丁 柯

(中科芯集成電路股份有限公司，江蘇無錫 214072)

1 引言

由于電子式互感器結(jié)構(gòu)的特殊性，傳統(tǒng)互感器的誤差校驗方法已經(jīng)不適用于新型電子式互感器，研究新型的電子互感器校驗系統(tǒng)（ETC）已成為業(yè)內(nèi)的熱點。常用的數(shù)字校驗方法一般以電磁互感器作為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換源，其輸出通過AD模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再和所測電子式互感器輸出信號的幅值相位相比較，得到角差和比差[1～5]。該誤差算法即所謂的絕對值比較法，相對于差值測量法，絕對值比較法的誤差因素有所不同，除基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換源外還包括模擬信號調(diào)理模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊以及運(yùn)算模塊。下文將分析ETC各模塊的誤差，評估系統(tǒng)誤差的修正方法，最后提出一種新型的不確定度評估算法。

2 電子式互感器原理

電子式互感器校驗原理如圖1所示（以電子式電流互感器為例）。圖中的時鐘同步信號為依照IEC標(biāo)準(zhǔn)[6～7]設(shè)計的合并單元時鐘同步脈沖，也作為基準(zhǔn)信號通道的采樣啟動信號，精度達(dá)到納秒級，不會對校驗系統(tǒng)的精度產(chǎn)生影響。系統(tǒng)誤差主要包括標(biāo)準(zhǔn)電阻、基準(zhǔn)互感器、AD模塊和運(yùn)算模塊，可歸納為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換源和校驗單元，下面將進(jìn)行詳細(xì)的分析。

2.1 基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換源

基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換源包括標(biāo)準(zhǔn)CT模塊、標(biāo)準(zhǔn)PT模塊、標(biāo)準(zhǔn)電阻和感應(yīng)分壓器。在額定頻率和所測互感器測量范圍內(nèi)，基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換源應(yīng)至少比所測互感器高2個準(zhǔn)確度，誤差應(yīng)不大于被檢電子式互感器誤差極限值的1/5[5]。本系統(tǒng)以0.02級的標(biāo)準(zhǔn)CT和標(biāo)準(zhǔn)PT作為一次基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換源，而標(biāo)準(zhǔn)電阻則采用精度為0.02級的1 Ω電阻，完全符合本系統(tǒng)的檢定要求。

圖1 電子式互感器校驗原理

2.2 基準(zhǔn)互感器校驗儀

基準(zhǔn)互感器校驗儀包括AD模塊和運(yùn)算模塊?；鶞?zhǔn)互感器校驗儀的測量誤差不應(yīng)大于被檢設(shè)備誤差限制的十分之一。電子式CT共分0.2S級、0.5S級、1S級、2S級4種，S代表測量誤差，0.5S代表電能表誤差允許范圍為0.5%。0.2S級和0.5S級屬于高精度測量儀，為保證精度要求，本系統(tǒng)是為專門針對0.5S級及以下的電子式CT進(jìn)行校驗所設(shè)計的，校驗儀在規(guī)定的額定量程范圍比例間測量精度應(yīng)達(dá)到0.05級。本系統(tǒng)采用安捷倫的七位半數(shù)字多用表3457，其AD轉(zhuǎn)換率最高可達(dá)100 k，當(dāng)輸入信號為1 kHz時，SNR高達(dá)96 dB，其交流采樣最小量程為10 mV[5]。3457具有良好的溫度自檢功能，能對ETC校驗的現(xiàn)場環(huán)境溫差進(jìn)行修正。

運(yùn)算模塊的誤差包括字長和計算誤差。在高位處理器中，字長誤差可忽略不計。本系統(tǒng)采用FFT算法，測量出信號的幅值和相位，進(jìn)而得出目標(biāo)值的角差和比差。但是此算法會對測量結(jié)果造成誤差，但是考慮到FFT修正中采用了插值算法，該算法對誤差的影響是一致的。因此，只要提高測量精度，使之達(dá)到0.05級，即可克服此類誤差。

檢定儀的硬件延時可能會造成相位誤差。根據(jù)文獻(xiàn)[5]的測試方法，在外部觸發(fā)方式下延遲時間約為690 ms。

圖2 延遲誤差時間

基準(zhǔn)互感器校驗儀的檢定圖如圖3所示，在基準(zhǔn)被測通道，功率源原始信號u1經(jīng)過數(shù)表1采樣提取相關(guān)參數(shù)；在模擬被測通道，功率源原始信號通過電流測量器的信號u2經(jīng)過數(shù)表2采樣模擬相關(guān)參數(shù)，兩者做差分計算來檢定。

圖3 基準(zhǔn)互感器校驗儀的檢定圖

表1為檢驗儀的比差檢定數(shù)據(jù)，可見，在偏離額定功率達(dá)到1 kHz時，校驗儀在被檢互感器的量程范圍內(nèi)，比差小于0.02%，誤差為隨機(jī)誤差值。

表1 校驗儀比值誤差（×10-6）

改變檢定儀器的角差，可以得出儀器的相位誤差。另外，對采樣率進(jìn)行更換也可以檢定被測儀器中采樣率對檢定儀的影響量。每隔12 h測量一次誤差值，然后繪制誤差點圖，如圖4所示。從檢定數(shù)據(jù)可見，其引入誤差都小于1，誤差類型為隨機(jī)誤差。

圖4 檢定誤差數(shù)據(jù)

3 系統(tǒng)不確定度

ETC在誤差修正后的系統(tǒng)不確定度主要分為兩部分：

(1)校驗儀器重復(fù)性測試時引入的不確定度U1（A類評估），在角差的重復(fù)性測量時引入的不確定度U3（A類評估）。

(2)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換源在比差測量時引入的不確定度U2（B類評估），在角差測量時引入的不確定度U4（B類評估）?；鶞?zhǔn)轉(zhuǎn)換源在校驗電子式電流互感器時指標(biāo)準(zhǔn)電流互感器和標(biāo)準(zhǔn)電阻，在校驗電子式電壓互感器時指標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器和感應(yīng)分壓器。各個基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換源引入的不確定度非線性相關(guān)。

表2 比差不確定度分量

表3 角度不確定度分量

表4 ETC不確定度分量

以上三表為各類不確定度分量分析。誤差與不確定度并非同一概念。誤差與測量結(jié)果及被測量的真實值或約定真值有關(guān)，而測量不確定度與測量結(jié)果并無關(guān)系，其主要由測量儀器和被測設(shè)備的性能決定。

4 結(jié)論

本文分析了影響電子式互感器校驗系統(tǒng)測量誤差的主要因素，并根據(jù)相關(guān)國標(biāo)要求以及電子式互感器的校準(zhǔn)規(guī)范，設(shè)計了精度滿足0.05級的ETC技術(shù)方案。然后對ETC系統(tǒng)的不確定度進(jìn)行了評估。限于篇幅，本文僅以對電子式電流互感器的校驗進(jìn)行分析，實際上，電子式電流互感器校驗時系統(tǒng)不確定度的分析可以采用相同方法。從檢定數(shù)據(jù)來看，本校驗系統(tǒng)滿足校準(zhǔn)規(guī)范中對基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換源和校驗儀器的規(guī)定，可對0.5S級及以下電子式CT和電子式PT進(jìn)行校驗。本文討論的誤差分析方法也適用于其他校驗。

參考文獻(xiàn)：

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[4]徐燕，陳金陵，肖霞，等.光電式電壓互感器校驗方法的研究[J].高電壓技術(shù)，2009，29（2）：15-17.

[5]IEC60044-7 Instrument Transformers-Part 7:Electronic voltage transformers[S].