CN110967658A - 一种基于数字微差法的模拟量输入合并单元校验仪溯源的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字微差法的模拟量输入合并单元校验仪溯源的方法，本方法提出了一种基于数字微差法的模拟量适用于合并单元校验仪的溯源系统，通过构建具有叠加微差功能的0.02级标准合并单元，实现基于数字微差的溯源方法，本方法包含有一种基于Hilbert变换的相位微差算法，该算法在频率偏移、含有谐波等各种常见参比条件综合影响下，具有优于10^‑10分的移相精度，且不影响幅值，使用数字微差法能够为0.05级及以下精度等级的合并单元校验仪提供溯源，优点：该方法采用数字算法实现微差叠加，简化了硬件结构，稳定性好，不易受环境影响，算法精度高，具有较好的工程应用价值。

Description

一种基于数字微差法的模拟量输入合并单元校验仪溯源的 方法

技术领域

本发明属于数字化电能表校验技术领域，具体涉及一种基于数字微差法的 模拟量输入合并单元校验仪溯源的方法。

背景技术

目前，其模拟量输入合并单元校验仪原理为：

模拟量输入合并单元校验仪主要由标准功率源、同步时钟源、标准信号变 换器、同步A/D采样器和计算单元构成，其结构如图2所示，标准功率源在不 同测试点输出两路相同的模拟信号，一路送给被测合并单元，一路送给合并单 元校验仪。被测合并单元校验仪与标准A/D采样器同时接收同步秒脉冲信号 (PPS)进行同步采样，输入信号经过标准信号变换器变换后，被标准A/D采样 器同步采样为标准通道数字信号。被测通道数据为被测校验仪发出的符合 IEC61950-9-2的以太网报文，由基于虚拟仪器的计算机或DSP构成的计算单元 使用快速傅里叶算法(FFT)计算出标准通道电压幅值和被检通道电压幅值、标 准通道电压相位和被检通道电压相位。两路数字信号的比值误差与相位误差分 别为：

和

由其工作原理可知，合并单元校验仪 校验结果的误差主要来源于两部分，分别为硬件系统误差和软件(即算法)误 差。硬件系统误差主要包括标准信号变换器和A/D采样器带来的误差；算法误 差来源于各种加窗FFT算法对频谱泄漏和栅栏效应的抑制程度不同，其精度也 有所不同。

目前的合并单元校验仪溯源方法：

目前使用的合并单元校验仪溯源方法是在传统的互感器校验仪整检装置的 基础上组合标准A/D采样器和基于计算机的IEC61850-9-2协议转换以及报文发 送装置构成，可以称之为模拟微差法。互感器校验仪整检装置的工作回路能够 输出一路试验电压或电流向量，同时误差回路能够输出一路可调节幅值和相位 的标准误差电压或电流向量，以电压通道校准为例，原理如图3。

校准时，互感器校验仪整体检定装置输出一路试验电压给合并单元校验仪 的模拟量输入标准通道，另一路将在试验电压上叠加了误差电压信号的之后的 模拟量送给标准A/D采样器，并将采样值按照符合IEC61850-9-2协议格式组帧 并发送给被检校验仪。在极坐标下，被测合并单元校验仪计算得到的误差与两 路信号相差已知的标准比差与角差相比较就可以获得被测合并单元校验仪的误 差。

该溯源方法以传统互感器校验仪的直角坐标系测差法为基础，其测试方法 研究和产品研制都比较成熟。然而，合并单元校验仪与传统互感器校验仪在信 号输入和校验原理上已经有了极大的差异。合并单元校验仪被测输入通道为符 合IEC61850的数据帧，其采用极坐标下直接测量法，如果仍采用传统的直角坐 标系测差法整体检定装置，一定程度上将引入不小的理论误差。

此外，模拟微差源中的关键部分功率放大器工作时不可避免会产生较大的 耗散功率，影响其自身和周边器件的工作性能，造成输出电压电流的不稳定， 受温漂和时漂的影响，器件参数会发生变化，导致性能发生变化，微差量输出 精度难以保证。同时，采用高精度的模拟器件成本将大大提高。所以针对合并 单元校验仪的发展特点提出数字微差法。

发明内容

本发明的一种基于数字微差法的模拟量输入合并单元校验仪溯源的方法， 该方法采用数字算法实现微差叠加，简化了硬件结构，稳定性好，不易受环境 影响，算法精度高，具有较好的工程应用价值。

本发明的一种基于数字微差法的模拟量输入合并单元校验仪溯源的方 法，具体步骤如下：

1)使用万用表对单相功率源的模拟输出信号进行A/D采样；

2)直接在采样值上以微差算法加入标准误差并组成IEC61850数据帧输出；

3)被测合并单元校验仪接收单相功率源的模拟输出信号和叠加了标准误差 的IEC61850数据帧后，进行采样计算；

4)将其计算得到的误差与标准误差相比较得到被测合并单元校验的误差。

进一步、所述万用表为Angilent3458A万用表，是标准的A/D采样器，它 是目前业界公认最高精度的电气测量仪器，同时具有优秀的线性度、稳定性以 及转移特性。在标准直流电压数字化采样(DCV)模式下，对工频信号进行4kHz 的数字化同步采样，最高能达到28位分辨率，优于0.01％的采样精度。

进一步、电压/电压变换器采用工频感应分压器，电流/电压变换器采用分 流器，将电压/电压变换器单相标准功率源输出的100V或57.74V电压信号、电 流/电压变换器单相标准功率源输出的5A或1A电流信号变换为标准A/D采样 器所允许的输入量程的电压值，本系统中为4V，通过构建具有叠加微差功能的 0.02级标准合并单元，实现基于数字微差的溯源方法，它具有准确度高，交流 准确度达0.0002％，线性度与稳定度好，体积轻巧，使用和保存方便，交流测 量下相位偏移极低，产品附带校准报告，便于单独溯源至国家计量基准。

进一步、基于数字微差的模拟量输入合并单元校验仪溯源系统通过构建可 以叠加微差的0.02级标准合并单元来实现溯源。其具体原理为：对单相功率源 的模拟输出信号进行A/D采样后，直接在采样值上以微差算法加入标准误差并 组成IEC61850数据帧输出；被测合并单元校验仪接收单相功率源的模拟输出信 号和叠加了标准误差的IEC61850数据帧后，进行采样计算，将其计算得到的误 差与标准误差相比较就可以得到被测合并单元校验仪的误差。

进一步、目前使用的模拟量输入合并单元校验仪准确度等级一般为0.05 级或以下，这要求微差法溯源系统要在1％～120％的额定电流或电压范围内满足 0.02级的准确度。从图1可以看出，影响溯源系统准确度的主要部分包括标准 电压/电压(电流/电压)变换器、标准A/D采样器和标准数字微差，它们的综 合误差应小于0.02％，即：σ_ST+σ_DS+σ_E<0.02％，式中，σ_ST、σ_DS、σ_E分别为标准电压/电压(电流/电压)变换器、标准A/D采样器和标准数字微差 的误差。

进一步、数字化测量系统中，精度很大程度取决于A/D采样器的精度。而 A/D采样的误差性能则大部分取决于其量化误差，可计算如式：

式中，N为A/D采样器的额定位数；U_LSB为最小电压分辨率；U_max为满量程输入范围；ε_max为最大误差；U_in为输入电压。本系统中，额定 输入电压为4V，U_max＝20V。图4显示了采样器在不同分辨率时，在额定输 入电压的1％到120％测试点对应的量化误差。

进一步、由于产品质量的不同，A/D采样器的精度一般略低于其额定量化 值。由图4可以看出，本系统采用的Angilent3458A万用表能够在额定输入的 1％到120％测试点都具有优于0.01％的误差特性。在外电平同步信号触发模式下， 3458A万用表的采样抖动小于50ns，在工频下可能造成的相位误差不超过0.054 ′，满足设计要求。

进一步、本系统采用的标准数字化微差算法为基于Hilbert变换的相位微 差算法，该算法能够准确的为原信号的基波与各次谐波添加相位微差，且同时 不影响原信号的幅值，在频率偏移、含有谐波的条件下，也能够准确计算。

进一步、基于Hilbert变换的相位微差算法是一种幅频特性为1，使所有 正频率分量相位滞后90°、所有负频率分量相位超前90°的线性变换。使用 Hilbert变换求出原信号的正交信号后，可以使原信号在复平面上进行任意角 度的相位移动而幅值不变，如图4所示。

具体的基于Hilbert变换的相位微差算法如下：

原信号为：

对进行FFT变换得到，式中，并且时对应信号的直流成分，时对应信号的 正频率成分，时对应信号的负频率。将其双边频谱中的负频率成分移到对应正 频率成分中，有：

对上式中得到的序列H(k)进行IFFT变换后，对得到的离散时域解析信 号取虚部,即为所求的原信号x(n)的Hilbert变换序列

它将原信 号的基波与所有谐波分量移相90°

设需要叠加的标准相位微差为δ₀，则输出含相位微差的信号为：

进一步、基于Hilbert变换的相位微差算法误差分析与仿真

为了说明基于Hilbert变换的相位微差添加方法的精度，采用理论推导分 析其计算过程误差，并进行仿真分析。设原采集到离散正弦波信号为：

X＝X_R+F

上式中，代表模拟信号真实值，代表信号变换与采集过程中引入的随机误 差。对该信号进行Hilbert变换后，滞后90°成为其正交信号，由于变换前后 信号的幅值谱不变，故该变换过程不改变幅值；随机误差信号进行Hilbert变 换前后其随机特征不变，即仍为该随机误差信号。则移相后的信号为：

可以看出进行相位微差移相后的误差信号变为为，由于校准时相位微差很 微小，所以系数很接近1，并且本身也是微小误差，故该算法引入的幅值误差 可以忽略不计。

在实际校验中，模拟信号功率源的频率波动和谐波产生都不可避免。为了 仿真实际校验环境下各种参比量对该算法的综合影响，设计蒙特卡洛仿真试验 以得到复杂参比条件下的误差，仿真方法如图6。设置被测正弦信号频率在 49.5Hz到50.5Hz的区间服从高斯分布来模拟频率的偏移，增加最大幅值为原 信号1％的随机高斯白噪声来模拟采样过程中引入的基波误差和谐波，设置标准 相位微差在之间均匀分布，采样率保持4kHz不变，计算原信号与移相后信号的 幅值与相位，以原信号为基准得出角差的绝对误差以及比差。计算方法选择旁 瓣峰值电平小且渐进衰减速率大、分析电力谐波精度高的Nuttall窗双谱线插 值的FFT算法，进行一万组模拟试验，统计试验结果。

仿真模拟试验得到角差与标准相位微差之间的绝对误差的概率分布如图 7，比差的概率分布如图8所示。由图7、图8可以看出，在频率偏移、含谐波 噪声、相位微差改变的各种参比量综合变化下，该移相方法引入的相位、幅值 误差极小，均为以下，相比于系统精度等级完全可以忽略。

进一步、基于数字微差的合并单元校验仪溯源方法的实验与验证：

为了验证基于数字微差的合并单元校验仪溯源方法的实际应用性，分别 使用现有的模拟微差法和本方法对一台模拟量输入合并单元校验仪进行校准试 验。传统溯源方法由HESW-1型互感器校验仪检定装置、0.0006级分流器、0.0002 级分压器和数字万用表3458A组成；被检合并单元校验仪标称准确度等级为 0.05级，电压测量回路为V档，电流测量回路为5A档。每个试验点进行10组 试验，每个试验点添加不同的标准误差，计算出校验仪误差示值与标准误差之 间的绝对误差，并记录下绝对误差的极大值和极差，结果如表1和表2。

表1

表2

进一步、其中，校准试验的绝对误差的允许误差范围为f：±5x10^-4，δ：±2′； 极差的允许误差范围为f：±2x10^-4，δ±0.8′。试验结果如表1、表2。由表1和 表2的试验结果可知，两种试验方法都能得出被检合并单元校验仪符合0.05 的准确度等级的结论，并且两种方法得出误差结果差异小。试验表明本方法具 有较好的实际应用性，能够使用数字微差法准确地为合并单元校验仪进行溯源。

本发明的有益效果是：它不受环境因素影响，且结构简单，算法灵活，可 以很方便的根据前端模拟电路的需求对其漂移进行有效的补偿。其次，模拟微 差源中的器件参数难以完全一致，其相位、幅度响应都有一定差异，会随时间 出现漂移，需要定期的进行相位、幅度校准。而数字微差法中，相位、幅度响 应完全由算法决定，具有理想的一致性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将 对具体的实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，附图中， 各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的数字微差法的合并单元校验仪溯源原理；

图2为合并单元校验仪工作原理图；

图3为现有合并单元校验仪校准原理；

图4为不同分辨率时的量化误差图；

图5为原信号与其正交信号构成任意移相信号向量图；

图6为蒙特卡洛仿真试验原理图；

图7为仿真试验角差的绝对误差的概率密度；

图8为仿真试验比差的概率密度；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述，以下实施例 仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限 制本发明的保护范围。

本发明的一种基于数字微差法的模拟量输入合并单元校验仪溯源的方 法，具体步骤如下：

1)使用万用表对单相功率源的模拟输出信号进行A/D采样；

2)直接在采样值上以微差算法加入标准误差并组成IEC61850数据帧输出；

3)被测合并单元校验仪接收单相功率源的模拟输出信号和叠加了标准误差

的IEC61850数据帧后，进行采样计算；

4)将其计算得到的误差与标准误差相比较得到被测合并单元校验的误差。

本实施例中、所述万用表为Angilent3458A万用表，是标准的A/D采样器， 它是目前业界公认最高精度的电气测量仪器，同时具有优秀的线性度、稳定性 以及转移特性。在标准直流电压数字化采样(DCV)模式下，对工频信号进行 4kHz的数字化同步采样，最高能达到28位分辨率，优于0.01％的采样精度。

本实施例中、电压/电压变换器采用工频感应分压器，电流/电压变换器采 用分流器，将电压/电压变换器单相标准功率源输出的100V或57.74V电压信号、 电流/电压变换器单相标准功率源输出的5A或1A电流信号变换为标准A/D采 样器所允许的输入量程的电压值，本系统中为4V，通过构建具有叠加微差功能 的0.02级标准合并单元，实现基于数字微差的溯源方法，它具有准确度高，交 流准确度达0.0002％，线性度与稳定度好，体积轻巧，使用和保存方便，交流 测量下相位偏移极低，产品附带校准报告，便于单独溯源至国家计量基准。

本实施例中、基于数字微差的模拟量输入合并单元校验仪溯源系统通过构 建可以叠加微差的0.02级标准合并单元来实现溯源。其具体原理为：对单相功 率源的模拟输出信号进行A/D采样后，直接在采样值上以微差算法加入标准误 差并组成IEC61850数据帧输出；被测合并单元校验仪接收单相功率源的模拟输 出信号和叠加了标准误差的IEC61850数据帧后，进行采样计算，将其计算得到 的误差与标准误差相比较就可以得到被测合并单元校验仪的误差。

本实施例中、目前使用的模拟量输入合并单元校验仪准确度等级一般为 0.05级或以下，这要求微差法溯源系统要在1％～120％的额定电流或电压范围内 满足0.02级的准确度。从图1可以看出，影响溯源系统准确度的主要部分包括 标准电压/电压(电流/电压)变换器、标准A/D采样器和标准数字微差，它们 的综合误差应小于0.02％，即：σ_ST+σ_DS+σ_E<0.02％式中，σ_ST、σ_DS、σ_E分别为标准电压/电压(电流/电压)变换器、标准A/D采样器和标准数字微差 的误差。

本实施例中、数字化测量系统中，精度很大程度取决于A/D采样器的精度。 而A/D采样的误差性能则大部分取决于其量化误差，可计算如式：

式中，N为A/D采样器的额定位数；U_LSB为最小电压分辨率；U_max为满量程输入范围；ε_max为最大误差；U_in为输入电压。本系统中，额定 输入电压为4V，U_max＝20V。图4显示了采样器在不同分辨率时，在额定输 入电压的1％到120％测试点对应的量化误差。

本实施例中、由于产品质量的不同，A/D采样器的精度一般略低于其额定 量化值。由图4可以看出，本系统采用的Angilent3458A万用表能够在额定输 入的1％到120％测试点都具有优于0.01％的误差特性。在外电平同步信号触发模 式下，3458A万用表的采样抖动小于50ns，在工频下可能造成的相位误差不超 过0.054′，满足设计要求。

本实施例中、本系统采用的标准数字化微差算法为基于Hilbert变换的相 位微差算法，该算法能够准确的为原信号的基波与各次谐波添加相位微差，且 同时不影响原信号的幅值，在频率偏移、含有谐波的条件下，也能够准确计算。

本实施例中、基于Hilbert变换的相位微差算法是一种幅频特性为1，使 所有正频率分量相位滞后90°、所有负频率分量相位超前90°的线性变换。使 用Hilbert变换求出原信号的正交信号后，可以使原信号在复平面上进行任意 角度的相位移动而幅值不变，如图4所示。

具体的相位微差算法如下：

原信号为：

对进行FFT变换得到，式中，并且时对应信号的直流成分，时对应信号的 正频率成分，时对应信号的负频率。将其双边频谱中的负频率成分移到对应正 频率成分中，有：

对上式中得到的序列H(k)进行IFFT变换后，对得到的离散时域解析信 号取虚部,即为所求的原信号x(n)的Hilbert变换序列

它将原信 号的基波与所有谐波分量移相90°

设需要叠加的标准相位微差为δ₀，则输出含相位微差的信号为：

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限 制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员 应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中 部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术 方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利 要求和说明书的范围当中。

Claims (4)

1.一种基于数字微差法的模拟量输入合并单元校验仪溯源的方法，其特征在于：具体步骤如下：

1)使用万用表对单相功率源的模拟输出信号进行A/D采样；

2)直接在采样值上以微差算法加入标准误差并组成IEC61850数据帧输出；

3)被测合并单元校验仪接收单相功率源的模拟输出信号和叠加了标准误差的IEC61850数据帧后，进行采样计算；

4)将其计算得到的误差与标准误差相比较得到被测合并单元校验的误差。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字微差法的模拟量输入合并单元校验仪溯源的方法，其特征在于：所述万用表为Angilent3458A万用表，是标准的A/D采样器。

3.根据权利要求1所述的一种基于数字微差法的模拟量输入合并单元校验仪溯源的方法，其特征在于：电压/电压变换器采用工频感应分压器，电流/电压变换器采用分流器，将电压/电压变换器单相标准功率源输出的100V或57.74V电压信号、电流/电压变换器单相标准功率源输出的5A或1A电流信号变换为标准A/D采样器所允许的输入量程的电压值，通过构建具有叠加微差功能的0.02级标准合并单元，实现基于数字微差的溯源方法。

4.根据权利要求1所述的一种基于数字微差法的模拟量输入合并单元校验仪溯源的方法，其特征在于：本系统采用的标准数字化微差算法为基于Hilbert变换的相位微差算法。

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