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(xiàng)指標(biāo)對(duì)繼保、測控、數(shù)字電能計(jì)量等有決定性的影響，而各地供電單位對(duì)電子式互感器及合并單元的選型、驗(yàn)收、定期檢測等環(huán)節(jié)所采取的措施或手段尚未達(dá)到完善、全面、準(zhǔn)確的程度。提出了一種合并單元測試儀量值溯源裝置，具有表源一體化可分離結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，既可以對(duì)電子式互感器校驗(yàn)儀及合并單元測試儀進(jìn)行量值溯源，也可以直接校準(zhǔn)電子式互感器及合并單元的誤差。

0 引言

電子式互感器檢定方面，計(jì)量不確定度主要來源為標(biāo)準(zhǔn)互感器及電子式互感器校驗(yàn)儀，標(biāo)準(zhǔn)互感器有非常完整的溯源體系，而電子式互感器校驗(yàn)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(yàn)不能采用傳統(tǒng)互感器的校驗(yàn)方法[1]。合并單元接收采樣值并按照IEC61850-9-2[2]標(biāo)準(zhǔn)輸出數(shù)字報(bào)文，因此，測試重點(diǎn)就是對(duì)其采樣精確度和數(shù)據(jù)同步性能的測試[3]。本文對(duì)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(jìn)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(shí)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(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)指標(biāo)對(duì)繼保、測控、數(shù)字電能計(jì)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(biāo)準(zhǔn)，是對(duì)二次轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)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(gè)組件或獨(dú)立單元[5]。而各地供電部門對(duì)電子式互感器及合并單元的選型、驗(yàn)收、定期檢測等環(huán)節(jié)所采取的措施或手段尚未達(dá)到完善、全面、準(zhǔn)確的程度，同時(shí)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(jì)量體系建設(shè)研究工作的通知，強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)裝備的建設(shè)，大力開展數(shù)字化計(jì)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(jì)量管理體系，在準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、溯源性等方面達(dá)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(duì)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?yàn)?458A萬用表設(shè)計(jì)于30年前，盡管直流指標(biāo)非常出色，但對(duì)于采樣延時(shí)等無準(zhǔn)確定義，所以該方法很有局限性。

國外對(duì)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(yàn)中各類報(bào)文及同步信號(hào)均比較簡單。國內(nèi)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文及相應(yīng)的擴(kuò)展報(bào)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(jì)量不確定度[6]主要來源為標(biāo)準(zhǔn)互感器及電子式互感器校驗(yàn)儀。標(biāo)準(zhǔn)互感器有非常完整的溯源體系，而電子式互感器校驗(yàn)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(yàn)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(diǎn)是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的互感器整體檢定裝置采用的是基于直角坐標(biāo)系的測差法原理[7]，而電子式互感器是無法進(jìn)行差值測量的，所以在出現(xiàn)角差時(shí)就會(huì)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(biāo)系的高水準(zhǔn)的電子式互感器校驗(yàn)儀與合并單元測試儀溯源基準(zhǔn)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(yàn)儀及合并單元測試儀溯源裝置，對(duì)所有0.05級(jí)及以下電子式互感器及合并單元測試儀進(jìn)行計(jì)量檢定，同時(shí)還能兼顧對(duì)0.2級(jí)及以下電子式互感器及合并單元進(jìn)行測試，從而可以建立起0.01級(jí)～0.2級(jí)的完整的數(shù)字化計(jì)量檢定體系。

3 裝置方案設(shè)計(jì)原理

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

（1）對(duì)0.01級(jí)電壓與電流基波有效值的精密測量；

（2）過零信號(hào)精密可控；

（3）多種同步信號(hào)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(jì)，分為底層與后臺(tái)兩大模塊，底層由FPGA 和STM32組成核心，后臺(tái)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(diǎn)的模擬采樣及窗函數(shù)補(bǔ)償算法、過零脈沖延時(shí)誤差在100 ns以內(nèi)的DDS極低失真數(shù)字源設(shè)計(jì)、同步信號(hào)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(jì)

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(hào)收發(fā)裝置、以太數(shù)據(jù)報(bào)文收發(fā)裝置、傅里葉加窗補(bǔ)償算法、非同步下誤差測量技術(shù)模塊。設(shè)計(jì)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(shí)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(bǔ)償函數(shù)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)0.01級(jí)電壓與電流基波有效值的精密測量；準(zhǔn)確的同步信號(hào)控制技術(shù)是相位測量及控制的核心。

3.2 裝置標(biāo)準(zhǔn)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(duì)數(shù)字量的比差、角差測量原理，對(duì)合并單元測試儀溯源裝置誤差測量實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(shí)，被檢合并單元測試儀輸出的模擬量作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，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(hào)，接入被檢合并單元測試儀的數(shù)字接口。同時(shí)在本裝置上預(yù)先設(shè)定好比差、角差。裝置對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模擬量進(jìn)行同步采樣后，輸出疊加了比差、角差的數(shù)字報(bào)文作為被測信號(hào)接入被檢合并單元測試儀，從而對(duì)合并單元測試儀進(jìn)行誤差檢定。

設(shè)被檢合并單元測試儀輸出的電流為標(biāo)準(zhǔn)模擬量，本裝置輸出的數(shù)字報(bào)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(shí)刻的電流的有效值和初相角；對(duì)還原的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(hào)控制下，裝置輸出疊加了比差f、角差δ的數(shù)字報(bào)文。

標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)電流模擬量，A為幅值，ω為角頻率，θ為初相角，t為時(shí)間。

則疊加了誤差的被測信號(hào)Ix可表示為：

式中，Ix為疊加誤差后的被測信號(hào)，f為比差，δ為角差。

按照產(chǎn)生的新的正弦函數(shù)序列，計(jì)算出合并單元所需的數(shù)字報(bào)文，實(shí)時(shí)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(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而可對(duì)合并單元測試儀進(jìn)行誤差檢定。

3.3 同步控制技術(shù)

對(duì)于整體要求達(dá)到0.3分相位精度的裝置來說，準(zhǔn)確測量相位并對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償是保障本裝置相位誤差不確定度達(dá)標(biāo)的必要手段。相位測量的核心就是準(zhǔn)確的同步控制技術(shù)。利用程控信號(hào)源DDS的發(fā)生機(jī)制，由FPGA產(chǎn)生與相位誤差相關(guān)的秒脈沖同步信號(hào)。根據(jù)同步信號(hào)，采樣模塊對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)進(jìn)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(shí)刻標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)的有效值與相位，從而實(shí)現(xiàn)相位的準(zhǔn)確測量。

同步信號(hào)控制技術(shù)同樣應(yīng)用于三相源的相位測量補(bǔ)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(huì)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(shí)際輸出的角度與同步信號(hào)的差異，重新調(diào)整配置參數(shù)，進(jìn)而對(duì)升壓或升流以后的相位偏移進(jìn)行的準(zhǔn)確測定和補(bǔ)償。

同步控制技術(shù)原理框圖如圖4所示。

4 實(shí)測數(shù)據(jù)

由3458A為核心的傳統(tǒng)的溯源體系對(duì)本裝置進(jìn)行比對(duì)校準(zhǔn)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(zhǔn)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(duì)數(shù)字量

采用感應(yīng)分壓器+3458A表組成標(biāo)準(zhǔn)采樣系統(tǒng)，接收本裝置同步輸出，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析采用傅里葉算法，表1為測試點(diǎn)為額定100 V時(shí)的測試數(shù)據(jù)。

4.2 電流對(duì)數(shù)字量

采用分流器+3458A表組成標(biāo)準(zhǔn)采樣系統(tǒng)，接收本裝置同步輸出，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析采用傅里葉算法，表2為測試點(diǎn)為額定5 A時(shí)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(jì)的合并單元測試儀溯源裝置具備以下創(chuàng)新點(diǎn)：(1)采用表源一體可分離結(jié)構(gòu)，既可以輸出標(biāo)準(zhǔn)源和被測數(shù)字報(bào)文信號(hào)，也可以接收外部標(biāo)準(zhǔn)源和外來輸入數(shù)據(jù)報(bào)文；(2)采用精密同步控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的相位測量與補(bǔ)償。

合并單元測試儀溯源裝置可作為基準(zhǔn)對(duì)0.05級(jí)及以下電子式互感器校驗(yàn)儀及合并單元測試儀進(jìn)行同步及非同步的檢定，同時(shí)又可作為普通的電子式互感器校驗(yàn)儀和合并單元測試儀對(duì)電子式互感器或合并單元進(jìn)行測試，進(jìn)而建立0.01級(jí)的計(jì)量檢定體系。