CN106125033B - 一种电压电流同步性分级误差测试*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电压电流同步性分级误差测试***，所述***包括：主处理器模块、FPGA模块、电压转换采集回路模块、同步模块、光纤串行发送模块、光纤以太网接收模块，解决了现有技术中存在无法对功率因数角进行准确高效测试的技术问题，实现了***设计合理，能够准确高效的对功率因数角进行测试的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及智能变电站电子式互感器准确度测试技术领域，具体地，涉及一种电压电流同步性分级误差测试***。
背景技术
目前，智能站中的电压均由电子式电压互感器将信号送到一个电压合并单元(PTMU)，再由PT MU将电压信号送到多个间隔MU进行级联，间隔MU将PT MU的电压和本间隔的电子式电流互感器(CT)进行同步合并再输出，多个间隔MU再通过交换机进行网络化传输达到间隔层IED设备，见附图中所示的PT MU和间隔MU。
智能站的电子式互感器的幅值准确度已经较为稳定，不论是否经过级联或网络，幅值上可以一直保持较高的稳定性，不受传输模式的影响。而电压电流信号之间的相对相位关系，即功率因数角，却往往受到级联和组网模式的影响，功率因数角是否准确直接关系到电能计量的准确度。经常出现的基于电子式互感器的数字电能计量***与传统电能计量***随着时间慢慢出现越来越大的电能差异，也往往与MU输出的功率因数角存在误差有关系。
目前智能站的调试和检测中，只有针对电子式电流互感器和电子式电压互感器的独立准确度测试，缺少对功率因数角的专门测试方案和手段，无法在一次侧升压的同时在电流互感器一次侧注入功率因数角可调可控的大电流，给***的安全稳定运行留下了隐患。
综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
在现有技术中存在无法对功率因数角进行准确高效测试的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种电压电流同步性分级误差测试***，解决了现有技术中存在无法对功率因数角进行准确高效测试的技术问题，实现了***设计合理，能够准确高效的对功率因数角进行测试的技术效果。
为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种电压电流同步性分级误差测试***，所述***包括：
主处理器模块，所述主处理器模块一方面用于：运行Linux操作***、对***人机接口进行管理、采集器数据帧组包、被测合并单元帧接收与解析；所述主处理器模块另一方面用于：时标处理、串行帧发送值计算、串行帧发送时刻计算、功率因数误差计算；
FPGA模块，所述FPGA模块用于***数据的输入和输出控制；
电压转换采集回路模块，所述电压转换采集回路模块用于进行电压转换，将转换后的电压经过低通滤波调理回路后进行AD采样；
同步模块，所述同步模块用于为主处理器模块、FPGA模块、模数转换器提供各种不同频率需求的运行工作节拍，同时输出1PPS和IRIG-B码到被测合并单元；
光纤串行发送模块，所述光纤串行发送模块用于完成FPGA模块控制的串行数据帧的电到光转换，实现多路电子式电流互感器本体采集器的模拟数据帧发送；
光纤以太网接收模块，所述光纤以太网接收模块用于完成多路被测合并单元的光纤以太网数据接收。
其中，电压转换采集回路模块与FPGA模块、同步模块均连接，FPGA模块和光纤以太网接收模块与主处理器模块均连接，FPGA模块与光纤串行发送模块连接。
其中，所述主处理器模块具体包括：ARM模块和DSP模块，所述ARM模块与所述DSP模块连接，所述ARM模块用于运行Linux操作***、对***人机接口进行管理、采集器数据帧组包、被测合并单元帧接收与解析；所述DSP模块用于时标处理、串行帧发送值计算、串行帧发送时刻计算、功率因数误差计算。
其中，所述FPGA模块具体用于：完成多路光纤串口的数据帧发送，实现多路电流互感器的采集器模拟，控制模数转换器ADC的读取时序，将每个ADC的采样值标定当前时标，将每个带时标的采样值上送给主处理器。
其中，所述电压转换采集回路模块具体用于：电压标准互感器将一次侧高压转换成额定100V/√3的电压，该电压进入电压转换采集回路模块，首先由0.01级的电压互感器完成100V/√3到5V电压的转换，5V电压经过低通滤波调理回路，进入AD采样环节，采样的工作时钟来自于时钟同步模块。
其中，AD采样在同步模块的时序控制下进行，在时刻T1取得采样样本Du1，T2时刻取得Du2，以此类推，从一次侧高压信号出现到完成该电压信号的采样，整过程中消耗掉的绝对延时时间设为Td_u，Td_u小于50us。
其中，功率因数误差为：
e＝(cos(θt)-cos(θ))*100/cos(θ)(1)，其中，θt为电压电流夹角，cos(θt)为被测MU的功率因数，θ为功率因数角。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、从一次母线升压可以进行真实电子式电压互感器测试，达到与真实运行条件无差异测试。
2、以一次电压高精度变换与采集为基础，以电压相位锁定多路电子式电流互感器仿真输出的时序，达到一次侧升压的同时进行一次升流的效果，解决了目前智能站无法同时升压和升流的制约，解决了无法进行功率因数角准确度的测试盲点。
3、以实际电子式电流互感器的延时时间参数来精确控制仿真输出的电流采样值输出时刻，测试结果与实际运行结果一致。
4、通过调节电流仿真输出延时的大小，达到在不同一次功率因数角下的全面的误差测试。
5、从功率因数角本质是相位测试的角度出发，避开互感器值域上的幅值测试，专注于相位测试，使得本方案可行且高效。
6、测试方法可以适用于不同互感器原理、不同互感器厂家、不同组网模式下的功率因数误差测试；
7、将各级MU输出同时接入到测试***，可以在一次试验中得出各级功率因数误差，便于分析智能站的功率因数误差具体是在哪个环节产生，便于故障定位和解决。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是本申请实施例一中电压电流同步性分级误差测试***的组成示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种电压电流同步性分级误差测试***，解决了现有技术中存在无法对功率因数角进行准确高效测试的技术问题，实现了***设计合理，能够准确高效的对功率因数角进行测试的技术效果。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
下面结合具体实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一：
请参考图1，本申请提供了一种电压电流同步性分级误差测试***，本测试***主要由以下几个主要的功能模块组成：
ARM+DSP主处理器模块：
***的主处理器采用TI公司的DM3730，它由1GHz的ARM Cortex-A8Core和800MHz的TMS320C64x+DSP Core两部分组成，ARM端主要负责Linux操作***、装置人机接口管理、采集器数据帧组包、被测合并单元帧接收与解析等，DSP主要进行工作量较大的时标处理、串行帧发送值计算、串行帧发送时刻计算、功率因数误差计算等。应用层(ARM侧的应用程序)和信号处理层(DSP侧的运算)之间通过Codec Engine软件模块连接，在编译DSP端可执行代码和ARM端应用程序时，都基于Codec Engine进行。
FPGA模块：
FPGA采用xilinx公司Spartan6系列XC6SLC150，FPGA具有良好的时序控制性能，主要负责***底层数据的输入和输出控制。FPGA完成多路光纤串口的数据帧发送，实现多路电流互感器的采集器模拟，数据帧的具体值和帧格式都由主处理器预先计算和组织完成。FPGA同时需要控制模数转换器ADC的读取时序，将每个ADC的采样值精确标定当前时标，将每个带时标的采样值上送给主处理器。
电压转换采集回路模块：
电压标准互感器将一次侧高压精确转换成额定100V/√3的电压，该电压进入“电压转换采集回路”模块。该模块首先由0.01级的电压互感器完成100V/√3到5V小电压的转换，5V小电压经过低通滤波调理回路，进入AD采样环节。A/D采集芯片采用TI公司的24位ADS1271，该款ADC为高信噪比的Delta-Sigma ADC，采样的工作时钟来自于时钟同步模块。
同步模块：
同步模块为***主处理器、FPGA、ADC等提供各种不同频率需求的运行工作节拍，同时输出1PPS和IRIG-B码到被测合并单元，高精度的时钟同步模块保证了整***时序控制的精确性，以及长期的稳定性。的晶体振荡器选用OCXO50恒温晶振，-40至85度的工作温度，小于1ppb的温漂特性，-160dBc/1KHz的低相位噪声，最大10ppb/year的低老化。
光纤串行发送模块：
光纤串行发送模块完成FPGA控制的串行数据帧的“电”到“光”的转换，实现多路电子式电流互感器本体采集器的模拟数据帧发送。采用Avago公司的HFBR-1414光发送器，符合IEEE 802.3 Ethernet 802.5 Token Ring标准高效发射器，内含低噪声跨阻预放大器，最高数据率高达175MBd，最长传输距离达4km。
光纤以太网接收模块：
完成多路被测合并单元的光纤以太网数据接收，收发器采用Agilent的AFBR5803，保证有足够的带宽和响应速度，典型上升和下降时间达到2ns。PHY芯片采用Intel公司LXT971，它是10/100M双速快速以太控制器，兼容IEEE802.3；支持10Base5、10Base2、10BaseT,100BASE-X，100BASE-TX，100BASE-FX，并能自动检测所连接的介质。
各模块的功能和连接关系以及测试原理如下：
首先一次侧母线升压：将交流220V电压接入调压器，实现工频电压调节，调压器输出接入升压***。升压***根据被测电子式PT电压等级，通过试验变压器或者谐振***来实现升压，高压输出接入母线。
通过精度等级0.01级的高精度的电压标准互感器将一次侧高压精确转换成100V/√3的可测电压，该电压进入测试***的“电压转换采集回路”模块。测试***通过内部0.01级的电压互感器完成100V/√3到5V的转换，进入AD采样模块。根据0.01级互感器的角差误差限值可知，两级变换后电压信号传变的误差控制在0.3分加0.3分，即最大相位误差在0.6分以内，该相位误差可以忽略不计。
5V信号经过信号调理回路后进入AD采集，AD采样在同步模块的时序控制下进行，在时刻T1取得采样样本Du1，T2时刻取得Du2，以此类推。从一次侧高压信号出现到完成该电压信号的采样，整过程中消耗掉的时间(绝对延时时间)设为Td_u，该延时时间可以确定具体值，可以做到不大于50us且稳定。该值小于目前国内所有电子式电流互感器本体的延时时间，为后面控制电子式电流互感器的仿真输出提供可行的前提条件。通过电压采样值计算出当前电压信号的实时频率值f。
本测试***仿真输出的是电子式电流互感器本体数字信号，从实际工程中接入间隔MU1和间隔MU2的电子式CT产品参数获取CT本体的绝对延时时间，设为Td_ct1和Td_ct2，作为仿真的依据。
在一次侧升压的同时，通过仿真实际电子式电流互感器输出，实现在升压的同时进行升流的真实效果。为此，以电压采样值为基准来控制电子式电流互感器的仿真输出。首先对电压采样值进行幅值变换，作为电流仿真输出的瞬时采样值，然后根据要仿真的实际电子式电流互感器绝对延时时间参数来控制仿真输出的时序。
以仿真间隔MU1的电子式电流互感器输出为例，T1时刻的采样值变换为Di 1＝ka*Du1，T2时刻采样值变换为Di2＝ka*Du2，以此类推。通过电子式电流互感器与电压信号采集的绝对延时差异ΔT1＝Td_ct1-Td_u来控制每一个采样点的输出时刻，将每一个采样点均延时ΔT1发送，即Di 1在T1+ΔT1发送，Di2在T2+ΔT1发送。
间隔MU2的电子式电流互感器仿真输出瞬时值为Di 1＝kb*Du1，Di2＝kb*Du2……，每个采样点延时ΔT2＝Td_ct2-Td_u发送。
仿真发送基于“FPGA模块”控制“光纤串行发送模块”来实现串行通信，协议遵循被防真电子式电流互感器的输出协议。
上述试验可以实现一次电压和电流同相位，即功率因数角θ＝0，cosθ＝1的情况，为了模拟θ不为0的情况，需将上述电流输出的延时时间ΔT1和ΔT2进行调整，即ΔT1'＝ΔT1+θ/2πf，ΔT2'＝ΔT2+θ/2πf，f为上述计算出来的频率值，此时测试的就是***功率因数为cosθ的情况。
此处是技术效果2，3,4的具体内容和实现原理。
被测信号分为三级，即PT合并单元输出级，间隔合并单元输出级，以及网络输出级，见附图中“光纤接收模块”所接收的信号。“同步模块”发送1PPS或者IRIG-B码到各级MU，光纤以太网模块接收被测的三级IEC61850-9-2采样值报文，“ARM+DSP主处理器模块”从每个MU的采样值输出中计算出其电压电流夹角θt，则被测MU的功率因数为cos(θt)，最终的功率因数误差为：
e＝(cos(θt)-cos(θ))*100/cos(θ)
此处是技术效果7的具体内容和实现原理。
各功能模块的器件选型如下：
测试***主处理器采用TI公司的DM3730微处理器，它由1GHz的ARM Cortex-A8Core和800MHz的TMS320C64x+DSP Core两部分组成，并集成了3D图形处理器，视频加速器(IVA)，USB 2.0，支持MMC/SD卡，串口等。
FPGA采用xilinx公司的XC6SLC150，属于Spartan6系列，具有147,443个逻辑单元，与上一代Spartan系列相比，该系列功耗仅为其50％，且速度更快、连接功能更丰富全面。能够提供全新且更高效的双寄存器6输入查找表(LUT)逻辑和一系列丰富的内置***级模块。
ARM端主要跑Linux操作***，DSP主要进行数字信号处理。
以太网控制器为Intel公司LXT971。LXT971是单端口10/100M双速快速以太控制器，它兼容IEEE802.3；支持10Base5、10Base2、10BaseT,100BASE-X，100BASE-TX，100BASE-FX，并能自动检测所连接的介质，选用Agilent AFBR5803作为光纤网络收发器。
A/D采集芯片采用TI公司的ADS1271作为模数转换器对信号进行采集，该款ADC为24位，50KHz带宽，高信噪比的Delta-Sigma ADC。
同步模块的晶体振荡器选用OCXO50恒温晶振，-40至85度的工作温度，小于1ppb的温漂特性，-160dBc/1KHz的低相位噪声，最大10ppb/year的低老化，高精度晶振为主处理器和FPGA提供时钟节拍，保证了时序控制的精确性，以及长期的稳定性。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、从一次母线升压可以进行真实电子式电压互感器测试，达到与真实运行条件无差异测试。
2、以一次电压高精度变换与采集为基础，以电压相位锁定多路电子式电流互感器仿真输出的时序，达到一次侧升压的同时进行一次升流的效果，解决了目前智能站无法同时升压和升流的制约，解决了无法进行功率因数角准确度的测试盲点。
3、以实际电子式电流互感器的延时时间参数来精确控制仿真输出的电流采样值输出时刻，测试结果与实际运行结果一致。
4、通过调节电流仿真输出延时的大小，达到在不同一次功率因数角下的全面的误差测试。
5、从功率因数角本质是相位测试的角度出发，避开互感器值域上的幅值测试，专注于相位测试，使得本方案可行且高效。
6、测试方法可以适用于不同互感器原理、不同互感器厂家、不同组网模式下的功率因数误差测试；
7、将各级MU输出同时接入到测试***，可以在一次试验中得出各级功率因数误差，便于分析智能站的功率因数误差具体是在哪个环节产生，便于故障定位和解决。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种电压电流同步性分级误差测试***，其特征在于，所述***包括：
主处理器模块，所述主处理器模块一方面用于：运行Linux操作***、对***人机接口进行管理、采集器数据帧组包、被测合并单元帧接收与解析；所述主处理器模块另一方面用于：时标处理、串行帧发送值计算、串行帧发送时刻计算、功率因数误差计算；
FPGA模块，所述FPGA模块用于***数据的输入和输出控制；
电压转换采集回路模块，所述电压转换采集回路模块用于进行电压转换，将转换后的电压经过低通滤波调理回路后进行AD采样；
同步模块，所述同步模块用于为主处理器模块、FPGA模块、模数转换器提供各种不同频率需求的运行工作节拍，同时输出1PPS和IRIG-B码到被测合并单元；
光纤串行发送模块，所述光纤串行发送模块用于完成FPGA模块控制的串行数据帧的电到光转换，实现多路电子式电流互感器本体采集器的模拟数据帧发送；
光纤以太网接收模块，所述光纤以太网接收模块用于完成多路被测合并单元的光纤以太网数据接收；
主处理器模块与FPGA模块连接，主处理器模块与光纤以太网接收模块连接，电压转换采集回路模块与同步模块连接，电压转换采集回路模块与FPGA模块连接，FPGA模块与光纤串行发送模块连接；
所述电压转换采集回路模块具体用于：电压标准互感器将一次侧高压转换成额定的电压，该电压进入电压转换采集回路模块，首先由0.01级的电压互感器完成到5V电压的转换，5V电压经过低通滤波调理回路，进入AD采样环节，采样的工作时钟来自于时钟同步模块；
AD采样在同步模块的时序控制下进行，在时刻T1取得采样样本Du1，T2时刻取得Du2，以此类推，从一次侧高压信号出现到完成该电压信号的采样，整过程中消耗掉的绝对延时时间设为Td_u，Td_u小于50us，通过电压采样值计算出当前电压信号的实时频率值f；在一次侧升压的同时，通过仿真实际电子式电流互感器输出，以电压采样值为基准来控制电子式电流互感器的仿真输出，首先对电压采样值进行幅值变换，作为电流仿真输出的瞬时采样值，然后根据需要仿真的实际电子式电流互感器绝对延时时间参数来控制仿真输出的时序。
2.根据权利要求1所述的电压电流同步性分级误差测试***，其特征在于，所述主处理器模块具体包括：ARM模块和DSP模块，所述ARM模块与所述DSP模块连接，所述ARM模块用于运行Linux操作***、对***人机接口进行管理、采集器数据帧组包、被测合并单元帧接收与解析；所述DSP模块用于时标处理、串行帧发送值计算、串行帧发送时刻计算、功率因数误差计算。
3.根据权利要求1所述的电压电流同步性分级误差测试***，其特征在于，所述FPGA模块具体用于：完成多路光纤串口的数据帧发送，实现多路电流互感器的采集器模拟，控制模数转换器ADC的读取时序，将每个ADC的采样值标定当前时标，将每个带时标的采样值上送给主处理器。
4.根据权利要求1所述的电压电流同步性分级误差测试***，其特征在于，将各级MU输出同时接入到测试***，主处理器模块从各级MU采样值输出中计算出其电压电流夹角θt，则被测MU输出的功率因数为cos(θt)，功率因数误差为：
e＝(cos(θt)-cos(θ))*100/cos(θ)，其中，θ为***功率因数角。
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| US20080122422A1 (en) * | 2004-06-04 | 2008-05-29 | Iwatt Inc. | Parallel Current Mode Control Using a Direct Duty Cycle Algorithm with Low Computational Requirements to Perform Power Factor Correction |
| CN201886095U (zh) * | 2010-11-11 | 2011-06-29 | 中国电力科学研究院 | 一种合并单元的测试装置 |
| CN103487695A (zh) * | 2013-09-26 | 2014-01-01 | 国家电网公司 | 基于模拟量输入合并单元的检测装置 |
| CN104198977A (zh) * | 2014-08-06 | 2014-12-10 | 国家电网公司 | 一种基于平均功率误差的模拟输入合并单元准确度检测方法 |
-
2016
- 2016-07-19 CN CN201610574352.7A patent/CN106125033B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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