CN104569899B - 一种高精度高压直流互感器校验仪 - Google Patents

Abstract

一种高精度高压直流互感器校验仪，其特征在于：包括分别与主控模块连接的时钟同步模块、AD转换模块、协议库模块和人机接口模块，所述的AD转换模块外接有电压转换模块、协议库模块外接有网络通讯模块，所述的AD转换模块为双AD构架的高精度A/D转换模块，所述的电压转换模块分为电压电压(V/V)转换模块和电流电压(I/V)转换模块。本发明装置具备直流信号高精度检测以及直流信号中某些交流信号校验的能力，其高低频率双A/D采样的方式既可以准确的对直流及低频段部分的信号进行高精度的采样，又不会忽略中频范围内的一些有用信号。

Description

一种高精度高压直流互感器校验仪

技术领域

本发明涉及一种高精度高压直流互感器校验仪。

背景技术

目前国内对于直流互感器还缺少一体化的校验设备，一般实验室或现场均采用现有的采集卡或数字多用表加虚拟仪器技术来完成，可数字多用表和高精度的采集卡一般为实验室设备，在现场容易受干扰，且不宜频繁搬动运输，特别是在现场检定设备多、接线复杂的环境中易造成事故。因此，对直流互感器进行校验的设备宜采用一体化设计，分体设计会带来额外误差，以及其他如信号搭接、接地等不确定因素，其除了加大理论测量不确定度外还可能因接线等引起共阻抗误差或其他额外误差；另外，高压传输的一次直流电压或直流电流实际上都带有丰富的交流信号，这些信号可能包括保护动作信息，需要直流互感器能准确复现一次信号，所以需研发具备校验这种交流信号的直流互感器校验仪。目前，国外日本、美国等只有基于二次信号为模拟输出的直流互感器校验仪，未见有基于数字信号输出的直流互感器校验仪。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种高精度高压直流互感器校验仪，其采用便携的一体化设计，测量准确可靠，可对数字输出或模拟输出的高压直流互感器进行校验，同时其还具备对直流信号中某些交流信号进行校验的能力。

解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种高精度高压直流互感器校验仪，其特征在于：包括分别与主控模块连接的时钟同步模块、AD转换模块、协议库模块和人机接口模块，所述的AD转换模块外接有电压转换模块、协议库模块外接有网络通讯模块，所述的AD转换模块为双AD构架的高精度A/D转换模块，所述的电压转换模块分为电压电压(V/V)转换模块和电流电压(I/V)转换模块。

所述的电流电压(I/V)转换模块含有能高精度高稳定度地将电流信号转换成电压信号的铂电阻。

所述的双A/D转换模块由低频部分的ADS1278模数转换器和中频部分的AD7608模数转换器组成，一种模数转换芯片用于直流和低频信号的高精度采样，另外一种模数转换芯片用于中频信号的高精度采样，高精度双A/D转换模块配合时钟同步模块实现装置低频高精度和中频宽范围的采样功能。

设有高稳定电源模块分别给电压电压(V/V)转换模块、电流电压(I/V)转换模块和高精度双A/D转换模块供电。

所述的主控模块为ADSP609双核DSP核心。

所述的时钟同步模块、网络通讯接口模块、电源模块、电压电压(V/V)转换模块和电流电压(I/V)转换模块分别通过装置接口的同步时钟接口、网络通信接口、电源接口和模拟输入接口与外界连接、主控模块通过用户输入接口输入指令。

所述的电流电压(I/V)转换模块的组成及接连关系为：

电流源输出端接至高精度采样电阻R，电流源输出电流I通过高精度采样电阻R获得电压U1，电压U1接至第一运算放大器的负接收端，第一运算放大器的正接收端、电流源电流输入端和高精度采样电阻R的另一端接地，第一运算放大器输出电压U2至第二运算放大器AD8220的负接收端，第二运算放大器的正接收端接地，第二运算放大器输出电压U3。

所述的第一运算放大器为高精度、高阻抗的仪表放大器AD8220、第二运算放大器为OPA2277高精度运算放大器。

本校验仪并未包含对计算机程序的改进，内置的计算机程序都是现有的技术，本装置的改进之处之一在于装置的高精度采样模块使用双AD构架，通过使用双AD转换器来达到兼容低频高精度和中频宽范围的采样需求，达到具备对直流信号中某些交流信号进行校验的能力。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

本发明装置具备直流信号高精度检测以及直流信号中某些交流信号校验的能力，其高低频率双A/D采样的方式既可以准确的对直流及低频段部分的信号进行高精度的采样，又不会忽略中频范围内的一些有用信号。

本发明采用高精密电阻对电流进行取样的方法相比采用零磁通传感器等现有其它技术方法存在低成本、高精度、高稳定的优点。

本发明具备模拟接口以及基于IEC61850的通信接口，可对模拟量输出和数字量输出的高压直流电压、电流互感器进行实验室或现场校验。

实践中，本发明具有极高的测量准确度，其中，直流测量准确度：直流模拟量校验功能优于0.05级，直流数字量校验功能准确度优于0.05级；频率响应测量准确度：幅值优于0.2％(50Hz-1200Hz)。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的总体框图；

图2是校验仪的接口框图；

图3是电流电压(I/V)转换模块原理图。

具体实施方式

如图1所示为本发明高精度高压直流互感器校验仪实施例，包括分别与主控模块连接的时钟同步模块、AD转换模块、协议库模块和人机接口模块，AD转换模块外接有电压转换模块、协议库模块外接有网络通讯模块。

其中，AD转换模块为双AD构架的高精度A/D转换模块，双A/D转换模块由低频部分的ADS1278模数转换器和中频部分的AD7608模数转换器组成，一种模数转换芯片用于直流和低频信号的高精度采样，另外一种模数转换芯片用于中频信号的高精度采样，高精度双A/D转换模块配合时钟同步模块实现装置低频高精度和中频宽范围的采样功能；电压转换模块分为电压电压(V/V)转换模块和电流电压(I/V)转换模块，电流电压(I/V)转换模块含有能高精度高稳定度地将电流信号转换成电压信号的铂电阻。

另外，还设有高稳定电源模块分别给电压电压(V/V)转换模块、电流电压(I/V)转换模块和高精度双A/D转换模块供电。

所述的主控模块为ADSP609双核DSP核心；所述的时钟同步模块、网络通讯接口模块、电源模块、电压电压(V/V)转换模块和电流电压(I/V)转换模块分别通过装置接口的同步时钟接口、网络通信接口、电源接口和模拟输入接口与外界连接、主控模块通过用户输入接口输入指令。

电流电压(I/V)转换模块的组成及接连关系为：电流源输出端接至高精度采样电阻R，电流源输出电流I通过高精度采样电阻R获得电压U1，电压U1接至第一运算放大器的负接收端，第一运算放大器的正接收端、电流源电流输入端和高精度采样电阻R的另一端接地，第一运算放大器输出电压U2至第二运算放大器AD8220的负接收端，第二运算放大器的正接收端接地，第二运算放大器输出电压U3。

第一运算放大器为高精度、高阻抗的仪表放大器AD8220、第二运算放大器为OPA2277高精度运算放大器；高稳定电源模块单独给电压电压(V/V)转换模块、电流电压(I/V)转换模块、高精度双A/D转换模块供电，提供其高精度要求的电源环境；电压电压(V/V)转换模块和电流电压(I/V)转换模块通过将前端互感器输出的信号转换成合适的信号，由高精度双A/D进行模数转换，另外电流电压(I/V)转换模块采用高稳定度的铂电阻，其稳定度达0.1ppm；时钟同步模块为被检和标准互感器提供同步信号；网络通讯接口和协议库兼容IEC61850协议和各个厂家的私有协议的输入,方便扩展、升级和调用；人机接口模块提供配置各项参数，查看校验结果，对校验仪进行程控操作等功能。

如图2所示，其为本发明基于高精度双AD采样的高压直流互感器校验仪的接口框图，其中模拟输入接口提供模拟输出的被检和标准高压直流互感器接口，其中网络通讯接口提供数字量输出的被检和标准高压直流互感器接口，其中同步时钟接口提供被检和标准高压直流互感器同步信号，其中电源接口为装置的总电源入口。

在本实施案例中，电压电压(V/V)转换模块和电流电压(I/V)转换模块为重要组成部分，电流电压(I/V)转换模块原理图如图3，其中I为电流输入，R为高精度采样电阻。电流电压(I/V)转换模块其采用高精度、高阻抗的仪表放大器AD8220作为前端放大，OPA2277高精度运算放大器作为后端跟随。

另外，此处取样电阻R的规格高低直接影响后端的精度，此处采用稳定度为0.1ppm、温度敏感性低且热噪声小的高精度高稳定度的铂电阻，同时使用时对其加装了散热片，确保其稳定性。

本例中高精度双A/D转换模块通过使用双AD架构并通过理论分析和仿真，得出其最合适的信号处理模型，从而达到兼容低频高精度和中频宽范围的采样需求。其低频A/D转换模块使用ADS1278模数转换器，该模数转换器是delta-sigma(Δ∑)型的24位的模数转换，完全满足低频段的采集精度。与此同时，为了进一步提高其采样精度，此处采用了A/D过采样的技术。由奈奎斯特采样定理可知：

fs≥2fmax式(1)

式(1)中fs为采样频率，fmax为被采信号的最高频率，只要满足以上定理即可复现信号的信息，采用A/D过采样技术，选取比被采信号最高频率高几倍的采样频率，能够有效地减少量化噪声，提高信噪比，从而进一步提高其采样精度。

中频部分采用AD7608模数转换器，该转换器为18位电荷再分配逐次逼近型模数转换器(ADC)，最高采样频率达200kHz，完全满足对中频信号进行采样的采集带宽及精度。同时，通过时钟同步模块提供两种A/D同步信号，将采集到的信号通过最合适的信号处理，从而达到兼容低频高精度和中频宽范围的采样需求。

本例中时钟同步模块内置同步时钟，其使用ACTEL的大容量Flash型FPGA来提供精确的脉冲输出，同时可以和GPS进行PPS同步，也可以使用内置的高精度时钟源提供信号输出。其可大大简化现场接线过程从而大大提高测试效率，同时大大提高检测的安全性。

本例中网络通讯接口模块兼容RJ45、光纤输入接口模式。光纤模块使用安捷伦的高性能模块。另外，其以太网物理层协议的芯片采用KS8721B芯片，最高能实现100Mbps的传输速率。

本例中主控模块内核使用的是ADI公司的双核DSP处理器，并扩展128M的DDR同步内存和32M的异步存取Flash，其最高频率可达500MHz，为装置提供强大的信号处理能力。

Claims (4)

1.一种高精度高压直流互感器校验仪，其特征在于：包括分别与主控模块连接的时钟同步模块、AD转换模块、协议库模块和人机接口模块，所述的AD转换模块外接有电压转换模块、协议库模块外接有网络通讯模块，所述的AD转换模块为双AD构架的高精度A/D转换模块，所述的电压转换模块分为电压电压（V/V）转换模块和电流电压（I/V）转换模块；所述的电流电压（I/V）转换模块含有能高精度高稳定度地将电流信号转换成电压信号的铂电阻；所述的双A/D转换模块由低频部分的ADS1278模数转换器和中频部分的AD7608模数转换器组成，一种模数转换芯片用于直流和低频信号的高精度采样，另外一种模数转换芯片用于中频信号的高精度采样，高精度双A/D转换模块配合时钟同步模块实现装置低频高精度和中频宽范围的采样功能；

所述的电流电压（I/V）转换模块的组成及接连关系为：电流源输出端接至高精度采样电阻（R），电流源输出电流（I）通过高精度采样电阻（R）获得电压（U1），电压（U1）接至第一运算放大器的负接收端，第一运算放大器的正接收端、电流源电流输入端和高精度采样电阻（R）的另一端接地，第一运算放大器输出电压（U2）至第二运算放大器OPA2277的负接收端，第二运算放大器的正接收端接地，第二运算放大器输出电压（U3）。

2.根据权利要求1所述的高精度高压直流互感器校验仪，其特征在于：所述的主控模块为ADSP609双核DSP核心；所述的第一运算放大器为高精度、高阻抗的仪表放大器AD8220、第二运算放大器为OPA2277高精度运算放大器。

3.根据权利要求2所述的高精度高压直流互感器校验仪，其特征在于：所述的时钟同步模块、网络通讯接口模块、电源模块、电压电压（V/V）转换模块和电流电压（I/V）转换模块分别通过装置接口的同步时钟接口、网络通信接口、电源接口和模拟输入接口与外界连接、主控模块通过用户输入接口输入指令。

4.根据权利要求3所述的高精度高压直流互感器校验仪，其特征在于：设有高稳定电源模块分别给电压电压（V/V）转换模块、电流电压（I/V）转换模块和高精度双A/D转换模块供电。