CN101655544B - 数字式互感器误差的测量校验装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种数字式互感器误差的测量校验装置，其包括：一相位自校准单元，用以产生一校准信号；一标准互感器信号处理单元，用以接收一标准互感器的输入信号或是所述的校准信号，经过处理输出一第一模拟信号和与之对应经模/数转换后的一第一数字信号；一处理单元，接收所述的第一数字信号，来自被测数字式互感器以及与所述的第一数字信号同步的第二数字信号，并分析计算出各信号的基波分量和各次谐波分量，得到被测数字式互感器的角差、相位差和相位误差；一数字锁相环单元，接收和锁定所述的第一模拟信号，并接收所述的处理单元发出的以被测数字式互感器采样数据为基础的一分频比数据信号，产生一采样频率信号至所述的标准互感器信号处理单元。

Description

数字式互感器误差的测量校验装置

技术领域

本发明涉及的是一种对于互感器误差测量校验装置，特别涉及的是一种针对数字式电流互感器和数字式电压互感器的误差测量校验装置。

背景技术

随着电力系统容量和传输电压等级的进一步增大，传统的电磁式电压、电流互感器呈现出某些缺陷，如绝缘问题、电磁干扰问题、体积大和造价高等问题，电磁式互感器已经不能满足当代电力工业的发展，数字式互感器能很好的解决电磁式互感器的缺点。数字式互感器能够直接提供数字信号给计量保护装置，可以简化二次设备，提高整个系统的准确度和可靠性，有助于电力系统二次设备的集成，加速整个变电站的数字化和信息化进程。数字式互感器替代电磁式互感器是电力系统的发展方向，将在电力系统中发挥重要作用。国外在80年代初对于数字式互感器取得突破性的进展，国内的国网电力科学院和北京四方等厂家生产的数字量输出的数字式互感器已经挂网运行，一般准确度为0.2级或0.5级，故急需对数字式互感器进行校验。数字量输出的数字式互感器的输出信号是一系列的数值序列。假设等距采样，电子式电流互感器的数字量输出表述式为：

$i_s\left(n\right)=\sqrt{2}{I}_{\mathrm{SSC}}\sin (2\mathrm{\πf}{t}_n+{\mathrm{\φ}}_s)+i_{\mathrm{sdc}}\left(n\right)+i_{\mathrm{sres}}\left(n\right)$ N＝1，2...，N.

其中，i_s(n)为合并单元输出的数字数目，代表一次电流的瞬时值；I_SSC为合并单元输出的基波有效值；i_sdc(n)包括指数部分的二次直流输出；i_sres(n)为包括谐波和次谐波分量的二次剩余电流输出；n为数据组计数器的计数，即采样次数；t_n为一次电流第n次数据组的抽样时刻；f为频率；

为二次相位差。

同理，可以推出电子式电压互感器的数字输出表述式为：

电流误差(比值误差ε％)是电子式电流互感器引入到电流的比不等于额定变比所引起的误差。

ε％＝(Krd×Is-Ip)/Ip×100％

其中：Krd是额定变比；Ip是ipres(t)＝0时的实际一次电流的有效值；Is是当Isdc(n)+isres(tn)＝0时的数字输出二次电流有效值。

同理可以定义数字式电压互感器的比值误差。

数字式互感器的相位误差

_e比电磁式互感器的复杂，数字式互感器的相位差和相位误差要分别定义。相位差对应于传统互感器对相位差的定义，即一次电流(电压)与二次电流(电压)的相位之差。数字量输出的数字式互感器相位差(Φ)指在一次接线端子上出现某一电流(电压)的时刻起到对应数字启动传输的时刻的时间差(表示成与额定频率相关的角度单位)。相位误差(Φ_e)则等于相位差(Φ)减去由于额定相位差(Φ_or：数字式互感器因选用的技术产生的额定相位差)和额定延时时间(tdr：数据处理和传输所需时间的额定值)所引起的偏移量，即：

Φe＝Φ-Φor-2πf·tdr

已有技术中，传统互感器检验仪都是对标准互感器和被测电磁式互感器采用差值法原理进行取差，然后用各种方法计算出相位差和比差。如中国专利03156895.5名称为《用于电子式电流电压互感器校验的信号调理装置》，是针对于模拟量输出的数字式互感器进行校验，首先将标准互感器输出通过信号调理装置进行变换使其量程范围与数字式互感器的模拟输出信号相当，然后采用测差法原理，在数据采集卡内进行采集计算。目前，国内外还没有专门针对数字量输出的便携式数字式互感器误差的校验方法和校验装置。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种数字式互感器误差的测量校验装置，用以克服上述缺陷。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于，提供一种数字式互感器误差的测量校验装置，其包括：

一相位自校准单元，用以产生一校准信号；

一标准互感器信号处理单元，用以接收一标准互感器的输入信号或是所述的校准信号，经过处理输出一第一模拟信号和与之对应经模/数转换后的一第一数字信号；

一处理单元，接收所述的第一数字信号，来自被测数字式互感器以及与所述的第一数字信号同步的第二数字信号，并分析计算出各信号的基波分量和各次谐波分量，按照数字同步检测算法和数字式互感器的比差、相位差和相位误差定义进行分析，得到被测数字式互感器的角差、相位差和相位误差；

一数字锁相环单元，接收和锁定所述的第一模拟信号，并接收所述的处理单元发出的以被测数字式互感器采样数据为基础的一分频比数据信号，产生一采样频率信号至所述的标准互感器信号处理单元，用以确定所述的第一模拟信号转换生成所述的第一数字信号的频率。

较佳的，所述的相位自校准单元包括：

一函数波发生器，用以产生一个与所述的标准互感器信号相当的且幅值可调的正弦波，并发送给所述的标准互感器信号处理单元；

一阻容相移调整回路，接收所述的正弦波进行移相处理；

一功放电路，与所述的阻容相移调整回路相连接，接收移相处理后的信号，产生并传输所述的校准信号至所述的标准互感器信号处理单元。

其中，所述的标准互感器信号处理单元包括：

一第一切换继电器，其分别接收所述的校准信号和标准互感器的输入信号，并根据接收到的所述的处理单元的控制信号，切换输出；

一标准互感器信号处理子单元，其包括：一电流处理电路、一电压处理电路、一八选一模拟开关、一增益放大电路、一滤波电路以及一数/模转换器；其中所述的电流处理电路针对被测数字式互感器是一数字式电流互感器，其包括：

一电流隔离互感器，通过一与之相连接的四选一模拟开关接通不同的采样电阻回路，输出合理范围的电压信号；

所述的电压处理电路针对被测数字式互感器是一数字式电压互感器，其包括：

一电压隔离互感器，通过一与之相连接的四选一模拟开关接通不同的分压电阻回路，输出合理范围的电压信号；

所述的八选一模拟开关、增益放大电路、滤波电路以及数/模转换器依次相连。

较佳的，所述的标准互感器信号处理单元还包括：一第二切换继电器，用以切换电压信号和电流信号，分别对应至所述的电流处理电路和电压处理电路。

其中，所述的数字锁相环单元包括：

一过零比较器，其接收来自所述的滤波电路输出的所述的第一模拟信号；

一分频器，接收来自所述处理单元的在被测数字式互感器元的采样数据的基础上产生所述的分频比数据信号；

一锁相环电路，接收所述的第一模拟信号和所述的分频比数据信号，产生稳定输出的基准频率并传输至所述的模/数采样电路作为采样频率。

较佳的，还包括：一GPS模块，分别与所述的模/数采样电路以及所述的被测数字式互感器相连接，在所述的处理单元的控制下，向它们发送同步时钟信号。

较佳的，还包括：一以太网通讯接口电路，将来自被测数字式互感器的信号转换为时间连续的测量信号传输至所述的处理单元。

与现有技术比较本发明的有益效果在于，需要设计的硬件电路少、便于调试，内置的相位自校准单元不仅可以进行自校验，还可以补偿电子电路等产生的相位延时，采用处理单元实现数字式互感器的比差、相位差和相位误差自动测量，简单、方便、准确可靠。

附图说明

图1为本发明数字式互感器误差的测量校验装置的总体功能框图；

图2为本发明数字式互感器误差的测量校验装置的一较佳实施例的功能结构框图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

请参阅图1所示，其为本发明数字式互感器误差的测量校验装置的总体功能框图；所述的数字式互感器误差的测量校验装置，其包括：

一相位自校准单元3，用以产生一校准信号；一标准互感器信号处理单元1，用以接收一标准互感器的输入信号或是所述的校准信号，这两种信号是通过切换实现单一信号处理的，所述的信号经过处理输出一第一模拟信号和与之对应的，经过模/数转换后的一第一数字信号；一处理单元4，接收所述的第一数字信号，来自被测数字式互感器0以及与所述的第一数字信号同步的第二数字信号，并分析计算出各信号的基波分量和各次谐波分量，按照数字同步检测算法和数字式互感器0的比差、相位差和相位误差定义进行分析，得到被测数字式互感器0的角差、相位差和相位误差；一数字锁相环单元2，接收和锁定所述的第一模拟信号，并接收所述的处理单元4发出的以被测数字式互感器0采样数据为基础的一分频比数据信号，产生一采样频率信号至所述的标准互感器信号处理单元1，用以确定所述的第一模拟信号转换生成所述的第一数字信号的频率。

请参阅图2所示，其为本发明数字式互感器误差的测量校验装置的一较佳实施例的功能结构框图。所述的标准互感器信号处理单元1包括：一第一切换继电器7、一第二切换继电器8以及一标准互感器信号处理子单元，其中所述的第一切换继电器7由处理单元4控制，在进行误差测量前接通其接线端73和接线端71，将所述的相位自校准单元3输出的校准信号经标准互感器信号处理单元1处理后送到处理单元4；

所述的标准电压、电流互感器信号测量回路的第二切换继电器8由处理单元4控制，在进行数字式电压互感器0误差测量时，接通其接线端83和接线端82，在进行数字式电流互感器0误差测量时接通其接线端83和接线端81；从而将对应测试信号：电流信号(数字式电流互感器)或电压信号(数字式电压互感器)接入。

所述的标准互感器信号处理子单元，其包括：一电流处理电路、一电压处理电路、一八选一模拟开关14、一增益放大电路15、一滤波电路16以及一A/D采样电路17；其中所述的电流处理电路针对被测数字式互感器是一数字式电流互感器，所述的电压处理电路针对被测数字式互感器是一数字式电压互感器；将来自所述的第二切换继电器8切换端的标准互感器的输入信号经电流隔离互感器11’(电流信号)或电压隔离互感器11(电压信号)到四选一模拟开关12’(12)的输入端，由所述的处理单元4来控制所述的四选一模拟开关12’(12)接通不同的采样电阻回路13’或分压电阻回路13以获取合理范围的电压信号，再经增益放大电路15后，通过滤波电路16和A/D采样电路17转换后，输出数字信号到所述处理单元4；

一以太网通讯接口电路9，将来自被测数字式互感器0的信号转换为时间连续的测量信号给所述的处理单元4；

一GPS模块5由所述处理单元4控制向被测数字式互感器0和所述的标准互感器信号处理单元1中的所述的A/D采样电路17发送同步时钟信号；

所述的数字锁相环单元2通过其中的过零比较器21接收来自所述标准互感器信号处理单元1中的滤波电路16输出第一模拟信号并进行精确锁定，同时通过其中的分频器23接收来自所述处理单元4的在被测数字式互感器0的采样数据的基础上，产生的分频比数据信号，以此来控制锁相环电路22稳定输出N倍的基准频率，作为标准互感器信号处理单元1中的A/D采样电路17的采样频率；

所述的相位自校准单元3在误差测量前由所述的处理单元4控制其中的函数发生器33产生一个与所述的标准互感器信号处理单元1相适应的且幅值可调的正弦波，所述的函数波发生器33会输出两路信号，其中，一路直接传输给所述的标准互感器信号处理单元1中的A/D采样电路17的输入端，另一路通过阻容相移调整回路32经功率放大电路31接入到所述的第一切换继电器7的接线端71，由所述的处理单元4对两路数据进行分析比较时间差异，以确定所述的标准互感器信号处理单元1的实际相移，以便对实际测量结果进行校准；

所述的处理单元4用于对标准互感器信号处理单元1中的四选一模拟开关12(12’)、八选一模拟开关13(13’)的闭合、第一切换继电器7和标准电压电流互感器信号测量回路的第二切换继电器8的转换；也对所述的GPS模块5、相位自校准单元3中所述的函数波发生器33及数字锁相环单元2的控制和将来自所述的A/D采样电路17和以太网传输接口9的信号进行处理后将数据进行分析计算出各信号的基波分量和各次谐波分量，按照数字同步检测算法和数字式互感器0的比差、相位差和相位误差定义进行分析，进而得到被测数字式互感器0的角差、相位差和相位误差。

其简要过程如下：通过所述的处理单元4控制GPS模块5输出同步信号分别到被测数字式互感器0的数字信号和电磁式标准互感器(用以产生所述的标准信号输入)，数字测量信号通过以太网传输接口9直接输入到所述的处理单元4中，而模拟测量信号通过所述的标准互感器信号处理单元1处理后接入所述的处理单元4，并用数字锁相环单元2来使所述的标准互感器信号处理单元1中A/D采样电路17的采样频率与被测数字式互感器0输入数字信号采样频率保持一致，同时使用所述的相位自校准单元3来确定所述的标准互感器信号处理单元1硬件电路所带来的相移值，由所述的处理单元4将得到的被测数字式互感器0的测量信号、标准电磁式互感器的测量信号及校准回路得出的标准信号处理单元1的相移值一并进行处理，得出被测数字式互感器0的实际误差值；

对于上述处理单元4考虑到曼彻斯特编码(数字式互感器合并单元的输出符合标准的曼彻斯特编码)的特殊性，以及FPGA(可编程逻辑门阵列)自顶向下硬件设计的灵活性，便携式互感器误差校验装置处理单元系统采用32位的FPGA。

对于上述标准信号处理单元1中的A/D采样电路17需要选用100kHz以上、分辨率大于14位的高速模/数采样电路，如max125或ADS7805等。

对于上述相位自校准单元3中的函数发生器33可采用ICL8038，设计成幅值可调、频率可调、波形失真度可调。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种数字式互感器误差的测量校验装置，其特征在于，其包括：

一相位自校准单元，用以产生一校准信号；

一标准互感器信号处理单元，用以接收一标准互感器的输入信号或是所述的校准信号，这两种信号是通过切换实现单一信号处理的，经过处理输出一第一模拟信号和与之对应，经模/数转换后的一第一数字信号；

一处理单元，接收所述的第一数字信号，来自被测数字式互感器以及与所述的第一数字信号同步的第二数字信号，并分析计算出各信号的基波分量和各次谐波分量，按照数字同步检测算法和数字式互感器的比差、相位差和相位误差定义进行分析，得到被测数字式互感器的角差、相位差和相位误差；

一数字锁相环单元，接收和锁定所述的第一模拟信号，并接收所述的处理单元发出的以被测数字式互感器采样数据为基础的一分频比数据信号，产生一采样频率信号至所述的标准互感器信号处理单元，用以确定所述的第一模拟信号转换生成所述的第一数字信号的频率；

在误差测量前，由所述处理单元控制所述相位自校准单元输出两路信号，其中，一路直接传输给所述的标准互感器信号处理单元中的模/数采样电路的输入端，另一路经过相移后接入到所述标准互感器信号处理单元的输入端，由所述的处理单元对两路数据进行分析比较时间差异，以确定所述的标准互感器信号处理单元的实际相移，以便对实际测量结果进行校准；由所述的处理单元将得到的被测数字式互感器的测量信号、标准电磁式互感器的测量信号及校准回路得出的标准互感器信号处理单元的相移值一并进行处理，得出被测数字式互感器的实际误差值。

2.根据权利要求1所述的数字式互感器误差的测量校验装置，其特征在于，所述的相位自校准单元包括：

一函数波发生器，用以产生一个与所述的标准互感器信号相当的且幅值可调的正弦波，并发送给所述的标准互感器信号处理单元；

一阻容相移调整回路，接收所述的正弦波进行移相处理；

一功放电路，与所述的阻容相移调整回路相连接，接收移相处理后的信号，产生并传输所述的校准信号至所述的标准互感器信号处理单元。

3.根据权利要求2所述的数字式互感器误差的测量校验装置，其特征在于，所述的标准互感器信号处理单元包括：

一第一切换继电器，其分别接收所述的校准信号和标准互感器的输入信号，并根据接收到的所述的处理单元的控制信号，切换输出；

一标准互感器信号处理子单元，其包括：一电流处理电路、一电压处理电路、一八选一模拟开关、一增益放大电路、一滤波电路以及一模/数采样电路；其中所述的电流处理电路针对被测数字式互感器是一数字式电流互感器，其包括：

一电流隔离互感器，通过一与之相连接的四选一模拟开关接通不同的采样电阻回路，输出合理范围的电压信号；

所述的电压处理电路针对被测数字式互感器是一数字式电压互感器，其包括：

一电压隔离互感器，通过一与之相连接的四选一模拟开关接通不同的分压电阻回路，输出合理范围的电压信号；

所述的八选一模拟开关、增益放大电路、滤波电路以及模/数采样电路依次相连。

4.根据权利要求3所述的数字式互感器误差的测量校验装置，其特征在于，所述的标准互感器信号处理单元还包括：一第二切换继电器，用以切换电压信号和电流信号，分别对应至所述的电流处理电路和电压处理电路。

5.根据权利要求4所述的数字式互感器误差的测量校验装置，其特征在于，所述的数字锁相环单元包括：

一过零比较器，其接收来自所述的滤波电路输出的所述的第一模拟信号；

一分频器，接收来自所述处理单元在被测数字式互感器元的采样数据的基础上，产生的所述分频比数据信号；

一锁相环电路，接收所述的第一模拟信号和所述的分频比数据信号，产生稳定输出的基准频率，并传输至所述的模/数采样电路作为采样频率。

6.根据权利要求1-5任意一项权利要求所述的数字式互感器误差的测量校验装置，其特征在于，还包括：一GPS模块，分别与所述的模/数采样电路以及所述的被测数字式互感器相连接，在所述的处理单元的控制下，向它们发送同步时钟信号。

7.根据权利要求6所述的数字式互感器误差的测量校验装置，其特征在于，还包括：一以太网通讯接口电路，将来自被测数字式互感器的信号转换为时间连续的测量信号，传输至所述的处理单元。

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