本发明涉及电能计量技术领域，尤其是一种多通道直接测量式互感器校验仪。
背景技术：
目前对传统的电压(电流)互感器误差检定的方法主要依据JJG313-2010《测量用电流互感器》和JJG314-2010《测量用电压互感器》、JJG1021-2007《电力互感器》三个检定规程。检定方法需要使用标准电压(电流)互感器、互感器校验仪、电压(电流)互感器负荷箱以及升压(升流)装置。试验方法的核心是标准电压(电流)互感器与被试电压(电流)互感器接成测差回路，采用互感器校验仪将标准回路与差值回路一同测量，校验仪最终显示被测电压(电流)互感器的比值差及角度差。该检定方法是测量用互感器溯源的权威方案。最高可以溯源到国家基准。
三相电流互感器组成的三相组合互感器的电流互感器误差测量，试验时，依据测量点给被检电流互感器注入电流，各相按比较法测差线路，由三相互感器校验仪分别检测出误差值。检定Y联接三相组合互感器时，其电流互感器的误差测量线路与V联接三相组合互感器的测量线路相同。Y联接测量用三相组合电压互感器，依据规定的测量点给被检电压互感器施加电压，各相按比较法测差线路，由三相互感器校验仪分别检测出误差值。Y联接剩余绕组/零序用电压互感器测量，依据规定的测量点给被检电压互感器施加电压，各相按比较法测差线路，由互感器校验仪检测出误差值。组合互感器(three-phase combined instrument transformer)由三相电压互感器和三台单相(或两台单相)电流互感器组合并形成一体的供三相电力系统计量、测量用的互感器。
电子式电压互感器(传感器)：是一种新型“三相电压+零序电压”测量一体型互感器(传感器)。互感器采用传统电磁感应原理制造，其输出一般为100V、57.7V或100/3V电压；传感器采用电容分压技术，可以精确采集三相电压及零序电压，其二次输出为小模拟量电压。
电子式电流互感器(传感器)：是“三相电流+零序电流”测量一体型传感器，其二次输出有传统的二次电流方式和二次小模拟电压两种方式。电子式电压互感器(传感器)与电子式电流互感器(传感器)主要应用于10kV配网一二次融合设备中，给测量保护设备提供信号。
组合互感器可以采用国家检定规程的单相法逐相检定。但是电子式电压、电流互感器(传感器)则无法实现校验。即使是目前有存在的三相互感器校验仪也无法对电子式传感器校验。组合互感器与电压电流互感器(传感器)的准确级一般为：0.5级、0.2级或电流互感器(传感器)为0.5S级、0.2S级。
由于以上三种方式的互感器或传感器的存在，而且准确级都不超过0.2(0.2S)级，采用本发明均可实现测量。采用直接测量法，将标准电压(电流)互感器以及被测电压(电流)互感器/传感器的二次输出电压(电流)同步A/D测量，测量得到离散整形数据转换成浮点数，采用浮点型快速傅里叶变换，获取标准信号及被测信号的基波幅值以及相位差，进一步可以计算出被测互感器(传感器)的比差值及角差值。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种多通道直接测量式互感器校验仪，能够解决现有互感器校验仪单相试验、需采用差值回路试验以及只能同变比检定的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种多通道直接测量式互感器校验仪，包括：DSP电路、ARM电路、液晶、键盘、存储、RS232、电源、8路取样精密电压互感器VT1～VT8、8路取样精密电流互感器TA1～TA8、8路取样电阻Rc、8路电压信号限幅电路、4路电压互感器/传感器信号选择继电器组J1～J16、4路电流互感器/传感器信号选择继电器组J17～J24、16路电压程控放大电路V1～V8和A1～A8、2个8通道并行采样16位A/D电路V_A/D和A_A/D、4组量程切换继电器切换I/O扩展电路V1_I/O、V2_I/O、A1_I/O和A2_I/O，全部安装在一个4U标准的铝合金机箱中；DSP电路分别与ARM电路、16路电压程控放大电路V1～V8和A1～A8、2个8通道并行采样16位A/D电路V_A/D和A_A/D、4组量程切换继电器切换I/O扩展电路V1_I/O、V2_I/O、A1_I/O和A2_I/O相连接；ARM电路分别与液晶、存储、键盘和RS232相连接；8路电压程控放大电路V1～V8分别与8路电压信号限幅电路、4路电压互感器/传感器信号选择继电器组J1～J16、8路取样精密电压互感器VT1～VT8依次相连；8路电压程控放大电路A1～A8分别与4路电流互感器/传感器信号选择继电器组J17～J24、8路取样电阻、8路取样精密电流互感器TA1～TA8依次相连。
优选的，电压程控放大电路具体包括：第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、第一程控精密分压电阻芯片N1、第二程控精密分压电阻芯片N2和第三程控精密分压电阻芯片N3；第一运算放大器的输出端连接第一程控精密分压电阻芯片N1的2管脚，第一运算放大器的反相输入端连接在第一运算放大器的输出端与第一程控精密分压电阻芯片N1的2管脚之间，第一运算放大器的正相输入端连接KD；第一程控精密分压电阻芯片N1的6管脚连接第二运算放大器的正相输入端，第一程控精密分压电阻芯片N1的8管脚连接第二运算放大器的反相输入端，第二运算放大器的输出端连接第二程控精密分压电阻芯片N2的2管脚，第一程控精密分压电阻芯片N1的4管脚连接在第二运算放大器的输出端与第二程控精密分压电阻芯片N2的2管脚之间；第二程控精密分压电阻芯片N2的6管脚连接第三运算放大器的正相输入端，第二程控精密分压电阻芯片N2的8管脚连接第三运算放大器的反相输入端，第三运算放大器的输出端连接第三程控精密分压电阻芯片N3的2管脚，第二程控精密分压电阻芯片N2的4管脚连接在第三运算放大器的输出端与第三程控精密分压电阻芯片N3的2管脚之间；第三程控精密分压电阻芯片N3的6管脚连接第四运算放大器的正相输入端，第三程控精密分压电阻芯片N3的8管脚连接第四运算放大器的反相输入端，第四运算放大器的输出端连接KDFA，第三程控精密分压电阻芯片N3的4管脚连接在第四运算放大器的输出端与KDFA之间。
优选的，2个8通道并行采样16位A/D电路具体为：A/D电路数字部分接口：其中D0～D15与DSP的总线连接，/COVST与DSP的定时器输出引脚连接，用于启动A/D采样，/AD-END接DSP的中断输入口，用于A/D采样结束后通过中断口使DSP进入中断处理程序，DSP进入中断处理程序后将A/D测量值读取出来，/CS-7606是片选信号，/RES_7606是复位信号，/RD是总线读取信号，+5VA2是总线驱动电源；A/D电路模拟部分接口：CH1～CH8是模拟量测量输入，AVCC是模拟供电接口、AGND、V1GND～V8GND是接地接口，用两个APL117.5V三端稳压电源输出两个独立的5V作为A/D芯片的供电，其中一路+5VA是模拟供电，另一路+5VA2是数字供电，用AD780基准芯片输出2.5V给A/D芯片作为基准电压REF；模拟地AGND与数字地GND在A/D芯片底部短接。
本发明的有益效果为：可以实现三相电压+零序电压以及三相电流+零序电流多达8路被试品误差校验；标准电压(电流)互感器可以与被试电压(电流)互感器不同变比，只需采用软件折算即可得到结果；电压(电流)互感器二次输出电压(电流)由于采用精密互感器隔离取样，在特高压、超高压电压互感器误差试验发生闪络的情况下本发明的测试仪不易损坏；测试线路简单，无需采用测差试验回路，只需将标准互感器与被测互感器二次输出电压或电流信号接入本发明的仪器即可。
附图说明
图1为本发明的校验仪结构示意图。
图2为本发明的互感器校验仪校验三相电压互感器接线图。
图3为本发明的互感器校验仪校验三相电压传感器接线图。
图4为本发明的互感器校验仪校验三相电流互感器接线图。
图5为本发明的互感器校验仪校验三相电流传感器接线图。
图6为本发明的互感器校验仪校验三相零序电流互感器接线图。
图7为本发明的互感器校验仪校验三相零序电流传感器接线图。
图8为本发明的互感器校验仪校验程控放大电路原理示意图。
图9为本发明的A/D电路原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种多通道直接测量式互感器校验仪，包括：DSP电路、ARM电路、液晶、键盘、存储、RS232、电源、8路取样精密电压互感器VT1～VT8、8路取样精密电流互感器TA1～TA8、8路取样电阻Rc、8路电压信号限幅电路、4路电压互感器/传感器信号选择继电器组J1～J16、4路电流互感器/传感器信号选择继电器组J17～J24、16路电压程控放大电路V1～V8和A1～A8、2个8通道并行采样16位A/D电路V_A/D和A_A/D、4组量程切换继电器切换I/O扩展电路V1_I/O、V2_I/O、A1_I/O和A2_I/O，全部安装在一个4U标准的铝合金机箱中；DSP电路分别与ARM电路、16路电压程控放大电路V1～V8和A1～A8、2个8通道并行采样16位A/D电路V_A/D和A_A/D、4组量程切换继电器切换I/O扩展电路V1_I/O、V2_I/O、A1_I/O和A2_I/O相连接；ARM电路分别与液晶、存储、键盘和RS232相连接；8路电压程控放大电路V1～V8分别与8路电压信号限幅电路、4路电压互感器/传感器信号选择继电器组J1～J16、8路取样精密电压互感器VT1～VT8依次相连；8路电压程控放大电路A1～A8分别与4路电流互感器/传感器信号选择继电器组J17～J24、8路取样电阻、8路取样精密电流互感器TA1～TA8依次相连。
如图2和图3所示，以A相电压互感器(传感器)作为实例说明：
标准电压互感器的二次绕组输出接入A相a和x电压接线端子；被测电压互感器(传感器)的二次输出接入A相1a和1n接线端子；a和x电压接线端子与取样VT1输入连接，VT1二次输出接入程控放大电路(V1)；1a和1n接线端子可以通过继电器选择采用取样VT2来输入还是直接输入至限幅电路以及程控放大电路(V2)。
选择的依据是：被测是常规的电压互感器二次输出则采用继电器常闭点接入取样VT2，VT2的输出通过继电器常闭点接入限幅电路和程控放大电路(V2)；若被测是电压传感器，传感器输出为小电压信号，因此通过程序使V1_I/O输出控制信号，使J1、J2、J3和J4继电器常开点闭合，传感器输出小信号接入限幅电路程控放大电路(V2)。
DSP通过内部定时器给V_A/D转换器采样启动信号，启动信号的频率是50Hz×512＝25.6kHz，对应被测电压互感器工频的512倍，使得被测信号每个周波可以获取到512个均匀测试A/D数据。DSP将8组V_A/D整形数据通过并行总线读取到，每组V_A/D整形数据为512个。DSP将这8组V_A/D整形数据按比率转换成浮点型的电压值。DSP将根据8组浮点型的电压值采用真有效值程序计算得出8个电压有效值，DSP自动判断当前自动量程切换电路的放大倍数是否合适，若不合适则切换至合适的量程，使得到的电压有效值在V_A/D量程的30％～64％，对应被测试信号的峰值在V_A/D量程的90％以内。A相电压互感器(传感器)自动量程切换以及继电器切换的控制信号由V1_I/O提供。
DSP将测量得到的A相标准电压互感器浮点型电压数组(512个)以及被测电压互感器(传感器)浮点型电压数组(512个)通过快速傅里叶变换算法计算，得到两组电压基波的有效值以及相位差，然后通过标准电压互感器的变比、被测电压互感器的变比、取样电压互感器的变比以及两路程控放大电路的倍率折算出被测电压互感器(传感器)的比差值及角差值。
B相、C相以及零序电压互感器(传感器)工作流程参照A相测量流程。V1_I/O同时也提供B相电压互感器(传感器)量程切换信号以及继电器切换信号。V2_I/O提供C相、零序电压互感器(传感器)量程切换信号以及继电器切换信号。
如图4和图5所示，以A相电流互感器(传感器)作为实例说明：
标准电流互感器的二次绕组输出接入A相k1和k2电流接线端子；k1和k2电流接线端子与取样精密电流互感器TA1输入连接，TA1二次输出接入一个精密取样电阻Rc后产生取样电压接入至程控放大电路(A1)。
以A相电流互感器作为实例说明：
被测电流互感器的二次输出接入A相TA的s1和s2电流接线端子；A相被试电流互感器接入的s1和s2电流接线端子接入一个精密取样电流互感器TA2；TA2二次输出接入另一个精密取样电阻Rc后产生取样电压经过J17、J18继电器的常闭触点接入至限幅电路和程控放大电路(A2)。
以A相电流传感器作为实例说明：
被测电流传感器的二次输出接入A相传感器的s3和s4电压接线端子；A相传感器的s3和s4电压接线端子电压经过J17、J18继电器的常开触点闭合后接入至限幅电路和程控放大电路(A2)；程控放大电路(V2)的输入信号选择的依据是：被测是常规的电流互感器二次输出直接接入取样TA2，TA2的输出通过继电器常闭触点接入限幅电路和程控放大电路(A2)；若被测是电流传感器，传感器输出为小电压信号，因此通过程序使A1_I/O输出控制信号，使J17和J18继电器常开触点闭合，传感器输出小信号接入限幅电路程控放大电路(A2)。自动量程切换的控制信号由A1_I/O提供。
DSP通过内部定时器给B_A/D转换器采样启动信号，启动信号的频率是50Hz×512＝25.6kHz，对应被测电压互感器工频的512倍，使得被测信号每个周波可以获取到512个均匀测试A/D数据。DSP将8组B_A/D整形数据通过并行总线读取到，每组B_A/D整形数据为512个。DSP将这8组B_A/D整形数据按比率转换成浮点型的电压值。DSP将根据8组浮点型的电压值采用真有效值程序计算得出8个电压有效值，DSP自动判断当前自动量程切换电路的放大倍数是否合适，若不合适则切换至合适的量程，使得到的电压有效值在A/D量程的30％～64％，对应被测试信号的峰值在B_A/D量程的90％以内。
如图6和图7所示，DSP将测量得到的A相标准电流互感器浮点型电流数组(512个)以及被测电流互感器(传感器)浮点型电流数组(512个)通过快速傅里叶变换算法计算，得到两组电流基波的有效值以及相位差，然后通过标准电流互感器的变比、被测电流互感器(传感器)的变比、取样电流互感器的变比以及两路程控放大电路的倍率折算出被测电流互感器(传感器)的比值误差以及角度误差。
B相、C相以及零序电流互感器(传感器)工作流程参照A相电流互感器(传感器)测量流程。A1_I/O同时也提供B相电流互感器(传感器)量程切换信号以及继电器切换信号。A2_I/O提供C相、零序电流互感器(传感器)量程切换信号以及继电器切换信号。
标准互感器二次信号I以及被测互感器(传感器)二次信号I'通过数学模型分析如下：
通过A/D测量得到标准互感器以及被测互感器(传感器)的二次信号，每个周期均匀获得512个离散信号值，将这两组512个测量数据转换成浮点数，并代入快速傅里叶变换算法(FFT)计算得出标准互感器以及被测互感器(传感器)两组信号的表达式1和式2。表达式中含有基波分量、以及各次谐波分量的信号幅度值以及初始相位。
以电流互感器为被测校准为例：标准电流互感器和被测电流互感器两组二次电流信号傅里叶变换之后的得到两组时域表达式为：
其中：i(t)为标准电流互感器二次电流信号，i'(t)为标准电流互感器二次电流信号，In和I'n为各次谐波有效值大小，和为各次谐波的初始相位角。
测试仪通过软件将标准电流互感器的二次基波信号与被检电流互感器的二次基波信号经过公式(3)得到被检电流互感器的比差值；通过公式(4)得到被检电流互感器的相角差；
其中：K1为被测电流互感器的电流比，K0为标准电流互感器的电流比；I0为标准电流互感器基波有效值，I'0为被测电流互感器基波有效值；为标准电流互感器基波初始相位，为被测电流互感器基波初始相位；f50Hz为被测电流互感器基波比差值，δ50Hz为被测电流互感器基波角差值。
被测为电流传感器或被测为电压互感器(传感器)也是采用公式(1～4)相同的计算方法，只是定义有差别。
限幅电路采用一个限幅电阻(本发明采用的是20kΩ，1W)和2个二极管输入至供电电源Vdd(+12V)和Vss(-12V)。当外接输入信号超过±12.6V时，二极管导通，将程控放大电路的输入电压钳制在±12.6V之间，不会对后级的放大电路和A/D造成过压损坏。限幅电阻可以长期承受150V电压，很好的将由于软件设置和实际接入信号不同造成对仪器电路的损坏。若仪器处于关机状态，Vdd和Vss为0V，此时长时间可以承受140V电压不会对电路和元件损坏。A2_I/O提供C相、零序电流互感器(传感器)量程切换信号以及继电器切换信号。两个A/D转换器的数据通过并数据总线被DSP读取。
采用ARM为内核处理器实现人机交互，可以驱动液晶显示器、显示相关界面和数据，可以通过键盘输入校准人员的相关指令，也可以通过串口与计算机通讯，实现由计算机自动获取校准装置的测量数据，也可以进行数据管理。ARM为核心处理器的人机交互模块将校准人员的输入的基本参数发给数据处理模块DSP。
数据处理模块由DSP内核的处理器设计，是装置的关键测控部件。数据处理模块需要将根据人机交互模块ARM中设定参数进行程序计算得出比差值和角差值。数据处理模块DSP将最终测量计算结果发送至人机交互核心ARM，ARM在将结果显示在液晶上或存储在存储器上。
装置中采用ARM架构，外设接口丰富。处理速度达到66MHz,有助于降低应用的系统级成本。充分满足本系统设计需求。装置中使用的A/D转换器采用了高速并行逐次逼近式A/D转换电路，采用ADI公司的16位A/D采集芯片AD7606，是高集成度、8通道并行高速同步采样、16bit逐次逼近(SAR)型ADC。
如图9所示，为其中一路A/D电路原理图，两路A/D原理图相同。
A/D电路数字部分接口：其中D0～D15与DSP的总线连接；/COVST与DSP的定时器输出引脚连接，用于启动A/D采样；/AD-END接DSP的中断输入口，用于A/D采样结束后通过中断口使DSP进入中断处理程序，DSP进入中断处理程序后将A/D测量值读取出来；/CS-7606是片选信号；/RES_7606是复位信号；/RD是总线读取信号；+5VA2是总线驱动电源；
A/D电路模拟部分接口：CH1～CH8是模拟量测量输入；AVCC是模拟供电接口、AGND、V1GND～V8GND是接地接口；用两个APL117.5V三端稳压电源输出两个独立的5V作为A/D芯片的供电，其中一路+5VA是模拟供电，另一路+5VA2是数字供电；用AD780基准芯片输出2.5V给A/D芯片作为基准电压REF。
模拟地AGND与数字地GND在A/D芯片底部短接。
装置中采用电源模块具有两路5V、两组±12V电源，彼此之间均电气隔离。一路5V电源给DSP和ARM供电，一路5V电源给I/O扩展电路供电。其中一组±12V电源给电流互感器(传感器)程控放大电路和电流通道A_A/D供电，另一组±12V电源给电压互感器(传感器)程控放大电路和电压通道U_A/D供电。
如图8所示，程控放大电路采用程控精密分压电阻芯片MAX5431和高性能运算放大器OP2177实现。MAX5431采用2个数字信号线可以4选1路分压电阻系数，与运放实现1、2、4、8放大倍率。增益准确度为0.025％。每一个测量对象的程控放大电路采用了三组放大电路，实现1、2、4、8、16、32、64、128、256、512放大倍率，满足S级电流互感器的校验需求(需要在1％工作电流点测试电流互感器的误差)。
电压程控放大电路具体包括：第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、第一程控精密分压电阻芯片N1、第二程控精密分压电阻芯片N2和第三程控精密分压电阻芯片N3；第一运算放大器的输出端连接第一程控精密分压电阻芯片N1的2管脚，第一运算放大器的反相输入端连接在第一运算放大器的输出端与第一程控精密分压电阻芯片N1的2管脚之间，第一运算放大器的正相输入端连接KD；第一程控精密分压电阻芯片N1的6管脚连接第二运算放大器的正相输入端，第一程控精密分压电阻芯片N1的8管脚连接第二运算放大器的反相输入端，第二运算放大器的输出端连接第二程控精密分压电阻芯片N2的2管脚，第一程控精密分压电阻芯片N1的4管脚连接在第二运算放大器的输出端与第二程控精密分压电阻芯片N2的2管脚之间；第二程控精密分压电阻芯片N2的6管脚连接第三运算放大器的正相输入端，第二程控精密分压电阻芯片N2的8管脚连接第三运算放大器的反相输入端，第三运算放大器的输出端连接第三程控精密分压电阻芯片N3的2管脚，第二程控精密分压电阻芯片N2的4管脚连接在第三运算放大器的输出端与第三程控精密分压电阻芯片N3的2管脚之间；第三程控精密分压电阻芯片N3的6管脚连接第四运算放大器的正相输入端，第三程控精密分压电阻芯片N3的8管脚连接第四运算放大器的反相输入端，第四运算放大器的输出端连接KDFA，第三程控精密分压电阻芯片N3的4管脚连接在第四运算放大器的输出端与KDFA之间。
本发明测试无需采用测差试验线路，接线简单。可以校验单相电压(电流)互感器。可以实现组合互感器中三相电压+三相电流互感器的同时校验，更加符合组合互感器的实际工作状态。可以实现配网中一二次融合使用的三相+零序电压互感器的校验，也可以实现三相电流+零序电流互感器校验。可以实现配网中一二次融合使用的三相+零序电压传感器的校验，也可以实现三相电流+零序电流传感器校验。
本发明采用直接测量法，所采用的取样用精密电流(电压)互感器、取样精密电阻以及测量电路均是高准确级高稳定性器件或电路，测试稳定可靠，可以达到电压0.05级、电流0.05S级。满足0.2级(0.2S)以下电压(电流)互感器(传感器)的校验。采用直接测量法，嵌入式软件可以直接得到角差值，采用的标准电压(电流)互感器可以与被试品不同电压比或电流比，通过变比折算即可实现比差值的计算和显示。
本发明的扩展功能1，可以将一路电压通道作为标准电压互感器输入，其他7路都作为被测电压互感器输入，可以实现使用1个标准电压互感器最多同时校验7个被测电压互感器或绕组的误差。扩展功能2，可以将一路电压通道作为标准电压互感器输入，4路小信号直接输入通道都作为被测电子式电压传感器输入，可以实现使用1个标准电压互感器最多同时校验4个被测电压传感器的误差。扩展功能3，可以将一路精密电流互感器取样通道作为标准电流互感器输入，其他7路都作为被测电流互感器输入，可以实现使用1个标准电流互感器最多同时校验7个被测电流互感器的误差。扩展功能4，可以将一路精密电流互感器取样通道作为标准电流互感器输入，4路小信号直接输入通道都作为被测电子式电流传感器输入，可以实现使用1个标准电流互感器最多同时校验4个被测电流传感器的误差。