技术领域
[0001] 本
发明涉及
电能计量技术领域，是一种抗直流分量电流互感器误差测试仪及其测试方法，全称是基于半波整流下的抗直流分量电流互感器误差测试仪及其测试方法。
背景技术
[0002]
电能表是电能计量装置里的重要计量器具，国家将电能表作为强制性检定项目，需要根据JJG596-2012《
电子式交流电能表检定规程》对其检定误差；但是检定项目并不能涵盖电能表的所有工作状态。在GB/T 17215.321-2008《交流电测量设备，特殊要求，第21部分，静止式有功电能表(1级和2级)》中明确了半波整流对电能表误差的影响量的限值，提供了半波整流试验线路以及直流和各次谐波含量。通过试验确定直接接入式静止式有功电能表在通过半波整流电流时，误差明显加大为负误差，且没有参照GB/T17215.321-2008的要求下的电能表误差甚至会超过-50％以上，对电能计量造成非常大的损失。通过试验明确半波整流电流对电能表计量产生重大影响的关键部件是取样用电流互感器，符合规定要求的电能表中安装的电流互感器在半波整流电流下误差不大于±3％，
角差不大于±500′。这种能够符合要求的电流互感器一般称之为抗直流分量电流互感器。目前国内市场上并没有一种成熟技术来测量抗直流分量电流互感器在半波电流下的误差，以至于电能表生产厂家只能安装之后通过标准提供的试验线路来确认是否合乎要求，检验效率低下。若是出现由于互感器
质量的原因造成的电能计量损失很大。
发明内容
[0003] 本发明提供了一种基于半波整流下的抗直流分量电流互感器误差测试仪及其测试方法，克服了上述
现有技术之不足，其能有效解决现有的装置不能用来测量抗直流分量电流互感器的半波电流下的误差，只能在安装电能表完成之后通过标准提供的试验线路来确认是否合乎要求，存在检验效率低下的问题。
[0004] 本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：该基于半波整流下的抗直流分量电流互感器误差测试仪包括壳体、抗直流分量电流互感器测试
电路和
数据处理单元，所述抗直流分量电流互感器测试电路和数据处理单元均设置在壳体内，抗直流分量电流互感器测试电路包括调压器、升流器、第一整流
二极管、第二
整流二极管、限流
电阻、第一半波电流
采样电阻、第二半波电流采样电阻，所述调压器的输入端外接交流电源，调压器的输出端分别与升流器第一
接线柱和第二接线柱连接，升流器第三接线柱分别与并联的第一整流二极管的正极和第二整流二极管的负极连接，升流器第四接线柱与限流电阻连接，限流电阻与第一整流二极管负极之间连接有外置匹配电阻，第一半波电流采样电阻第一接线柱与第二整流二极管正极连接，数据处理单元包括A/D采样转换模
块、数据处理模块和ARM模块，A/D采样转换模块与数据处理模块连接，ARM模块获取被检电流互感器的基本测试信息，ARM模块将输入的被检电流互感器基本测试信息发送至数据处理模块。
[0005] 下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
[0006] 上述壳体外侧面上还设置有外置溯源
接口第一接线柱和外置溯源接口第二接线柱，第一半波电流采样电阻第二、三接线柱连接在外置溯源接口第一接线柱上，第二半波电流采样电阻的两个接线柱均连接在外置溯源接口第二接线柱上，外置溯源接口第一接线柱和外置溯源接口第二接线柱均与A/D采样转换模块连接。
[0007] 上述外置溯源接口第一接线柱与A/D采样转换模块之间连接有第一可控增益
放大器，外置溯源接口第二接线柱与A/D采样转换模块之间连接有第二可控增益放大器。
[0008] 上述还包括通信模块和上位机，上位机与ARM模块通过通信模块连接。
[0009] 上述还包括
键盘和显示器，键盘和显示器均与ARM模块连接。
[0010] 上述还包括数据
存储器，数据存储器与ARM模块连接。
[0011] 上述还设置有
散热面板，散热面板固定安装在与第一半波电流采样电阻和第二半波电流采样电阻
位置相对应的壳体底部的金属
底板上。
[0012] 本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种上述基于半波整流下的抗直流分量电流互感器误差测试仪的测试方法，包括以下步骤：
[0013] 步骤1，设置抗直流分量电流互感器的一次电流、二次电流以及二次负载；
[0014] 步骤2，通过第一半波电流采样电阻R1采集电流互感器的一次半波电流，通过第二半波电流采样电阻R2测量二次电流，测量
信号通过1至64倍的第一可控增益放大器和第二可控增益放大器放大后同步到A/D采样转换模块端口，使得测量信号在1.2V至2.5V之间，峰值
电压小于4V，在A/D采样转换模块的线性区间内；
[0015] 步骤3，使用数据处理模块控制A/D采样转换模块对信号进行整周波512点采样，得到离散
数字信号，即第一半波电流通过电流互感器的数学模型分析：第一半波电流是一个非正弦量，第一半波电流通过第一半波电流采样电阻产生半波电压，使用A/D采样转换模块测量得到离散电压值，通过傅里叶FFT计算得出直流分量、基波分量、以及各
偶次谐波分量的电流值，全波电流有效值为第一半波电流有效值的 倍，第一半波电流经电流傅里叶变换之后的时域表达式为：
[0016]
[0017] 其中直流电流占比全波电流的45％，基波电流占比全波电流的50％，100Hz电流约占比基波电流的23％，还有其他偶次谐波电流也均有比例；半波电流的有效值等于它的各次谐波分量、基波分量和直流分量的有效值平方和的平方根值；
[0018] 其中直流分量和偶次谐波是不参与电能计量的，其原因分析如下：
[0019]
[0020] 其中电压为
正弦波：u(t)＝Usin(ωt)
[0021] 有功功率：
[0022] 由于直流以及偶次谐波对功率计量为零，所以：
[0023]
[0024] 因此电流互感器需要将基波电流即 能够完整无误的变换至二次才能够计量准确；
[0025] 因为电流互感器不能够将直流分量反映至二次电流，所以二次电流的时域表达公式为：
[0026]
[0027] 由此推导出基波电流的比差值与角差值：
[0028] f50Hz＝(K×I1'-I1)/I1×100.0(％) (6)
[0029]
[0030] 式中K为电流互感器的一次电流与二次电流的电流比。
[0031] 本发明具有以下技术效果：
[0032] 1、本发明采用调压器以及升流器升流，使用二极管整流输出半波电流，采用标准电阻取样一次半波电流以及互感器二次电流，采用了简单可靠的放大电路和高
分辨率的A/D采样转换模块，通过FFT快速傅里叶
算法计算一次电流以及二次电流的各次谐波含量大小以及
相位关系，进而得出基波的比值误差以及相位误差。由于电路设计合理，算法准确，装置的准确度和
稳定性得到保障。通过采用14位A/D采样转换模块测量信号，A/D的分辨率为1/8192，因此校准抗直流分量电流互感器可以达到0.1％的准确度。抗直流分量电流互感器要求为3％，满足测试准确度的需求。
[0033] 2、本发明采用的调压器、升流器、限流电阻以及第一整流二极管D1和第二整流二极管D2实现输出半波电流，输出
波形与实际工作电流相一致。输出容量大，电流范围
覆盖宽，满足所有微型抗直流分量电流互感器的测试需求。
[0034] 3、本发明采用的阻抗匹配功能可以有效的减小上下正弦波半波不对称的情况，测试直流电流对升流器以及调压器的影响。
[0035] 4、本发明采用DSP数字
信号处理器内部
定时器发送
时钟信号方法产生对正弦波信号整周波采样的原理，因而被测信号的
频率可以是50Hz、60Hz或其他频率。第一可控增益放大器和第二可控增益放大器中采用0.02级的线绕精密电阻，电路全量限满足0.05级的放大准确度以及线性度。采用
人机交互模块和数据处理模块可以实现更多的自动化功能。
[0036] 5、本发明不需要采用标准电流互感器和测差校验线路的方式，只需要输入被检抗直流分量电流互感器的基本参数即可，具有很好的适应性。测量A/D离散数据浮点后通过数据处理模块计算，除了可以分析基波和直流信号外，还可以分析各次谐波的情况。
附图说明
[0037] 附图1为本发明
实施例1的电路连接示意图。
[0038] 附图2为本发明实施例2的方法
流程图。
[0039] 附图3为本发明实施例4的溯源检测接线图。
[0040] 附图中的编码分别为：R1为第一半波电流采样电阻，R2为第二半波电流采样电阻，R3为限流电阻，D1为第一整流二极管，D2为第二整流二极管，CH1为外置溯源接口第一接线柱，CH2为外置溯源接口第二接线柱，CT为抗直流分量电流互感器。
具体实施方式
[0041] 本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
[0042] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：
[0043] 实施例1：如附图1所示，基于半波整流下的抗直流分量电流互感器误差测试仪包括壳体、抗直流分量电流互感器测试电路和数据处理单元，所述抗直流分量电流互感器测试电路和数据处理单元均设置在壳体内，抗直流分量电流互感器测试电路包括调压器、升流器、第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、限流电阻R3、第一半波电流采样电阻R1、第二半波电流采样电阻R2，所述调压器的输入端外接交流电源，调压器的输出端分别与升流器第一接线柱和第二接线柱连接，升流器第三接线柱分别与并联的第一整流二极管D1的正极和第二整流二极管D2的负极连接，升流器第四接线柱与限流电阻R3连接，限流电阻R3与第一整流二极管D1负极之间连接有外置匹配电阻，第一半波电流采样电阻R1第一接线柱与第二整流二极管D2正极连接，数据处理单元包括A/D采样转换模块、数据处理模块和ARM模块，A/D采样转换模块与数据处理模块连接，ARM模块获取被检电流互感器的基本测试信息，ARM模块将输入的被检电流互感器基本测试信息发送至数据处理模块。
[0044] 实际使用时，被检抗直流分量电流互感器CT的一次线圈
串联在第一半波电流采样电阻R1与限流电阻R3之间，被检抗直流分量电流互感器CT的二次线圈与第二半波电流采样电阻R2并联，从升流器出来的一路半波电流经过被检抗直流分量电流互感器CT和第一半波电流取样电阻R1，另一路半波电流通过外置的匹配阻抗与前一路半波电流重新汇合通过限流电阻R3，回至升流器。限流电阻的用途：可以改善半波电流的波形，使半波电流波形与抗直流分量实际应用中的波形相一致。如果没有该限流电阻R3，由于测试回路阻抗很低，造成升流器
输出电压只需要克服整流二极管的导通电压之后就很快能够达到测试电流的大小，但是由于整流二极管导通的脉宽较窄，因此输出半波电流类似像脉冲电流，而不是半波电流。限流电阻R3可以承担较多比例的电压，整流二极管导通电压与升流器输出电压相比占比较小，与实际工作的半波电流相一致。
[0045] 上述数据处理模块由DSP
内核的处理器设计，是装置的关键测控部件；数据处理模块内部设有定时器，连续不断的发送一个时钟信号给A/D采样转换模块，A/D采样转换模块作为启动信号，时钟信号的频率为2.56kHz，是工频信号的512倍。操作人员旋转壳体面板上的调压器旋钮，可以输出0V～250V电压，该电压可以经用于降压的升流器输出0A～100A的交流电流。操作人员根据需要输出对应的交流电流幅值 Imax是被检电流互感器的最大工作电流。一般被检电流互感器Imax有60A、100A等。
[0046] 上述的ARM模块可采用三星ARM7TDMI内核的S3C44B0
嵌入式系统架构实现人机对话，S3C44B0是采用160LQFP封装的16/32位处理器(66MHz)。提供了丰富的内置部件和全面的、通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置。从而最小化本发明的成本。ARM模块与数据处理模块数据交互，将基本参数与操作指令发送给数据处理模块，数据处理模块处理后将数据送回至ARM模块。
[0047] 数据处理模块可使用DSP
数字信号处理器实现模拟量的测量与计算，以实现半波整流电流互感器误差测量。DSP数字信号处理器将接收ARM模块发来的电流互感器参数指令，DSP数字信号处理器采用定时器控制A/D采样转换模块对工频信号进行整周波采样512点，A/D采样转换模块测量第一半波电流采样电阻和第二半波电流采样电阻上的电压，使A/D采样转换模块的采样电压始终在线性区间内，保证测量准确。通过计算公式得出电流互感器基波的比差值与角差值。
[0048] A/D采样转换模块可采用MAX125BCNI转换器。该A/D采样转换模块为一种高速、多通道、12位
模数转换芯片，该模数转换芯片内部带有一个14位、转换时间为3微秒的逐次逼近型模数电路，4×14位的RAM，可和数字信号处理器总线接口的三态输出器件；片内有4个采/保(T/H)，每个采/保的输出对应一个2选1模拟输入(共有8个模拟输入通道，4个一组，分为A和B两组)，输出经4选1
开关到A/D采样转换模块。
[0049] 可根据实际需要，对上述基于半波整流下的抗直流分量电流互感器误差测试仪作进一步优化或/和改进：
[0050] 如附图1所示，壳体外侧面上还设置有外置溯源接口第一接线柱CH1和外置溯源接口第二接线柱CH2，第一半波电流采样电阻R1第二、三接线柱连接在外置溯源接口第一接线柱CH1上，第二半波电流采样电阻R2的两个接线柱均连接在外置溯源接口第二接线柱CH2上，外置溯源接口第一接线柱CH1和外置溯源接口第二接线柱CH2均与A/D采样转换模块连接。这里壳体外侧面上设置的外置溯源接口第一接线柱CH1和外置溯源接口第二接线柱CH2均用于到上级校准机构对基于半波整流下的抗直流分量电流互感器误差测试仪进行误差校准,工作人员根据需要，将第一半波电流采样电阻R1第二、三接线柱手动连接在外置溯源接口第一接线柱CH1上，第二半波电流采样电阻R2的两个接线柱均手动连接在外置溯源接口第二接线柱CH2上。
[0051] 如附图1所示，外置溯源接口第一接线柱CH1与A/D采样转换模块之间连接有第一可控增益放大器，外置溯源接口第二接线柱CH2与A/D采样转换模块之间连接有第二可控增益放大器。
[0052] 根据需要，还包括通信模块和上位机，上位机与ARM模块通过通信模块连接。上位机与ARM模块连接之后，上位机可实现自动获取校准的被检电流互感器的测量数据，也可以进行数据管理。
[0053] 如附图1所示，还包括键盘和显示器，键盘和显示器均与ARM模块连接。这里的显示器可为
液晶显示屏，用于显示测试数据，并且显示更清晰，便于工作人员记录查看数据。
[0054] 如附图1所示，还包括数据存储器，数据存储器与ARM模块连接。
[0055] 根据需要，还设置有散热面板，散热面板固定安装在与第一半波电流采样电阻R1和第二半波电流采样电阻R2位置相对应的壳体底面上。散热面板起到了散热作用，保障第一半波电流采样电阻R1和第二半波电流采样电阻R2的温升小于30度，保障了采样的准确度。
[0056] 实施例2：如图2所示，一种上述基于半波整流下的抗直流分量电流互感器误差测试仪的测试方法，包括以下步骤：
[0057] 步骤1，设置抗直流分量电流互感器的一次电流、二次电流以及二次负载；
[0058] 步骤2，通过第一半波电流采样电阻R1采集电流互感器的一次半波电流I1，通过第二半波电流采样电阻R2测量二次电流I2，测量信号通过1至64倍的第一可控增益放大器和第二可控增益放大器放大后同步到A/D采样转换模块端口，使得测量信号在1.2V至2.5V之间，峰值电压小于4V，在A/D采样转换模块的线性区间内；
[0059] 步骤3，使用数据处理模块控制A/D采样转换模块对信号进行整周波512点采样，得到离散数字信号，即第一半波电流I1通过电流互感器的数学模型分析：第一半波电流I1是一个非正弦量，第一半波电流I1通过第一半波电流采样电阻R1产生半波电压，使用A/D采样转换模块测量得到离散电压值，通过傅里叶FFT计算得出直流分量、基波分量、以及各偶次谐波分量的电流值，全波电流有效值Iq为第一半波电流有效值I1的 倍，第一半波电流I1经电流傅里叶变换之后的时域表达式为：
[0060]
[0061] 其中直流电流占比全波电流的45％，基波电流占比全波电流的50％，100Hz电流约占比基波电流的23％，还有其他偶次谐波电流也均有比例；半波电流的有效值等于它的各次谐波分量、基波分量和直流分量的有效值平方和的平方根值；
[0062] 其中直流分量和偶次谐波是不参与电能计量的，其原因分析如下：
[0063]
[0064] 其中电压为正弦波：u(t)＝Usin(ωt)
[0065] 有功功率：
[0066] 由于直流以及偶次谐波对功率计量为零，所以：
[0067]
[0068] 因此电流互感器需要将基波电流即 能够完整无误的变换至二次才能够计量准确；
[0069] 因为电流互感器不能够将直流分量反映至二次电流，所以二次电流的时域表达公式为：
[0070]
[0071] 由此推导出基波电流的比差值与角差值：
[0072] f50Hz＝(K×I1'-I1)/I1×100.0(％) (6)
[0073]
[0074] 式中K为电流互感器的一次电流与二次电流的电流比。
[0075] 上述步骤1中，可通过上位机指令或人工录入的方法设置互感器的一次电流、二次电流以及二次负载；
[0076] 由上述步骤3中可见，只要将一次半波电流准确测量，二次电流准确测量，采用快速傅里叶变换将基波电流幅度值和基波电流相位角计算出来采用式(6)和式(7)即可得到电流互感器在半波电流下的比差值与角差值。
[0077] 实施例3：如表1所示，采用标准电流互感器以及直流电源的测试方法得到的测量数据与本发明比较，测量数据偏差小于电流互感器半波误差限值的1/3即可。两种半波整流误差测量方案对同一只电流互感器的测量数据为表1。
[0078] 由表1可以看到：两种不同的测试装置对同一只电流互感器测试，得到的结果小于标准要求的3级或6级误差限值的1/3，本发明性能得以验证。
[0079] 与半波整流(直流和偶次谐波)检测方法相比较，根据大量的试验数据分析，在半波整流状态下合格的电流互感器基波比差Δf基本在-1.0％至2.5％之间，角差Δδ基本在250分至450分之间。取中间值-1.8％和350分做电能表的功率计算，研究此时电能表的电能计量误差是多少。
[0080] 理论：
[0081] 实际：
[0082] 带来的电能计量误差为
[0083] 因为国标规定半波整流误差试验时的功率因数要求等于1.0，即 度，因此得到：
[0084] ε＝(1-(1+Δf))×cos(Δδ)×100.0 (12)
[0085] 将Δf＝-1.8％，角差Δδ＝350'带入式12得到ε＝-2.31％
[0086] 测量结果与直接使用GB/T 17215.321-2008标准采用试验方法得到的数据相吻合。同时表明互感器的比差值与角差值都对电能表计量产生影响，其中比差值产生的影响较大。
[0087] 实施例4：如附图3、表2所示，使用基于半波整流下的抗直流分量电流互感器误差测试仪进行分部件测试方法：
[0088] 一次电流采用RNG功率型四线制标准采样
电阻器R1进行取样，运用电阻应变原理。采用平面无感结构设计，
精度可达0.01％，
温度系数为5ppm。采用4毫欧、额定电流为80A、
0.05级准确度的RNG电阻。我们采用安捷伦3458A八位半表与0.01％稳定度的直流电源检测该电阻的准确度和稳定度，实测数据达到0.03％。
[0089] 二次电流采用RX710型精密线绕标准电阻R2进行取样，阻值有5欧姆、10欧姆和20欧姆三档可选，准确度为0.02级。采用与RNG相同的检测手段测试得到的数据达到电阻标称指标。
[0090] 被检电流互感器测试电路和
软件算法的准确度也可以溯源，采用JJG169-2010《互感器校验仪检定规程》进行检测，将ARM模块输入参数使得两通道的系数比例K为1，将标准信号 (幅度范围为0.085V～0.141V，对应通过 的半波电流在4毫欧取样电阻产生的基波电压有效值)输入至CH1
端子之间，
叠加了差值信号的另一个标准信号 给CH2端子之间。通过该装置输出不同的比差值与角差值，仪器将显示两个标准信号之间的比值误差和相位误差。仪器显示数据中比差偏差值不得超过ΔX＝±(|X×1％|+|Y×1％|+0.1)％，角差偏差值不超过Δy＝±(|X×1％|+|Y×1％|+5)’。溯源检测接线为图3。检测数据见表2。
[0091] 以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。
[0092] 表1互感器样品误差测量结果比对表
[0093]
[0094] 表2互感器校验仪检定装置检定测试电路及算法数据表
[0095]
