转换器处理；部件3 为A/DC,即模数转换器处理，作用为将模拟量uz转换为数字量us，收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 8作者简介：李友平（19 7 4一），男，安徽潜山人，高级工程师，本科学历，现从事电力系统及其自动化相关工作。王晓波（19 7 9 一），男，安徽淮南人，通信作者，副教授，本科学历，研究方向为电力系统及其自动化、电气仪表。53安徽电气工程职业技术学院学报以供智能处理器进行处理；部件4为微处理器，可根据处理速度需要采用单片机或DSP等智能芯片，作用为分析、运算和处理数字量u3，将测量结果尽可能快速、精确地传送到显示屏；部件5 为LCD显示屏，作用为显示由智能处理器传送的电流数值。R第二十八卷第二期不12U2A/DCMPULCD1钳形表钳头部分原理图如图2 所示，钳形表钳头实际上为电流互感器，被测载流导线相当于电流互感器一次侧线圈，互感器二次侧线圈绕制在铁心上，根据互感器磁动势平衡原理可知：(1)式中，i为待测电流；i为电流互感器二次侧电流,该电流流人钳形电流表的数字处理电路,经过一系列处理,最终将该电流按照某种数值关系显示在钳形表的LCD显示屏上；i为该电流互感器的励磁电流。由式(1)可见，由于励磁电流i的存在，待测电流与二次侧电流i并不严格成正比关系。除了受到励磁电流的影响，钳头漏磁通和钳口部分夹持不紧而使铁芯部分不能闭合等因素都会对钳形电流表的测量精度造成不利影响。2图1钳形电流表硬件设计原理图i,N,+i,N,=ioN4被测载流导线5铁心口000手柄图2 钳形电流表钳头部分原理图除了钳头部分引入的误差外，钳形电流表的数字处理电路的电子元器件误差、零漂和电磁干扰等因素也会带来误差,造成钳形电流表的准确性降低。2高精度钳形电流表的软件设计2.1年钳形电流表的通用软件设计方案采用下述方法，可以有效减小上述因素对钳形电流表造成的测量误差，使钳形表的测量精度有明显提升。按照图1所示硬件电路设计方法设计好钳形电流表硬件，再使用一般方法设计钳形表的软件，实施流程如下：用钳形电流表的钳头将待测导体夹住，并尽量使待测导体放置在钳头中间位置；待测导体中的电流为i,钳头将电流i按比例缩小为电流i;由于一般A/D转换器为电压型,所以设置采样电阻R与钳54李友平，王汉，程广兵，王晓波：基于映射算法的高精度交流钳形表设计头二次侧线圈并联，将电流i转换为A/D转换器能够处理的电压量u2;A/D转换器将模拟电压量z转换为微处理器能够处理的数字电压量u3，M PU 经过运算、分析等一系列过程,将待测电流i尽可能准确地显示在LCD屏上。图3 钳形电流表精度测试原理图为了使所设计的钳形电流表精度能够达到0.5 级，将钳形电流表的钳头使用坡莫合金铁芯，所有电阻、电感和电容等电子元器件均使用高质量元件。为了验证该钳形表精度是否达到目标精度，使用图3所示的测试电路进行验证。在图3 中，部件1为精度为0.0 5 级的标准电流源A，作用为给钳形电流表提供尽可能精确的待测电流；部件2 为精度为0.0 5 级的电流表A，作用是进一步保证标准源A提供的电流的精确度满足精度要求；部件3 为待测精度的钳形电流表。标准电流源A和电流表A的精度最少要比设计的钳形电流表目标精度高一个量级，这里所设计的钳形电流表目标精度为0.5 级，所以标准电流源A和电流表A的精度至少要达到0.2 级，当然精度越高越好，这里试验选用的电流源和电流表A的精度为0.0 5 级。为了消除随机误差的影响，应该采用多次测量取平均值的方法，这里试验将标准源A读数、电流表A测量读数和钳形电流表测量读数各记录10 次取平均值,将测量数据列在表1中。其中第一列为标准源A测量10 次读数的平均值,第二列为电流表A测量10 次读数的平均值，第四列为钳形电流表测量10 次读数的平均值，当标准源A自身读数与电流表A测量读数不相同时，无法判断是标准源A的自身误差造成的、还是电流表A的测量误差引起的,所以取两者的平均值,第三列为标准源A读数与电流表A测量读数的平均值，将该值作为钳形电流表所测量的实际电流值。表1未校准的钳形电流表误差测量标准源A读数I/A1.000 002.000 003.000 004.000 005.000 007.000 009.000 0010.000 00由表1可以看出,尽管将钳形电流表的钳头使用坡莫合金铁芯,所有电阻、电感和电容等电子元器件使用了高质量元件，在钳形电流表所测量的8 组数据中，有5 组能够满足0.5 级的精度要求，另外3 组测量不能满足0.5 级的精度要求。由此可见，由于影响钳形电流表测量精度的因素非常多,单纯在硬件设计上采取方法很难使钳形电流表的测量精度达到0.5 级，更不用说更高精度要求了。2.2高高精度钳形电流表的映射法软件设计方案下面将软件设计方法由前述的一般通用方法改为映射法5.6 ,所谓映射法即为将钳形电流表测量范围内的电流等分为N份，分别记为II、I 2、I 3、I N-1 I n；使用精度为0.0 5 级的标准电流源A生成电流11、2、3、I-1、I，分别记为.1、1.2、1.3、1.-1V.，使用精度为0.0 5 级的电流表A测量上述55电流表A读数1,/A0.999 682.000 053.001 353.999545.000 227.002 029.001 4510.001 01标准源A与电流表A平均值13/A0.999 842.000 033.000 683.999.775.000 117.001 019.000 7310.000 51钳形电流表读数4/A0.994 231.989 872.986 233.980584.983 536.970 568.956589.942.91钳形电流表是否符合精度要求误差/%0.5610.5080.4820.4800.3320.4350.4910.576否是是是是是否安徽电气工程职业技术学院学报电流，测量结果分别记为2.1、2.2、.3、2.-1、2.m；将标准电流源A电流.1、1.2、.3、.-1、I1.m和电流表A的测量电流12.1、I2.2、2.3、I 2.N-1、2.m的对应电流取平均值，分别记为13.1、I3.2、I3.3、I 3.-1、3.m;使用钳形电流表逐一测量标准电流源A生成的电流、2、l3、I n-1、I n，将测量结果分别记为14.1、4.2、4.3、4.-1、4.m；计算14./3 1、4.2/13.2、4.3/3.3、4.-1/3.-1、4./13 的数值,分别记为K,、K,、K、K-1、K,即K,=14./.、K,=14./.2、K,=14.3 3.3、K.-1=4.-/3.-1K=I4.N/I3.N;为了消除上述数据的随机误差，上述电流的发生与测量均需要多次发生与测量；将电流值14.1V14.2、14.3、14.N-1 14.m和系数KI、K 2、K，、K-1、K 储存到钳形电流表处理器的只读存储器中。表2 为上述钳形表电流表在典型测量值时校准系数K的计算值,其中第一列为标准源A与电流表A平均电流值,第二列为未使用校准系数校准前钳形电流表读数,第三列为计算出的校准系数;其中第三列数据储存在处理器的只读储存器中,等待处理器调用。当使用该钳形电流表测量某未知待测电流Ix.1时，经过前置硬件处理，处理器（单片机或DSP等）将该电流值经过比对,发现该电流数值等于14.1，此时处理器并不在钳形电流表显示屏上显示未知待测电流数值为14.1，而是显示该电流值为14.1/K,，也为电流13.1的数值，很明显，笔者认为13.1的数值是满足精度要求0.0 5 级的，此时钳形电流表测量电流Ix.1时，显示的电流为13.1,那么钳形电流表的测量精度也是0.0 5级；一般的，当使用该钳形电流表测量某未知待测电流I.，时，钳形电流表显示屏上显示该电流值为13.n，该钳形电流表是可以满足0.5 级精度要求的，甚至还可能达到更高级别的精度要求。标准源A与电流表A平均值I3/A0.999 84(13.1)1.501 13(13.2)2.000 03(13.3)2.499 93(13.4)10.000 51(13.19)理论上,N的数值越大,钳形电流表量程范围内的电流被分成的份数越多,两个相邻电流值之间间隔数值就越小，在测量未知待测电流Ix,时，就越容易直接找到与之对应的流值I3.n，而不需要进行任何数据处理,钳形电流表的测量精度也就越高。但是,以测量范围为0 10 A、精度为0.5 级、分辨率为0.0 0 0 0 1A的钳形电流表为例,需要测量的电流值为10 0 0 0 0 0 个，存储在只读存储器中的校准系数值为10 0 0 0 0 0个；如果电流测量范围更广,要求的精度更高、分辨率更高，那么需要测量的电流值和存储的校准系数值更多，带来工作量大、对于处理器只读存储器要求高，且对精度提升作用不大的缺点。因此，可以测量部分电流值、计算相应的校准系数