CN102012494A - 一种互感器校验仪及其校验方法 - Google Patents

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Abstract

目前尚没有将两数字信号进行比对获得误差数据的测试仪器;同时,对应于输出低电压信号的电子式互感器,目前也没有专用校验仪可以检测。本发明公开了一种可同时适用于多厂家电子式互感器和传统互感器检测的校验仪,其特征在于所述的机体上设有数字信号输入端和模拟交流信号输入端,机体内装有至少二个数字信号通道和至少二个模拟信号通道,所述的模拟信号通道包括程控放大电路、自校电路、高速分频采样保持电路和高速A/D测量电路,所述的数字信号通道包括光电信号转换模块,信号通道之间装有同步信号发生器与接收器。本发明可满足传统互感器、模拟低电压输出和数字量输出的电子式互感器准误差试验。

Description

一种互感器校验仪及其校验方法
技术领域
本发明涉及一种可同时适用于多厂家电子式互感器和传统互感器检测及符合IEC61850-9-1/2规约的校验仪。
背景技术
由于计量用互感器的基本误差涉及到电能计量关口贸易结算的准确公正,随着智能电网的快速发展以及电子式互感器的推广应用,电子式互感器的误差试验越来越被各方关注。电子式互感器输出的是数字信号或者低电压模拟信号,传统互感器校验仪无法检测这些信号。
目前国内各厂家生产的电子式互感器输出虽符合IEC61850-9-1/2规约,但仍有相关参数和报文字段存在差异,导致各厂家开发的互感器校验仪只能用于本厂的产品,适应性差,且现有的互感器校验仪不具备自校准功能,设备的稳定性和数据可靠性较差。
此外,国内常用的电子式互感器误差试验方法为:采用传统互感器作为标准互感器,电子式互感器作为被测对象,通过互感器校验仪比较数字信号和模拟信号获得被测电子式互感器的基本误差。随着技术的发展,标准电子式互感器已经出现,目前尚没有将两数字信号进行比对获得误差数据的测试仪器。同时,对应于输出低电压信号的电子式互感器,目前也没有专用校验仪可以检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服以上现有技术存在的缺陷,提供一种可适用于多厂家的电子式互感器产品和传统互感器产品检测的互感器校验仪,满足对数字信号和模拟信号的测量要求,对互感器基本误差实现准确可靠测量的目的。
为此,本发明采用如下技术方案:一种互感器校验仪,包括机体,其特征在于所述的机体上设有数字信号输入端和模拟交流信号输入端,机体内装有至少二个数字信号通道和至少二个模拟信号通道,所述的模拟信号通道包括程控放大电路、自校电路、高速分频采样保持电路和高速A/D测量电路,所述的数字信号通道包括光电信号转换模块,信号通道之间装有同步信号发生器与接收器;
所述程控放大电路的输入端与模拟交流信号输入端连接,输出端与自校电路的输入端连接;所述高速分频采样保持电路的输入端与自校电路的输出端连接,输出端与高速A/D测量电路的输入端连接;
所述光电信号转换模块的输入端与数字信号输入端连接,光电信号转换模块的输出端和高速A/D测量电路的输出端共同与一工控机的输入端连接,所述的工控机内装有误差计算模块。
所述的同步信号发生器与接收器通过Agilent HFBR芯片将电信号和光信号相互转换,同步信号发生器输出同步电信号给高速分频采样保持电路和高速A/D测量电路,同时通过光纤将同步光信号传送至被测互感器合并单元;同步信号接收器的输入端与外部同步信号源的输出端相连,其输出端与高速分频采样保持电路和高速A/D测量电路的输入端连接,同步信号接收器用于接受外部的同步光信号来达到测量同步的目的。
本发明具有四个信号通道,可输入两路模拟信号、两路数字信号,任意两个通道可组合使用,完成数字信号与数字信号测量、数字信号与模拟信号测量、模拟信号与模拟信号测量功能,可适用于传统互感器和符合IEC61850-9-1/2规约的电子式互感器。
上述的互感器校验仪,光电信号转换模块选用10/100M自适应多模/单模光纤收发器,将被测互感器合并单元输出的光信号转换成电信号,然后通过网线传输给工控机。
上述的互感器校验仪,自校电路采用AD7545型12位D/A芯片,此电路用于确定仪器是否工作在正常状态,调整比差、角差的数据并观察测量结果对应的变化量,从而来判断仪器的工作状况。
上述的互感器校验仪,高速A/D测量电路采用ADS7813型16位A/D芯片,有效保证测量的准确度。
同步信号发生器与接收器用同步信号发生器发出秒脉冲或IRIG_B码同步光信号给电子式互感器合并单元,同时同步电信号将分频成4KHz信号并传送至校验仪的高速分频采样保持电路和高速A/D测量电路。另一种工作方式为同步信号接收器接收到外部信号源发出的同步秒脉冲或IRIG_B码来保证数字量通道和模拟量通道采集到同一时刻的信号。
程控放大电路根据输入的模拟信号幅值进行不同比例的放大,以获得足够强的信号用于后续高精度采样;自校电路对模拟信号的幅值进行等比例缩放,并进行移相,获得标准的比差和角差,若自校电路正确反应该误差,则校验仪正常工作,反之,自校电路工作异常提示报警,校验仪停止工作,直至误差排除后继续;校验仪自校正常后,高速分频采样保持电路在同步信号分频后的4KHz脉冲信号触发下对模拟信号进行采样,并将瞬时采样值保持供后续高速A/D测量电路使用;高速A/D测量电路将模拟信号转换成数字信号,输入工控机中进行误差数据计算,并通过工控机将结果输出。
电子式互感器合并单元在获得秒脉冲或IRIG_B码同步信号后依据各自的采样速率输出离散的数字信号,以IEC61850-9-1/2格式的报文输出,传输至光电信号转换模块,通过网口通讯进入工控机,工控机完成对数据报文的解包,提取其中的数据信息,并对每1秒的前10个周波数据进行离散傅里叶变换(DFT),获得电子式互感器输出信号(正弦波)的有效值和初相角;比较模拟信号和数字信号的有效值和初相角,获得被测电子式互感器的比差和角差。
工控机除了完成数据报文分析处理及误差计算外,还完成结果输出的功能,包括标准通道和被测通道的波形绘制、误差结果输出、测试结果数据库管理、报告证书打印等。
在采用电子式互感器检测电子式互感器时,本发明实现了数字信号对数字信号的误差计算,或低压模拟信号(mV级)对低压模拟信号的误差计算,即标准通道和被测通道同为数字信号输入或模拟信号输入,其工作流程和原理与传统互感器检测电子式互感器时一致。
程控放大电路的特征在于:放大倍数1、2、4、8、16、32、64可控并尽可能的将放大倍数在可测范围内达到最大。具体放大倍数选择流程为:输入的模拟电压信号经过变压线圈后电压等比例缩小为Vin,当Vin∈[3.5,10]时,放大倍数G=1;当Vin∈[1.75,3.5)时,放大倍数G=2;当Vin∈[0.875,1.75)时,放大倍数G=4;当Vin∈[0.4375,0.875)时,放大倍数G=8;当Vin∈[0.21875,0.4375)时,放大倍数G=16;当Vin∈[0.109375,0.21875)时,放大倍数G=32;当Vin∈[0,0.109375)时,放大倍数G=64。
所述的高频分频采样保持电路控制频率为4KHz,在其上升沿时触发桥路,将本时刻的信号瞬间保持,这样就可以保证测量时无采样延时。
此外,本发明还可实现传统互感器对传统互感器的检测,即两通道都输入电压信号(57.7V)或电流信号(5A、1A),可采用直接测量法获得被测互感器的基本误差。
本发明具有以下有益效果:1)准确度等级达0.05S级,可用于0.2S级电流互感器和0.2级电压互感器的误差试验;2)可适用于多厂家电子式互感器和传统互感器;3)功能全面,可满足传统互感器、模拟低电压输出和数字量输出的电子式互感器准误差试验,可实现模拟信号对模拟信号、数字信号对数字信号、数字信号对模拟信号的测试;4)具备自校功能,可输出标准误差进行设备自检,保证校验仪正常工作、数据准确可靠;5)以工控机为基础,集成设计,系统稳定性和抗干扰能力强。
下面结合说明书附图和具体实施方式对本说明作进一步的说明。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明程控放大电路的原理框图。
图3为本发明自校电路的原理框图。
图4为本发明高速分频采样保持电路的原理框图。
图5为本发明同步信号发生器与接收器的原理框图。
具体实施方式
如图1所示的互感器校验仪,机体上设有数字信号输入端和模拟交流信号输入端,机体内装有二个数字信号通道和二个模拟信号通道,所述的模拟信号通道由程控放大电路、自校电路、高速分频采样保持电路和高速A/D测量电路组成,所述的数字信号通道包括光电信号转换模块。信号通道之间装有同步信号发生器与接收器,同步信号发生器与接收器通过Agilent HFBR芯片将电信号和光信号相互转换,同步信号发生器输出同步信号电信号分频成4KHz信号给高速分频采样保持电路和高速A/D测量电路,同时同步光信号通过光纤传送至被测互感器合并单元,同步信号接收器用于外部同步信号的接受来达到测量同步的目的。
程控放大电路的输入端与模拟交流信号输入端连接,输出端与自校电路的输入端连接;高速分频采样保持电路的输入端与自校电路的输出端连接,输出端与高速A/D测量电路的输入端连接。
光电信号转换模块的输入端与数字信号输入端连接,光电信号转换模块的输出端和高速A/D测量电路的输出端与工控机的输入端连接,所述的工控机内装有误差计算模块。
如图2所示,模拟交流信号输入后首先通过交流转直流电路变成直流信号,经高速A/D测量电路获得交流信号的有效值,并由此判断PGA205型程控放大电路的放大倍数,选择最大允许放大倍数,尽可能放大模拟信号到接近测量芯片的最大量程。模拟交流信号经过放大倍数可控电路进行放大后输出至自校电路。
如图3所示,放大后的模拟信号将进入自校电路,自校电路主要由AD7545及移相电路组成。模拟信号将分为两路,一路经过D/A电路进行幅值调理作为同相分量信号,另一路移相90°后经D/A电路进行幅值调理作为正交分量信号,将同相分量信号和正交分量信号叠加,并与原始信号比较,可获得设定的比差和角差,若自校结果正常,则后续信号将不再进行调幅和移相,原始信号直接进去采样保持电路。若自校结果异常,则停止后续信号处理,并发出错误信号提示。
如图4所示,自校合格时,模拟交流信号经过程控放大电路后直接输入高速分频采样保持电路。图中采样保持的控制信号4KHz由长沙太阳人公司生产的高精度1MHz晶振分频出来,同时分频出来1Hz的同步信号输出至电子式互感器合并单元,当触发信号为高电平时,采样桥路保持,这一瞬间的模拟信号被保持,供后续A/D高速测量电路采样。当触发信号为低电平时,采样桥路连通,不进行信号保持和采样。当信号保持的时候进行高速A/D测量,A/D高速测量电路主要采用串行16位A/D转换器ADS7813。
本发明中秒脉冲及IRIG_B码同步信号的发生、接收是保证相位测量准确可靠的关键,秒脉冲同步信号的发送与接收具体实现框图如图5所示,1Hz的同步光脉冲信号发生的原理是将1MHz高精度晶振分频成通过256分频计数器进行分频,获得4KHz的采样保持触发信号。而4KHz的信号又经过两级分别为400分频和10分频,获得1Hz的电信号,调整该电信号的占空比,获得占空比为20%的电信号,并以此信号驱动AgilentHFBR 1414Tz芯片发出1Hz的同步光脉冲信号。当本校验仪接受外部1Hz激光秒脉冲输入时,首先通过Agilent HFBR 1414Tz光电转换器转换成1Hz的电信号,该电信号的上升沿触发256分频计数器清零,并以此计数器将1MHz高精度晶振分频成4kHz,用于模拟信号通道的采样保持电路触发使用,保证数字信号和模拟信号为同一时刻采样。本发明采用CPLD来实现接受1Hz信号的同步,当1Hz上升沿来的时候,以1MHz作为时钟的计数器清零并开始计数实现256分频。由此同步误差小于等于1μs的一个时钟,即可知相角误差在1′以内。IRIG_B码同步信号的发送原理为在上述1Hz信号上升沿时立刻生成一个占空比为80%、周期为10ms的矩形波,然后依次连续生成98个占空比为50%、周期为10ms的矩形波,最后生成一个占空比为80%、周期为10ms的矩形波,这样实现与本校验仪所要用到的4KHz与1Hz信号同步。IRIG_B码同步信号的接收原理为当接收的IRIG_B信号当达到第2个占空比为80%的矩形波时1Hz信号立刻变为上升沿,这样就可以得到一个秒脉冲同步信号,接下来就可以按照接收秒脉冲同步信号原理来得到同步的4KHz的信号。
通过上述过程将模拟信号的若干个信号周期(每个周期80个点)测量出来,然后根据离散傅里叶变化来求取信号的有效值和初相角。
基波分量表达式为:
x ( k ) = Σ n = 0 N - 1 A cos ( 2 πnk N + φ ) e j 2 πn N . . . ( 1 )
= a 1 + jb 1 其中 φ = arctan ( a 1 b 1 ) , n ∈ { 0,1,2 , . . . N - 1 }
b 1 = 2 N Σ n = 0 N - 1 f n sin ( 2 πn N ) , n ∈ { 0,1,2 , . . . . , N - 1 } . . . ( 2 )
a 1 = 2 N Σ n = 0 N - 1 f n cos ( 2 πn N ) , n ∈ { 0,1,2 , . . . . , N - 1 } . . . ( 3 )
A = a 1 2 + b 1 2 . . . ( 4 )
式中n为正整数;a1、b1分别为x(k)进行DFT变换后所包含的基波分量的实部和虚部。φ为信号初相角,A为信号峰值。
数字信号的解包、信号提取、误差计算和结果输出都是采用工控机完成,其中数字报文的解包是依据IEC 61850-9-1和IEC 61850-9-2LE规约进行解包,根据不同厂家的电子式互感器报文格式差异做相应的解包程序,以满足广泛的适应性。
误差计算公式如下:
比差
f = V x - V 0 V 0 . . . ( 5 )
角差
δ=δx0………………………………………………………………………………(6)式中Vx、δx为被测互感器的有效值和初相角,V0、δ0为标准互感器的有效值和初相角。
本发明的结果输出包括标准通道和被测通道的波形绘制、误差结果输出、测试结果数据库管理、报告证书自动生成及打印等功能。
本发明选取了一个周期80个点,有效值为0.99978V的稳定交流电压信号。经过线路后由于放大倍数精度,OP07性能等因素的影响测量得到的峰值为1.415711V即有效值为1.0010588V,初相角为6677.827′。
一周期80点采样数据:
1.318602,1.276135,1.223892,1.161873,1.093132,1.018586,0.9382358,0.8557469,0.7604262,0.6663277,0.568563,0.4643824,0.3583688,0.2502166,0.1377872,0.0290239,-0.08035038,-0.1940019,-0.300932,-0.4096953,-0.5187641,-0.6177508,-0.7149045,-0.8099197,-0.899741,-0.9810079,-1.059831,-1.129488,-1.193646,-1.251694,-1.299354,-1.337544,-1.369623,-1.39498,-1.408118,-1.416061,-1.41545,-1.404451,-1.383982,-1.357708,-1.318602,-1.27308,-1.221753,-1.164317,-1.097103,-1.025613,-0.9455682,-0.8563579,-0.7689807,-0.672438,-0.5697851,-0.465299,-0.3589799,-0.2520497,-0.1445085,-0.03055148,0.08218347,0.1903357,0.300932,0.4100008,0.5089876,0.6140847,0.7124604,0.805948,0.8942417,0.9797859,1.054942,1.125822,1.188758,1.244056,1.293244,1.336933,1.368401,1.390703,1.408729,1.413311,1.411784,1.401396,1.383065,1.352514。
以上所述,仅是本发明的较佳施例而已,并非对本发明的技术方案作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种互感器校验仪,包括机体,其特征在于所述的机体上设有数字信号输入端和模拟交流信号输入端,机体内装有至少二个数字信号通道和至少二个模拟信号通道,所述的模拟信号通道包括程控放大电路、自校电路、高速分频采样保持电路和高速A/D测量电路,所述的数字信号通道包括光电信号转换模块,信号通道之间装有同步信号发生器与接收器;
所述程控放大电路的输入端与模拟交流信号输入端连接,输出端与自校电路的输入端连接;所述高速分频采样保持电路的输入端与自校电路的输出端连接,输出端与高速A/D测量电路的输入端连接;
所述光电信号转换模块的输入端与数字信号输入端连接,光电信号转换模块的输出端和高速A/D测量电路的输出端共同与一工控机的输入端连接,所述的工控机内装有误差计算模块。
2.根据权利要求1所述的互感器校验仪,其特征在于所述的同步信号发生器与接收器通过Agilent HFBR芯片将电信号和光信号相互转换,同步信号发生器输出同步电信号给高速分频采样保持电路和高速A/D测量电路,同时通过光纤将同步光信号传送至被测互感器合并单元;同步信号接收器的输入端与外部同步信号源的输出端相连,其输出端与高速分频采样保持电路和高速A/D测量电路的输入端连接,同步信号接收器用于接受外部的同步光信号来达到测量同步的目的。
3.根据权利要求2所述的互感器校验仪,其特征在于所述的光电信号转换模块选用10/100M自适应多模/单模光纤收发器,将被测互感器合并单元输出的光信号转换成电信号,然后通过网线传输给工控机。
4.根据权利要求1所述的互感器校验仪,其特征在于所述的自校电路采用AD7545型12位D/A芯片。
5.根据权利要求1所述的互感器校验仪,其特征在于所述的高速A/D测量电路采用ADS7813型16位A/D芯片。
6.权利要求1-5任一项所述互感器校验仪的校验方法,其特征在于:在同步信号发生器与接收器发出或接受的同步秒脉冲或者IRIG_B码信号的作用下,测量同一时刻的模拟交流信号和数字信号,比较两信号的有效值和初相角,进一步获得被测互感器的比差和角差,所述误差计算模块使用离散傅里叶变换去除直流误差。
7.根据权利要求6所述的校验方法,采用传统互感器检测电子式互感器误差时,校验步骤为:
首先需要同步信号发生器发出秒脉冲或IRIG_B码同步信号给电子式互感器合并单元、高速分频采样保持电路和高速A/D测量电路,来保证数字量通道和模拟量通道采集到同一时刻的信号;
实现数字量和模拟量同时刻采样的另一种工作方式是同步信号接收器接收到外部信号源发出的同步秒脉冲或IRIG_B码,该同步信号源同时输入被测电子式电流互感器合并单元;
程控放大电路根据输入的模拟信号幅值进行不同比例的放大,供后续信号采样、处理使用;
自校电路对模拟信号的幅值进行等比例缩放,并进行移相,获得标准的比差和角差,若自校电路正确反应该误差,则校验仪正常工作,反之,自校电路工作异常提示报警,校验仪停止工作,直至误差排除后继续;校验仪自校正常后,高速分频采样保持电路在同步信号的触发下对模拟信号进行采样,并将瞬时采样值保持供后续高速A/D测量电路使用;高速A/D测量电路将模拟信号转换成数字信号,输入工控机中进行误差数据计算,并通过工控机将结果输出;
电子式互感器合并单元在获得秒脉冲或IRIG_B码同步信号后依据各自的采样速率输出离散的数字信号,以IEC61850-9-1/2格式的报文输出,传输至光电信号转换模块,通过网口通讯进入工控机,工控机完成对数据报文的解包,提取其中的数据信息,并对每1秒的前10个周波数据进行离散傅里叶变换,获得电子式互感器输出信号的有效值和初相角;比较模拟信号和数字信号的有效值和初相角,获得被测电子式互感器的比差和角差。
8.根据权利要求7所述的校验方法,其特征在于所述的高频分频采样保持电路控制频率为4KHz,在其上升沿时触发桥路,将本时刻的信号瞬间保持。
9.根据权利要求6所述的校验方法,采用传统互感器检测传统互感器误差时,两模拟信号通道分别输入标准和被测互感器的电压信号或电流信号,采用直接测量法获得被测传统互感器的基本误差。
10.根据权利要求6所述的校验方法,采用电子式互感器检测电子式互感器误差时,两数字信号通道分别输入标准和被测互感器的数字信号,采用直接测量法获得被测电子式互感器的基本误差。
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