电子式互感器校验仪溯源技术研究

王光峰，张长胜，李 川，李 波，曹 敏

（1. 昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500；2. 云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217）

电子式互感器校验仪溯源技术研究

王光峰1，张长胜1，李 川1，李 波2，曹 敏2

（1. 昆明理工大学信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500；2. 云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217）

现阶段需要一种电子式互感器校验仪的溯源技术在既能保证采样精度又能具有良好的时间特性且报文完整的方式来真正实现电子式互感器校验仪的完整溯源工作。本文通过针对电子式互感器校验仪的硬件、软件介绍，提出了一种电子式互感器的溯源系统，为实现电子式互感器校验溯源工作提供基础。

电子式互感器校验仪；溯源技术；时间特性；溯源系统

0 引言

数字化变电站以及智能变电站的快速推广使得电子式互感器、合并单元、数字化电能表等数字化计量设备都在电力系统内得到大量应用。电子式互感器校验仪目前市场上已有成熟产品，主要测试电子式互感器的角差、比差以及时间特性等与计量精度具有相关联的一些技术指标[1]。

目前国内电子式互感器校验仪的溯源工作主要是一种校准工作，主要在武汉高压电器研究院来实现[2-3]。目前的校准工作主要是由传统的互感器校验仪整检装置，调节输出两组带有误差信息的模拟量，采用高精度板卡采集其中一组，将另一组模拟信号送给被试的电子式互感器校验仪。高精度采集板卡采集信号后将信号发送至上位机，上位机将信号按照IEC61850-9协议格式发出，送至被试电子式互感器校验仪。被试电子式互感器校验仪分别采集模拟信号与数字信号后生成误差报告，将这个误差结果与传统互感器校验仪整检装置进行比对得出电子式互感器校验仪的整体误差。这种校准工作主要局限在于高精度板卡是一个非连续的采集过程其采集的信号，且上位机发出的采样值信号并不能保证其时间特性，这使得电子式互感器校验仪送检时必须采用特殊版本以适用这种没有时间特性且非连续的IEC61850-9协议报文，这种校准方式与现场的电子式互感器合并单元所发出的数字报文具有很大出入[4-5]。其在校准过程中引入了传统互感器整检装置自身的误差以及高精度板卡的采集误差。且不能对串行输出的电子式互感器校验仪进行校准工作。目前还没有一种电子式互感器校验仪的溯源技术能够将电子式互感器校验仪的时间特性等完整测试项目纳入到溯源过程中来，并具有足够的采样精度。

所以现阶段需要一种电子式互感器校验仪的溯源技术在既能保证采样精度又能具有良好的时间特性且报文完整的方式来真正实现电子式互感器校验仪的完整溯源工作。

1 校验仪溯源系统技术方案

上图中的“数字式溯源整检系统”的数据接收模块完成Agilent3458接口，实现Agilent3458的工作模式与所有参数配置，并且完成其采样值数据的接收。

系统的同步模块产生 Agilent3458的采集触发信号，同时输出被检电子式互感器校验仪所需的各类同步信号。该同步模块的时间信号作为系统内数据接收模块和数据发送模块的统一时间信号，可以在同一个时间轴上精确标定数据接收的时刻，同时精确控制数据发送的时刻[6]。

数据发送模块基于 FPGA来实现，对于 Agilent3458的间断非连续采样值进行数据重构，能够使得系统最终的采样值输出是连续不间断的。系统采样的整体绝对延时时间可以基于同步模块的时钟信号进行精确控制且保持稳定，输出的类型可以是IEC61850-9-1，IEC61850-9-2LE，IEC61850-9-2，IEC60044-8 FT3，国网公司FT3中的任何一种。采样值报文的离散度可以按照配置值进行灵活且精确的控制。

人机交互与系统配置模块完成 Agilent3458的模式配置，数据发送协议的选择，报文离散度的配置。同时支持采样值模型文件的解析，系统能够按照模型文件灵活配置报文格式，提高测试的灵活性。

Agilent3458是安捷伦科技公司最快、最灵活和最精确的8位半数字万用表；系统整体准确度可以控制在0.02%以内；数字量输出绝对延时支持500ms以内的配置，准确度控制在 1us以内；报文离散时间支持3个采样间隔内的配置，准确度控制在40ns以内；

系统具有以下技术特点：

（1）采用安捷轮 3458A，8位半板卡作为其模数转换环节模拟量整体采样精度可达0.01%。

（2）数字回路误差调节，在数字部分进行误差调节与控制使得整体误差生成环节仅由算法决定，其理想精度可优于0.002%。

（3）报文完整，高精度板卡都是非实时连续采集的，所以在上位机将高精度板卡的采样数据进行虚拟与重构实现输出9-2报文具有整秒的完整性。

2 校验仪溯源系统实现

2.1 硬件系统设计

本测试系统可控模拟信号源、高精度 I/V转换以及高精度V/V转换、Agilent3458数字多用表、上位机、报文控制器多部分组成。

可控模拟信号源输出稳定模拟电流电压信号，其稳定度优于 0.01%，电流信号串接，电压并接，分别接入高精度I/V转换以及高精度V/V转换以及被检电子式互感器校验仪。

高精度 I/V转换采用高精度电流互感器以及取样电阻的方式来实现高精度转换，5A/2V，1A/2V，其转换精度可以达到0.01%。

高精度 V/V转换采用感应分压器来实现，100V/2V，转换精度可达 0.005%。可控模拟信号源输出稳定模拟电流电压信号，其稳定度优于 0.01%，电流信号串接，电压并接，分别接入高精度I/V转换以及高精度V/V转换以及被检电子式互感器校验仪[9]。

图2 I/V 转换器原理示意图Fig.2 I/V converter principle diagram

CT变比：1A/50mA，5A/50mA，0.01级

电阻：40欧，功率10W，精度0.01%，I/V变比：5A/2.0V；1A/2.0V

准确度：0.01级；

线性范围：0~1.2倍额定；

最大允许输入：2倍额定；

（4）实时性控制，采用报文控制的方式，利用FPGA的硬件逻辑能力控制以太网9-2报文发送，使报文离散度优于100 ns，报文整体延时精度优于0.5 us。

（5）采用高精度恒温晶振控制时序，将同步信号发送至高精度采集板卡，报文控制器利用锁频技术实现报文控制器与高精度板卡的时序统一，在报文虚拟重构时不产生时间累积误差。

（6）支持电子式互感器多协议溯源，支持串行FT3协议、9-2、9-1等多种协议的电子式互感器校验仪的溯源工作[7-8]。

高精度 V/V转换采用感应分压器来实现，100V/2V，转换精度可达0.005%。

感应分压器采用高镍坡莫合金作为导磁材料，采用高强度聚酯漆包铜圆线均匀排绕而成，结构合理可靠。主要用于检定与标准电压互感器电压比不同（包括一次电压或者二次电压不同）的电压互感器。该仪器由双级电压互感器和感应分压器两部分组成，如下图，双级电压互感器的二次线圈又作为分压器的输入线圈，采用该形式结构既可提高输入阻抗，又可使输入电压提高。如将双级电压互感器的二次线圈串入到感应分压器的输出线圈中，还可提升感应分压器输出电压。（此时，感应分压器作为升压器使用）。

3 溯源控制软件设计

上位机软件为本系统的软件核心，负责配置并采集 Agilent3458A的数字信号[10]，因为 Agilent-3458A是一块非连续采集系统，采用秒触发的方式完成采集工作，共采集200ms数据后将数据上送。上位机收到采样值数据后对数据进行虚拟重构，虚拟出整秒数据，然后叠加上误差信息。

幅值相位误差控制：

设原信号： U ( n) = Umsin(ω nTs)

输出信号与原信号幅值相差Ke倍，则：

输出信号与原信号相位相差角度φ，则：

其中N为每周波采样点数。

然后配置在报文上配置延时参数，将这些参数随着采样数据一道发送至报文控制器。考虑报文离散度最大达1ms情况，嵌入式系统设置3ms缓冲区。由于接入信号源与 SV控制器两者之间的时钟晶振准确度存在差异，为了防止 SV控制器报文输出中断或者溢出, 在 SV控制器输入和输出端建立如图（5）所示的闭环调节系统，构成时钟跟随调节器。信号输入量为接收到的报文数目，输出量为发送报文数目，MPC8247为控制器，FPGA为执行器，时钟晶振为被控对象[11]。MPC8247实时计算输入和输出报文两者数目之差，并根据差值范围进行控制，控制FPGA调节晶振中断计数值，实现信号源和SV报文控制器两者发送节拍的一致性。

图3 时钟跟随示意图Fig.3 Clock follow sketch

设立变量Δ∈[-10,10]，定义为报文发送间隔离散值，根据上位机软件配置的报文发送频率 f和FPGA统计的单位时间内计数值count，计算出Δ对应的计数值 Δ t = Δ * c ount/1000000，每帧报文平均发送间隔时间对应计数值 t = c ount/f,当控制模式选用连续方式时，通过调用基于窗口的等概率随机数抽取算法产生随机数x，当前SV报文发送序号n，满足x ≤ n ＜ x + act条件时，如果x为奇数，视为负偏，即Δ为负数，如 x为偶数，视为正偏，则对应组织发送参数如下：

注：seq表ms序号，seq∈[0,999]，offset表ms内相对延时。如果 n

控制模式选用随机方式时，采用类似2中阐述的方法生成随机数列flag[total]，按控制策略赋值。当前SV报文发送序号n，满足flag[n]=1条件时，如果x为奇数，视为负偏，即Δ为负数，如x为偶数，视为正偏，则对应组织发送参数由公式（1）（2）计算；否则对应组织发送参数由公式（3）（4）计算。

技术指标：（1）采样精度。交流整体采样精度达到 0.01%、直流整体采样精度达到 0.005%。（2）支持溯源协议格式。IEC61850-9-2、FT3、直流FT3协议；采样速率为4 kHz/s。（3）时间特性测试溯源精度，离散度优于20 ns，绝对延时测试优于0.5 us。

控制器采用Freescale公司的MPC8247嵌入式微处理器，该处理器属于PowerQUICC II系列，包含一个基于PowerPC MPC603e的内核，和一个通信处理内核CPM。FPGA采用Xilinx的Spartan3系列产品XC3S1500，包含有150万个系统门，32个专用乘法器，4个数字时钟管理模块，逻辑资源丰富，运行速度快。FPGA利用精确的时序控制能力，完成以太网的MAC子层设计、MAC子层与以太网控制器的接口设计，以太网数据发送以及FT3数据发送[11-12]。

光纤以太网控制器为 Intel公司 LXT971。LXT971是单端口10/100M双速快速以太控制器，它兼容IEEE802.3；支持10Base5、10Base2、10BaseT，100BASE-X，100BASE-TX，100BASE-FX，并能自动检测所连接的介质，选用Agilent AFBR5803作为光纤网络收发器。

晶体振荡器选用OCXO50恒温晶振，-40至85度的工作温度，小于1 ppb的温漂特性，-160 dBc/1 KHz的低相位噪声，最大10 ppb/year的低老化，高精度晶振为PowerPC和FPGA提供时钟节拍，保证了时序控制的精确性，以及长期的稳定性[13-14]。

4 结论

本文给出了一套基于电子式互感器校验仪溯源的系统，此系统既能保证采样精度又能具有良好的时间特性且报文完整的方式，可以真正实现电子式互感器校验仪的完整溯源工作。

[1] 胡元璐, 王海涛. 电子式互感器的应用[J]. 电子技术与软件工程, 2017(4): 130-130.

[2] 李童杰, 张晓更. 基于DSP的电子式电流互感器校验仪的研制[J]. 仪器仪表学报, 2008, 29(8): 1695-1699.

[3] 张亚楠, 张浩芳. 电子式电流互感器在线校验技术研究[J].电子技术与软件工程, 2015(24): 250-250.

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[6] 张元昊. 电子式互感器性能检测及问题分析[J]. 电子技术与软件工程, 2016(15): 128-128.

[7] 卢珞先, 任立志, 张蓬鹤. 电子式互感器校验仪的算法研究[J]. 电力系统保护与控制, 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

本文著录格式：王光峰，李波，曹敏，等. 电子式互感器校验仪溯源技术研究[J]. 软件，2017，38（11）63-66

云南电网有限责任公司电力科学研究院项目(2015-000303JL00018)

王光峰(1988-)，男，在站研究生，主要研究方向：仪器仪表、新型数字化计量仪器的溯源与量传技术研究；张长胜(1970-)，男，博士，副教授，主要研究方向：复杂系统及建模、智能控制、计算机控制的研究。

李波，男，高级工程师，主要研究方向：自动化、智能计量相关技术研究。