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摘要：电力互感器离线校准主要是满足作为电能计量装置的互感器周检需要，我国电力系统有数量庞大的电力互感器，停电测试它们的误差性能工作量庞大，费时费力，而且不能获得三相带电状态下的真实数据。本文针对电力互感器在线校准用采集装置进行分析研究。
关键词：电力互感器；在线校准；
一、系统方案设计难点及构架
1.为了减轻标准电流互感器及数据采集装置的重量，考虑现场安装的方便性，数据采集装置供电问题成为一大难点。由于母线电流大小不确定，需要带电操作单独安装取电电流互感器，不便于实际操作；另外母线取电可能会引入谐波电流，导致电流测量值与实际运行工况不一致，因此采用高压母线取电为数据采集装置供电的方案不可取。激光供电和太阳能电池供电是不错的选择，但激光供电的功率较小，电路复杂，价格高，而且增加了光纤绝缘子的复杂性；太阳能电池由于受到阳光的限制和体积限制，也不适合现场带电操作。经过最终研究和试验确定，采用12V10AH的锂电池供电，不仅重量轻，体积小，而且安装方便，但要求数据采集装置具有强大的电源管理能力，保证可靠工作的同时，要求将能耗降到最低。
2.目前电能计量装置的精确度等级一般不高于0.2级，标准电能校准系统的必须达到万分之五的测量精度才能对电能计量装置进行校准。由于数据采集装置安装在高压线路附近，电磁环境恶劣，而且受温度和湿度等因素影响较大，因此要求数据采集装置不仅具有较强的抗电磁干扰能力，而且要求有更高的数据采集精度。
经过长时间调研发现，目前市售的数据采集装置均不能满足本项目的需求，一般采用FPGA或DSP作为处理器的高精度数据采集装置功耗较大，电流达到1A以上，且采用PCI，USB等通用计算机平台的接口，采样控制操作复杂，无光纤或无线接口，使用极不方便。
二、数据采集装置的实现
1.数据采集装置的处理器选择
在综合考虑装置的功耗和数据处理速度后，本装置采用STM32系列32位增强型ARM处理器STM32F103VET6作为数据处理平台的核心。
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核，其增强型系列时钟频率达到72MHz，从闪存执行代码，所有外设处于工作状态的条件下功耗36mA，待机时下降到2μA，相当于0.5mA/MHz，是32位市场上功耗最低的产品；不仅内置32K～128K的闪存、复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等基本电路，而且内置高性能的片上资源，如1μs的双12位ADC、4兆位/秒的UART、18兆位/秒的SPI、全速USB2.0接口等，也是同类产品中性能最高的产品。更值得一提的是它能通过I/O将处理器从停机模式唤醒，唤醒时间不超过6μs，它还支持CPU主频切换技术，可以在空闲等待的时候切换到低主频模式，从而极大地降低了功耗。这些低功耗功能在本数据采集装置中得到充分应用。
2.模数转换平台的实现
AD转换平台的核心采用18位高速高精度SAR模数转换器AD7631。它是美国亚德诺半导体技术公司（ADI）新推出的18位逐次逼近型单通道AD转换器，内置一个18位高速采样ADC、一个内部转换时钟、一个内部基准电压源（和缓冲）、纠错电路，以及串行和并行系统接口端口，具有全差分模拟输入，可选的输入电压量程范围，具有较大的动态范围和较高的精度，而且功耗极低，非常适合工业控制、电力、仪表测量等领域。
AD7631内部5V基准电压的典型漂移量仅为3×10-6/°C；积分非线性误差典型值±1.5LSB，最大值±2.5LSB；双极性满量程误差为±0.09%FS；并行接口支持18位数据输出，可以一次性输出转换数据，提高了数据的读取速度；在CNVST的下降沿对输入的全差分模拟信号进行采样和保持，且采样的时间极短，延迟时间可以忽略不计。这些优异的性能是决定本数据采集装置具有低功耗、高速和高精度等性能的基础。
3.数据采集装置的软件实现
STM32与外设的连接如图1所示。光电转换电路实现光电信号相互转换。秒脉冲同步采集信号由地面设备发出，用于同时触发所有数据采集装置实施同步采样，保证信号测量的准确性，另外还用于唤醒数据采集装置。通讯电路部分主要负责采样数据的传输及各种指令的接收及发送。STM32处理器PA0引脚接收到秒脉冲同步采集信号后，一方面从停机状态唤醒，并迅速切换到工作状态；另一方面从PE4引脚产生4kHz 的同步采样脉冲， 控制AD7631的采样保持CNVST端口并转换。转换数据得到的数据通过18位并口数据总线读入处理器，数据经过误差修正后发送到地面较验仪。系统软件流程图如图2所示。
在低功耗设计方面，除了采用低功耗元件外，还采用系统软件配合外部电路来降低整个系统的功耗。系统软件采用以下三方面的技术：
（1）工作模式的切换。当测量较准试验完成时，通过发送停机指令，使处理器运行在停机模式来降低功耗，此时整个数据采集装置的功耗最低，保证数据采集装置能工作更长的时间。当需要时行测量较准试验时，通过发送同步脉冲即可唤醒数据采集装置。数据采集装置唤醒后立即进入自检工作状态，并经过充分预热和自动较准等程序后，进入数据采样工作模式；
（2）关掉主芯片不使用的功能，外围器件不工作时关掉其电源；
（3）I/O口的处理。在保证外部功能的情况下，对准双向口，若I/O口有外部上拉电阻，则应在进入掉电模式前置高，以关闭内部下拉晶体管；若I/O采用内部上拉，则应置低以关闭内部上拉晶体管。对开漏输出的I/O口在進入掉电模式前应置高；对未使用的I/O口置高阻态，并关闭I/O口的时钟。
三、系统运行结果及分析
经过反复调试和较准后，该装置进行了多次实验，结果如表1、表2和表3所示。
表1为数据采集装置采用1倍放大时，与标准数字多用表3458A的采样结果的对比表。其中的电压值均为有效值。输入信号采用Tektronix AFG3252信号发生器，数据采集装置采用1倍放大时输入电压量程为3.5V，从表中可以得到，输入信号幅度达到50%量程及以上时，信号采集精度可达到0.02%；输入信号幅度从10%量程到50%量程范围内，采样精度可达到0.03%。
四、结束语
开展互感器在线校准技术研究可以克服上述离线校准的缺点，提高互感器误差特性测量不确定度水平，为实现电能计量装置的整体在线校准打下坚实基础，提高电能计量的准确度。
参考文献：
[1]欧朝龙，朱红鹰.关口电能计量中互感器若干问题的探讨.
关键词：电力互感器；在线校准；
一、系统方案设计难点及构架
1.为了减轻标准电流互感器及数据采集装置的重量，考虑现场安装的方便性，数据采集装置供电问题成为一大难点。由于母线电流大小不确定，需要带电操作单独安装取电电流互感器，不便于实际操作；另外母线取电可能会引入谐波电流，导致电流测量值与实际运行工况不一致，因此采用高压母线取电为数据采集装置供电的方案不可取。激光供电和太阳能电池供电是不错的选择，但激光供电的功率较小，电路复杂，价格高，而且增加了光纤绝缘子的复杂性；太阳能电池由于受到阳光的限制和体积限制，也不适合现场带电操作。经过最终研究和试验确定，采用12V10AH的锂电池供电，不仅重量轻，体积小，而且安装方便，但要求数据采集装置具有强大的电源管理能力，保证可靠工作的同时，要求将能耗降到最低。
2.目前电能计量装置的精确度等级一般不高于0.2级，标准电能校准系统的必须达到万分之五的测量精度才能对电能计量装置进行校准。由于数据采集装置安装在高压线路附近，电磁环境恶劣，而且受温度和湿度等因素影响较大，因此要求数据采集装置不仅具有较强的抗电磁干扰能力，而且要求有更高的数据采集精度。
经过长时间调研发现，目前市售的数据采集装置均不能满足本项目的需求，一般采用FPGA或DSP作为处理器的高精度数据采集装置功耗较大，电流达到1A以上，且采用PCI，USB等通用计算机平台的接口，采样控制操作复杂，无光纤或无线接口，使用极不方便。
二、数据采集装置的实现
1.数据采集装置的处理器选择
在综合考虑装置的功耗和数据处理速度后，本装置采用STM32系列32位增强型ARM处理器STM32F103VET6作为数据处理平台的核心。
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核，其增强型系列时钟频率达到72MHz，从闪存执行代码，所有外设处于工作状态的条件下功耗36mA，待机时下降到2μA，相当于0.5mA/MHz，是32位市场上功耗最低的产品；不仅内置32K～128K的闪存、复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等基本电路，而且内置高性能的片上资源，如1μs的双12位ADC、4兆位/秒的UART、18兆位/秒的SPI、全速USB2.0接口等，也是同类产品中性能最高的产品。更值得一提的是它能通过I/O将处理器从停机模式唤醒，唤醒时间不超过6μs，它还支持CPU主频切换技术，可以在空闲等待的时候切换到低主频模式，从而极大地降低了功耗。这些低功耗功能在本数据采集装置中得到充分应用。
2.模数转换平台的实现
AD转换平台的核心采用18位高速高精度SAR模数转换器AD7631。它是美国亚德诺半导体技术公司（ADI）新推出的18位逐次逼近型单通道AD转换器，内置一个18位高速采样ADC、一个内部转换时钟、一个内部基准电压源（和缓冲）、纠错电路，以及串行和并行系统接口端口，具有全差分模拟输入，可选的输入电压量程范围，具有较大的动态范围和较高的精度，而且功耗极低，非常适合工业控制、电力、仪表测量等领域。
AD7631内部5V基准电压的典型漂移量仅为3×10-6/°C；积分非线性误差典型值±1.5LSB，最大值±2.5LSB；双极性满量程误差为±0.09%FS；并行接口支持18位数据输出，可以一次性输出转换数据，提高了数据的读取速度；在CNVST的下降沿对输入的全差分模拟信号进行采样和保持，且采样的时间极短，延迟时间可以忽略不计。这些优异的性能是决定本数据采集装置具有低功耗、高速和高精度等性能的基础。
3.数据采集装置的软件实现
STM32与外设的连接如图1所示。光电转换电路实现光电信号相互转换。秒脉冲同步采集信号由地面设备发出，用于同时触发所有数据采集装置实施同步采样，保证信号测量的准确性，另外还用于唤醒数据采集装置。通讯电路部分主要负责采样数据的传输及各种指令的接收及发送。STM32处理器PA0引脚接收到秒脉冲同步采集信号后，一方面从停机状态唤醒，并迅速切换到工作状态；另一方面从PE4引脚产生4kHz 的同步采样脉冲， 控制AD7631的采样保持CNVST端口并转换。转换数据得到的数据通过18位并口数据总线读入处理器，数据经过误差修正后发送到地面较验仪。系统软件流程图如图2所示。
在低功耗设计方面，除了采用低功耗元件外，还采用系统软件配合外部电路来降低整个系统的功耗。系统软件采用以下三方面的技术：
（1）工作模式的切换。当测量较准试验完成时，通过发送停机指令，使处理器运行在停机模式来降低功耗，此时整个数据采集装置的功耗最低，保证数据采集装置能工作更长的时间。当需要时行测量较准试验时，通过发送同步脉冲即可唤醒数据采集装置。数据采集装置唤醒后立即进入自检工作状态，并经过充分预热和自动较准等程序后，进入数据采样工作模式；
（2）关掉主芯片不使用的功能，外围器件不工作时关掉其电源；
（3）I/O口的处理。在保证外部功能的情况下，对准双向口，若I/O口有外部上拉电阻，则应在进入掉电模式前置高，以关闭内部下拉晶体管；若I/O采用内部上拉，则应置低以关闭内部上拉晶体管。对开漏输出的I/O口在進入掉电模式前应置高；对未使用的I/O口置高阻态，并关闭I/O口的时钟。
三、系统运行结果及分析
经过反复调试和较准后，该装置进行了多次实验，结果如表1、表2和表3所示。
表1为数据采集装置采用1倍放大时，与标准数字多用表3458A的采样结果的对比表。其中的电压值均为有效值。输入信号采用Tektronix AFG3252信号发生器，数据采集装置采用1倍放大时输入电压量程为3.5V，从表中可以得到，输入信号幅度达到50%量程及以上时，信号采集精度可达到0.02%；输入信号幅度从10%量程到50%量程范围内，采样精度可达到0.03%。
四、结束语
开展互感器在线校准技术研究可以克服上述离线校准的缺点，提高互感器误差特性测量不确定度水平，为实现电能计量装置的整体在线校准打下坚实基础，提高电能计量的准确度。
参考文献：
[1]欧朝龙，朱红鹰.关口电能计量中互感器若干问题的探讨.