CN103941214A - 一种基于tdc的电子式互感器校验***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TDC的电子式互感器校验***及方法，所述的校验***包括标准电磁式互感器、标准信号交换器、采集卡、同步时钟、TDC单元、计算机。本发明将传统由非同步采集卡构建的检验***和TDC单元相结合，通过增加TDC单元，测量触发采样信号到开始采样的延时时间，对测量的标准信号的相位做校正，从而克服标准通道的相位测量误差，实现高精度的校验平台；本发明既可以用于电子式互感器校验，也可用于谐波准确度测试。

Description

一种基于TDC的电子式互感器校验***及方法

技术领域

本发明涉及一种基于TDC的电子式互感器校验***及方法，属于智能电网仪器设备测试领域。

背景技术

随着社会的进步和科技的发展，电力***的规模不断增大，变电站建设和改造速度随之加快，以现代化数字技术做支撑的数字化变电站成为发展趋势。大量电子式测量设备使用于数字化变电站，典型的例如电子式电流互感器（ECT）和电子式电压互感器（EVT）等。这些测量设备按照检定规程，需要定期检定或校验，以确保测量的准确性。根据电子式互感器现场校验规范，新投运的电子式互感器校验周期为1年，实际可能更短，每年有大量的电子式测量设备需要检定或校验。

国内外对电子式互感器校验的研究已经做了很多工作，开发出来的电子式互感器校验平台也有很多。电子式互感器校验***根据A/D转换单元的区别，分为嵌入式A/D方案和采集卡方案。嵌入式A/D方案即使用A/D转换芯片实现模数转换，采集卡方案即使用采集卡（如NI公司的采集卡）实现模数转换。

嵌入式A/D方案的校验***虽然优点很突出，例如其体积小、成本低，但其设计复杂度高，调试难度大，稳定性相对较差。目前市面上的校验***多为嵌入式A/D方案，例如某科技公司的XL807电子式互感器校验仪。相比之下，使用采集卡方案虽然成本相对较高，但采集卡具有集成度高、精度高、性能稳定可靠等优点，结合当前的虚拟仪器技术，能快捷搭建高精度、高稳定性的电子式互感器校验平台。

众所周知，基于比对原理的校验，其重要内容之一就是标准路信号与被校路信号同步采样。如图1所示为模拟输出电子式电流互感器校验原理图，其标准路信号和被校路信号就通过内同步模块控制完成同步采样。然而，目前的主流采集卡均不能做到严格的同步触发采样，存在采样延时的问题。在论文《Anaccurate system for onsite calibration of electronic transformers with digital output》中，虽然提到的一种新型同步方式，克服了采集卡不能严格同步的缺点，但引起的另外一个问题是只能由校验***发出同步信号对被校设备进行同步。基于采集卡的校验***，在接收外部同步信号时，采样会存在采样延时，其相位测量必然存在误差，从而使得角差校验不准确。如图2所示，假设采集卡的采样时钟为4kHz，那么从接收到触发采样信号到开始采样的最大延时Δt为采样时钟的一个周期即250us。以50Hz工频为例，250us引起的角差约为270分。故使用采集卡构建的校验平台如果不对采样卡的采样延时误差做校正，会引起相位测量偏差，具体的采样时间延时1us对应相位滞后1.08分。在用于谐波准确度测试时，则这以影响更为明显。例如在10次谐波条件下，1us时间差对应10.8分角差，谐波次数越高，这种影响越大。

综上所述有必要针对使用非同步采集卡构建的校验***，其存在相位测量误差这一问题，提出一种基于TDC的高精度电子式互感器校验***。

发明内容

本发明提供了一种基于TDC的电子式互感器校验***及方法，解决了使用非同步采集卡构建的校验***存在相位测量误差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于TDC的电子式互感器校验***，包括标准电磁式互感器、标准信号交换器、采集卡、同步时钟、TDC单元、计算机；所述标准信号交换器接收标准电磁式互感器输出的模拟电压或电流信号，并将模拟电压或电流信号转换为能被采集卡接收的模拟电压信号；所述同步时钟向采集卡、TDC单元和被校电子式互感器发送同步采样触发信号；所述采集卡接收模拟电压信号，接收同步时钟发出的同步采样触发信号，采集卡对标准模拟电压信号进行采样，转换为数字电压信号，并将采样结果发送给计算机；所述TDC单元接收同步时钟发出的同步采样触发信号，接收采集卡的采样时钟，根据采样时钟和同步采样触发信号测量采集卡触发采样到开始采样的延时时间，并将延时时间发送给计算机；所述计算机接收采集卡发送的采样数据、被校电子式互感器发送的采样数据以及TDC单元发送的延时时间，根据采集卡的采样数据和被校电子式互感器发送的采样数据计算出比差和角差，根据测量的延时时间对角差进行校正。

根据延时时间对角差校正的方法为，在原有的角差基础上减去由采样延时引起的最大角差具体的角差校正量计算方法为

其中，T为采样信号周期；Δt为TDC单元测量的采样延时时间。

所述TDC单元以接受到同步采样触发信号和紧跟着同步采样触发信号之后的第一个采样时钟作为控制计时的起止信号。

所述采集卡为24位采集卡。

一种基于TDC的电子式互感器校验***的校验方法，包括以下步骤，

步骤一，初始化采集卡和TDC单元；

步骤二，采集卡、TDC单元和被校电子式互感器等待同步时钟发出的同步采样触发信号；

步骤三，如果接受到同步采样触发信号，采集卡对标准模拟电压信号进行采样，转换为数字电压信号；TDC单元接收采集卡的采样时钟，根据采样时钟和同步采样触发信号测量采集卡触发采样到开始采样的延时时间；被校电子式互感器对感应的数字信号进行采样；

步骤四，计算机接收采集卡发送的采样数据、被校电子式互感器发送的采样数据以及TDC单元发送的延时时间；

步骤五，根据采集卡发送的采样数据和被校电子式互感器发送的采样数据计算出比差和角差；

步骤六，根据延时时间校正角差；

步骤七，等待下一个同步采样触发信号。

步骤六中根据延时时间对角差校正的方法为，在原有的角差基础上减去由采样延时引起的角差具体的角差校正量计算方法为

其中，T为采样信号周期；Δt为TDC单元测量的采样延时时间。

所述采集卡为24位采集卡。

本发明的有益效果是：本发明将传统由非同步采集卡构建的检验***和TDC单元相结合，通过增加TDC单元，测量触发采样信号到开始采样的延时时间，对测量的标准信号的相位做校正，从而克服标准通道的相位测量误差，实现高精度的校验平台；本发明即可以用于电子式互感器校验，也可用于谐波准确度测试。

附图说明

图1为模拟输出电子式电流互感器校验原理图。

图2为采集卡触发采样延时示意图。

图3为一种基于TDC的电子式互感器校验***的结构框图。

图4为基于计数法TDC原理框图。

图5为TDC单元核心电路原理图。

图6为校验***的校验流程图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如3所示，一种基于TDC的电子式互感器校验***，其特征在于：包括标准电磁式互感器、标准信号交换器、采集卡、同步时钟、TDC单元和计算机。

所述标准信号交换器接收标准电磁式互感器输出的模拟电压或电流信号，并将模拟电压或电流信号转换为能被采集卡接收的模拟电压信号。为了保证准确度，采用24位采集卡，是一种高精度的采集卡，该采集卡输入信号范围一般为±10V，而调压器或升流器输出的信号一般不能直接输入至采集卡，需要经过标准信号变换器，如100V转4V、5A转4V等，其变换精度优于0.02%。

所述同步时钟向采集卡、TDC单元和被校电子式互感器发送同步采样触发信号。同步时钟用于接收或者发出同步信号，能接收PPS或者B码同步信号，同时发出PPS和B码同步信号，在本发明中同步时钟发出PPS或者B码同步采样触发信号。同步时钟可以使用深圳星龙公司的XL8061变电站多功能同步时钟装置。

所述采集卡接收模拟电压信号，接收同步时钟发出的同步采样触发信号，采集卡将标准模拟电压信号转换为数字电压信号并对其采样，采集卡将采样结果发送给计算机，采集卡通过PCI接口将采样结果发送给计算机，PCI接口总线，能很方便插装在工控机主板PCI插槽上；所述采集卡的采样时钟通过RTSI总线引出，作为TDC单元的输入。采集卡使用24位高精度采集卡，量化误差优于0.01%，为现有产品，其技术成熟，可靠性高，使用简单，例如NI公司的PCI-4474，具有24位精度。

所述TDC单元接收同步时钟发出的同步采样触发信号，接收采集卡的采样时钟，根据采样时钟和同步采样触发信号测量采集卡触发采样到开始采样的延时时间，并将延时时间发送给计算机。TDC单元使用FPGA作为处理核心，基于计数法将时间转换为数字量，其板载晶振为50MHz，时间测量精度不经倍频即可达0.02us，角差校正准确度为0.02分，用于测量采集卡从接收到同步采样触发信号触发采样到开始采样之间的延时时间，即图1所示的Δt。测量结果经串口转PCI发送至计算机，用以对角差做校正。

具体的，TDC单元采用计数法，其原理是以被测时间起止为“门控”信号，控制数字计数器对已知频率的脉冲计数，被测时间开始时刻“开门”即开始计数，被测时间结束时刻“关门”即停止计数。更具体的，以PPS为例，当识别PPS上升沿开始计数，当识别紧跟着PPS之后的第一个采样时钟上升沿停止计数，测量原理框图如图4所示。假设计数脉冲频率为Fclk，在被测时间段内，计数器的计数值为N，那么被测时间ΔT可以计算出来为

$\mathrm{\ΔT}=\frac{1}{\mathrm{Fclk}}\×N$

由上式可知，当Fclk越大，ΔT测量越精确。

TDC单元使用的FPGA选用飓风2代器件EP2C5T144C8N，使用硬件描述语言开发，生成的TDC单元核心电路原理图如图5所示。

被校电子式互感器接收同步时钟发出的同步采样触发信号，对感应的数字信号进行采样，并将采样结果通过网口发送给计算机。

所述计算机接收采集卡发送的采样数据、被校电子式互感器发送的采样数据以及TDC单元发送的延时时间，根据采集卡发送的采样数据和被校电子式互感器发送的采样数据计算出比差和角差，根据延时时间对角差进行校正，得到被校电子式互感器的比差和角差。

上述延时时间对角差校正的方法为，在原有的角差基础上减去由采样延时引起的最大角差具体的角差校正量计算方法为：

其中，T为采样信号周期；Δt为TDC单元测量的采样延时时间，其最大值为Δt=1/fs，fs为采样率。

上述的一种基于TDC的电子式互感器校验***将传统由非同步采集卡构建的检验***和TDC单元相结合，通过增加TDC单元，测量触发采样信号到开始采样的延时时间，对测量的标准信号的相位做校正，从而克服标准通道的相位测量误差，实现高精度的校验平台；本发明即可以用于电子式互感器校验，也可用于谐波准确度测试。

上述的一种基于TDC的电子式互感器校验***的校验方法如图6所示，包括以下步骤：

步骤一，初始化采集卡和TDC单元；

步骤二，采集卡、TDC单元和被校电子式互感器等待同步时钟发出的同步采样触发信号；

步骤三，如果接受到同步采样触发信号，采集卡对标准模拟电压信号进行采样，转换为数字电压信号；TDC单元接收采集卡的采样时钟，根据采样时钟和同步采样触发信号测量采集卡触发采样到开始采样的延时时间；被校电子式互感器对感应的数字信号进行采样；

步骤四，计算机接收采集卡发送的采样数据、被校电子式互感器发送的采样数据以及TDC单元发送的延时时间；

步骤五，根据采集卡发送的采样数据和被校电子式互感器发送的采样数据计算出比差和角差；

步骤六，根据延时时间校正角差；

步骤七，等待下一个同步采样触发信号。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于TDC的电子式互感器校验***，其特征在于：包括标准电磁式互感器、标准信号交换器、采集卡、同步时钟、TDC单元、计算机；

所述标准信号交换器接收标准电磁式互感器输出的模拟电压或电流信号，并将模拟电压或电流信号转换为能被采集卡接收的模拟电压信号；所述同步时钟向采集卡、TDC单元和被校电子式互感器发送同步采样触发信号；所述采集卡接收模拟电压信号，接收同步时钟发出的同步采样触发信号，采集卡对标准模拟电压信号进行采样，转换为数字电压信号，并将采样结果发送给计算机；所述TDC单元接收同步时钟发出的同步采样触发信号，接收采集卡的采样时钟，根据采样时钟和同步采样触发信号测量采集卡触发采样到开始采样的延时时间，并将延时时间发送给计算机；所述计算机接收采集卡发送的采样数据、被校电子式互感器发送的采样数据以及TDC单元发送的延时时间，根据采集卡发送的采样数据和被校电子式互感器发送的采样数据计算出比差和角差，根据延时时间对角差进行校正。

2.根据权利要求1所述的一种基于TDC的电子式互感器校验***，其特征在于：根据延时时间对角差校正的方法为，在原有的角差基础上减去由采样延时引起的角差Δφ，具体的角差校正量计算方法为

Δφ=Δt/T×360×60

其中，T为采样信号周期；Δt为TDC单元测量的采样延时时间。

3.根据权利要求1所述的一种基于TDC的电子式互感器校验***，其特征在于：所述TDC单元以接受到同步采样触发信号和紧跟着同步采样触发信号之后的第一个采样时钟作为控制计时的起止信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于TDC的电子式互感器校验***，其特征在于：所述采集卡为24位采集卡。

5.基于权利要求1所述的一种基于TDC的电子式互感器校验***的校验方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一，初始化采集卡和TDC单元；

步骤二，采集卡、TDC单元和被校电子式互感器等待同步时钟发出的同步采样触发信号；

步骤三，如果接受到同步采样触发信号，采集卡对标准模拟电压信号进行采样，转换为数字电压信号；TDC单元接收采集卡的采样时钟，根据采样时钟和同步采样触发信号测量采集卡触发采样到开始采样的延时时间；被校电子式互感器对感应的数字信号进行采样；

步骤四，计算机接收采集卡发送的采样数据、被校电子式互感器发送的采样数据以及TDC单元发送的延时时间；

步骤五，根据采集卡发送的采样数据和被校电子式互感器发送的采样数据计算出比差和角差；

步骤六，根据延时时间校正角差；

步骤七，等待下一个同步采样触发信号。

6.根据权利要求4所述的一种基于TDC的电子式互感器校验***的校验方法，其特征在于：步骤六中根据延时时间对角差校正的方法为，在原有的角差基础上减去由采样延时引起的角差Δφ，具体的角差校正量计算方法为

Δφ=Δt/T×360×60

其中，T为采样信号周期；Δt为TDC单元测量的采样延时时间。

7.根据权利要求4所述的一种基于TDC的电子式互感器校验***的校验方法，其特征在于：所述采集卡为24位采集卡。