电子式电压互感器的谐波准确度的测定方法及误差分析方法与流程

本发明涉及谐波测量技术领域，具体地说，是一种电子式电压互感器谐波准确度的测定方法及误差分析方法。

背景技术：

由于特殊装置(非线性负荷、柔性交流输电系统、轨道交通)的使用，电网上会产生谐波。谐波量与电网和电压水平有关。谐波对计量、品质测量和继电保护皆有影响。

电子式互感器用于系统量测或保护，是电网的核心元件。其谐波响应特性是谐波准确测量的关键因素。因此，对电子式互感器的谐波特性进行检测，掌握其谐波响应性能具有重要的理论意义和实践意义。

电子式互感器标准GB/T 20840.8-2007和IEC60044-8：2002对电子式互感器的谐波准确度（谐波测量准确度）提出了要求。标准GB/T20840.8-2007附录C中的C.4，对于电子式电压互感器的谐波测量准确级，按照其用途分为功率计量、品质测量和继电保护。其中，对谐波准确度要求最高的是用于功率计量时，功率计量时的谐波准确度要求如图1所示。按照计量检定规程的要求，测定装置的实际误差应不大于被检试品误差限值的1/5，结合图1的数据经计算可得，对电子式电压互感器的谐波准确度进行测定的测定装置的误差限值，如图2所示。

在现阶段，对电子式电压互感器的谐波准确度进行测定的测定装置或方法尚不存在，电子式电压互感器的谐波准确度的测定尚未开展。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种电子式电压互感器的谐波准确度的测定方法，可实现电子式电压互感器的谐波准确度整体校验，满足电子式互感器型式试验要求，真实有效地检测出电子式电压互感器的谐波响应特性。同时，提出依该测定方法所制作的测定装置的误差分析方法。

为了解决上述技术问题，一种电子式电压互感器谐波准确度的测定方法，包括以下步骤：

A：将电容分压器的高压侧与待测电子式电压互感器的一次侧并联，并施加谐波电压；

B：将所述电容分压器低压侧与电压跟随器连接并输出电压信号，将所述电压信号转换为第一数字信号并输入数据处理单元；

C：将所述待测电子式电压互感器输出的第二数字信号输入数据处理单元；

D：所述数据处理单元对所述第一数字信号和第二数字信号进行傅立叶变换，得到其频谱，包括幅值谱和相位谱；以第一数字信号为基准，计算出所述第二数字信号的幅值误差和相位角差，得到所述待测电子式电压互感器的谐波准确度。

进一步地，所述步骤C之后还包括，利用时钟同步电路获得同一时间的第一数字信号和第二数字信号。

进一步地，所述步骤B，通过高精度万用表或数据采集卡将所述电压信号转换为第一数字信号。

进一步地，所述同步时钟为高晶体振荡器DSA321SCA。

进一步地，所述数据处理单元为PC机。

进一步地，所述电容分压器由两个标准电容组成。

由于现有的谐波标准体系，无法进行高电压的谐波测量标准的溯源，本发明提供了一种电子式电压互感器谐波准确度的测定装置的误差分析方法，所述测定装置以电容分压器与电压跟随器为标准单元，测量电子式电压互感器的谐波特性，所述误差分析方法用于确定所述测定装置的精度，所述误差分析方法为，将所述电容分压器和所述电压跟随器的误差分别溯源。

包括如下步骤：

a：整体误差分析；

b：整体误差的不确定度分析。

其中，所述步骤a包括：

a1：确定电容分压器误差；

a2：确定电压跟随器误差；

a3：将电容分压器误差与电压跟随器误差进行合成，获得整体误差。

所述步骤b包括：

b1：确定由LCR电桥引入的不确定度分量;

b2：确定由校验系统引入的不确定度分量；

b3：确定由外部电磁场引入的不确定度分量；

b4：将b1~ b3获得的不确定度进行合成，获得整体误差的不确定度。

本发明的电子式电压互感器谐波准确度的测定方法的有益效果：

1．在频率100Hz～650Hz下，所建立的对电子式电压互感器的谐波准确度的测定方法能够满足标准GB/T 20840.8-2007和IEC60044-8：2002的要求，对电子式电压互感器的谐波准确度进行测定，且按照标准规定的测量参数，测定的能力能够覆盖耐受电压1000kV以下的电子式电压互感器产品；

2．弥补了国内检测手段的不足，对电子式电压互感器的谐波准确度提出要求，发掘电子式电压互感器在谐波功率计量、品质测量等方面的功能。

3. 根据该测定方法的原理，本方法也可用于其他类型的电压互感器的谐波准确度测定。

附图说明

图1是电子式互感器功率计量时的谐波准确度要求；

图2是对电子式互感器谐波准确度的测定装置的误差限值；

图3是电子式互感器的结构示意图；

图4是本发明电子式电压互感器谐波准确度的一测定装置结构示意图；

图5是本发明电子式电压互感器谐波准确度的测定方法的工作流程图；

图6 本发明中测定方法进行误差分析的溯源方式图；

图7本发明的测定方法中使用的标准电容器在不同频率下的电容量；

图8 本发明的测定方法中使用的电容分压器在2~13次谐波下比值误差；

图9本发明的测定方法中使用的电压跟随器自较数据；

图10本发明的测定方法的整体合成误差；

图11本发明的测定方法的外部磁场引入的不确定度分量；

图12本发明的测定方法的整体误差分析结果。

具体实施方式

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

一种电子式电压互感器谐波准确度的测定方法，包括以下步骤：

A：将电容分压器的高压侧与待测电子式电压互感器的一次侧并联，并施加谐波电压；所述谐波电压为模拟出的谐波电压，为电网基准电压叠加各次谐波分量。为满足不同的测试需求，其成分和含量可变，并与电网的实际运行情况相似；

B：将所述电容分压器低压侧与电压跟随器连接并输出电压信号，将所述电压信号转换为第一数字信号并输入数据处理单元；

C：将所述待测电子式电压互感器输出的第二数字信号输入数据处理单元；

电子式互感器由一次部分、二次部分和传输系统构成，其通用结构如图3所示，所述待测电子式电压互感器可能是数字量输出，也可能是模拟量输出。若所述待测电子式电压互感器输出模拟量，则需加装模/数转换器，将电压信号转换为所述第二数字信号后再输入数据处理单元。

D：所述数据处理单元对所述第一数字信号和第二数字信号进行傅立叶变换，得到其频谱，包括幅值谱和相位谱；以第一数字信号为基准，计算出所述第二数字信号的幅值误差和相位角差，得到所述待测电子式电压互感器的谐波准确度。

本实施例的一可选实施方式中，所述步骤C之后还包括，利用时钟同步电路获得同一时间的第一数字信号和第二数字信号。所述同步时钟可以保证所述第一数据信号和第二数据信号得到相位补偿，从而保证相位的同步性，保证测定结果的准确性。

本实施例的一可选实施方式中，所述同步时钟为高晶体振荡器DSA321SCA。

图4是本发明电子式电压互感器谐波准确度的一测定装置结构示意图，如图所示，通过电压跟随器将电压信号接入数据采集卡，将电压信号转化成第一数字信号，与待测电子式电压互感器的输出共同接入到数据处理单元中进行校验，为获取同一时刻电压信息，由同步时钟发出一个外部触发信号同时触发合并单元和所述数据采集卡，从而在同一时间取得一次电压的两种样本。

图5是本发明电子式电压互感器谐波准确度的测定方法的工作流程图，如图所示，首先进行初始化，然后设置触发参数、采样参数，当接收到触发信号后，所述数据采集卡采集第一数字信号，继而，计算输出幅值和相位值；同时，网卡采集第二数字信号，解析数据帧内容，寻找触发信号起始数据；计算待测互感器输出幅值和相位值；以第一数字信号为基准，计算出误差和角差，从而对待测互感器的谐波准确度进行测定。

本实施例的一可选实施方式中，所述步骤B中，通过高精度万用表或数据采集卡将所述电压信号转换为第一数字信号。

本实施例的一可选实施方式中，所述数据处理单元为PC机。

本实施例的一可选实施方式中，所述电容分压器由两个标准电容组成。

本实施例的一可选实施方式中，为减少实验系统对电压跟随器的影响，所述电压跟随器使用独立直流电源供电。

一种电子式电压互感器谐波准确度的测定装置的误差分析方法：将所述电容分压器和所述电压跟随器的误差分别溯源。

现有的谐波标准体系，无法进行高电压的谐波测量标准的溯源，依照本发明中的测定方法所制造的测定装置也无法进行整体检定，无法进行直接地溯源，只能根据组成部分进行分别溯源，将分压系统和跟随器的误差分别溯源到相应的标准单元，从而保证系统整体误差的有效性。该间接溯源方法仅适用于本发明中的测定方法所制造的测定装置，其量值传递的准确度不一定适用于建立更高一级的标准或基准。

本发明的溯源方式如图6所示，在进行整体误差分析中，电容分压器的误差是基于系统所设定的分压比与实际分压比之间的差别产生的，可根据实际测量得出的实际分压比和设定分压比之间的差值得出；而电压跟随器因为输入和输出口电压较低，可以同时接入校验系统，可利用自校准的方式，测量电压跟随器部分的误差，从而确定测定装置的误差结果。

所述误差分析方法主要包括以下步骤：a：整体误差分析；b：整体误差的不确定度分析。

其中，所述步骤a包括：

a1：确定电容分压器误差；

a2：确定电压跟随器误差；

a3：将电容分压器误差与电压跟随器误差进行合成，获得整体误差。

所述步骤b包括：

b1：确定由LCR电桥引入的不确定度分量;

b2：确定由校验系统引入的不确定度分量；

b3：确定由外部电磁场引入的不确定度分量；

b4：将b1~ b3获得的不确定度进行合成，获得整体误差的不确定度。

a1：确定电容分压器误差；

电容分压器是由两台标准电容器组成的，利用高精度LCR电桥测量标准电容器在不同频率下的电容量，从而确定电容分压器的分压比，测量结果如图7所示。

而对于电容分压器来说，其相位差主要与电容器的介质损耗因素有关，但是对于标准电容器来说，其介质损耗因素可以忽略不计，电容分压器仅仅引入了系统的比值差。由图7可以看出，在2~13次谐波的频率下，标准电容器电容量变化不大，其电容分压器的分压比相差不大，但是由于比值误差的要求较高，而且在开展谐波准确度测量时，系统分压比仅需在测量软件中设定即可，所以，为了最大限度地保证装置的准确度，同时兼顾操作的方便性，分段设定测定装置在进行准确度测量时的分压比，则对应的各频率下的分压系统的比值差如图8所示。

a2：确定电压跟随器误差；

设计电压跟随器，特点是输入阻抗高，输出阻抗低，其作用是保证数据采集卡所采集到信号的精度，其设计工作电压为0~200V，在频率为100Hz~650Hz，需要满足系统整体的误差限值要求。电压跟随器使用独立直流电源供电，减少实验系统对电压跟随器的影响。由于电压跟随器输入和输出的电压较低，可以直接接入校验单元，所以对于跟随器准确度的测量采取的是自校准的方式，在不同频率的谐波电压下，测量跟随器输入和输出之间的误差，电压跟随器自校准数据如图9所示。

在进行自校准时发现，同一频率下，自校准误差数据稳定，不随电压的变化而变化，所以，在2~13次谐波频率下，选择60V电压下测量电压跟随器的误差。

a3：将电容分压器误差与电压跟随器误差进行合成，获得整体误差；

本发明的谐波准确度测定方法的核心是标准单元，其由电容分压器与电压跟随器组成，在测定装置组建的过程中，应注意装置中的引线要尽可能短且使用双层屏蔽以减少空间电磁干扰的影响，使得装置中引线引入的误差可以忽略不计，则此时整体误差最大值应由电容分压器和电压跟随器两部分的误差的绝对值叠加而成，此时整体误差的数值如图10所示。

b：整体误差的不确定度分析；

对于整体误差结果的不确定度，其由重复性测量所引入的A类不确定度相对于由仪器和外界电磁场所引起的B类不确定度来说可以忽略不计，所以对于图10的整体误差来说，其不确定度来源分为以下三个方面：由LCR电桥引入的不确定度分量；由校验系统引入的不确定度分量；由外部电磁场引入的不确定度分量。

b1：确定由LCR电桥引入的不确定度分量；

查阅由计量校准机构对LCR电桥出具的校准证书，LCR电桥对于电容的测量结果的不确定度为:Urel=0.04%，包含因子k=2，此不确定度分量仅参与系统比值差的不确定度评定。

b2：确定由校验系统引入的不确定度分量；

查阅校验系统的校准证书，校验系统在电压测量回路时的测量结果不确定度为：U f=1.7×10-4，Uб=0.6′，包含因子k=2。

b3：确定由外部电磁场引入的不确定度分量；

参照标准检定规程，电磁场引起的测量误差有两个来源：一是检定设备电磁场所引起的测量误差不应大于被检测定装置误差限值的1／10；二是外加电磁场所引起的测量误差不应大于被检测定装置误差限值的1／20。所以两类电磁场所引起的测量误差不应大于被检电压互感器误差限值的3／20，且服从均匀分布。被检测定装置的误差限值如图2所示，所以外部磁场所引入的不确定度分量如图11所示。

b4：将b1~ b3获得的不确定度进行合成，获得整体误差的不确定度；

由于以上各分量相对独立，合成后取包含因子k=2，得到扩展不确定度。

整体误差的结果表示形式如图12所示。

由图12的结果可知，所述对电子式电压互感器的谐波准确度进行测定的装置的整体误差满足图2的误差限值的要求，可作为检测标准开展产品谐波准确度的检测工作。

所述对电子式电压互感器的谐波准确度进行测定的装置的电压等级，受其分压系统的电压耐受能力、跟随器的输入耐受电压以及校验系统采集卡的输入耐受电压的影响，若需要标准系统在更高电压下使用，需提高这三部分的耐受电压。

本发明的误差分析方法确定了电子式电压互感器的谐波准确度的测定装置的整体误差及不确定度，所述测定装置根据本发明中的所述电子式电压互感器的谐波准确度的测定方法制作而成，以电容分压器与电压跟随器为标准单元，测量电子式电压互感器的谐波特性；所述误差分析方法确保所述测定装置满足标准GB/T 20840.8-2007和IEC60044-8：2002的要求；根据实施例中的溯源方法，可研制更高次谐波的准确度测定装置，以满足其他用途的谐波准确度测定需要。

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