0 引言

    電子式互感器檢定方面，計量不確定度主要來源為標準互感器及電子式互感器校驗儀，標準互感器有非常完整的溯源體系，而電子式互感器校驗儀的溯源存在不少問題。由于電子式互感器的工作原理和輸出方式與傳統(tǒng)互感器有很大的區(qū)別，故電子式互感器的校驗不能采用傳統(tǒng)互感器的校驗方法^[1]。合并單元接收采樣值并按照IEC61850-9-2^[2]標準輸出數(shù)字報文，因此，測試重點就是對其采樣精確度和數(shù)據(jù)同步性能的測試^[3]。本文對國內(nèi)外同類誤差溯源技術(shù)的研究現(xiàn)狀及存在問題進行了分析，提出了一種合并單元測試儀量值溯源裝置，闡述了其工作原理及實際應(yīng)用方法。

1 數(shù)字化背景

    智能電網(wǎng)要求變電站全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標準化^[4]。電子式互感器及合并單元是智能變電站的核心部件，其性能及精度等各項指標對繼保、測控、數(shù)字電能計量等有決定性的影響。合并單元最早出現(xiàn)于IEC 60044-8電子式電流互感器標準，是對二次轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)進行時間相關(guān)的采集處理并為二次設(shè)備提供相關(guān)數(shù)據(jù)樣本的物理單元，合并單元可以是現(xiàn)場互感器的一個組件或獨立單元^[5]。而各地供電部門對電子式互感器及合并單元的選型、驗收、定期檢測等環(huán)節(jié)所采取的措施或手段尚未達到完善、全面、準確的程度，同時國家電網(wǎng)公司營銷部于2016年4月發(fā)出了關(guān)于開展數(shù)字化計量體系建設(shè)研究工作的通知，強調(diào)要加強數(shù)字化標準裝備的建設(shè)，大力開展數(shù)字化計量設(shè)備的量值溯源技術(shù)研究，并提出2020年在公司內(nèi)部建立完善的數(shù)字化計量管理體系，在準確度、穩(wěn)定性、溯源性等方面達到滿足貿(mào)易結(jié)算的要求。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

    國內(nèi)外對電子式互感器測試技術(shù)研究比較早，但僅限于最基礎(chǔ)的誤差測量要求，而測試儀器的檢定僅靠HP3458A等幾種八位半萬用表的檢測，因為3458A萬用表設(shè)計于30年前，盡管直流指標非常出色，但對于采樣延時等無準確定義，所以該方法很有局限性。

    國外對合并單元及電子式互感器誤差的測量技術(shù)落后于國內(nèi)的發(fā)展，尚處于分體式的組合系統(tǒng)中，試驗中各類報文及同步信號均比較簡單。國內(nèi)對電子式互感器及合并單元的測試技術(shù)起源于2005年前后，各類61850標準的報文及相應(yīng)的擴展報文在國網(wǎng)和南網(wǎng)大量采用，相應(yīng)的測量自適應(yīng)技術(shù)也得到很好的發(fā)展。

    現(xiàn)階段采用的溯源方法存在一定局限性，電子式互感器檢定方面，計量不確定度^[6]主要來源為標準互感器及電子式互感器校驗儀。標準互感器有非常完整的溯源體系，而電子式互感器校驗儀的溯源存在不少問題，目前主流方法是采用傳統(tǒng)互感器校驗儀檢定裝置和3458A數(shù)字萬用表結(jié)合的系統(tǒng)，簡稱模擬微差源法，見圖1，主要缺點是因為傳統(tǒng)的互感器整體檢定裝置采用的是基于直角坐標系的測差法原理^[7]，而電子式互感器是無法進行差值測量的，所以在出現(xiàn)角差時就會產(chǎn)生一定的理論誤差，該誤差與角差的余弦值成正比。為此建立一套基于極坐標系的高水準的電子式互感器校驗儀與合并單元測試儀溯源基準是非常必要和有意義的。

    本文所述研究裝置——電子式互感器校驗儀及合并單元測試儀溯源裝置，對所有0.05級及以下電子式互感器及合并單元測試儀進行計量檢定，同時還能兼顧對0.2級及以下電子式互感器及合并單元進行測試，從而可以建立起0.01級～0.2級的完整的數(shù)字化計量檢定體系。

3 裝置方案設(shè)計原理

    采樣系統(tǒng)的固有延時誤差是電子式互感器校驗儀相位誤差的主要因素^[8]，相位偏移和延遲時間都會引起相位誤差，可以通過相位補償環(huán)節(jié)加以矯正^[9]。本文所述裝置通過準確的同步信號控制技術(shù)來實現(xiàn)對相位的準確測量及控制。合并單元測試儀溯源裝置的設(shè)計主要存在以下技術(shù)難點：

    （1）對0.01級電壓與電流基波有效值的精密測量；

    （2）過零信號精密可控；

    （3）多種同步信號情況下的高精度數(shù)據(jù)一致性。

    本文所述裝置采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，分為底層與后臺兩大模塊，底層由FPGA 和STM32組成核心，后臺由ARM9系統(tǒng)組成硬件基礎(chǔ)，軟件采用Linux系統(tǒng)，通過24位多通道高精度AD轉(zhuǎn)換器、每周期多于200點的模擬采樣及窗函數(shù)補償算法、過零脈沖延時誤差在100 ns以內(nèi)的DDS極低失真數(shù)字源設(shè)計、同步信號控制技術(shù)等，使得裝置滿足高水平的使用需求。

3.1 整體設(shè)計

    系統(tǒng)主要包括高精度三相數(shù)字程控源、多通道模擬測量模塊、同步信號收發(fā)裝置、以太數(shù)據(jù)報文收發(fā)裝置、傅里葉加窗補償算法、非同步下誤差測量技術(shù)模塊。設(shè)計裝置總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    內(nèi)置的三相源符合表源一體可分離結(jié)構(gòu)，工作時可以選擇使用內(nèi)置源或外部源；多通道模擬采樣模塊和傅里葉加窗補償函數(shù)的設(shè)計可以實現(xiàn)對0.01級電壓與電流基波有效值的精密測量；準確的同步信號控制技術(shù)是相位測量及控制的核心。

3.2 裝置標準誤差發(fā)生原理

    下面以檢定合并單元測試儀為例，結(jié)合電流對數(shù)字量的比差、角差測量原理，對合并單元測試儀溯源裝置誤差測量實現(xiàn)進行說明，電壓功能與電流測量類似。檢定合并單元測試儀原理框圖如圖3所示。

    檢定合并單元測試儀時，被檢合并單元測試儀輸出的模擬量作為標準信號，接入本裝置模擬量輸入接口；本裝置輸出的數(shù)字量作為被測信號，接入被檢合并單元測試儀的數(shù)字接口。同時在本裝置上預(yù)先設(shè)定好比差、角差。裝置對標準模擬量進行同步采樣后，輸出疊加了比差、角差的數(shù)字報文作為被測信號接入被檢合并單元測試儀，從而對合并單元測試儀進行誤差檢定。

    設(shè)被檢合并單元測試儀輸出的電流為標準模擬量，本裝置輸出的數(shù)字報文作為被檢數(shù)字量，根據(jù)比差f、角差δ的定義有：

式中，x(n)為有效長序列，N為采樣數(shù)，n為周期數(shù)，k取值[0，N-1]。

    根據(jù)式(3)還原出過零時刻的電流的有效值和初相角；對還原的標準信號的有效值和初相角疊加預(yù)先設(shè)定的比值差和相位差，從而產(chǎn)生被測數(shù)字量的有效值和相角，根據(jù)IEC61850規(guī)約，在同步信號控制下，裝置輸出疊加了比差f、角差δ的數(shù)字報文。

    標準電流模擬量I₀按照傅里葉算法的結(jié)果，可表示為：

式中，I₀為標準電流模擬量，A為幅值，ω為角頻率，θ為初相角，t為時間。

    則疊加了誤差的被測信號I_x可表示為：

式中，Ix為疊加誤差后的被測信號，f為比差，δ為角差。

    按照產(chǎn)生的新的正弦函數(shù)序列，計算出合并單元所需的數(shù)字報文，實時觀察被檢合并單元測試儀軟件上比值差和相位差，與本裝置軟件設(shè)置的比值差和相位差進行對比，進而可對合并單元測試儀進行誤差檢定。

3.3 同步控制技術(shù)

    對于整體要求達到0.3分相位精度的裝置來說，準確測量相位并對此進行補償是保障本裝置相位誤差不確定度達標的必要手段。相位測量的核心就是準確的同步控制技術(shù)。利用程控信號源DDS的發(fā)生機制，由FPGA產(chǎn)生與相位誤差相關(guān)的秒脈沖同步信號。根據(jù)同步信號，采樣模塊對標準模擬信號進行同步采樣，采樣值送回由FPGA與STM32組成的中央處理系統(tǒng)分析出過零時刻標準模擬信號的有效值與相位，從而實現(xiàn)相位的準確測量。

    同步信號控制技術(shù)同樣應(yīng)用于三相源的相位測量補償。由于DDS源只有幾伏的電壓范圍，轉(zhuǎn)換成0～6 A電流和0～120 V電壓后勢必會引起相位的偏移，通過同步控制技術(shù)，可以分析出三相源實際輸出的角度與同步信號的差異，重新調(diào)整配置參數(shù)，進而對升壓或升流以后的相位偏移進行的準確測定和補償。

    同步控制技術(shù)原理框圖如圖4所示。

4 實測數(shù)據(jù)

    由3458A為核心的傳統(tǒng)的溯源體系對本裝置進行比對校準得到如下幾組數(shù)據(jù)，可以看到本裝置作為新型的溯源系統(tǒng)，可以在數(shù)據(jù)準確度、穩(wěn)定性方面與傳統(tǒng)裝置相比，并在功能的多樣性、使用便捷性方面更有優(yōu)勢。

4.1 電壓對數(shù)字量

    采用感應(yīng)分壓器+3458A表組成標準采樣系統(tǒng)，接收本裝置同步輸出，計算機數(shù)據(jù)分析采用傅里葉算法，表1為測試點為額定100 V時的測試數(shù)據(jù)。

4.2 電流對數(shù)字量

    采用分流器+3458A表組成標準采樣系統(tǒng)，接收本裝置同步輸出，計算機數(shù)據(jù)分析采用傅里葉算法，表2為測試點為額定5 A時的測試數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

    通過開展以上幾方面的技術(shù)研究，本文設(shè)計的合并單元測試儀溯源裝置具備以下創(chuàng)新點：(1)采用表源一體可分離結(jié)構(gòu)，既可以輸出標準源和被測數(shù)字報文信號，也可以接收外部標準源和外來輸入數(shù)據(jù)報文；(2)采用精密同步控制技術(shù)，實現(xiàn)了準確的相位測量與補償。

    合并單元測試儀溯源裝置可作為基準對0.05級及以下電子式互感器校驗儀及合并單元測試儀進行同步及非同步的檢定，同時又可作為普通的電子式互感器校驗儀和合并單元測試儀對電子式互感器或合并單元進行測試，進而建立0.01級的計量檢定體系。

參考文獻

[1] 馬永躍，黃梅.數(shù)字量輸出型電子式互感器校驗系統(tǒng)的研制[J].電力系統(tǒng)保護制，2010(1)：83-86，140.

[2] IEC 61850-9-2 Communication networks and systems in substatios Part 9-2：specific communication service-map-ping-sampled values overISO/IEC 8802-3[S].2004.

[3] 王長瑞，張雯，劉軍娜，等.模擬量輸入式合并單元測試儀的研制[J].電測與儀表，2015（11）：79-83.

[4] 何曉英.IEC61850數(shù)字變電站的建設(shè)和發(fā)展[J].專家論壇，2006，34(4)：7-12.

[5] 劉曉晟.合并單元檢測技術(shù)探討[J].浙江電力，2012(4)：14-17.

[6] 林國營，周尚禮.電子式互感器校驗系統(tǒng)的誤差分析方法[J].電測與儀表，2010(6)：28-31.

[7] 徐永進，周永佳，沈曙明，等.互感器校驗儀直角坐標系與極坐標系的轉(zhuǎn)換方法研究與應(yīng)用[J].變壓器，2017(10)：37-41.

[8] 張曉華，朱元立，何剛，等.電子式互感器采樣系統(tǒng)固有延時測試研究[J].電測與表，2011(7)：42-45.

[9] 朱鵬，李開成，孫健，等.電子式互感器相位補償方法的研究和比較[J].電測與儀表，2014(12)：7-11.

作者信息:

吳達雷1，孫延松1，林  軍1，黃開來1，戚  斌1，金祖樑2，陸佳瑩2

（1.海南電網(wǎng)有限責任公司電能計量中心，海南 海口570100；2.寧波三維電測設(shè)備有限公司，浙江 寧波315010）