電子式互感器校驗儀溯源技術研究

王光峰，張長勝，李 川，李 波，曹 敏

（1. 昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500；2. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217）

電子式互感器校驗儀溯源技術研究

王光峰1，張長勝1，李 川1，李 波2，曹 敏2

（1. 昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500；2. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217）

現階段需要一種電子式互感器校驗儀的溯源技術在既能保證采樣精度又能具有良好的時間特性且報文完整的方式來真正實現電子式互感器校驗儀的完整溯源工作。本文通過針對電子式互感器校驗儀的硬件、軟件介紹，提出了一種電子式互感器的溯源系統，為實現電子式互感器校驗溯源工作提供基礎。

電子式互感器校驗儀；溯源技術；時間特性；溯源系統

0 引言

數字化變電站以及智能變電站的快速推廣使得電子式互感器、合并單元、數字化電能表等數字化計量設備都在電力系統內得到大量應用。電子式互感器校驗儀目前市場上已有成熟產品，主要測試電子式互感器的角差、比差以及時間特性等與計量精度具有相關聯的一些技術指標[1]。

目前國內電子式互感器校驗儀的溯源工作主要是一種校準工作，主要在武漢高壓電器研究院來實現[2-3]。目前的校準工作主要是由傳統的互感器校驗儀整檢裝置，調節輸出兩組帶有誤差信息的模擬量，采用高精度板卡采集其中一組，將另一組模擬信號送給被試的電子式互感器校驗儀。高精度采集板卡采集信號后將信號發送至上位機，上位機將信號按照IEC61850-9協議格式發出，送至被試電子式互感器校驗儀。被試電子式互感器校驗儀分別采集模擬信號與數字信號后生成誤差報告，將這個誤差結果與傳統互感器校驗儀整檢裝置進行比對得出電子式互感器校驗儀的整體誤差。這種校準工作主要局限在于高精度板卡是一個非連續的采集過程其采集的信號，且上位機發出的采樣值信號并不能保證其時間特性，這使得電子式互感器校驗儀送檢時必須采用特殊版本以適用這種沒有時間特性且非連續的IEC61850-9協議報文，這種校準方式與現場的電子式互感器合并單元所發出的數字報文具有很大出入[4-5]。其在校準過程中引入了傳統互感器整檢裝置自身的誤差以及高精度板卡的采集誤差。且不能對串行輸出的電子式互感器校驗儀進行校準工作。目前還沒有一種電子式互感器校驗儀的溯源技術能夠將電子式互感器校驗儀的時間特性等完整測試項目納入到溯源過程中來，并具有足夠的采樣精度。

所以現階段需要一種電子式互感器校驗儀的溯源技術在既能保證采樣精度又能具有良好的時間特性且報文完整的方式來真正實現電子式互感器校驗儀的完整溯源工作。

1 校驗儀溯源系統技術方案

上圖中的“數字式溯源整檢系統”的數據接收模塊完成Agilent3458接口，實現Agilent3458的工作模式與所有參數配置，并且完成其采樣值數據的接收。

系統的同步模塊產生 Agilent3458的采集觸發信號，同時輸出被檢電子式互感器校驗儀所需的各類同步信號。該同步模塊的時間信號作為系統內數據接收模塊和數據發送模塊的統一時間信號，可以在同一個時間軸上精確標定數據接收的時刻，同時精確控制數據發送的時刻[6]。

數據發送模塊基于 FPGA來實現，對于 Agilent3458的間斷非連續采樣值進行數據重構，能夠使得系統最終的采樣值輸出是連續不間斷的。系統采樣的整體絕對延時時間可以基于同步模塊的時鐘信號進行精確控制且保持穩定，輸出的類型可以是IEC61850-9-1，IEC61850-9-2LE，IEC61850-9-2，IEC60044-8 FT3，國網公司FT3中的任何一種。采樣值報文的離散度可以按照配置值進行靈活且精確的控制。

人機交互與系統配置模塊完成 Agilent3458的模式配置，數據發送協議的選擇，報文離散度的配置。同時支持采樣值模型文件的解析，系統能夠按照模型文件靈活配置報文格式，提高測試的靈活性。

Agilent3458是安捷倫科技公司最快、最靈活和最精確的8位半數字萬用表；系統整體準確度可以控制在0.02%以內；數字量輸出絕對延時支持500ms以內的配置，準確度控制在 1us以內；報文離散時間支持3個采樣間隔內的配置，準確度控制在40ns以內；

系統具有以下技術特點：

（1）采用安捷輪 3458A，8位半板卡作為其模數轉換環節模擬量整體采樣精度可達0.01%。

（2）數字回路誤差調節，在數字部分進行誤差調節與控制使得整體誤差生成環節僅由算法決定，其理想精度可優于0.002%。

（3）報文完整，高精度板卡都是非實時連續采集的，所以在上位機將高精度板卡的采樣數據進行虛擬與重構實現輸出9-2報文具有整秒的完整性。

2 校驗儀溯源系統實現

2.1 硬件系統設計

本測試系統可控模擬信號源、高精度 I/V轉換以及高精度V/V轉換、Agilent3458數字多用表、上位機、報文控制器多部分組成。

可控模擬信號源輸出穩定模擬電流電壓信號，其穩定度優于 0.01%，電流信號串接，電壓并接，分別接入高精度I/V轉換以及高精度V/V轉換以及被檢電子式互感器校驗儀。

高精度 I/V轉換采用高精度電流互感器以及取樣電阻的方式來實現高精度轉換，5A/2V，1A/2V，其轉換精度可以達到0.01%。

高精度 V/V轉換采用感應分壓器來實現，100V/2V，轉換精度可達 0.005%。可控模擬信號源輸出穩定模擬電流電壓信號，其穩定度優于 0.01%，電流信號串接，電壓并接，分別接入高精度I/V轉換以及高精度V/V轉換以及被檢電子式互感器校驗儀[9]。

圖2 I/V 轉換器原理示意圖Fig.2 I/V converter principle diagram

CT變比：1A/50mA，5A/50mA，0.01級

電阻：40歐，功率10W，精度0.01%，I/V變比：5A/2.0V；1A/2.0V

準確度：0.01級；

線性范圍：0~1.2倍額定；

最大允許輸入：2倍額定；

（4）實時性控制，采用報文控制的方式，利用FPGA的硬件邏輯能力控制以太網9-2報文發送，使報文離散度優于100 ns，報文整體延時精度優于0.5 us。

（5）采用高精度恒溫晶振控制時序，將同步信號發送至高精度采集板卡，報文控制器利用鎖頻技術實現報文控制器與高精度板卡的時序統一，在報文虛擬重構時不產生時間累積誤差。

（6）支持電子式互感器多協議溯源，支持串行FT3協議、9-2、9-1等多種協議的電子式互感器校驗儀的溯源工作[7-8]。

高精度 V/V轉換采用感應分壓器來實現，100V/2V，轉換精度可達0.005%。

感應分壓器采用高鎳坡莫合金作為導磁材料，采用高強度聚酯漆包銅圓線均勻排繞而成，結構合理可靠。主要用于檢定與標準電壓互感器電壓比不同（包括一次電壓或者二次電壓不同）的電壓互感器。該儀器由雙級電壓互感器和感應分壓器兩部分組成，如下圖，雙級電壓互感器的二次線圈又作為分壓器的輸入線圈，采用該形式結構既可提高輸入阻抗，又可使輸入電壓提高。如將雙級電壓互感器的二次線圈串入到感應分壓器的輸出線圈中，還可提升感應分壓器輸出電壓。（此時，感應分壓器作為升壓器使用）。

3 溯源控制軟件設計

上位機軟件為本系統的軟件核心，負責配置并采集 Agilent3458A的數字信號[10]，因為 Agilent-3458A是一塊非連續采集系統，采用秒觸發的方式完成采集工作，共采集200ms數據后將數據上送。上位機收到采樣值數據后對數據進行虛擬重構，虛擬出整秒數據，然后疊加上誤差信息。

幅值相位誤差控制：

設原信號： U ( n) = Umsin(ω nTs)

輸出信號與原信號幅值相差Ke倍，則：

輸出信號與原信號相位相差角度φ，則：

其中N為每周波采樣點數。

然后配置在報文上配置延時參數，將這些參數隨著采樣數據一道發送至報文控制器。考慮報文離散度最大達1ms情況，嵌入式系統設置3ms緩沖區。由于接入信號源與 SV控制器兩者之間的時鐘晶振準確度存在差異，為了防止 SV控制器報文輸出中斷或者溢出, 在 SV控制器輸入和輸出端建立如圖（5）所示的閉環調節系統，構成時鐘跟隨調節器。信號輸入量為接收到的報文數目，輸出量為發送報文數目，MPC8247為控制器，FPGA為執行器，時鐘晶振為被控對象[11]。MPC8247實時計算輸入和輸出報文兩者數目之差，并根據差值范圍進行控制，控制FPGA調節晶振中斷計數值，實現信號源和SV報文控制器兩者發送節拍的一致性。

圖3 時鐘跟隨示意圖Fig.3 Clock follow sketch

設立變量Δ∈[-10,10]，定義為報文發送間隔離散值，根據上位機軟件配置的報文發送頻率 f和FPGA統計的單位時間內計數值count，計算出Δ對應的計數值 Δ t = Δ * c ount/1000000，每幀報文平均發送間隔時間對應計數值 t = c ount/f,當控制模式選用連續方式時，通過調用基于窗口的等概率隨機數抽取算法產生隨機數x，當前SV報文發送序號n，滿足x ≤ n ＜ x + act條件時，如果x為奇數，視為負偏，即Δ為負數，如 x為偶數，視為正偏，則對應組織發送參數如下：

注：seq表ms序號，seq∈[0,999]，offset表ms內相對延時。如果 n

控制模式選用隨機方式時，采用類似2中闡述的方法生成隨機數列flag[total]，按控制策略賦值。當前SV報文發送序號n，滿足flag[n]=1條件時，如果x為奇數，視為負偏，即Δ為負數，如x為偶數，視為正偏，則對應組織發送參數由公式（1）（2）計算；否則對應組織發送參數由公式（3）（4）計算。

技術指標：（1）采樣精度。交流整體采樣精度達到 0.01%、直流整體采樣精度達到 0.005%。（2）支持溯源協議格式。IEC61850-9-2、FT3、直流FT3協議；采樣速率為4 kHz/s。（3）時間特性測試溯源精度，離散度優于20 ns，絕對延時測試優于0.5 us。

控制器采用Freescale公司的MPC8247嵌入式微處理器，該處理器屬于PowerQUICC II系列，包含一個基于PowerPC MPC603e的內核，和一個通信處理內核CPM。FPGA采用Xilinx的Spartan3系列產品XC3S1500，包含有150萬個系統門，32個專用乘法器，4個數字時鐘管理模塊，邏輯資源豐富，運行速度快。FPGA利用精確的時序控制能力，完成以太網的MAC子層設計、MAC子層與以太網控制器的接口設計，以太網數據發送以及FT3數據發送[11-12]。

光纖以太網控制器為 Intel公司 LXT971。LXT971是單端口10/100M雙速快速以太控制器，它兼容IEEE802.3；支持10Base5、10Base2、10BaseT，100BASE-X，100BASE-TX，100BASE-FX，并能自動檢測所連接的介質，選用Agilent AFBR5803作為光纖網絡收發器。

晶體振蕩器選用OCXO50恒溫晶振，-40至85度的工作溫度，小于1 ppb的溫漂特性，-160 dBc/1 KHz的低相位噪聲，最大10 ppb/year的低老化，高精度晶振為PowerPC和FPGA提供時鐘節拍，保證了時序控制的精確性，以及長期的穩定性[13-14]。

4 結論

本文給出了一套基于電子式互感器校驗儀溯源的系統，此系統既能保證采樣精度又能具有良好的時間特性且報文完整的方式，可以真正實現電子式互感器校驗儀的完整溯源工作。

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[2] 李童杰, 張曉更. 基于DSP的電子式電流互感器校驗儀的研制[J]. 儀器儀表學報, 2008, 29(8): 1695-1699.

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[7] 盧珞先, 任立志, 張蓬鶴. 電子式互感器校驗儀的算法研究[J]. 電力系統保護與控制, 2009, 37(2): 58-60.

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Electronic Transformer Verification Source Technology Research

WANG Guang-feng1, ZHANG Chang-sheng1, LI Chuan1, LI Bo2, CAO Min2
(1. Electric Power Research Institute of Yunnan Power Grid Corporation,Kunming 50217, China; 2. Faculty of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650050, China)

At this stage requires a verification of traceability technology in electronic transformer can not only ensure the sampling precision but also has good characteristics of time and the complete message way to achieve the complete traceability of electronic instrument transformer verification work. Based on verification of hardware,software, electronic transformer, this paper proposes a traceability system of electronic transformer, in order to realize electronic transformer calibration traceability work provides the basis.

Electronic transformer verification; Traceability technology; Traceability technology; Traceability system

TM644

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.11.012

本文著錄格式：王光峰，李波，曹敏，等. 電子式互感器校驗儀溯源技術研究[J]. 軟件，2017，38（11）63-66

云南電網有限責任公司電力科學研究院項目(2015-000303JL00018)

王光峰(1988-)，男，在站研究生，主要研究方向：儀器儀表、新型數字化計量儀器的溯源與量傳技術研究；張長勝(1970-)，男，博士，副教授，主要研究方向：復雜系統及建模、智能控制、計算機控制的研究。

李波，男，高級工程師，主要研究方向：自動化、智能計量相關技術研究。