工頻分壓器二次電壓測量系統(tǒng)的研制

林 曉

（福建省計量科學研究院，福建 福州 350003）

工頻分壓器二次電壓測量系統(tǒng)的研制

林 曉

（福建省計量科學研究院，福建 福州 350003）

采樣測量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工頻電參數(shù)的測量，文中基于Keysight公司的34411A數(shù)字采樣電壓表開發(fā)了工頻高壓標準二次電壓測量系統(tǒng)，在研制過程中，通過研究固定采樣頻率下的采樣間隔準確值的測量方法，利用得到的采樣間隔作為采樣點的時間標識重構(gòu)采樣波形，使得用于DFT的數(shù)據(jù)序列接近于整周期采樣序列，進而提高采樣測量的準確度。文中還使用了電壓阻抗變換技術(shù)，利用研制的精密兩級電壓緩沖跟隨器，減小工頻高壓標準二次輸出電壓的阻抗，從而提高了電壓測量的精度。實驗結(jié)果表明，研制的測量系統(tǒng)滿足工頻高壓標準二次電壓特征參數(shù)的測量及所規(guī)定的技術(shù)指標要求。

采樣測量；二次電壓；采樣間隔；DFT；同步

1 引言

交流電參數(shù)的測量主要有模擬電路測量法和數(shù)字采樣測量法兩大類。數(shù)字采樣測量方法隨著計算機技術(shù)和微電子學技術(shù)、半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展，已成為電測量領(lǐng)域的一種重要方法。工頻高壓標準裝置的二次電壓具有豐富的特征參數(shù)：總有效值、基波有效值、總諧波失真/總諧波畸變率、直流分量（非正弦分量）、頻率、峰值（包括正峰值、負峰值、峰峰值）、波峰因數(shù)。測量這些參數(shù)需要使用大量的專用儀器，且一般準確度較低。為了解決實際困難，文中研究了基于準同步采樣測量技術(shù)的工頻分壓器二次電壓測量系統(tǒng)，通過對二次電壓的離散采樣，并采取相應(yīng)的技術(shù)措施，使得采樣過程接近于同步采樣[1]，通過對時間離散序列的DFT變換，獲得被測電壓參數(shù)的各項特征參數(shù)，并對獲得的采樣波形進行波形極值點搜索、分析與計算，得到電壓波形特征參數(shù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

工頻分壓器二次電壓測量系統(tǒng)由主控計算機、采樣器、電壓阻抗變換單元及通訊線纜組成。其工作原理簡述：主控計算機通過配置采樣器的采樣功能，使得采樣器按預(yù)先的采樣安排，對輸入的二次電壓信號進行高速高精度直流采樣，得到表征輸入的模擬信號的離散采樣序列，離散序列通過采樣器的USB通訊接口傳輸至計算機，然后由編制的上位機程序，實現(xiàn)信號的分析和處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 采樣器[2]

本項目選取了34411A數(shù)字多用表作為采樣器，其直流電壓10V檔的采樣精度為19ppm，采用總線傳輸數(shù)據(jù)時，每秒最高的數(shù)據(jù)吞吐率為1M sps。結(jié)合應(yīng)用實際及采樣器的技術(shù)特征，設(shè)置采樣器的采樣頻率為50kHz，觸發(fā)源選取內(nèi)部自動觸發(fā)，并以Timer作為定時源，從而實現(xiàn)等間隔采樣。為了使采樣器最大限度發(fā)揮采樣能力，需要關(guān)閉自動清零、自動量程控制功能，以減少儀表自身的操作時間。其中積分時間NPLC和孔徑時間APERTURE的設(shè)置需要兼顧采樣速度和瞬時值的采樣精度。采樣器的采樣安排設(shè)置及各項控制參數(shù)見表1。

表1 采樣器功能參數(shù)設(shè)置

2.2 電壓阻抗變換單元

工頻分壓器的二次電壓的準確測量需要考慮的要素有：分壓器的輸出阻抗、引線的分布電容、被測信號的頻率。頻率較高時，分壓器二次輸出阻抗會帶來較大的負載誤差，誤差的估算公式如式（1）所示[3]。因此，應(yīng)盡可能降低分壓器的二次輸出阻抗，為此需要增加電壓跟隨器。同時，為了盡可能表征實際被測模擬信號，以傳遞100次諧波為例，電壓跟隨器設(shè)計的帶寬應(yīng)在5k以上。電壓阻抗變換單元的目的是為了使分壓器與采樣器達到阻抗匹配的效果，進而提高測量系統(tǒng)的準確度。

3 測量軟件

軟件系統(tǒng)由LabVIEW平臺開發(fā)，其功能主要分為兩個部分：（1）配置采樣器，使得采樣器按照事先需要的采樣安排，完成采樣過程和采樣數(shù)據(jù)的傳輸；（2）數(shù)據(jù)分析和處理，完成離散采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字信號處理，利用編制的算法獲得被測信號的特征參數(shù)。該數(shù)據(jù)采集分析軟件主要完成以下參數(shù)的測量功能：基波有效值、總有效值、基波頻率、波形正峰值、波形負峰值、波形峰峰值、波峰因數(shù)、基波頻率，總諧波失真，直流分量等。

3.1 配置采樣器

34411A的內(nèi)部集成了高穩(wěn)定度采樣時鐘，經(jīng)實際實驗測試，其內(nèi)部采樣時基穩(wěn)定度為2×10-9。按表1參數(shù)設(shè)置采樣器后，可以保證每次的采樣間隔相一致，為后續(xù)樣本的數(shù)據(jù)處理提供了基礎(chǔ)。樣本的獲取以Timer為樣本源可以保證每個離散樣本序列是以相同的時間間隔取出。配置采樣器的程序框圖如圖2所示。

3.2 采樣數(shù)據(jù)分析與處理

圖2 配置采樣器程序框圖

被測信號預(yù)處理后由采樣表按預(yù)設(shè)采樣率進行等間隔采樣。傳輸并保存50k個采樣樣本。由上位機軟件對其進行同步化處理，使得用于分析的樣本盡量覆蓋整數(shù)個信號周期，減小算法因采樣不同步帶來的誤差。采樣數(shù)據(jù)的分析與處理流程如下：

（1）按表1設(shè)置好采樣表后，由高精度信號發(fā)生器提供一標準正弦信號，由本采樣系統(tǒng)對其進行等間隔采樣，將采樣得到的離散樣本按一定處理方法獲得一個周期的采樣數(shù)。然后改變信號源輸出信號的頻率，按相同方法得到不同頻率下的一個周期的采樣數(shù)，這樣可以計算和考核采樣器按一定采樣頻率時的實際采樣間隔。

（2）由實際采樣間隔與采樣系統(tǒng)的當前時間配合，并為采樣序列賦予時間標識，從而可以構(gòu)造出具有同步采樣特征的新序列。

（3）對新構(gòu)造的離散采樣序列進行傳統(tǒng)的DFT變換，獲得周期信號的特征參數(shù)，如基波有效值、總有效值和總諧波失真等參數(shù)。

（4）利用算法模塊，從獲得的一系列離散樣本構(gòu)成的采樣波形中，捕獲波形的極值點，獲得被測信號的波形正、負峰值和波峰系數(shù)。

采樣數(shù)據(jù)分析與處理的程序框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理程序框圖

3.2.1 周期采樣數(shù)的確定[4,5,6]

非整周期采樣算法在減小同步誤差上具有很好的效果，但其前提是具有足夠多的采樣樣本數(shù)，并且樣本間的采樣間隔應(yīng)該相同。當采用固定采樣間隔采樣時，由于采樣時鐘的準確度和穩(wěn)定度都會造成同步偏差。在本應(yīng)用中，利用了采樣時鐘的穩(wěn)定度遠高于其準確度的特征，通過對采樣后的離散樣本的處理，來修正實際的采樣周期，使得待分析的采樣樣本盡量覆蓋整數(shù)個周期，從而實現(xiàn)準同步采樣[7]。理想狀態(tài)下，當被測信號周期為采樣間隔整數(shù)倍時，采樣的起點和終點之間正好包含了信號的整數(shù)個周期。但是由于如下原因：①被測信號的周期不是穩(wěn)定不變的；②采樣儀器內(nèi)部時基抖動；③計算得到的信號過零點非實際0值。采樣過程無法做到整周期。假設(shè)一個周期內(nèi)的采用點數(shù)為，等間隔采樣時，采樣間隔為以此采樣間隔進行采樣，按信號周期截取采樣樣本會有一個截斷誤差Δ，那么以此截斷誤差可以反推出一個周期的采樣點數(shù)（注：采樣點數(shù)在此可以為非整數(shù)）。若采樣點的序號為k，采樣數(shù)為，是周期采樣點數(shù)與采樣周期數(shù)（此處為1）的乘積，截斷誤差可以由式（2）計算等到[8,9,10]。那么實際采樣間隔為亦即得到信號周期的采樣數(shù)。

3.2.2 采樣間隔測量方法

由GPS-12R型銣原子頻率標準提供一參考時鐘到TFG6940A型信號發(fā)生器，設(shè)置信號發(fā)生器輸出不同頻率的正弦信號，采樣系統(tǒng)按50kHz的采樣頻率對其進行采樣實驗，然后根據(jù)（2）式計算截斷誤差，進而得到不同頻率信號下的采樣間隔。采樣間隔的測量結(jié)果如表2所示。由得到的固定采樣率下的采樣間隔，并獲取系統(tǒng)的當前時刻，對采樣序列的每個樣本按圖3所示方法重構(gòu)采樣波形。

表2 采樣間隔測量結(jié)果

3.2.3 波形極值及峰值因數(shù)測量

波形極值的獲取由波形極值搜索VI實現(xiàn)，配合阻抗變換單元的幅值修正因數(shù)及獲得的基波有效值即可算出波形的極值和峰值因數(shù)，其程序框圖如圖4所示。

4 測量系統(tǒng)性能實驗

4.1 實驗方法

利用標準信號驗證工頻分壓器二次電壓測量系統(tǒng)的測量性能，檢查是否具備項目需求參數(shù)的測量功能。目的是考查采樣系統(tǒng)的性能特征和電壓跟隨器的設(shè)計指標。實驗步驟如下：

（1）利用數(shù)字多用表的交流電壓測量功能測量分壓器的二次電壓信號。標準電壓源輸出50V，51.5Hz的交流標準電壓，采用的分壓器51.5Hz分壓比為40:1，分壓器的二次輸出阻抗為530Ω，用數(shù)字多用表34411A的交流電壓測量功能直接測量分壓器的二次輸出電壓為1.2484V，當分壓器二次輸出電壓經(jīng)電壓跟隨器時，34401A的交流電壓測量值為1.2498V。

（2）利用數(shù)字多用表34411A的直流采樣功能測量分壓器的二次電壓信號，信號條件與（1）相同，測量得到的結(jié)果為：有效值1.25001V，直流分量為0.02%。

（3）由標準電壓源輸出5V，51.5Hz的標準交流電壓信號。利用數(shù)字多用表34411A的直流采樣功能，測量得到的有效值為：5.00006V，利用34411A的交流電壓測量功能，測量得到的有效值為5.00127V。

（4）為了考查測量系統(tǒng)在非正弦信號條件下的測量性能，實驗信號疊加了一定階次和含量的諧波。測量結(jié)果如表3所示。

表3 諧波測量結(jié)果

圖4 波形極值及峰值因數(shù)程序框圖

4.2 實驗結(jié)果分析

通過實驗（1）得知由分壓器輸出阻抗帶來的負載誤差為-0.112%。所以當分壓器輸出阻抗太高時，不適合直接采用數(shù)字多用表的交流電壓功能直接測量分壓器的二次輸出電壓。電壓跟隨器起到了阻抗變換的作用，且提高了測量二次電壓測量準確度。

由實驗（2）和（3）獲得，采用34411A的直流采樣功能測量交流電壓指標優(yōu)于直接采用交流測量功能。

實驗（4）表明測量系統(tǒng)在非正弦信號條件下，也具有優(yōu)異的測量性能。

5 結(jié)語

工頻分壓器二次電壓測量系統(tǒng)是高壓測量系統(tǒng)的重要組成部分，其參數(shù)測量性能及測量準確度直接決定了高壓測量系統(tǒng)的性能。文章從采樣測量技術(shù)的應(yīng)用、阻抗變換單元的設(shè)計和系統(tǒng)整體性能實驗三個方面展開闡述。結(jié)論如下：（1）利用直流采樣功能代替交流測量功能，極大地提高了參數(shù)測量準確度；（2）設(shè)計的雙級電壓跟隨器在5kHz內(nèi)的跟隨性能優(yōu)異，使得測量系統(tǒng)達到阻抗匹配的目的；（3）采樣序列的同步化處理方法減小了算法誤差。

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Research and Development of Secondary Voltage Measurement System for Power Frequency Divider

LIN Xiao
（Fujian Institute of Metrology, Fuzhou 350003, Fujian, China）

The sampling measurement technology has been widely used in power frequency electric parameters measurement. A secondary voltage measurement system for power frequency high voltage standard was developed on the basis of 34411A digital sampling voltage meter produced by Keysight company in this paper. By studying on the measurement method of accurate sampling interval value under fi xed sampling frequency and refactoring sampling waveform with the sampling interval as the time marks of sampling points,the data sequences applied in DFT were made close to the whole cycle sampling sequences, as a result , the sampling measurement accuracy was improved. The impedance transformation technology was also used in this paper. With the precision two-level buffer voltage follower, the impedance of the secondary output voltage of the power frequency high voltage standard was reduced, the voltage measurement accuracy was improved.The experimental result shows that this measurement system satis fi es for the requirements of secondary voltage characteristic parameters measurement of power-frequency high-voltage standard and its speci fi ed technical indexes.

Sampling measurement; Secondary voltage; Sampling interval; Discrete fourier transform; Syschronous.

2017-10-12

林 曉，男，福建省計量科學研究院，助理工程師