CN108776245A - 一种可自动化检定多种原理互感器校验仪的检定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可自动化检定多种原理互感器校验仪的检定装置，所述装置包括：嵌入式软硬件***、自动化控制***、信号采样***、FPGA模块、可调幅值调相位电路与信号放大电路、电压转电流模块、升压互感器、升流互感器、多个电压互感器、多个电流互感器、隔离模块、极坐标系转换模块、电流转电压模块；解决了现有的互感器校验仪检定装置存在的不足，解决了目前装置通过90°移相器产，生正交分量信号，频率调节时产生附加误差和非线性的问题，且输出精度较高。

Description

一种可自动化检定多种原理互感器校验仪的检定装置

技术领域

本发明涉及检定装置领域，具体地，涉及一种可自动化检定多种原理互感器校验仪的检定装置。

背景技术

目前国内约有上万台互感器校验仪在使用中，而按照《计量法实施细则》要求，这些互感器校验仪必须实施周期检定。国内各省级计量院与电科院承担所有互感器校验仪的量值传递及首次招标检定，工作量非常的大。目前用传统的基于交流比例标准的互感器校验仪检定装置，通过调节同相和正交的刻度盘直接输出不同的比差和角差，基本在准确度达到0.2级。由于是手动操作缺乏自动化和信息化手段，逐步被新一代的各种数字化仪器所淘汰。

随着国家的经济发展，科技的进步，有更多新的高技术设备投入使用，如电子式互感器校验仪和二次压降。这种新的设备用传统的互感器检定装置检定溯源时，会遇到许多的新问题。

目前国内有厂家研制了自动化的互感器校验仪检定装置，但是存在以下问题：(1)由于采用将同相分量信号经过模拟移相器移相90°产生正交分量信号，在输出源频率改变时，90°模拟移相器将改变相位，影响输出的准确度，所以输出是固定频率输出，不能满足检定规程要求，(2)输出没有高准确的测量反馈和调节输出的设计，靠出厂时的调试满足技术指标，在使用时的稳定性无法考核，只能在周期检定和采用其它办法才能考核装置的稳定性。(3)目前所有使用的互感器校验仪检定装置的Δu和Δi的发生是依靠一路信号相位与U和I的相位保持一致产生同相分量信号，另外一路信号将同相分量信号经过移相器移相90°产生正交分量信号，经过加法器叠加输出，然后再经隔离互感器输出。这样的发生模型，当同相分量或正交分量两个信号中的一个量很小时，同相分量和正交分量两个信号间的夹角的正弦值近似于它们的夹角的角度值，此时传统的互感器校验仪检定装置检定传统的互感器校验仪和二次压降及电子式互感器校验仪都可以得到理想的检定数据。但是当同相分量和正交分量两个信号都大时，它们间的夹角角度和它们夹角的正弦值就不近似相等，夹角角度越大，差异就越大且差异呈现非线性，不能用于检定直接测量法的压降测试仪及电子式互感器校验仪。

发明内容

本发明提供了一种可自动化检定多种原理互感器校验仪的检定装置，解决了现有的互感器校验仪检定装置存在的不足，解决了目前装置通过90°移相器产，生正交分量信号，频率调节时产生附加误差和非线性的问题，且输出精度较高。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种可以同时满足检定传统互感器校验仪、二次压降测试仪及电子式互感器校验仪的检定装置。

装置由采用现代测量控制技术实现高自动化程度、高集成度、高准确度、高稳定性的测控装置，装置由LINUX嵌入式软硬件***、自动化控制***、高准确度AD采样测量反馈模块、数个精密电压互感器、数个精密电流互感器、直角坐标系、极坐标系转换软件模块、通信接口和规约转换模块、电光转换模块等组成。

装置中设有差压(Δu)和差流(Δi)的发生模型：通过数字合成和调节产生两路标准电压(U₁)和标准电流(I₁)信号，模拟实际检定中的标准互感器输出信号，产生两路被试电压(U₂)和被试电流(I₂)信号，模拟实际检定中的被检互感器输出信号，按照常规检定互感器的接线产生差压(Δu)和差流(Δi)信号。

装置根据设定的比差和角差输出的设定值，通过计算比差和角差得到U₂和U₁，I₂和I₁之间的夹角角度，确定Δu和Δi需要的相移码值，再通过计算比差和角差跟U₁和I₁的幅值，确定U₂和I₂的幅值和相位，U₁、I₁、U₂和I₂的幅值和相位由独立的数字合成波形产生，解决了随相位大时的非线性误差和调节频率影响输出准确度问题。

装置采用了高分辨率的相位调节技术。为了满足10-7的高分辨率的相位调节，采用通过调整水平分量和正交分量的幅值调整，调节相位技术，经过高速光耦隔离***通过数据总线分别通过D/A转换通道变成A水平分量B正交分量两路交流基准信号，对AB两路信号进行幅值调整，调节相位，再经过功放电路，电压转电流电路，由输出量程控制模块切换合适的高精度的互感器隔离输出。

装置采用了高准确度测量反馈技术。输出的U₁和U₂，I₁和I₂通过电流转电压电路送入AD采用模块，利用傅立叶技术计算实际输出的比差值和角差值，反馈数据给微处理器，调节输出，百分表测量结果用来进行对工作源幅值的调整，调节分辨率优于10^-7。比差和角差的结果用来对差值源进行幅值和相位的调整，幅值调节分辨率优于10^-7，相位调节分辨率优于0.0001分，工作源的输出的幅值准确度优于0.02％，差值源的输出的幅值准确度优于0.02％和相位准确度优于0.05分。保证整体输出的0.1％的准确度。

装置采用直角坐标系和极坐标系转换可以有效满足两种不同坐标体系下设计的仪器的准确度传递需求。检定传统互感器校验仪时，采用直角坐标系输出，检定直接测量法的压降测试仪及电子式互感器校验仪时，采用极坐标系输出。

本发明可以检定传统互感器校验仪、压降测试仪及电子式互感器校验仪，配置的规约转换器支持IEC61850-9-2LE和FT3规约，支持数字量输入电子式互感器校验仪的检定。配置了485、USB和RS232接口，支持互感器校验仪数据接入，在计算机对误差测试点进行配置后能够自动完成互感器校验仪的检定。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.采用新的Δu和Δi的发生模型和FPGA技术，设计双路幅值和相位精密可调的数字程控信号源，两路同步数字信号产生的U₁和U₂的频率可以同步调节，解决了目前装置通过90°移相器产。生正交分量信号，频率调节时产生附加误差和非线性的问题。

2.采用高分辨率相位调节技术和自动测量反馈补偿技术，解决了装置输出的稳定性、准确性、对象适应性问题，幅值调节分辨率优于10^-7，相位调节分辨率优于0.0001分，工作源的输出的幅值准确度优于0.02％，差值源的输出的幅值准确度优于0.02％和相位准确度优于0.05分。保证整体输出的0.1％的准确度。达到国内最高水平。

3.采用直角坐标系和极坐标系转换可以有效满足两种不同坐标体系下设计的仪器的准确度传递需求。一台设备可以检定传统互感器校验仪、压降测试仪及电子式互感器校验仪，节约了设备购置成本。

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装置***原理图；

图2信号源幅值调节原理框图；

图3信息源幅值相位调节原理框图；

图4传统互感器校验仪电压误差检定接线图；

图5传统互感器校验仪电流误差检定接线图；

图6模拟量输入电子式互感器校验仪电压误差检定接线图；

图7数字量输入电子式互感器校验仪电压误差检定接线图；

图8模拟量输入电子式互感器校验仪电流误差检定接线图；

图9数字量输入电子式互感器校验仪电流误差检定接线图。

具体实施方式

本发明提供了一种可自动化检定多种原理互感器校验仪的检定装置，解决了现有的互感器校验仪检定装置存在的不足，解决了目前装置通过90°移相器产，生正交分量信号，频率调节时产生附加误差和非线性的问题，且输出精度较高。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1-图9，本申请提供了一种可自动化检定多种原理的互感器校验仪的检定装置，原理如图1所示，包括：LINUX嵌入式软硬件***、自动化控制***、FPGA模块、高分辨率调幅值调相位电路与信号放大电路、AD采样测量反馈模块、电压转电流模块、电源模块、数个精密电压互感器、数个精密电流互感器、输出量程切换模块、高速光耦隔离***、直角坐标系、极坐标系软件转换模块、通讯接口模块、电光转换模块和规约转换模块等。

其中，所述LINUX嵌入式软硬件***输出端与所述自动化控制***其中的一个输入端相连接；所述FPGA模块的通过数据总线与所述自动化控制***相连接；所述AD采样模块通过数据总线与所述FPGA模块的相连接；所述电源模块为其他所有***供电。通过嵌入式液晶显示***获取被检仪器的比差角差和百分表值等的信息，根据直角坐标系和极坐标系的设置，FPGA模块产生由自动化控制***经过数据处理得到的有相位关系的两路交流基准电压信号，再经过可调幅电路改变两路交流基准电压信号的幅值，由自动化控制***的控制信号将送入的两路信号经过功放电路、升压互感器、精密电压互感器、电压转电流模块、升流互感器、精密电流互感器后再输出到被检设备，信号采样***再将两路信号的相位幅值通过隔离模块和电流转电压电路采样得到的数据传送给自动化控制***进行处理，处理后的数据由嵌入式液晶显示***进行显示实际输出结果，自动打印检定原始记录和检定证书。

进一步本发明工作源和差值源产生原理是：通过数字合成和调节产生二路标准电压(U₁)和标准电流(I₁)信号，模拟实际检定中的标准互感器输出信号，产生二路被试电压(U₂)和被试电流(I₂)信号，模拟实际检定中的被检互感器输出信号，按照常规检定互感器的接线产生差压(Δu)和差流(Δi)信号。

根据设定的比差和角差输出的设定值，通过计算比差和角差得到U₂和U₁,I₂和I₁之间的夹角角度，确定Δu和Δi需要的相移码值，再通过计算比差和角差跟U₁和I₁的幅值，确定U₂和I₂的幅值和相位，U₁、I₁、U₂和I₂的幅值和相位由独立的数字合成波形产生，解决了随相位大时的非线性误差和调节频率影响输出准确度问题。

工作源和差值源的输出都接有实时测量电路，将测量结果反馈给CPU(stm32),根据与设定值得差值，调节幅值和相位的控制值，保证源输出的准确。

进一步本发明采用高分辨率可调幅值电路与信号放大电路，原理如图2所示，利用B(16位D/A)和E(12位D/A)产生模拟信号相加，提供给波形合成的C(16位D/A)的参考电压，FPGA通过并行总线产生波形数据给C，保证了信号源的幅值调节分辨率优于10^-7。

进一步本发明采用高分辨率可调相位电路与信号放大电路，原理如图3所示，首先利用高分辨率可调幅值电路与信号放大电路产生2个幅值可调水平分量和正交分量，作为B(24位D/A)和D(24位D/A)的参考电压，通过FPGA并行总线产生幅值调节数据给B和D,通过模拟加法器C合成高分辨率相位可调的差值信号。2个幅值的计算如下：

假设信号数学表达式为：

U₂＝U_m2cos(ωt+θ) (1)

三角函数展开后得到：

U₂＝U_m2cosωt cosθ-U_m2sinωt sinθ (2)

令A＝cosθB＝-sinθ，带入式(2)得到：

U₂＝AU_m2cosωt+BU_m2sinωt (3)

初始相位为：

θ＝π-arctg(B/A) (4)

A和B满足如下关系

A²+B²＝1 (5)

因此，通过图3所示电路调节A和B值来得到高精度相位可调的信号U2。

进一步本发明采用的实时测量反馈补偿的技术，包括一定数量的高准确度的电压、电流互感器、IO口，由顺序连接的通道选择器、程控放大器、高精度AD转换芯片组成，通过数据总线与FPGA模块相连，A/D值通过傅立叶技术计算实际输出的比差值和角差值，反馈数据给微处理器，通过工作源测量结果用来进行对工作源幅值的调整，比差和角差的结果用来对差值源进行幅值和相位的调整，使得长期稳定性和对象适应性得到极大提高。幅值调节分辨率优于10^-7，相位调节分辨率优于0.0001分，工作源的输出的幅值准确度优于0.02％，差值源的输出的幅值准确度优于0.02％和相位准确度优于0.05分。保证整体输出的0.1％的准确度。

进一步本发明采用的直角坐标系和极坐标系转换来实现检定不同原理的互感器校验仪，检定传统互感器校验仪时，采用直角坐标系输出，检定直接测量法的无线压降测试仪及电子式互感器校验仪时，采用极坐标系输出。

(1))采用直角坐标系输出源检定传统互感器校验仪

假设在电压互感器测试功能情况下，标准电压为U1，差值电压为ΔU，比差为f(％)，

角差为δ(′)，两个信号源输出的幅值差应该满足：

两个信号源的相位差应该满足：

(2)采用极坐标系输出源检定功无线压降测试仪及电子式互感器校验仪

采用极坐标系产生标准交流电压信号U₁＝U_m1cos(ωt)，与标准交流电压信号U₁同步的成比例的有相位差的差值电压信号U₂＝U₁+ΔU＝U_m2cos(ωt+θ)。

本发明提供的检定装置采用两路相互独立，相位幅值可调的模拟信号输出，其电路简单，故障率低，精确度高，稳定性好，应用范围广，可以有效满足两种不同坐标体系下设计的仪器的精度传递需求。

本发明的具体使用方法如下。传统互感器校验仪电压误差检定时，本发明输出的a2和a1进行短接，n1和n2端子接入到传统互感器校验仪K、D端子，标准电压信号a1和n1端子接入传统互感器校验仪A、X端子，从而实现传统互感器校验仪电压误差的检定。

传统互感器校验仪电流误差检定时，本发明标准电流和被试电流极性端k1和s1进行短接，形成的差流由k1接入到传统互感器校验仪K端子，标准电流和被试电流非极性端子k2、s2接入传统互感器校验仪T₀、T_x端子，从而实现传统互感器校验仪电流误差的检定。二次压降测试仪检定时接线原理和传统互感器校验仪一致。

电子式互感器校验仪被试信号通道一般分为数字量输入和模拟量输入。对模拟量输入电子式互感器校验仪检定时，将本发明输出的被试信号接入电子式互感器校验仪模拟量输入通道，本发明输出的标准信号接入电子式互感器校验仪标准量输入通道，从而实现小模拟量输入电子式互感器校验仪的检定。

数字量输入通道一般支持IEC61850-9-2LE或FT3协议的光信号，因此对数字量输入电子式互感器校验仪检定时，可利用FPGA直接产生一路数字信号，并利用规约转换装置和电光转换装置，将该被试信号转换成符合IEC61850-9-2LE或FT3协议的光信号，从而实现数字量输入电子式互感器校验仪的检定。

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 (10)

1.一种可自动化检定多种原理互感器校验仪的检定装置，其特征在于，所述装置包括：

嵌入式软硬件***、自动化控制***、信号采样***、FPGA模块、可调幅值调相位电路与信号放大电路、电压转电流模块、升压互感器、升流互感器、多个电压互感器、多个电流互感器、隔离模块、极坐标系转换模块、电流转电压模块；

通过嵌入式软硬件***获取被检互感器校验仪的比差角差和百分表值信息，基于直角坐标系和极坐标系，FPGA模块产生由自动化控制***经数据处理得到的具有相位关系的两路交流基准电压信号，再经过可调幅值调相位电路改变两路交流基准电压信号的幅值，由自动化控制***的控制信号将送入的两路信号经过信号放大电路、升压互感器、电压互感器、电压转电流模块、升流互感器、电流互感器后再输出到被检互感器校验仪，信号采样***再将两路信号的相位幅值通过隔离模块和电流转电压模块采样得到的数据传送给自动化控制***进行处理，处理后的数据由嵌入式软硬件***进行输出检定结果。

2.根据权利要求1所述的可自动化检定多种原理互感器校验仪的检定装置，其特征在于，装置通过数字合成和调节产生二路标准电压U₁和标准电流I₁信号，模拟实际检定中的标准互感器输出信号，产生二路被试电压U₂和被试电流I₂信号，模拟实际检定中的被检互感器输出信号，按照常规检定互感器的接线产生差压Δu和差流Δi信号。

3.根据权利要求1所述的可自动化检定多种原理互感器校验仪的检定装置，其特征在于，装置根据设定的比差和角差输出的设定值，通过计算比差和角差得到U₂和U₁,I₂和I₁之间的夹角角度，确定Δu和Δi需要的相移码值，再通过计算比差和角差跟U₁和I₁的幅值，确定U₂和I₂的幅值和相位，U₁、I₁、U₂和I₂的幅值和相位由独立的数字合成波形产生。

4.根据权利要求1所述的可自动化检定多种原理互感器校验仪的检定装置，其特征在于，装置工作源和差值源的输出都接有实时测量电路，将测量结果反馈给FPGA模块，根据与设定值得差值，调节幅值和相位的控制值。

5.根据权利要求1所述的可自动化检定多种原理互感器校验仪的检定装置，其特征在于，装置采用通过调整水平分量和正交分量的幅值调整，调节相位，经过光耦隔离***通过数据总线分别通过D/A转换通道变成A水平分量和B正交分量两路交流基准信号，对AB两路信号进行幅值调整，调节相位，再经过功放电路，电压转电流电路，由输出量程控制模块切换合适的高精度的互感器隔离输出。

6.根据权利要求3所述的可自动化检定多种原理互感器校验仪的检定装置，其特征在于，装置输出的U₁和U₂，I₁和I₂通过电流转电压模块送入AD采用模块，利用傅立叶算法计算实际输出的比差值和角差值，反馈数据给微处理器，调节输出，百分表测量结果用于进行对工作源幅值的调整；比差和角差的结果用来对差值源进行幅值和相位的调整。

7.根据权利要求1所述的可自动化检定多种原理互感器校验仪的检定装置，其特征在于，FPGA模块包括：IO口、UART串口、40M有源晶振、数模转换电路、直流电压基准芯片，FPGA模块分别产生频率、幅值、相位可调的3路交流基准电压波形,其中一路用于产生标准电压、电流，其余二路用于产生调节相位的水平分量和正交分量。

8.根据权利要求1所述的可自动化检定多种原理互感器校验仪的检定装置，其特征在于，可调幅值调相位电路与信号放大电路产生2个幅值可调水平分量和正交分量，作为数模转换B和数模转换D的参考电压，通过FPGA并行总线产生幅值调节数据给数模转换B和数模转换D，通过模拟加法器C合成相位可调的差值信号；2个幅值的计算如下：

假设信号数学表达式为：

U₂＝U_m2cos(ωt+θ) (1)

三角函数展开后得到：

U₂＝U_m2cosωtcosθ-U_m2sinωtsinθ (2)

令A＝cosθB＝-sinθ，带入式(2)得到：

U₂＝AU_m2cosωt+BU_m2sinωt (3)

初始相位为：

θ＝π-arctg(B/A) (4)

A和B满足如下关系：

A²+B²＝1 (5)

其中，U_m2是信号的幅值，ω是角频率，θ是初始相位角。

9.根据权利要求1所述的可自动化检定多种原理互感器校验仪的检定装置，其特征在于，装置设有电压、电流互感器、IO口，基于顺序连接的通道选择器、程控放大器、AD转换芯片，通过数据总线与FPGA模块相连，A/D值通过傅立叶算法计算实际输出的比差值和角差值，反馈数据给FPGA模块，通过工作源测量结果用来进行对工作源幅值的调整，比差和角差的结果用来对差值源进行幅值和相位的调整。

10.根据权利要求1所述的可自动化检定多种原理互感器校验仪的检定装置，其特征在于，装置采用的直角坐标系和极坐标系转换来实现检定不同原理的互感器校验仪，检定传统互感器校验仪时，采用直角坐标系输出，检定直接测量法的无线压降测试仪及电子式互感器校验仪时，采用极坐标系输出；

采用直角坐标系输出源检定传统互感器校验仪：

假设在电压互感器测试功能情况下，两个信号源输出的幅值差满足：

两个信号源的相位差满足：

其中，U₁为标准电压幅值，ΔU为差值电压幅值，f(％)为比差，δ(′)为角差为；

采用极坐标系输出源检定功无线压降测试仪及电子式互感器校验仪：

采用极坐标系产生标准交流电压信号U₁＝U_m1cos(ωt)，与标准交流电压信号U₁同步的成比例的有相位差的被试电压信号U₂＝U₁+ΔU＝U_m2cos(ωt+θ)。