基于同步采样保持电路的电子式互感器溯源装置

1.一种基于同步采样保持电路的电子式互感器溯源装置，包括信号调理模块、A/D模块、DSP数据处理模块、人机接口模块和输入接口模块，所述信号调理模块、A/D模块、DSP数据处理模块依次连接；所述人机接口模块和输入接口模块与DSP数据处理模块连接，DSP数据处理模块的采样保持脉冲输出端与A/D模块相连，DSP数据处理模块还有PPS同步信号输出端；其特征在于，在信号调理模块和A/D模块之间增设有同步采样保持模块，同步采样保持模块还与DSP数据处理模块的采样保持脉冲输出端相连；所述的同步采样保持模块包括由运算放大器芯片构成的电压跟随器A和由运算放大器芯片构成的电压跟随器B，电压跟随器A的输出端经受控于DSP数据处理模块的采样保持脉冲输出端的高速电子开关（K）,与电压跟随器B的同相端相连，电压跟随器B的同相端还经采样保持电容（C）接地。
2.根据权利要求1所述的基于同步采样保持电路的电子式互感器溯源装置，其特征在于，信号调理模块采用0.001%误差的高精密电阻进行信号调理；输入接口模块采用KS8721以太网物理芯片；A/D模块采用24位高精度A/D转换芯片AD7706；同步采样保持模块的电压跟随器A采用跨导运算放大器CA3080A，电压跟随器B选用高输入阻抗的运算放大器CA3140A，采样保持电容（C）大小选20pF；DSP数据处理模块选用ADSP-BF609。
3.根据权利要求1或2所述的基于同步采样保持电路的电子式互感器溯源装置，其特征在于人机接口模块使用800*600 的电容触摸屏。

基于同步采样保持电路的电子式互感器溯源装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及电子式互感器溯源装置，具体为基于同步采样保持电路的电子式互感器溯源装置。\n背景技术\n[0002] 在国家标准GB/T20840.7-2007《电子式电压互感器》和GB/T20840.8-2007《电子式电流互感器》中规定，数字化变电站应用的电子式互感器是一种模拟量输入数字量输出的非传统互感器。但与传统互感器一样的是，其担负着电网的精确计量，以及故障监测等重要责任，因此对电子式互感器的比差和角差进行溯源，准确检定其误差范围，具有十分重要的意义。\n[0003] 电子式互感器作为数字化变电站中计量的一部分，由于种种原因，国家还没有制定相关的计量检定规程。而现有的电子式互感器溯源装置，大多采用标准源模拟一次侧信号，在同步信号触发下，溯源装置和电子互感器开始对标准源模拟信号进行A/D采样，之后溯源装置通过对接收到的电子式互感器的数字量输出与内部A/D数据进行算法比对，完成误差的检定。这种溯源装置一般在触发信号到来的时刻，控制A/D芯片开始采样，但是A/D芯片本身实际开始采样的时刻并不确定，这样的采样延时使得到的数字量数据和实际的模拟量数据存在不确定的时间偏差，从而影响了角差的检定。由于目前尚未有对A/D的采样时刻直接进行检定的计量器具，因此这种基于实时AD采样的溯源装置不能对电子式互感器进行精确溯源。\n发明内容\n[0004] 本发明解决现有电子式互感器溯源装置不能对电子式互感器进行精确溯源的问题，提供一种基于同步采样保持电路的电子式互感器溯源装置。\n[0005] 本发明是采用如下技术方案实现的：一种基于同步采样保持电路的电子式互感器溯源装置，包括信号调理模块、A/D模块、DSP数据处理模块、人机接口模块和输入接口模块，所述信号调理模块、A/D模块、DSP数据处理模块依次连接；所述人机接口模块和输入接口模块与DSP数据处理模块连接，DSP数据处理模块的采样保持脉冲输出端与A/D模块相连，DSP数据处理模块还有PPS同步信号输出端；在信号调理模块和A/D模块之间增设有同步采样保持（S/H）模块，同步采样保持（S/H）模块还与DSP数据处理模块的采样保持脉冲输出端相连；\n所述的同步采样保持（S/H）模块包括由运算放大器芯片构成的电压跟随器A和由运算放大器芯片构成的电压跟随器B，电压跟随器A的输出端经受控于DSP数据处理模块的采样保持脉冲输出端的高速电子开关K,与电压跟随器B的同相端相连，电压跟随器B的同相端还经采样保持电容C接地。使用时，电子互感器与该溯源装置接受同一标准源的模拟输入信号，电子互感器的输出端与溯源装置的输入接口模块相连，溯源装置的PPS同步信号输出端与电子互感器的相应端相连。工作时，信号调理模块完成对外部的模拟输入信号进行前端调理，使其幅值大小在采样保持和A/D的输入范围内。采样保持（S/H）模块完成在采样保持脉冲到来的时刻，将该时刻的模拟量信号的大小保持一段持续时间, 后续A/D模块在这段持续时间内完成数字化，从而将原来不可控的AD采样延迟转移到明确的采样保持时刻。这样得到的数字量是模拟量在采样脉冲时刻的标准离散化，可通过算法正确复现模拟量的相位和幅值，从而完成对电子式互感器的溯源。A/D模块完成对采样保持模块输出的直流阶梯波的采样，在阶梯波的每个直流信号保持的时间范围内完成数字化，从而得到与采样脉冲对应的数字量数据，并传递给DSP数据处理模块。由于经过同步采样保持电路离散化后的输出为直流信号，因此幅值的量值可以很方便的得到溯源。所述的采样保持电路使用同步脉冲方式来获得采样数据的准确时刻，因此其采样时刻是明确的，因此自身的角差可以很方便的得到溯源。DSP数据处理模块完成对A/D模块传递过来的数字量进行数据处理以及完成对外部电子式互感器输入的IEC61850协议数据的解析和处理，通过对两个不同输入源的数字信号进行FFT计算，从而得到相应的基波幅值和相位角，并由此计算出比差、角差。输入接口模块完成对外部输入的数字量报文进行接收，并把正确接收的数字量数据提供给DSP数据处理模块进行进一步处理。人机接口模块完成人机交互功能，通过与DSP数据处理模块双向通信，设置同步输出方式和数字量传输协议以及显示电子式互感器的比差角差等。\n[0006] 本发明提供的基于同步采样保持电路的电子式互感器溯源装置，以采样保持(S/H)为前端处理，通过采样脉冲控制采样保持的时刻，使模拟量数据在采样脉冲到来的时刻得到保持，由此建立了模拟量数据与采样时间的绝对对应关系，保证了后续A/D采样得到的数字量数据是采样脉冲时刻对应的模拟量的大小，从而解决了由于A/D采样时刻和信号延时的不确定性造成的采样时刻对应的模拟量与实际得到数字量数据不匹配的问题，使得到的数字量携带的幅值和相位信息和模拟量是完全对应的，因此可实现对标准电子式互感器A/D转换精度(比差)与采样时刻和信号延时(角差)进行溯源。\n附图说明\n[0007] 图1为本发明的结构示意图；\n[0008] 图2为采样保持（S/H）模块的结构示意图；\n[0009] 图3为采样保持误差分析示意图。\n具体实施方式\n[0010] 一种基于同步采样保持电路的电子式互感器溯源装置，包括信号调理模块、A/D模块、DSP数据处理模块、人机接口模块和输入接口模块，所述信号调理模块、A/D模块、DSP数据处理模块依次连接；所述人机接口模块和输入接口模块与DSP数据处理模块连接，DSP数据处理模块的采样保持脉冲输出端与A/D模块相连，DSP数据处理模块还有PPS同步信号输出端；在信号调理模块和A/D模块之间增设有同步采样保持（S/H）模块，同步采样保持（S/H）模块还与DSP数据处理模块的采样保持脉冲输出端相连；所述的同步采样保持（S/H）模块包括由运算放大器芯片构成的电压跟随器A和由运算放大器芯片构成的电压跟随器B，电压跟随器A的输出端经受控于DSP数据处理模块的采样保持脉冲输出端的高速电子开关K,与电压跟随器B的同相端相连，电压跟随器B的同相端还经采样保持电容C接地。\n[0011] 具体实施时，信号调理模块采用0.001%误差的高精密电阻进行信号调理。模拟电压信号通过阻值匹配分压将额定值 的信号降至 ，模拟电流信号通过\n串联电阻将额定值 的信号转化为 的电压信号，由于采用的电阻精度都为\n0.001级，误差远小于本方法设计的0.05级的精度要求，因此可以忽略信号调理模块的精度误差。\n[0012] 人机接口模块采用思泰基的 LX-801A工控机，使用800*600 的电容触摸屏，完成人机交互，通过串口与DSP数据处理模块双向通信，可设置同步输出方式和数字量传输协议以及显示电子式互感器的比差角差等数据。\n[0013] 输入接口模块采用KS8721以太网物理芯片，KS8721是百兆以太网芯片，支持光纤传输，接收延时典型值为50ns。由于数字量报文只是将已经在脉冲时刻采集好的A/D数据通过协议发出，因此输入接口模块只要能够正确接收数据，短暂的延时并不影响对电子式互感器溯源，因此可满足设计要求。\n[0014] A/D模块采用的是24位高精度A/D转换芯片AD7706，其信噪比(SNR)为100dB，采样率高达2.5MSPS,单次采样周期仅为400ns，DSP通过采样脉冲控制A/D的采样时刻，数据以16位并行接口传输到DSP数据处理模块。信号调理模块输出的额定值对应的电压信号为，电流信号为 。由于电压的最大检定点（120% ）大于电流的最大检定点\n(120% )，因此以电压最大检定点 计算，可得A/D最\n大量化误差：\n[0015]                 公式(1)\n[0016] 本方法设计的装置精度等级为0.05%，所允许的最大误差：\n，远大于A/D量化的最大误差，可忽略，因此保证了采样数字化的精度(比差)。\n[0017] 采样保持（S/H）模块的电压跟随器A采用跨导运算放大器CA3080A，在采样功能下该运放的输出电流典型值为0.5mA，采样保持电容C大小选20pF，根据电容的充电性质,其充电时的摆率为：\n[0018]              公式(10)\n[0019] 以电压信号的最大检定点（ ）计算最大充电时间（延时）：\n[0020]                   公式(11)\n[0021] 采样保持（S/H）模块中的电压跟随器B选用高输入阻抗的运算放大器CA3140A，得益于该运放高达1.5TΩ的输入阻抗，在跟随功能下其输入电流仅为170pA。根据电容特性可得其放电时的摆率为：\n[0022]              公式(12)\n[0023] 采样保持(S/H)模块在保持状态供给后级A/D模块进行数据采集，AD7706的采样周期为400ns，而S/H模块保持时间需满足 ，取800ns计算电容保持值下降\n，由于电流信号的最小检定点( )小于电压的最小检定\n点（ ），因此以电流信号的最小检定点 计算，可得最\n大的采样保持误差为： ，满足0.05%的精度要求，因此采样保持的\n误差基本可以忽略,采样保持误差分析如图3所示。\n[0024] DSP数据处理模块选用ADSP-BF609，该处理器属于Blackn系列的双核DSP，采用ADI公司/Intel微信号架构(MSA)，每核主频高达500M，具有强大的控制能力和信号处理能力。\n[0025] 采样保持脉冲由处理器BF609内部定时器发出，可根据电子式互感器的不同采样率进行配置，每整秒输出一个外部触发PPS，每两个PPS之间根据不同采样率同步输出不同数量的采样脉冲给内部采样保持模块和A/D模块；内部定时器通过PLL时钟倍频，频率高达\n125M，按定时器偏移一个LSB计算，采样脉冲的误差大小为 。由于前级运放的采样保持脉冲需要15V的高电压，所以设计DSP输出的TTL采样保持脉冲经过高速电压比较器LM319进行电平转换，该比较器的转换延时为 ，故从采样保持脉冲时刻到电压保持总共的延时时间 .根据《JJG313-2010测量用电\n流互感器检定规程》对于0.05级的互感器角差要求为2分,折算到延时时间为，远大于采样保持的延时时间，因此可满足设计要求。\n[0026] DSP数据处理模块以内部A/D所得数字量作为标准数字化数据，由输入接口模块接收外部IEC61850数字量报文，通过协议解析获得被检的数字化数据，之后分别对两组数字量进行算法分析（该算法与现有产品的相同）：\n[0027] 一次模拟连续信号：\n[0028]             公式(2)\n[0029] 其中Up表示连续信号的幅值，f表示频率，t表示连续时间，为初始相位。\n[0030] 一次标准离散采样数据(采样保持延时在精度内可认为标准)：\n[0031]   公式(3)\n[0032] 其中N和n均为自然数，N表示总采样点数,n表示采样序号，tn表示离散时间，为采样周期(Tsample)的整数倍。\n[0033] 数字转换后的等效离散采样数据:\n[0034]          公式(4)\n[0035] 其中Us为离散化数据的等效幅值， 为离散后得到数据的相位与模拟量的相位差。\n[0036] 对离散数字量进行离散傅里叶变换：\n[0037]     公式(5)\n[0038] 由此可以得出基波的幅值：\n[0039]                公式(6)\n[0040] 相位：\n[0041]                       公式(7)\n[0042] 稳态误差：\n[0043] ，              公式(8)\n[0044] 复合误差：\n[0045]                 公式(9)\n[0046] 由式(7)和式(8)即可得出比差和角差，并通过串口传输给工控机人机界面进行显示。