【学术论文】合并单元测试仪量值溯源方法研究
0 引言
电子式互感器检定方面，计量不确定度主要来源为标准互感器及电子式互感器校验仪，标准互感器有非常完整的溯源体系，而电子式互感器校验仪的溯源存在不少问题。由于电子式互感器的工作原理和输出方式与传统互感器有很大的区别，故电子式互感器的校验不能采用传统互感器的校验方法[1]。合并单元接收采样值并按照IEC61850-9-2[2]标准输出数字报文，因此，测试重点就是对其采样精确度和数据同步性能的测试[3]。本文对国内外同类误差溯源技术的研究现状及存在问题进行了分析，提出了一种合并单元测试仪量值溯源装置，阐述了其工作原理及实际应用方法。
1 数字化背景
智能电网要求变电站全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化[4]。电子式互感器及合并单元是智能变电站的核心部件，其性能及精度等各项指标对继保、测控、数字电能计量等有决定性的影响。合并单元最早出现于IEC 60044-8电子式电流互感器标准，是对二次转换器的数据进行时间相关的采集处理并为二次设备提供相关数据样本的物理单元，合并单元可以是现场互感器的一个组件或独立单元[5]。而各地供电部门对电子式互感器及合并单元的选型、验收、定期检测等环节所采取的措施或手段尚未达到完善、全面、准确的程度，同时国家电网公司营销部于2016年4月发出了关于开展数字化计量体系建设研究工作的通知，强调要加强数字化标准装备的建设，大力开展数字化计量设备的量值溯源技术研究，并提出2020年在公司内部建立完善的数字化计量管理体系，在准确度、稳定性、溯源性等方面达到满足贸易结算的要求。
2 国内外研究现状
国内外对电子式互感器测试技术研究比较早，但仅限于最基础的误差测量要求，而测试仪器的检定仅靠HP3458A等几种八位半万用表的检测，因为3458A万用表设计于30年前，尽管直流指标非常出色，但对于采样延时等无准确定义，所以该方法很有局限性。
国外对合并单元及电子式互感器误差的测量技术落后于国内的发展，尚处于分体式的组合系统中，试验中各类报文及同步信号均比较简单。国内对电子式互感器及合并单元的测试技术起源于2005年前后，各类61850标准的报文及相应的扩展报文在国网和南网大量采用，相应的测量自适应技术也得到很好的发展。
现阶段采用的溯源方法存在一定局限性，电子式互感器检定方面，计量不确定度[6]主要来源为标准互感器及电子式互感器校验仪。标准互感器有非常完整的溯源体系，而电子式互感器校验仪的溯源存在不少问题，目前主流方法是采用传统互感器校验仪检定装置和3458A数字万用表结合的系统，简称模拟微差源法，见图1，主要缺点是因为传统的互感器整体检定装置采用的是基于直角坐标系的测差法原理[7]，而电子式互感器是无法进行差值测量的，所以在出现角差时就会产生一定的理论误差，该误差与角差的余弦值成正比。为此建立一套基于极坐标系的高水准的电子式互感器校验仪与合并单元测试仪溯源基准是非常必要和有意义的。
本文所述研究装置——电子式互感器校验仪及合并单元测试仪溯源装置，对所有0.05级及以下电子式互感器及合并单元测试仪进行计量检定，同时还能兼顾对0.2级及以下电子式互感器及合并单元进行测试，从而可以建立起0.01级～0.2级的完整的数字化计量检定体系。
3 装置方案设计原理
采样系统的固有延时误差是电子式互感器校验仪相位误差的主要因素[8]，相位偏移和延迟时间都会引起相位误差，可以通过相位补偿环节加以矫正[9]。本文所述装置通过准确的同步信号控制技术来实现对相位的准确测量及控制。合并单元测试仪溯源装置的设计主要存在以下技术难点：
（1）对0.01级电压与电流基波有效值的精密测量；
（2）过零信号精密可控；
（3）多种同步信号情况下的高精度数据一致性。
本文所述装置采用嵌入式系统设计，分为底层与后台两大模块，底层由FPGA 和STM32组成核心，后台由ARM9系统组成硬件基础，软件采用Linux系统，通过24位多通道高精度AD转换器、每周期多于200点的模拟采样及窗函数补偿算法、过零脉冲延时误差在100 ns以内的DDS极低失真数字源设计、同步信号控制技术等，使得装置满足高水平的使用需求。
3.1 整体设计
系统主要包括高精度三相数字程控源、多通道模拟测量模块、同步信号收发装置、以太数据报文收发装置、傅里叶加窗补偿算法、非同步下误差测量技术模块。设计装置总体结构框图如图2所示。
内置的三相源符合表源一体可分离结构，工作时可以选择使用内置源或外部源；多通道模拟采样模块和傅里叶加窗补偿函数的设计可以实现对0.01级电压与电流基波有效值的精密测量；准确的同步信号控制技术是相位测量及控制的核心。
3.2 装置标准误差发生原理
下面以检定合并单元测试仪为例，结合电流对数字量的比差、角差测量原理，对合并单元测试仪溯源装置误差测量实现进行说明，电压功能与电流测量类似。检定合并单元测试仪原理框图如图3所示。
检定合并单元测试仪时，被检合并单元测试仪输出的模拟量作为标准信号，接入本装置模拟量输入接口；本装置输出的数字量作为被测信号，接入被检合并单元测试仪的数字接口。同时在本装置上预先设定好比差、角差。装置对标准模拟量进行同步采样后，输出叠加了比差、角差的数字报文作为被测信号接入被检合并单元测试仪，从而对合并单元测试仪进行误差检定。
设被检合并单元测试仪输出的电流为标准模拟量，本装置输出的数字报文作为被检数字量，根据比差f、角差δ的定义有：
式中，x(n)为有效长序列，N为采样数，n为周期数，k取值[0，N-1]。
根据式(3)还原出过零时刻的电流的有效值和初相角；对还原的标准信号的有效值和初相角叠加预先设定的比值差和相位差，从而产生被测数字量的有效值和相角，根据IEC61850规约，在同步信号控制下，装置输出叠加了比差f、角差δ的数字报文。
标准电流模拟量I0按照傅里叶算法的结果，可表示为：
式中，I0为标准电流模拟量，A为幅值，ω为角频率，θ为初相角，t为时间。
则叠加了误差的被测信号Ix可表示为：
式中，Ix为叠加误差后的被测信号，f为比差，δ为角差。
按照产生的新的正弦函数序列，计算出合并单元所需的数字报文，实时观察被检合并单元测试仪软件上比值差和相位差，与本装置软件设置的比值差和相位差进行对比，进而可对合并单元测试仪进行误差检定。
3.3 同步控制技术
对于整体要求达到0.3分相位精度的装置来说，准确测量相位并对此进行补偿是保障本装置相位误差不确定度达标的必要手段。相位测量的核心就是准确的同步控制技术。利用程控信号源DDS的发生机制，由FPGA产生与相位误差相关的秒脉冲同步信号。根据同步信号，采样模块对标准模拟信号进行同步采样，采样值送回由FPGA与STM32组成的中央处理系统分析出过零时刻标准模拟信号的有效值与相位，从而实现相位的准确测量。
同步信号控制技术同样应用于三相源的相位测量补偿。由于DDS源只有几伏的电压范围，转换成0～6 A电流和0～120 V电压后势必会引起相位的偏移，通过同步控制技术，可以分析出三相源实际输出的角度与同步信号的差异，重新调整配置参数，进而对升压或升流以后的相位偏移进行的准确测定和补偿。
同步控制技术原理框图如图4所示。
4 实测数据
由3458A为核心的传统的溯源体系对本装置进行比对校准得到如下几组数据，可以看到本装置作为新型的溯源系统，可以在数据准确度、稳定性方面与传统装置相比，并在功能的多样性、使用便捷性方面更有优势。
4.1 电压对数字量
采用感应分压器+3458A表组成标准采样系统，接收本装置同步输出，计算机数据分析采用傅里叶算法，表1为测试点为额定100 V时的测试数据。
4.2 电流对数字量
采用分流器+3458A表组成标准采样系统，接收本装置同步输出，计算机数据分析采用傅里叶算法，表2为测试点为额定5 A时的测试数据。
5 结论
通过开展以上几方面的技术研究，本文设计的合并单元测试仪溯源装置具备以下创新点：(1)采用表源一体可分离结构，既可以输出标准源和被测数字报文信号，也可以接收外部标准源和外来输入数据报文；(2)采用精密同步控制技术，实现了准确的相位测量与补偿。
合并单元测试仪溯源装置可作为基准对0.05级及以下电子式互感器校验仪及合并单元测试仪进行同步及非同步的检定，同时又可作为普通的电子式互感器校验仪和合并单元测试仪对电子式互感器或合并单元进行测试，进而建立0.01级的计量检定体系。
参考文献
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[9] 朱鹏，李开成，孙健，等.电子式互感器相位补偿方法的研究和比较[J].电测与仪表，2014(12)：7-11.
作者信息:
吴达雷1，孙延松1，林 军1，黄开来1，戚 斌1，金祖樑2，陆佳莹2
（1.海南电网有限责任公司电能计量中心，海南 海口570100；2.宁波三维电测设备有限公司，浙江 宁波315010）