電子式互感器校驗(yàn)儀溯源技術(shù)研究

王光峰，張長(zhǎng)勝，李 川，李 波，曹 敏

（1. 昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

電子式互感器校驗(yàn)儀溯源技術(shù)研究

王光峰1，張長(zhǎng)勝1，李 川1，李 波2，曹 敏2

（1. 昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

現(xiàn)階段需要一種電子式互感器校驗(yàn)儀的溯源技術(shù)在既能保證采樣精度又能具有良好的時(shí)間特性且報(bào)文完整的方式來(lái)真正實(shí)現(xiàn)電子式互感器校驗(yàn)儀的完整溯源工作。本文通過(guò)針對(duì)電子式互感器校驗(yàn)儀的硬件、軟件介紹，提出了一種電子式互感器的溯源系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)電子式互感器校驗(yàn)溯源工作提供基礎(chǔ)。

電子式互感器校驗(yàn)儀；溯源技術(shù)；時(shí)間特性；溯源系統(tǒng)

0 引言

數(shù)字化變電站以及智能變電站的快速推廣使得電子式互感器、合并單元、數(shù)字化電能表等數(shù)字化計(jì)量設(shè)備都在電力系統(tǒng)內(nèi)得到大量應(yīng)用。電子式互感器校驗(yàn)儀目前市場(chǎng)上已有成熟產(chǎn)品，主要測(cè)試電子式互感器的角差、比差以及時(shí)間特性等與計(jì)量精度具有相關(guān)聯(lián)的一些技術(shù)指標(biāo)[1]。

目前國(guó)內(nèi)電子式互感器校驗(yàn)儀的溯源工作主要是一種校準(zhǔn)工作，主要在武漢高壓電器研究院來(lái)實(shí)現(xiàn)[2-3]。目前的校準(zhǔn)工作主要是由傳統(tǒng)的互感器校驗(yàn)儀整檢裝置，調(diào)節(jié)輸出兩組帶有誤差信息的模擬量，采用高精度板卡采集其中一組，將另一組模擬信號(hào)送給被試的電子式互感器校驗(yàn)儀。高精度采集板卡采集信號(hào)后將信號(hào)發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)將信號(hào)按照IEC61850-9協(xié)議格式發(fā)出，送至被試電子式互感器校驗(yàn)儀。被試電子式互感器校驗(yàn)儀分別采集模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)后生成誤差報(bào)告，將這個(gè)誤差結(jié)果與傳統(tǒng)互感器校驗(yàn)儀整檢裝置進(jìn)行比對(duì)得出電子式互感器校驗(yàn)儀的整體誤差。這種校準(zhǔn)工作主要局限在于高精度板卡是一個(gè)非連續(xù)的采集過(guò)程其采集的信號(hào)，且上位機(jī)發(fā)出的采樣值信號(hào)并不能保證其時(shí)間特性，這使得電子式互感器校驗(yàn)儀送檢時(shí)必須采用特殊版本以適用這種沒(méi)有時(shí)間特性且非連續(xù)的IEC61850-9協(xié)議報(bào)文，這種校準(zhǔn)方式與現(xiàn)場(chǎng)的電子式互感器合并單元所發(fā)出的數(shù)字報(bào)文具有很大出入[4-5]。其在校準(zhǔn)過(guò)程中引入了傳統(tǒng)互感器整檢裝置自身的誤差以及高精度板卡的采集誤差。且不能對(duì)串行輸出的電子式互感器校驗(yàn)儀進(jìn)行校準(zhǔn)工作。目前還沒(méi)有一種電子式互感器校驗(yàn)儀的溯源技術(shù)能夠?qū)㈦娮邮交ジ衅餍ｒ?yàn)儀的時(shí)間特性等完整測(cè)試項(xiàng)目納入到溯源過(guò)程中來(lái)，并具有足夠的采樣精度。

所以現(xiàn)階段需要一種電子式互感器校驗(yàn)儀的溯源技術(shù)在既能保證采樣精度又能具有良好的時(shí)間特性且報(bào)文完整的方式來(lái)真正實(shí)現(xiàn)電子式互感器校驗(yàn)儀的完整溯源工作。

1 校驗(yàn)儀溯源系統(tǒng)技術(shù)方案

上圖中的“數(shù)字式溯源整檢系統(tǒng)”的數(shù)據(jù)接收模塊完成Agilent3458接口，實(shí)現(xiàn)Agilent3458的工作模式與所有參數(shù)配置，并且完成其采樣值數(shù)據(jù)的接收。

系統(tǒng)的同步模塊產(chǎn)生 Agilent3458的采集觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)輸出被檢電子式互感器校驗(yàn)儀所需的各類同步信號(hào)。該同步模塊的時(shí)間信號(hào)作為系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)接收模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的統(tǒng)一時(shí)間信號(hào)，可以在同一個(gè)時(shí)間軸上精確標(biāo)定數(shù)據(jù)接收的時(shí)刻，同時(shí)精確控制數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)刻[6]。

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊基于 FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于 Agilent3458的間斷非連續(xù)采樣值進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，能夠使得系統(tǒng)最終的采樣值輸出是連續(xù)不間斷的。系統(tǒng)采樣的整體絕對(duì)延時(shí)時(shí)間可以基于同步模塊的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行精確控制且保持穩(wěn)定，輸出的類型可以是IEC61850-9-1，IEC61850-9-2LE，IEC61850-9-2，IEC60044-8 FT3，國(guó)網(wǎng)公司FT3中的任何一種。采樣值報(bào)文的離散度可以按照配置值進(jìn)行靈活且精確的控制。

人機(jī)交互與系統(tǒng)配置模塊完成 Agilent3458的模式配置，數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)議的選擇，報(bào)文離散度的配置。同時(shí)支持采樣值模型文件的解析，系統(tǒng)能夠按照模型文件靈活配置報(bào)文格式，提高測(cè)試的靈活性。

Agilent3458是安捷倫科技公司最快、最靈活和最精確的8位半數(shù)字萬(wàn)用表；系統(tǒng)整體準(zhǔn)確度可以控制在0.02%以內(nèi)；數(shù)字量輸出絕對(duì)延時(shí)支持500ms以內(nèi)的配置，準(zhǔn)確度控制在 1us以內(nèi)；報(bào)文離散時(shí)間支持3個(gè)采樣間隔內(nèi)的配置，準(zhǔn)確度控制在40ns以內(nèi)；

系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）采用安捷輪 3458A，8位半板卡作為其模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)模擬量整體采樣精度可達(dá)0.01%。

（2）數(shù)字回路誤差調(diào)節(jié)，在數(shù)字部分進(jìn)行誤差調(diào)節(jié)與控制使得整體誤差生成環(huán)節(jié)僅由算法決定，其理想精度可優(yōu)于0.002%。

（3）報(bào)文完整，高精度板卡都是非實(shí)時(shí)連續(xù)采集的，所以在上位機(jī)將高精度板卡的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬與重構(gòu)實(shí)現(xiàn)輸出9-2報(bào)文具有整秒的完整性。

2 校驗(yàn)儀溯源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本測(cè)試系統(tǒng)可控模擬信號(hào)源、高精度 I/V轉(zhuǎn)換以及高精度V/V轉(zhuǎn)換、Agilent3458數(shù)字多用表、上位機(jī)、報(bào)文控制器多部分組成。

可控模擬信號(hào)源輸出穩(wěn)定模擬電流電壓信號(hào)，其穩(wěn)定度優(yōu)于 0.01%，電流信號(hào)串接，電壓并接，分別接入高精度I/V轉(zhuǎn)換以及高精度V/V轉(zhuǎn)換以及被檢電子式互感器校驗(yàn)儀。

高精度 I/V轉(zhuǎn)換采用高精度電流互感器以及取樣電阻的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)換，5A/2V，1A/2V，其轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到0.01%。

高精度 V/V轉(zhuǎn)換采用感應(yīng)分壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，100V/2V，轉(zhuǎn)換精度可達(dá) 0.005%?？煽啬M信號(hào)源輸出穩(wěn)定模擬電流電壓信號(hào)，其穩(wěn)定度優(yōu)于 0.01%，電流信號(hào)串接，電壓并接，分別接入高精度I/V轉(zhuǎn)換以及高精度V/V轉(zhuǎn)換以及被檢電子式互感器校驗(yàn)儀[9]。

圖2 I/V 轉(zhuǎn)換器原理示意圖Fig.2 I/V converter principle diagram

CT變比：1A/50mA，5A/50mA，0.01級(jí)

電阻：40歐，功率10W，精度0.01%，I/V變比：5A/2.0V；1A/2.0V

準(zhǔn)確度：0.01級(jí)；

線性范圍：0~1.2倍額定；

最大允許輸入：2倍額定；

（4）實(shí)時(shí)性控制，采用報(bào)文控制的方式，利用FPGA的硬件邏輯能力控制以太網(wǎng)9-2報(bào)文發(fā)送，使報(bào)文離散度優(yōu)于100 ns，報(bào)文整體延時(shí)精度優(yōu)于0.5 us。

（5）采用高精度恒溫晶振控制時(shí)序，將同步信號(hào)發(fā)送至高精度采集板卡，報(bào)文控制器利用鎖頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)報(bào)文控制器與高精度板卡的時(shí)序統(tǒng)一，在報(bào)文虛擬重構(gòu)時(shí)不產(chǎn)生時(shí)間累積誤差。

（6）支持電子式互感器多協(xié)議溯源，支持串行FT3協(xié)議、9-2、9-1等多種協(xié)議的電子式互感器校驗(yàn)儀的溯源工作[7-8]。

高精度 V/V轉(zhuǎn)換采用感應(yīng)分壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，100V/2V，轉(zhuǎn)換精度可達(dá)0.005%。

感應(yīng)分壓器采用高鎳坡莫合金作為導(dǎo)磁材料，采用高強(qiáng)度聚酯漆包銅圓線均勻排繞而成，結(jié)構(gòu)合理可靠。主要用于檢定與標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器電壓比不同（包括一次電壓或者二次電壓不同）的電壓互感器。該儀器由雙級(jí)電壓互感器和感應(yīng)分壓器兩部分組成，如下圖，雙級(jí)電壓互感器的二次線圈又作為分壓器的輸入線圈，采用該形式結(jié)構(gòu)既可提高輸入阻抗，又可使輸入電壓提高。如將雙級(jí)電壓互感器的二次線圈串入到感應(yīng)分壓器的輸出線圈中，還可提升感應(yīng)分壓器輸出電壓。（此時(shí)，感應(yīng)分壓器作為升壓器使用）。

3 溯源控制軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件為本系統(tǒng)的軟件核心，負(fù)責(zé)配置并采集 Agilent3458A的數(shù)字信號(hào)[10]，因?yàn)?Agilent-3458A是一塊非連續(xù)采集系統(tǒng)，采用秒觸發(fā)的方式完成采集工作，共采集200ms數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)上送。上位機(jī)收到采樣值數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬重構(gòu)，虛擬出整秒數(shù)據(jù)，然后疊加上誤差信息。

幅值相位誤差控制：

設(shè)原信號(hào)： U ( n) = Umsin(ω nTs)

輸出信號(hào)與原信號(hào)幅值相差Ke倍，則：

輸出信號(hào)與原信號(hào)相位相差角度φ，則：

其中N為每周波采樣點(diǎn)數(shù)。

然后配置在報(bào)文上配置延時(shí)參數(shù)，將這些參數(shù)隨著采樣數(shù)據(jù)一道發(fā)送至報(bào)文控制器?？紤]報(bào)文離散度最大達(dá)1ms情況，嵌入式系統(tǒng)設(shè)置3ms緩沖區(qū)。由于接入信號(hào)源與 SV控制器兩者之間的時(shí)鐘晶振準(zhǔn)確度存在差異，為了防止 SV控制器報(bào)文輸出中斷或者溢出, 在 SV控制器輸入和輸出端建立如圖（5）所示的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，構(gòu)成時(shí)鐘跟隨調(diào)節(jié)器。信號(hào)輸入量為接收到的報(bào)文數(shù)目，輸出量為發(fā)送報(bào)文數(shù)目，MPC8247為控制器，F(xiàn)PGA為執(zhí)行器，時(shí)鐘晶振為被控對(duì)象[11]。MPC8247實(shí)時(shí)計(jì)算輸入和輸出報(bào)文兩者數(shù)目之差，并根據(jù)差值范圍進(jìn)行控制，控制FPGA調(diào)節(jié)晶振中斷計(jì)數(shù)值，實(shí)現(xiàn)信號(hào)源和SV報(bào)文控制器兩者發(fā)送節(jié)拍的一致性。

圖3 時(shí)鐘跟隨示意圖Fig.3 Clock follow sketch

設(shè)立變量Δ∈[-10,10]，定義為報(bào)文發(fā)送間隔離散值，根據(jù)上位機(jī)軟件配置的報(bào)文發(fā)送頻率 f和FPGA統(tǒng)計(jì)的單位時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)值count，計(jì)算出Δ對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值 Δ t = Δ * c ount/1000000，每幀報(bào)文平均發(fā)送間隔時(shí)間對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)值 t = c ount/f,當(dāng)控制模式選用連續(xù)方式時(shí)，通過(guò)調(diào)用基于窗口的等概率隨機(jī)數(shù)抽取算法產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)x，當(dāng)前SV報(bào)文發(fā)送序號(hào)n，滿足x ≤ n ＜ x + act條件時(shí)，如果x為奇數(shù)，視為負(fù)偏，即Δ為負(fù)數(shù)，如 x為偶數(shù)，視為正偏，則對(duì)應(yīng)組織發(fā)送參數(shù)如下：

注：seq表ms序號(hào)，seq∈[0,999]，offset表ms內(nèi)相對(duì)延時(shí)。如果 n

控制模式選用隨機(jī)方式時(shí)，采用類似2中闡述的方法生成隨機(jī)數(shù)列flag[total]，按控制策略賦值。當(dāng)前SV報(bào)文發(fā)送序號(hào)n，滿足flag[n]=1條件時(shí)，如果x為奇數(shù)，視為負(fù)偏，即Δ為負(fù)數(shù)，如x為偶數(shù)，視為正偏，則對(duì)應(yīng)組織發(fā)送參數(shù)由公式（1）（2）計(jì)算；否則對(duì)應(yīng)組織發(fā)送參數(shù)由公式（3）（4）計(jì)算。

技術(shù)指標(biāo)：（1）采樣精度。交流整體采樣精度達(dá)到 0.01%、直流整體采樣精度達(dá)到 0.005%。（2）支持溯源協(xié)議格式。IEC61850-9-2、FT3、直流FT3協(xié)議；采樣速率為4 kHz/s。（3）時(shí)間特性測(cè)試溯源精度，離散度優(yōu)于20 ns，絕對(duì)延時(shí)測(cè)試優(yōu)于0.5 us。

控制器采用Freescale公司的MPC8247嵌入式微處理器，該處理器屬于PowerQUICC II系列，包含一個(gè)基于PowerPC MPC603e的內(nèi)核，和一個(gè)通信處理內(nèi)核CPM。FPGA采用Xilinx的Spartan3系列產(chǎn)品XC3S1500，包含有150萬(wàn)個(gè)系統(tǒng)門(mén)，32個(gè)專用乘法器，4個(gè)數(shù)字時(shí)鐘管理模塊，邏輯資源豐富，運(yùn)行速度快。FPGA利用精確的時(shí)序控制能力，完成以太網(wǎng)的MAC子層設(shè)計(jì)、MAC子層與以太網(wǎng)控制器的接口設(shè)計(jì)，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送以及FT3數(shù)據(jù)發(fā)送[11-12]。

光纖以太網(wǎng)控制器為 Intel公司 LXT971。LXT971是單端口10/100M雙速快速以太控制器，它兼容IEEE802.3；支持10Base5、10Base2、10BaseT，100BASE-X，100BASE-TX，100BASE-FX，并能自動(dòng)檢測(cè)所連接的介質(zhì)，選用Agilent AFBR5803作為光纖網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器。

晶體振蕩器選用OCXO50恒溫晶振，-40至85度的工作溫度，小于1 ppb的溫漂特性，-160 dBc/1 KHz的低相位噪聲，最大10 ppb/year的低老化，高精度晶振為PowerPC和FPGA提供時(shí)鐘節(jié)拍，保證了時(shí)序控制的精確性，以及長(zhǎng)期的穩(wěn)定性[13-14]。

4 結(jié)論

本文給出了一套基于電子式互感器校驗(yàn)儀溯源的系統(tǒng)，此系統(tǒng)既能保證采樣精度又能具有良好的時(shí)間特性且報(bào)文完整的方式，可以真正實(shí)現(xiàn)電子式互感器校驗(yàn)儀的完整溯源工作。

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Electronic Transformer Verification Source Technology Research

WANG Guang-feng1, ZHANG Chang-sheng1, LI Chuan1, LI Bo2, CAO Min2
(1. Electric Power Research Institute of Yunnan Power Grid Corporation,Kunming 50217, China; 2. Faculty of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650050, China)

At this stage requires a verification of traceability technology in electronic transformer can not only ensure the sampling precision but also has good characteristics of time and the complete message way to achieve the complete traceability of electronic instrument transformer verification work. Based on verification of hardware,software, electronic transformer, this paper proposes a traceability system of electronic transformer, in order to realize electronic transformer calibration traceability work provides the basis.

Electronic transformer verification; Traceability technology; Traceability technology; Traceability system

TM644

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.11.012

本文著錄格式：王光峰，李波，曹敏，等. 電子式互感器校驗(yàn)儀溯源技術(shù)研究[J]. 軟件，2017，38（11）63-66

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院項(xiàng)目(2015-000303JL00018)

王光峰(1988-)，男，在站研究生，主要研究方向：儀器儀表、新型數(shù)字化計(jì)量?jī)x器的溯源與量傳技術(shù)研究；張長(zhǎng)勝(1970-)，男，博士，副教授，主要研究方向：復(fù)雜系統(tǒng)及建模、智能控制、計(jì)算機(jī)控制的研究。

李波，男，高級(jí)工程師，主要研究方向：自動(dòng)化、智能計(jì)量相關(guān)技術(shù)研究。