一种新型ETC系统不确定度的评估算法

丁 柯

(中科芯集成电路股份有限公司，江苏无锡 214072)

1 引言

由于电子式互感器结构的特殊性，传统互感器的误差校验方法已经不适用于新型电子式互感器，研究新型的电子互感器校验系统（ETC）已成为业内的热点。常用的数字校验方法一般以电磁互感器作为基准转换源，其输出通过AD模块转换为数字信号，再和所测电子式互感器输出信号的幅值相位相比较，得到角差和比差[1～5]。该误差算法即所谓的绝对值比较法，相对于差值测量法，绝对值比较法的误差因素有所不同，除基准转换源外还包括模拟信号调理模块、AD转换模块以及运算模块。下文将分析ETC各模块的误差，评估系统误差的修正方法，最后提出一种新型的不确定度评估算法。

2 电子式互感器原理

电子式互感器校验原理如图1所示（以电子式电流互感器为例）。图中的时钟同步信号为依照IEC标准[6～7]设计的合并单元时钟同步脉冲，也作为基准信号通道的采样启动信号，精度达到纳秒级，不会对校验系统的精度产生影响。系统误差主要包括标准电阻、基准互感器、AD模块和运算模块，可归纳为基准转换源和校验单元，下面将进行详细的分析。

2.1 基准转换源

基准转换源包括标准CT模块、标准PT模块、标准电阻和感应分压器。在额定频率和所测互感器测量范围内，基准转换源应至少比所测互感器高2个准确度，误差应不大于被检电子式互感器误差极限值的1/5[5]。本系统以0.02级的标准CT和标准PT作为一次基准转换源，而标准电阻则采用精度为0.02级的1 Ω电阻，完全符合本系统的检定要求。

图1 电子式互感器校验原理

2.2 基准互感器校验仪

基准互感器校验仪包括AD模块和运算模块。基准互感器校验仪的测量误差不应大于被检设备误差限制的十分之一。电子式CT共分0.2S级、0.5S级、1S级、2S级4种，S代表测量误差，0.5S代表电能表误差允许范围为0.5%。0.2S级和0.5S级属于高精度测量仪，为保证精度要求，本系统是为专门针对0.5S级及以下的电子式CT进行校验所设计的，校验仪在规定的额定量程范围比例间测量精度应达到0.05级。本系统采用安捷伦的七位半数字多用表3457，其AD转换率最高可达100 k，当输入信号为1 kHz时，SNR高达96 dB，其交流采样最小量程为10 mV[5]。3457具有良好的温度自检功能，能对ETC校验的现场环境温差进行修正。

运算模块的误差包括字长和计算误差。在高位处理器中，字长误差可忽略不计。本系统采用FFT算法，测量出信号的幅值和相位，进而得出目标值的角差和比差。但是此算法会对测量结果造成误差，但是考虑到FFT修正中采用了插值算法，该算法对误差的影响是一致的。因此，只要提高测量精度，使之达到0.05级，即可克服此类误差。

检定仪的硬件延时可能会造成相位误差。根据文献[5]的测试方法，在外部触发方式下延迟时间约为690 ms。

图2 延迟误差时间

基准互感器校验仪的检定图如图3所示，在基准被测通道，功率源原始信号u1经过数表1采样提取相关参数；在模拟被测通道，功率源原始信号通过电流测量器的信号u2经过数表2采样模拟相关参数，两者做差分计算来检定。

图3 基准互感器校验仪的检定图

表1为检验仪的比差检定数据，可见，在偏离额定功率达到1 kHz时，校验仪在被检互感器的量程范围内，比差小于0.02%，误差为随机误差值。

表1 校验仪比值误差（×10-6）

改变检定仪器的角差，可以得出仪器的相位误差。另外，对采样率进行更换也可以检定被测仪器中采样率对检定仪的影响量。每隔12 h测量一次误差值，然后绘制误差点图，如图4所示。从检定数据可见，其引入误差都小于1，误差类型为随机误差。

图4 检定误差数据

3 系统不确定度

ETC在误差修正后的系统不确定度主要分为两部分：

(1)校验仪器重复性测试时引入的不确定度U1（A类评估），在角差的重复性测量时引入的不确定度U3（A类评估）。

(2)基准转换源在比差测量时引入的不确定度U2（B类评估），在角差测量时引入的不确定度U4（B类评估）。基准转换源在校验电子式电流互感器时指标准电流互感器和标准电阻，在校验电子式电压互感器时指标准电压互感器和感应分压器。各个基准转换源引入的不确定度非线性相关。

表2 比差不确定度分量

表3 角度不确定度分量

表4 ETC不确定度分量

以上三表为各类不确定度分量分析。误差与不确定度并非同一概念。误差与测量结果及被测量的真实值或约定真值有关，而测量不确定度与测量结果并无关系，其主要由测量仪器和被测设备的性能决定。

4 结论

本文分析了影响电子式互感器校验系统测量误差的主要因素，并根据相关国标要求以及电子式互感器的校准规范，设计了精度满足0.05级的ETC技术方案。然后对ETC系统的不确定度进行了评估。限于篇幅，本文仅以对电子式电流互感器的校验进行分析，实际上，电子式电流互感器校验时系统不确定度的分析可以采用相同方法。从检定数据来看，本校验系统满足校准规范中对基准转换源和校验仪器的规定，可对0.5S级及以下电子式CT和电子式PT进行校验。本文讨论的误差分析方法也适用于其他校验。

参考文献：

[1]钱政，李童杰，张翔.电子式互感器校验方法的设计与实现[J].北京航空航天大学学报，2006，32（11）：1316-1319.

[2]于文斌，张国庆，郭志忠.电子式电互感器校验技术的研究[J].高电压技术，2004，30（7）：21-39.

[3]张蓬鹤，何俊佳，陆以彪，等.电子式互感器误差校验装置的研究[J].电测与仪表，2009，46（517）：57-60.

[4]徐燕，陈金陵，肖霞，等.光电式电压互感器校验方法的研究[J].高电压技术，2009，29（2）：15-17.

[5]IEC60044-7 Instrument Transformers-Part 7:Electronic voltage transformers[S].