CN204789972U - 一种兼容模拟量和数字量校验功能的直流互感器校验仪 - Google Patents

Abstract

一种兼容模拟量和数字量校验功能的直流互感器校验仪包括主控模块、模拟量输入采样模块、数字量输入解析模块、时钟同步模块、人机交互模块和为相应模块供电的电源模块，校验仪还包括如下装置接口：时钟同步接口、至少两个模拟量输入接口、至少一个数字量输入光网口；模拟量输入接口与模拟量输入采样模块相连，模拟量输入采样模块与主控模块相连，数字量输入光网口与数字量输入解析模块相连，时钟同步模块与时钟同步接口相连，模拟量输入采样模块、数字量输入解析模块、时钟同步模块和人机交互模块分别与主控模块相连。本实用新型校验仪既可对模拟量输出型又可对数字量输出型直流互感器进行校验。

Description

一种兼容模拟量和数字量校验功能的直流互感器校验仪

技术领域

本实用新型涉及一种直流互感器校验装置，属于高压直流输电***测量领域，可对输出为模拟量或数字量的直流互感器进行校验。

背景技术

在电力***中，高压直流输电主要用于远距离大功率输电、海底电缆送电和非同步运行的交流***之间的联络等。直流互感器是直流输电***中重要的测量设备，为***的控制和保护提供所需测量信号。直流互感器测量的准确度和运行的稳定性对直流输电***的监测、保护以及稳定运行有着重要的影响。对直流互感器进行安装前的校准试验和周期校准是保证直流输电***安全运行不可缺少的工作。

目前，国内常用的直流互感器校验方法是比较被检直流互感器的输出和标准直流互感器的输出之间的误差。被检直流互感器有模拟量输出型和数字量输出型两种，标准直流互感器一般都为模拟量输出型，现有的直流互感器校验仪上用于与被检直流互感器连接的接口一般仅有数字量输入接口或模拟量输入接口，不能兼顾模拟量输出型和数字量输出型直流互感器的校验功能。图1为仅能校验模拟量输出型被检直流互感器的校验仪的结构框图，图2为仅能校验数字量输出型被检直流互感器的校验仪的结构框图。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种兼具模拟量输入接口和数字量输入接口的直流互感器校验仪，它作为一种校准测量***，既可对模拟量输出型又可对数字量输出型直流互感器进行校验。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种兼容模拟量和数字量校验功能的直流互感器校验仪，其特征在于，所述校验仪包括主控模块、模拟量输入采样模块、数字量输入解析模块、时钟同步模块、人机交互模块和为相应模块供电的电源模块，所述校验仪还包括如下装置接口：时钟同步接口、至少两个模拟量输入接口、至少一个数字量输入光网口；

所述模拟量输入接口与所述模拟量输入采样模块相连，将标准和模拟量输出型被检直流互感器输出的模拟量信号输入到所述模拟量输入采样模块，所述模拟量输入采样模块与所述主控模块相连，将输入的模拟量信号转换为数字信号后发送到所述主控模块，所述数字量输入光网口与所述数字量输入解析模块相连，将数字量输出型被检直流互感器输出的数字量信息输入到所述数字量输入解析模块，所述数字量输入解析模块与所述主控模块相连，对输入的数字量信息进行解析，并将解析后的数据发送到所述主控模块，所述时钟同步模块与所述时钟同步接口相连，以便通过所述时钟同步接口与数字量输出型被检直流互感器相连，所述时钟同步模块与所述主控模块相连，以便通过所述主控模块控制所述模拟量输入采样模块的采样时钟，进而使数字量输出型被检直流互感器、标准或模拟量输出型直流互感器的采样时钟同步，所述主控模块根据所述模拟量输入采样模块和所述数字量输入解析模块发送来的数据计算标准直流互感器和被检直流互感器输出的比差，并将结果发送到所述人机交互模块显示。

所述模拟量输入接口包括标准直流电压互感器模拟量输入接口、标准直流电流互感器模拟量输入接口、被检直流电压互感器模拟量输入接口和被检直流电流互感器模拟量输入接口。

所述模拟量输入采样模块包括若干个输入采样通道，各输入采样通道的输入端与各模拟量输入接口一一对应相连，所述输入采样通道由信号调理电路和双A/D采样电路组成，所述信号调理电路将输入的模拟电压或电流信号高保真地转化为电压小信号供所述双A/D采样电路采样，所述双A/D采样电路由两个具有不同频率特性的A/D转换器构成，两个A/D转换器分别与所述信号调理电路和所述主控模块相连，两个A/D转换器在所述主控模块传送的时钟同步信号的控制下同步采样，分别采样所述信号调理电路输出的电压小信号的低频段和中频段，并将采样得到的数字信号发送到所述主控模块。本实用新型利用两个不同频率特性的AD转换器，将交流和直流(低频)的采集分离，从而实现对信号的高精度、宽范围采样。

对应于各模拟量输入接口，所述信号调理电路具有如下四种类型：

与所述标准直流电压互感器模拟量输入接口对应的信号调理电路，由分压比可调的精密电阻分压模块和两个电压跟随器a、b构成，所述精密电阻分压模块的输入端通过所述电压跟随器a与所述标准直流电压互感器模拟量输入接口相连，输出端通过所述电压跟随器b与其所在输入采样通道的双A/D采样电路相连；

与所述标准直流电流互感器模拟量输入接口对应的信号调理电路，由零磁通互感器和高精密电阻及电压跟随器c构成，所述零磁通互感器的输入端与所述标准直流电流互感器模拟量输入接口相连，所述零磁通互感器的输出端与所述高精密电阻的输入端相连，所述高精密电阻的输出端通过电压跟随器c与其所在输入采样通道的双A/D采样电路相连；

与所述被检直流电压互感器模拟量输入接口对应的信号调理电路，由高精密电阻分压电路a和电压跟随器d构成，所述高精密电阻分压电路a的输入端与所述被检直流电压互感器模拟量输入接口相连，输出端通过电压跟随器d与其所在输入采样通道的双A/D采样电路相连；

与所述被检直流电流互感器模拟量输入接口对应的信号调理电路，由高精密电阻分压电路b和电压跟随器e构成，所述高精密电阻分压电路b的输入端与所述被检直流电流互感器模拟量输入接口相连，输出端通过电压跟随器e与其所在输入采样通道的双A/D采样电路相连。

上述信号调理电路中，被检直流电压、电流互感器的信号调理电路结构基本相同，这是因为被检直流电压互感器和被检直流电流互感器均输出模拟电压信号。而标准直流电压互感器与被检直流电压、电流互感器的信号调理电路之间的差别，是因为相比于被检直流电压、电流互感器，标准直流电压互感器的输出电压范围比较大，输出阻抗比较高。

所述电源模块包括开关开源和精密电源模块，所述精密电源模块由隔离电源和高效线性稳压电源构成，所述高效线性稳压电源通过所述隔离电源与所述开关开源相连，所述高效线性稳压电源与所述模拟量输入采样模块相连。隔离电源确保了模拟量输入采样模块供电的独立性，防止其他电源干扰，高效线性稳压电源减少了电源的纹波，确保能为模拟量输入采样模块提供高品质供电电源。

所述时钟同步接口包括用于为数字量输出型被检直流互感器提供时钟同步信号的输出时钟同步接口和用于接收外部同步时钟信号的输入时钟同步接口。如采用合并单元等一些具有时钟同步输出功能的仪器或者设备，通过本实用新型的时钟同步模块为本实用新型的校验仪和数字量输出型直流互感器提供同步时钟信号，从而实现校验仪内外的采样时钟同步。

所述校验仪的装置接口还包括人机交互接口，所述人机交互模块通过所述人机交互接口与所述主控模块相连，所述人机交互模块采用了嵌入式***方案。所述数字量输入解析模块由报文、协议解析算法构成。

所述主控模块为DSP处理器。

所述时钟同步模块由FPGA即现场可编程门阵列构成。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：1)本实用新型校验仪可兼容模拟量输出型和数字量输出型直流互感器的校验；

2)本实用新型校验仪通过双A/D采样电路，按频率进行分段采样，不但能实现对直流及低频信号的高精度采样，还能兼顾中频段的部分有用信号，使本实用新型校验仪实现对信号的高精度、宽范围采样，有利于提高校验仪的测量精度；

3)本实用新型校验仪通过嵌入式***方案实现人机交互，使本实用新型校验仪还具有体积小、易携带等优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施例子对本实用新型作进一步的详细说明：

图1为仅能校验模拟量输出型被检直流互感器的校验仪的结构框图；

图2为仅能校验数字量输出型被检直流互感器的校验仪的结构框图；

图3是本实用新型的总体框图；

图4是校验仪的接口框图；

图5是模拟量输入采样模块部分组成框图；

图6是精密电源模块结构示意框图。

具体实施方式

如图4所示，本实用新型的兼容模拟量和数字量校验功能的直流互感器校验仪的装置接口包括电源接口、人机交互接口、时钟同步接口、模拟量输入接口、数字量输入光网口。

本实施例中的直流互感器校验仪包括4个模拟量输入接口，2个数字量输入光网口，2个时钟同步接口。

4个模拟量输入接口分别为标准直流电压互感器模拟量输入接口、标准直流电流互感器模拟量输入接口、被检直流电压互感器模拟量输入接口和被检直流电流互感器模拟量输入接口，以便可以兼容电压和电流模拟量输出型直流互感器的校验。

2个数字量输入光网口中一个作为备用接口设置。数字量输入光网口即图2中的被检直流互感器数字量输入光口。

2个时钟同步接口一个为输出时钟同步接口，一个为输入时钟同步接口。输出时钟同步接口用于为数字量输出型被检直流互感器提供时钟同步信号，输入时钟同步接口用于接收外部同步时钟信号。本实用新型校验仪可通过输出同步时钟信号或接收同步时钟信号来统一数字量输出型被检直流互感器、标准或模拟量输出型直流互感器的采样时钟和主控模块的时钟信号。

电源接口为市电220V输入接口。人机交互接口便于与人机交互模块(将在下文中讲到)相连。

图3是本实用新型的原理框图，本实用新型的兼容模拟量和数字量校验功能的直流互感器校验仪包括主控模块、模拟量输入采样模块、数字量输入解析模块、时钟同步模块、电源模块和人机交互模块。

模拟量输入接口与模拟量输入采样模块相连，将模拟量信号如电压或电流信号输入到模拟量输入采样模块，模拟量输入采样模块将输入的模拟量信号转换为数字信号后发送到主控模块。数字量输入光网口与数字量输入解析模块相连，将数字量信息输入到数字量输入解析模块，数字量输入解析模块对输入的数字量信息进行解析，将解析后的数据发送的主控模块。人机交互模块通过人机交互接口与主控模块相连，主控模块对发送来的信号进行处理，并将处理好的数据如检验结果等通过人机交互模块如液晶屏显示。时钟同步模块与时钟同步接口和主控模块相连。时钟同步模块通过时钟同步接口输出或接收时钟同步信号，从而使数字量输出型被检直流互感器和主控模块的时钟同步，再通过主控模块控制模拟量输入采样模块的采样时钟，以便使数字量输出型被检直流互感器、标准或模拟量输出型直流互感器的采样时钟同步。电源模块包括开关电源和精密电源模块，精密电源模块与模拟量输入采样模块相连，为模拟量输入采样模块提供高品质的电源。

图5是模拟量输入采样模块的原理框图，如图5所示，模拟量输入采样模块包括4路输入采样通道，各输入采样通道的输入端与各模拟量输入接口一一对应相连。输入采样通道由信号调理电路和双A/D采样电路组成。4路输入采样通道分别为标准直流电压互感器输入采样通道、标准直流电流互感器输入采样通道、模拟量输出型被检直流电压互感器输入采样通道、模拟量输出型被检直流电流互感器输入采样通道。

信号调理电路将输入的模拟电压或电流信号高保真地转化为A/D采样电路可采样的小信号：

标准直流电压互感器输出的模拟电压信号通过高精密电阻分压模块分压成电压小信号，由于标准直流电压互感器的输出电压范围比较大：0～120V，输出阻抗比较高：约为10K，因此需要采用高输入阻抗的高压运放组成的电压跟随器a做前级隔离，通过切换高精密电阻分压模块的分压比保持高端电压和低端电压的采样精度，经分压后的电压小信号再通过一个电压跟随器b输出至双A/D采样电路；本实施例中高精密电阻分压模块的分压比(即50：1/5：1的切换)是由主控模块的DSP通过继电器控制精密电阻的切换来实现的；

标准直流电流互感器输出的模拟电流信号通过零磁通互感器和高精密电阻后转化为电压小信号，经一个电压跟随器c后输出至双A/D采样电路；

被检直流电压互感器和被检直流电流互感器均输出模拟电压信号，它们输出的模拟电压信号分别经高精密电阻分压电路a、b分压成电压小信号，再分别经电压跟随器d、e后输出至各自的双A/D采样电路。

普通电阻的精度比较低，一般是5％～10％。高精密电阻的精度比较高，有些可以达到万分之一，且稳定度、温漂比较小，本实施例中应用的高精密电阻，温漂：1PPM，精度：0.1％，本实用新型采用高精密电阻能提高获取的电压信号的精度。

双A/D采样电路在主控模块DSP的控制下实现同步采样，它们的采样频率由DSP输出的CLK时钟决定，CLK时钟由DSP配置。由时钟同步模块同步主控模块和数字量输出型被检直流互感器的时钟，再由DSP控制双A/D采样电路的采样频率，从而使数字量输出型被检直流互感器和标准或模拟量输出型直流互感器的采样时钟同步。

DSP控制双A/D采样电路的采样时钟的过程如下：根据数字量输出型被检直流互感器所标称的采样点数(采样点数是指每周波采样值个数，基波为工频50HZ，IEC60044-8标准规定电子式电流互感器(ECT)/电子是电压互感器(EVT)的额定采样频率为20倍、40倍、80倍的任意一种，互感器的频率为工频50Hz，及对应采样频率为1KHz、2.4KHz、4KHz，即对应点数为20、40、80点)，将其通过人机交互模块设置到DSP中，DSP控制CLK时钟，实现标准或模拟量输出型直流互感器与数字量输出型被检直流互感器的采样时钟同步。

双A/D采样电路包括两个A/D转换器，两个A/D转换器均分别与信号调理电路和主控模块相连，两个A/D转换器分别接收主控模块传送的时钟同步信号启动A/D采样，两个A/D转换器具有不同的频率特性，分别用于采样信号调理电路输出的电压小信号的低频段和中频段。本实用新型利用两个不同频率特性的AD转换器，将交流和直流(低频)的采集分离。低频A/D转换器采用TI公司的ADS1278,24位转换精度完全满足低频采样要求。低频A/D转换器采集5Hz以下有效信号并结合FIR低通滤波器算法滤掉有效信号频率范围以外的部分采样值，中频A/D转换器采用AD7608,18位转换精度，中频A/D转换器采集50Hz-1200Hz有效信号并结合FIR带通滤波器算法滤掉有效信号频率范围之外的低频部分、高频部分采样值，采用双A/D采样电路实现对信号的高精度、宽范围采集。A/D采样之后得到的数字信号发送到主控模块进行处理。

主控模块包括处理器平台和底层控制程序。处理器平台采用ADI公司的双核DSP处理器ADSP609，并外扩128M的DDR同步内存和32M的异步存取Flash，为校验仪提供强大的信号处理能力。底层控制程序是整个处理器平台的控制中心。

数字量解析模块主要是对IEC61850报文数据及各个厂家的私有协议进行解析，将IEC61850报文及各个厂家的私有协议解析为可识别的电压值、电流值、控制信号等。

时钟同步模块直接通过FPGA即现场可编程门阵列编程实现，其使用ACTEL的大容量Flash型FPGA来提供精确的脉冲输出，可以通过GPS时钟源提供PPS秒脉冲和IRIG-B码同步时钟信号，也可以使用内置的高精度时钟源提供同步时钟信号，此外还可以通过IEEE1588协议进行时钟定时提供同步时钟输出，更进一步简化了同步的功能，且其定时误差小于1us。时钟同步模块利用FPGA实现硬件时标，极大地提升时钟同步的精确性，使得标准直流互感器和被检直流互感器之间的采样同步误差大大减小。同时时钟同步模块也可以接收外部的PPS秒脉冲作为时钟同步信号。

图6是精密电源模块的结构框图。校验仪的精密电源模块由隔离电源和高效线性稳压电源构成，高效线性稳压电源通过隔离电源与开关电源相连，高效线性稳压电源与模拟量输入采样模块的信号调理电路和双A/D采样电路分别相连。隔离电源确保了模拟量输入采样模块供电的独立性，防止其他电源干扰。隔离电源后接高效线性稳压电源，减少了电源的纹波，确保能为模拟量输入采样模块提供高品质供电电源。普通线性稳压电源的效率很低，只有30％-40％，高效线性稳压电源相比于普通线性稳压电源的效率高，如本实施例中的高效线性稳压电源负载调整率低于0.4％，线路调整率低于0.2％，10MA纹波抑制比至少60dB，满载输出时效率可达60％。

本实用新型的校验仪的人机交互模块采用了嵌入式***方案替代了现有技术中的工控机方案，即控制显示的程序运行在DSP上，利用嵌入式UI实现人机交互界面，使得***结构更加紧凑。此外，人机交互模块采用液晶屏进行显示，方便对各项参数配置和校验结果等进行查看。

Claims (9)

1.一种兼容模拟量和数字量校验功能的直流互感器校验仪，其特征在于，所述校验仪包括主控模块、模拟量输入采样模块、数字量输入解析模块、时钟同步模块、人机交互模块和为相应模块供电的电源模块，所述校验仪还包括如下装置接口：时钟同步接口、至少两个模拟量输入接口、至少一个数字量输入光网口；

所述模拟量输入接口与所述模拟量输入采样模块相连，将标准和模拟量输出型被检直流互感器输出的模拟量信号输入到所述模拟量输入采样模块，所述模拟量输入采样模块与所述主控模块相连，将输入的模拟量信号转换为数字信号后发送到所述主控模块，所述数字量输入光网口与所述数字量输入解析模块相连，将数字量输出型被检直流互感器输出的数字量信息输入到所述数字量输入解析模块，所述数字量输入解析模块与所述主控模块相连，对输入的数字量信息进行解析，并将解析后的数据发送到所述主控模块，所述时钟同步模块与所述时钟同步接口相连，以便通过所述时钟同步接口与数字量输出型被检直流互感器相连，所述时钟同步模块与所述主控模块相连，以便通过所述主控模块控制所述模拟量输入采样模块的采样时钟，进而使数字量输出型被检直流互感器、标准或模拟量输出型直流互感器的采样时钟同步，所述主控模块根据所述模拟量输入采样模块和所述数字量输入解析模块发送来的数据计算标准直流互感器和被检直流互感器输出的比差，并将结果发送到所述人机交互模块显示。

2.根据权利要求1所述的直流互感器校验仪，其特征在于，所述电源模块包括开关开源和精密电源模块，所述精密电源模块由隔离电源和高效线性稳压电源构成，所述高效线性稳压电源通过所述隔离电源与所述开关开源相连，所述高效线性稳压电源与所述模拟量输入采样模块相连。

3.根据权利要求1所述的直流互感器校验仪，其特征在于，所述时钟同步接口包括用于为数字量输出型被检直流互感器提供时钟同步信号的输出时钟同步接口和用于接收外部同步时钟信号的输入时钟同步接口。

4.根据权利要求1所述的直流互感器校验仪，其特征在于，所述校验仪的装置接口还包括人机交互接口，所述人机交互模块通过所述人机交互接口与所述主控模块相连，所述人机交互模块采用了嵌入式***方案。

5.根据权利要求1所述的直流互感器校验仪，其特征在于，所述主控模块为DSP处理器。

6.根据权利要求1所述的直流互感器校验仪，其特征在于，所述时钟同步模块由FPGA即现场可编程门阵列构成。

7.根据权利要求1～6任一项权利要求所述的直流互感器校验仪，其特征在于，所述模拟量输入接口包括标准直流电压互感器模拟量输入接口、标准直流电流互感器模拟量输入接口、被检直流电压互感器模拟量输入接口和被检直流电流互感器模拟量输入接口。

8.根据权利要求7所述的直流互感器校验仪，其特征在于，所述模拟量输入采样模块包括若干个输入采样通道，各输入采样通道的输入端与各模拟量输入接口一一对应相连，所述输入采样通道由信号调理电路和双A/D采样电路组成，所述信号调理电路将输入的模拟电压或电流信号高保真地转化为电压小信号供所述双A/D采样电路采样，所述双A/D采样电路由两个具有不同频率特性的A/D转换器构成，两个A/D转换器分别与所述信号调理电路和所述主控模块相连，两个A/D转换器在所述主控模块传送的时钟同步信号的控制下同步采样，分别采样所述信号调理电路输出的电压小信号的低频段和中频段，并将采样得到的数字信号发送到所述主控模块。

9.根据权利要求8所述的直流互感器校验仪，其特征在于，对应于各模拟量输入接口，所述信号调理电路具有如下四种类型：

与所述标准直流电压互感器模拟量输入接口对应的信号调理电路，由分压比可调的精密电阻分压模块和两个电压跟随器a、b构成，所述精密电阻分压模块的输入端通过所述电压跟随器a与所述标准直流电压互感器模拟量输入接口相连，输出端通过所述电压跟随器b与其所在输入采样通道的双A/D采样电路相连；

与所述标准直流电流互感器模拟量输入接口对应的信号调理电路，由零磁通互感器和高精密电阻及电压跟随器c构成，所述零磁通互感器的输入端与所述标准直流电流互感器模拟量输入接口相连，所述零磁通互感器的输出端与所述高精密电阻的输入端相连，所述高精密电阻的输出端通过电压跟随器c与其所在输入采样通道的双A/D采样电路相连；

与所述被检直流电压互感器模拟量输入接口对应的信号调理电路，由高精密电阻分压电路a和电压跟随器d构成，所述高精密电阻分压电路a的输入端与所述被检直流电压互感器模拟量输入接口相连，输出端通过电压跟随器d与其所在输入采样通道的双A/D采样电路相连；

与所述被检直流电流互感器模拟量输入接口对应的信号调理电路，由高精密电阻分压电路b和电压跟随器e构成，所述高精密电阻分压电路b的输入端与所述被检直流电流互感器模拟量输入接口相连，输出端通过电压跟随器e与其所在输入采样通道的双A/D采样电路相连。