CN102495389B - 电工测量仪器模型校准方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电工测量仪器模型校准方法，该方法包括下列顺序的步骤：采用直接比较法得到被校仪器对正弦电压测量的校准结果；由被校仪器对非正弦电压、非正弦电流信号进行测量，得出相关参数；将步骤一得出的校准结果、可变标准网络阻抗VSNI的标准阻抗参数和步骤二得出的相关参数输入至电工多功能模型校准数据处理器DPEMFMC，得出模型计算结果，将该模型计算结果与步骤二得出的相关参数进行比较，得出最终校准结果。本发明还公开了一种电工测量仪器模型校准系统。本发明相对于数十甚至更多台标准源或高精度仪器，成本较低，结构简单。同时，本发明的测量方法相对于常规的多功能直接校准方法，具有简单易行、效率高等优点。

Description

电工测量仪器模型校准方法及系统

技术领域

本发明涉及测量仪器仪表领域，尤其是一种电工测量仪器模型校准方法及系统。

背景技术

现有的电工测量仪器校准通常采用直接校准技术，即用被校仪器测量标准源的输出信号，通过比较被校仪器测量值与标准源输出值校准被校仪器；或用被校仪器和标准仪器同时测量激励源输出的同一信号，通过比较被校仪器测量值与标准仪器测量值来校准被校仪器，测量误差小于用被校仪器3分之的仪器相对于被校仪器称之为标准仪器，直接校准技术的优点是校准精度高，可达到0.01%或0.001%。

电工测量仪器直接校准系统通常由被校仪器、标准源和更高精度的测量仪器或其中的一种构成。现代电工测量仪器种类多、测量参数多，必须由数十甚至更多台标准源或高精度仪器构成的多功能直接校准系统才能满足校准需要，结构复杂，成本也较高。而对于多参数测量仪器，直接校准方法繁琐且效率低下。电工测量仪器多功能直接校准系统的结构和直接校准方法存在的问题已经成为制约现代电工测量科学发展的主要技术瓶颈。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种成本低、校准方法简单、校准效率高的电工测量仪器模型校准方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种电工测量仪器模型校准方法，该方法包括下列顺序的步骤：

（1）用高精度数字电压表HADVM和被校仪器同时测量可编程三相正弦电压源PPS2输出的标准正弦信号，采用直接比较法得到被校仪器对正弦电压测量的校准结果；

（2）将可编程三相非正弦电压源PPS1输出非正弦电压信号接入可变标准网络阻抗VSNI,由被校仪器对非正弦电压、非正弦电流信号进行测量，得出相关参数；

（3）将步骤（1）得出的校准结果、可变标准网络阻抗VSNI的标准阻抗参数和步骤（2）得出的相关参数输入至电工多功能模型校准数据处理器DPEMFMC，由电工多功能模型校准数据处理器DPEMFMC应用数学模型得出模型计算结果，将该模型计算结果与步骤（2）得出的相关参数进行比较，得出最终校准结果；

用高精度数字电压表HADVM和被校仪器同时测量可编程三相正弦电压源PPS2输出的标准正弦电压信号，被校仪器得出测量值，高精度数字电压表HADVM得出标准值，采用直接比较法将测量值和标准值进行比较，得出被校仪器对正弦电压的测量误差矩阵E；

将可编程三相非正弦电压源PPS1输出非正弦电压信号接入可变标准网络阻抗VSNI,可变标准网络阻抗VSNI输出非正弦电压、非正弦电流信号至被校仪器，被校仪器对非正弦电压、非正弦电流信号测量后，得出电压矩阵U、电流矩阵I和功率矩阵S三个测量参数，多功能模型校准数据处理器DPEMFMC将可变标准网络阻抗VSNI的阻抗矩阵Z、被校仪器对正弦电压的测量误差矩阵E、被校仪器得出的三个测量参数，应用数学模型进行计算，得出U_S矩阵、I_S矩阵、S_S矩阵三个模型计算结果，采用直接比较法将这三个模型计算结果与被校仪器测量得出的三个测量参数进行比较，得出校准结果，即ΔU矩阵、ΔI矩阵、ΔS矩阵；当电工多功能模型校准数据处理器DPEMFMC用于非正弦电压、电流和功率模型计算时，其计算模型如下:

$\stackrel{\·}{U_S}\stackrel{\·}{=U}+\stackrel{\·}{E}$

$\stackrel{\·}{I_S}=\stackrel{\·}{I}+\frac{\stackrel{\·}{E}}{\stackrel{\·}{Z}}$

$\stackrel{\·}{S_S}=\stackrel{\·}{U_S}\·\stackrel{\·}{I_S^{*}}$

式中各个参数矩阵形式均为3×100阶矩阵分别代表A,B,C三相，n=1,2,...,100分别代表基波和2～100次谐波分量。

本发明的另一目的在于提供一种电工测量仪器模型校准系统，包括：

可编程三相非正弦电压源PPS1，输出具有较大负载能力的三相非正弦电压信号；

可编程三相正弦电压源PPS2，输出具有较小负载能力的三相标准正弦电压信号；

高精度数字电压表HADVM，校准被校仪器对基波电压的测量；

可变标准网络阻抗VSNI，校准标准网络阻抗；

电工多功能模型校准数据处理器DPEMFMC，对非正弦电压、电流和功率进行模型计算，对电压波动与闪变进行模型计算。

由上述技术方案可知，本发明采用可编程三相非正弦电压源PPS1、可编程三相正弦电压源PPS2、高精度数字电压表HADVM、可变标准网络阻抗VSNI和电工多功能模型校准数据处理器DPEMFMC进行测量，相对于数十甚至更多台标准源或高精度仪器，成本较低，结构简单。同时，本发明的测量方法相对于常规的多功能直接校准方法，具有简单易行、效率高等优点。

附图说明

图1为本发明中采用直接校准法校准正弦电压测量的实施流程图；

图2为本发明中采用模型校准法校准非正弦电压/电流测量的实施流程图；

图3为本发明中采用模型校准法校准电压波动与闪变测量的实施流程图；

图4为图3中电工多功能模型校准数据处理器DPEMFMC计算电压波动与闪变测量的实施流程图。

具体实施方式

一种电工测量仪器模型校准方法，该方法包括下列顺序的步骤：第一步，用高精度数字电压表HADVM和被校仪器同时测量可编程三相正弦电压源PPS2输出的标准正弦信号，采用直接比较法得到被校仪器对正弦电压测量的校准结果；第二步，将可编程三相非正弦电压源PPS1输出非正弦电压信号接入可变标准网络阻抗VSNI,由被校仪器对非正弦电压、非正弦电流信号进行测量，得出相关参数；第三步，将步骤一得出的校准结果、可变标准网络阻抗VSNI的标准阻抗参数和步骤二得出的相关参数输入至电工多功能模型校准数据处理器DPEMFMC，由电工多功能模型校准数据处理器DPEMFMC应用数学模型得出模型计算结果，将该模型计算结果与步骤二得出的相关参数进行比较，得出最终校准结果，如图1、2所示。

如图1所示，用高精度数字电压表HADVM和被校仪器同时测量可编程三相正弦电压源PPS2输出的标准正弦信号，采用直接比较法得到被校仪器对正弦电压测量的校准结果，若被校仪器的测量误差小于0.5%/F.S.,则采用模型校准法校准被校仪器测量电压波动与闪变的精度。

如图1、3所示，所述的采用模型校准法校准被校仪器测量电压波动与闪变的精度是指，使可编程三相正弦电压源PPS1输出波动电压信号，由被校仪器测量该电压信号的波动和闪变值，同时将电压波形的采样数据输入至多功能模型校准数据处理器DPEMFMC，多功能模型校准数据处理器DPEMFMC应用数学模型计算电压波动与闪变值，将被校仪器的测量值与多功能模型校准数据处理器DPEMFMC得出的模型计算值进行比较。

如图4所示，所述的多功能模型校准数据处理器DPEMFMC在根据应用数学模型计算电压波动与闪变值时，首先，每隔一小时采样电压波形采样数据，每隔10ms计算一次基波电压值，根据基波时间序列，计算电压波动，得出输出电压波形值；同时，每隔10分钟计算一次短时电压闪变，得出输出短时电压闪变值。

模型校准法校准电压波动与闪变测量，其校准范围：短时电压闪变值不大于5，电压波动幅值不大于10％。其校准精度：当谐波或间谐波电压或电流含有率不大于10%，电压或电流总畸变率不大于20％，基波电压大于80％F.S.,基波频率在50HZ±5HZ之间时的校准精度如下：短时电压闪变值误差小于0.05；电压波动百分数误差小于0.1，频度误差小于测量值的2％。

如图1所示，用高精度数字电压表HADVM和被校仪器同时测量可编程三相正弦电压源PPS2输出的标准正弦电压信号，被校仪器得出测量值，高精度数字电压表HADVM得出标准值，采用直接比较法将测量值和标准值进行比较，得出被校仪器对正弦电压的测量误差矩阵E。直接校准法校准正弦电压信号测量，其校准范围：25HZ～5kHZ、0～1000VRMS；其校准精度：当正弦电压幅值大于80%F.S.时的校准精度；正弦电压幅值校准误差不大于0.1%/F.S。

如图2所示，将可编程三相非正弦电压源PPS1输出非正弦电压信号接入可变标准网络阻抗VSNI,可变标准网络阻抗VSNI输出非正弦电压、非正弦电流信号至被校仪器，被校仪器对非正弦电压、非正弦电流信号测量后，得出电压矩阵U、电流矩阵I和功率矩阵S三个测量参数，多功能模型校准数据处理器DPEMFMC将可变标准网络阻抗VSNI的阻抗矩阵Z、被校仪器对正弦电压的测量误差矩阵E、被校仪器得出的三个测量参数，应用数学模型进行计算，得出US矩阵、IS矩阵、SS矩阵三个模型计算结果，采用直接比较法将这三个模型计算结果与被校仪器测量得出的三个测量参数进行比较，得出校准结果，即ΔU矩阵、ΔI矩阵、ΔS矩阵。

模型校准法校准非正弦电压/电流测量，其校准范围：基波电压幅值0～1000VRMS，50HZ±5HZ；基波电流幅值0～20ARMS，50HZ±5HZ；00HZ±5000HZ；0～100次谐波（间谐波）电压（电流）；电压与电流、电压与电压、电流与电流的相位差0°～360°。

其校准精度：当谐波或间谐波电压或电流含有率不大于10%，电压或电流总畸变率不大于20％，基波电压和基波电流都大于80%F.S.，基波频率在50HZ±5HZ之间时的校准精度如下：

基波电压0.1%/F.S.；基波电流0.2%/F.S.；基波相位差0.1°；

谐波或间谐波电压含有率误差小于0.2%；谐波或间谐波电流含有率误差小于0.3%；谐波电压与谐波电流相位差的误差小于0.2×h°（当间谐波为零，谐波电压和谐波电流含有率都大于1%时，h为谐波次数）。

如图1、2、3所示，本系统包括：可编程三相非正弦电压源PPS1，输出具有较大负载能力的三相非正弦电压信号；可编程三相正弦电压源PPS2，输出具有较小负载能力的三相标准正弦电压信号；高精度数字电压表HADVM，校准被校仪器对基波电压的测量；可变标准网络阻抗VSNI，校准标准网络阻抗；电工多功能模型校准数据处理器DPEMFMC，对非正弦电压、电流和功率进行模型计算，对电压波动与闪变进行模型计算。可见，本系统只需要价格相对便宜的高精度数字电压表、可变标准网络阻抗、可编程激励源、多功能模型校准数据处理器，应用有源电路网络的数学模型得到电工参数的模型计算值，通过比较被校仪器测量值与模型计算值来校准仪器。本系统与常规的多功能直接校准系统结构相比较，具有简单且便宜等优点。

可编程三相非正弦电压源PSS1能够提供有较大负载能力的三相非正弦电压信号，主要技术性能指标如下：25HZ～5kHZ、0～1000VRMS,0～300VA，基波频率50HZ±5HZ，0～5kHZ之间的谐波和间谐波，谐波电压或间谐波电压含有率0%～10%率，电压总畸变率0%～30%，基波频率可调，基波和谐波的幅值、相位及谐波次数可分相编程，各参数误差小于5%。

可编程三相正弦电压源PPS2能够提供三相标准正弦电压，负载能力很小，主要技术性能指标如下：25HZ～5kHZ、0～1000VRMS,0～3VA，各次谐波电压含有率不大于0.05%，电压总畸变率不大于0.1%，幅值和相位可分相编程，幅值和相位误差小于5%。

高精度数字电压表HADVM可用作校准被校准仪器对基波电压测量的高精度标准测量仪器，测量误差小于0.001%/F.S.。

可变标准网络阻抗VSNI由标准R、L、C元件组合的校准标准网络阻抗用作标准负载，其主要技术性能指标如下：阻抗幅值误差小于0.1%/F.S.，阻抗角误差小于0.2°，温度漂移小于5ppm/1°,时漂小于1×10^-4/年，电容器损耗角正切值小于5×10^-4，电容器端子间绝缘电阻大于200MΩ，电抗器50HZ品质因数大于150,0～1000VRMS，最大电流50ARMS。

电工多功能模型校准数据处理器DPEMFMC具有非正弦电压、电流和功率模型计算功能和电压波动与闪变计算功能。当电工多功能模型校准数据处理器DPEMFMC用于非正弦电压、电流和功率模型计算时，其输入输出参数矩阵如图2所示，计算模型如下:

$\stackrel{\·}{U_S}\stackrel{\·}{=U}+\stackrel{\·}{E}$

$\stackrel{\·}{I_S}=\stackrel{\·}{I}+\frac{\stackrel{\·}{E}}{\stackrel{\·}{Z}}$

$\stackrel{\·}{S_S}=\stackrel{\·}{U_S}\·\stackrel{\·}{I_S^{*}}$

式中各个参数矩阵形式均为3×100阶矩阵分别代表A,B,C三相，n=1,2,...,100分别代表基波和2～100次谐波分量。

序分量计算模型：

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{A_{1,n}}\\ \stackrel{\·}{A_{2,n}}\\ \stackrel{\·}{A_{0,n}}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\α}& {\mathrm{\α}}^2\\ 1& {\mathrm{\α}}^2& \mathrm{\α}\\ 1& 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{A}_{1n}\\ A_{2n}\\ A_{3n}\end{array}\right]$

α=e^j120°，n=1,2,...,100，基波(n=1)或谐波(n≥2)；正序分量，负序分量，零序分量。

上述各个参数都是向量，例如

当电工多功能模型校准数据处理器DPEMFMC用于电压波动与闪变计算模型计算时，其输入输出参数如图2所示，电压波动与闪变按照《GB/T12326-2008电能质量电压波动和闪变》规定的计算模型计算。

综上所述，本发明采用可编程三相非正弦电压源PPS1、可编程三相正弦电压源PPS2、高精度数字电压表HADVM、可变标准网络阻抗VSNI和电工多功能模型校准数据处理器DPEMFMC进行测量，相对于数十甚至更多台标准源或高精度仪器，成本较低，结构简单。同时，本发明的测量方法相对于常规的多功能直接校准方法，具有简单易行、效率高等优点。

Claims (4)

1.一种电工测量仪器模型校准方法，该方法包括下列顺序的步骤：

（1）用高精度数字电压表HADVM和被校仪器同时测量可编程三相正弦电压源PPS2输出的标准正弦信号，采用直接比较法得到被校仪器对正弦电压测量的校准结果；

（2）将可编程三相非正弦电压源PPS1输出非正弦电压信号接入可变标准网络阻抗VSNI,由被校仪器对非正弦电压、非正弦电流信号进行测量，得出相关参数；

（3）将步骤（1）得出的校准结果、可变标准网络阻抗VSNI的标准阻抗参数和步骤（2）得出的相关参数输入至电工多功能模型校准数据处理器DPEMFMC，由电工多功能模型校准数据处理器DPEMFMC应用数学模型得出模型计算结果，将该模型计算结果与步骤（2）得出的相关参数进行比较，得出最终校准结果；

用高精度数字电压表HADVM和被校仪器同时测量可编程三相正弦电压源PPS2输出的标准正弦电压信号，被校仪器得出测量值，高精度数字电压表HADVM得出标准值，采用直接比较法将测量值和标准值进行比较，得出被校仪器对正弦电压的测量误差矩阵E；

将可编程三相非正弦电压源PPS1输出非正弦电压信号接入可变标准网络阻抗VSNI,可变标准网络阻抗VSNI输出非正弦电压、非正弦电流信号至被校仪器，被校仪器对非正弦电压、非正弦电流信号测量后，得出电压矩阵U、电流矩阵I和功率矩阵S三个测量参数，多功能模型校准数据处理器DPEMFMC将可变标准网络阻抗VSNI的阻抗矩阵Z、被校仪器对正弦电压的测量误差矩阵E、被校仪器得出的三个测量参数，应用数学模型进行计算，得出U_S矩阵、I_S矩阵、S_S矩阵三个模型计算结果，采用直接比较法将这三个模型计算结果与被校仪器测量得出的三个测量参数进行比较，得出校准结果，即ΔU矩阵、ΔI矩阵、ΔS矩阵；当电工多功能模型校准数据处理器DPEMFMC用于非正弦电压、电流和功率模型计算时，其计算模型如下:

$\stackrel{\·}{U_S}\stackrel{\·}{=U}+\stackrel{\·}{E}$

$\stackrel{\·}{I_S}=\stackrel{\·}{I}+\frac{\stackrel{\·}{E}}{\stackrel{\·}{Z}}$

$\stackrel{\·}{S_S}=\stackrel{\·}{U_S}\·\stackrel{\·}{I_S^{*}}$

式中各个参数矩阵形式均为3×100阶矩阵分别代表A,B,C三相，n=1,2,...,100分别代表基波和2～100次谐波分量。

2.根据权利要求1所述的电工测量仪器模型校准方法，其特征在于：用高精度数字电压表HADVM和被校仪器同时测量可编程三相正弦电压源PPS2输出的标准正弦信号，采用直接比较法得到被校仪器对正弦电压测量的校准结果，若被校仪器的测量误差小于0.5%/F.S.,则采用模型校准法校准被校仪器测量电压波动与闪变的精度；所述的采用模型校准法校准被校仪器测量电压波动与闪变的精度是指，使可编程三相正弦电压源PPS1输出波动电压信号，由被校仪器测量该电压信号的波动和闪变值，同时将电压波形的采样数据输入至多功能模型校准数据处理器DPEMFMC，多功能模型校准数据处理器DPEMFMC应用数学模型计算电压波动与闪变值，将被校仪器的测量值与多功能模型校准数据处理器DPEMFMC得出的模型计算值进行比较。

3.根据权利要求2所述的电工测量仪器模型校准方法，其特征在于：所述的多功能模型校准数据处理器DPEMFMC在根据应用数学模型计算电压波动与闪变值时，首先，每隔一小时采样电压波形采样数据，每隔10ms计算一次基波电压值，根据基波时间序列，计算电压波动，得出输出电压波形值；同时，每隔10分钟计算一次短时电压闪变，得出输出短时电压闪变值。

4.根据权利要求1至3之一所述的电工测量仪器模型校准方法的校准系统，包括：

可编程三相非正弦电压源PPS1，输出具有较大负载能力的三相非正弦电压信号；

可编程三相正弦电压源PPS2，输出具有较小负载能力的三相标准正弦电压信号；

高精度数字电压表HADVM，校准被校仪器对基波电压的测量；

可变标准网络阻抗VSNI，校准标准网络阻抗；

电工多功能模型校准数据处理器DPEMFMC，对非正弦电压、电流和功率进行模型计算，对电压波动与闪变进行模型计算。