一种电压互感器宽频误差测量系统的制作方法

本实用新型涉及电力计量技术领域，具体涉及一种电压互感器宽频误差测量系统。

背景技术：

随着电力工业的飞速发展,大量的整流设备及高铁等非线性负荷接入电网,使电力系统的谐波、间谐波含量大幅增加。谐波会对传统电磁式互感器或CVT的传变特性产生影响从而造成误差，因此，为了能对宽频互感器的频率特性进行准确评估，需对互感器谐波误差进行测量。

现有技术中，采用电工式互感器误差校验仪(HEJ型)对互感器谐波误差进行测量的方法是基于测差方法，在整体上采用电桥调零原理进行测量，测量时以参考信号为基准，经过两组电压互感器，其中一路经过RC构成的移相网络变为参考电压信号的正交分量，另外一路不做处理作为同相分量。两组信号正交合成后与差压信号经指零仪连接于同一回路中，指零仪调零后读取正交、同相分量的示值即可得到被测互感器的比差和角差。但是由于该测量方法中移相电路的电阻电容匹配参数需根据某一固定频率设定，因此该方法仅适用于工频下的误差校准，无法用于宽频误差测量。

现有的可用于宽频误差校准的电子式校验仪，其测量过程繁琐，测量效率较低，且测量精度普遍低于0.05％，无法满足高准确度宽频电压比例标准的量值溯源要求。

基于双通道切换技术的误差测量方法虽可以进行互感器宽频量值溯源。但是该方法操作繁琐，且测量精度主要取决于数据采集卡，采用分辨率高的数据采集卡价格非常昂贵，且测量过程中很难保证切换前后的误差一致，从而导致测量分辨率较低。

综上所述，现有的电压互感器宽频误差测量系统，测量效率和测量精度较低，无法满足测量需求。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种电压互感器宽频误差测量系统，便于操作、利于提高测量效率和测量精度。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供的技术方案如下：

一种电压互感器宽频误差测量系统，包括标准电压互感器、待测电压互感器、误差测量装置和电源装置，所述标准电压互感器的一次侧和待测电压互感器的一次侧并联，标准电压互感器的二次侧和待测电压互感器的二次侧均接入所述误差测量装置，所述电源装置和标准电压互感器的一次侧相连接，所述电源装置和误差测量装置均与数据处理装置相连接。

所述电源装置包括信号发生器和与所述信号发生器相连接的宽频升压器，所述宽频升压器和标准电压互感器的一次侧相连，所述信号发生器还与误差测量装置相连接。

所述信号发生器通过功率放大器和宽频升压器相连接。

所述误差测量装置采用锁相放大器。

所述标准电压互感器的二次侧和待测电压互感器的二次侧之间连接有宽频隔离变压器。

所述数据处理装置包括计算模块和控制模块，所述计算模块用于根据误差测量装置的测量结果计算待测电压互感器的宽频误差，所述控制模块用于控制电源装置进行升压和变频。

所述数据处理装置上设置有多个GPIB接口，所述电源装置和一个所述GPIB接口相连接，所述误差测量装置和另一个所述GPIB接口相连接。

本实用新型具有以下有益效果：本实用新型的电压互感器宽频误差测量系统，便于操作，提高了测量效率，且具有较高的测量精度，同时也具有较好的频率响应特性，测量稳定性较好。

附图说明

图1是本实用新型的电压互感器宽频误差测量系统的结构示意图；

图2是本实用新型的电压互感器宽频误差测量方法的测试流程示意图；

图3是本实用新型的电压互感器宽频误差测量系统的各参量的相量图；

图4是本实用新型的电压互感器宽频误差测量系统的频率响应特性图；

图5是本实用新型的电压互感器宽频误差测量系统的比差稳定性测试图；

图6是本实用新型的电压互感器宽频误差测量系统的角差稳定性测试图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

如图1所示，TN表示标准电压互感器、TX表示待测电压互感器，表示参考电压，表示频率为n时标准互感器的二次侧电压，表示频率为n时待测电压互感器的二次侧电压。表示标准互感器的一次侧输入电压。

如图1所示，本实施例公开了一种电压互感器宽频误差测量系统，包括标准电压互感器、待测电压互感器、误差测量装置和电源装置，标准电压互感器的一次侧和待测电压互感器的一次侧并联，标准电压互感器的二次侧和待测电压互感器的二次侧均接入误差测量装置，以便于通过误差测量装置测量出二次差压和电压夹角，电源装置和标准电压互感器的一次侧相连接，电源装置和误差测量装置均与数据处理装置相连接。电源装置用于向标准电压互感器的一次侧输入电压信号，误差测量装置用于对数据处理装置的测量数据进行自动计算而得到待测电压互感器的宽频误差。

误差测量装置用于测量出二次差压和电压夹角，数据处理装置根据二次差压信号和电压夹角计算出待测电压互感器的比差和角差，并根据比差和角差计算出待测电压互感器的宽频误差。

在其中一个实施方式中，电源装置包括信号发生器和与信号发生器相连接的宽频升压器，宽频升压器和标准电压互感器的一次侧相连，信号发生器还与数据处理装置相连接，以使得数据处理装置还可以用于控制信号发生器进行频率和电压的调整，能够实现该功能的数据处理装置可采用现有的控制装置实现。

进一步地，信号发生器通过功率放大器和宽频升压器相连接。

其中，数据处理装置包括计算模块和控制模块，计算模块用于根据误差测量装置的测量结果计算待测电压互感器的宽频误差，控制模块用于控制电源装置进行升压和变频，该控制功能可采用现有的控制装置实现。

在其中一个实施方式中，误差测量装置采用锁相放大器，测量精度较高，能够对微弱信号进行检测，例如可采用Lock-in Amplifier-850型锁相放大器。

在其中一个实施方式中，标准电压互感器的二次侧和待测电压互感器的二次侧之间连接有宽频隔离变压器，以防止误差测量装置因电流过大而烧坏。

在其中一个实施方式中，数据处理装置上设置有多个GPIB(通用接口总线)接口，电源装置和一个GPIB接口相连接，误差测量装置和另一个GPIB接口相连接。

上述电压互感器宽频误差测量系统，通过标准电压互感器、待测电压互感器和误差测量装置的连接，可以使得误差测量装置准确快速地测量出二次差压和电压夹角，提高了测量精度和测量效率，从而提高了后续数据处理装置最终的宽频误差的计算准确度，通过误差测量装置和数据处理装置的连接，可使得数据处理装置能够对误差测量装置的测量数据自动进行宽频误差的计算，提高了测量效率。另外数据处理装置还可以控制电源装置的升压和变频，也大大提高了多次测量速度和效率。

如图1-图2所示，本实施例还公开了一种电压互感器宽频误差测量方法，包括以下步骤：

1)将标准电压互感器的一次侧和待测电压互感器的一次侧并联，并将标准电压互感器的二次侧和待测电压互感器的二次侧均接入误差测量装置；

2)利用电源装置向标准电压互感器的一次侧输入电压信号；也即通过电源装置同时向标准电压互感器的一次侧和待测电压传感器的一次侧输入电压信号；

3)由误差测量装置计算出二次差压和电压夹角，并将计算出的二次差压和电压夹角传输给数据处理装置；误差测量装置采用锁相放大器。

二次差压为标准电压互感器的二次侧电压和待测电压互感器的二次侧电压的矢量差；

所述电压夹角为二次差压和标准电压互感器的二次侧电压信号的矢量夹角；所述标准电压互感器的二次侧信号的相位和标准二次信号的相位相同；

其中，误差传感器将二次差压相对于参考电压(参考电压等于标准电压互感器的二次侧电压)进行同相和正交分解，得到电压夹角。参考电压可使用高精度数字表或者NI数据采集卡测量得到。

4)由数据处理装置从误差测量装置中获得二次差压和电压夹角，并根据二次差压信号和电压夹角计算出待测电压互感器的比差和角差，并根据比差和角差计算出待测电压互感器的宽频误差；

其中，待测电压互感器的宽频误差由以下公式得出：

其中，n表示频率，表示频率为n时待测电压互感器的宽频误差，f(n)表示频率为n时的待测电压互感器的比差，δ(n)表示频率为n时的待测电压互感器的角差，j表示虚数单位，θ表示电压夹角，表示频率为n时的二次差压，表示频率为n时标准电压互感器的二次侧电压。

其中，

上述公式(1)由以下过程得出：

定义宽频条件下的电压互感器误差为：

公式(2))中表示频率为n时待测电压互感器的二次侧输出电压，表示频率为n时待测电压互感器的一次侧输入电压；K表示互感器变比；

将公式(2)中的变量全部折算到互感器二次侧，得到以下公式：

公式(3))中为参考电压，一般取标准互感器的二次侧电压表示频率为n时待测电压互感器的二次侧电压,各参量的相量图如图3所示。

在图3中，的矢量长度为OA，其长度为单位长度1；由于δ极小，则比差f＝LOB-LOA＝LBC，角差δ≈sinδ＝LAC,由此可得到上述公式(1)。

5)判断标准电压互感器的一次侧输入电压信号的电压值是否超过设定电压值；设定电压值可采用参考电压的120％；

若判断为标准电压互感器的一次侧输入电压信号的电压值未超过设定电压值，则由数据处理装置控制电源装置对标准电压互感器的一次侧输入电压信号进行升压后执行步骤3)-步骤5)；升压时，可按照参考电压的20％，50％，80％，100％和120％的顺序进行，例如，若第一次标准电压互感器的一次侧输入电压为参考电压的20％，则第二次升压时可将标准电压互感器的一次侧输入电压升高为参考电压的50％。

若判断为标准电压互感器的一次侧输入电压信号的电压值超过设定电压值，则判断标准电压互感器的一次侧输入电压信号的频率是否超过设定频率，若判断为超过设定频率，则结束，若判断为未超过设定频率，则由数据处理装置控制电源装置对标准电压互感器的一次侧输入电压信号进行频率提升后，则执行步骤2)重新向标准电压互感器的一次侧输入一个新的电压信号，然后再执行步骤3-步骤5)。

最后，可对上述过程测得的同一频率下的不同输入电压的宽频误差、以及不同频率下的宽频误差进行分析，并对每次测量的宽频误差均在数据处理装置上予以显示。

在其中一个实施方式中，电源装置包括信号发生器和与信号发生器相连接的宽频升压器，宽频升压器和标准电压互感器的一次侧相连，信号发生器还与数据处理装置相连接，进一步地，信号发生器通过功率放大器和宽频升压器相连接。通过该结构，使得信号发生器生成低压宽频信号，经过功率放大器和宽频升压器完成升压后输送给标准电压互感器的一次侧。

在其中一个实施方式中，标准电压互感器的二次侧和待测电压互感器的二次侧之间连接有宽频隔离变压器，这是由于在锁相放大器的内部，差压信号的低端通过10K电阻接外壳地，因此通过设置1:1宽频隔离变压器，以防止锁相放大器烧坏。另外二次差压和参考信号的有效值都必须低于10V，以防止损坏锁相放大器。

下面针对具体测试来说明本实施例的电压互感器宽频误差测量系统的性能：

(1)工频测量误差校准

参考传统电工式互感器误差校验仪的校准方法，对本系统的工频测量误差进行校准。给定标准工频误差源(可根据需要产生不同的比差、角差组合)，直接测量本系统在工频下由测量系统带来的误差，校准结果如表1所示。

表1实验结果

由表1可以看出，传统电工式校验仪的比差、角差测量精度均优于5×10^-7，而本系统的测量精度约3.5×10^-7，其测量精度比电工式校验仪有较大提升，能够更好地满足的误差量值溯源工作。

(2)频率特性测试

将信号发生器输出5V电压信号，同时施加在信号和两个通道上，形成1:1的标准差压信号，理论上误差应为零，试验中该系统所测得的比差和角差即为测量系统自身的误差。给定信号频率范围为50Hz-100kHz，测量误差随频率的变化如图4所示。

从图4可以看出，在频率10kHz以内，本系统的比值差和相位差均比较平坦，其误差均小于1ppm。在电力系统中，谐波频率主要成分低于2.5kHz，更高频率含量十分有限，对电能计量造成的影响可忽略不计，因此，本系统满足互感器谐波特性的误差测量需求。

(3)重复性与稳定性测试

将信号发生器输出的5V信号，同时施加在装置的标准互感器和被测互感器这两个通道上，连续运行100小时，截取其中的10小时数据，如图5-图6所示。可以看出，在整体测试过程中，本系统的比差测量精度优于5×10^-7，角差优于0.2μrad。在100小时内，其比差稳定性SΔf以及角差稳定性SΔδ表示为：

SΔf＝(fmax-fmin)/T＝0·O1ppm/h；

SΔδ＝(δmax-δmin)/T＝0.004μrad/h

其中，T表示时间，fmax表示比差最大值，fmin表示比差最小值，δmax表示角差最大值，δmax表示角差最小值。

由此可见，本系统所测得的比差稳定性和角差稳定性较好。

本实施例的电压互感器宽频误差测量系统和测量方法，基于测差法的基本原理，利用误差测量装置及数据处理装置，实现了电压互感器误差的自动测量，提高了测量效率，操作简单、具有较高的测量精度，其比差测量精度优于5×10^-7，角差测量精度优于0.2μrad；同时，也具有较好的频率响应特性，在50Hz～10kHz范围内，其测量精度基本不变，频率响应十分平坦，测量稳定性较好。

以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。