一种低压宽频电压监测装置的参考回读闭环校验系统的制作方法

本发明涉及低压电力监测装置校验的，具体涉及一种低压宽频电压监测装置的参考回读闭环校验系统。

背景技术：

1、对低压宽频电压监测装置进行样机校验时，通常的处理方法是：上位机生成测试波形，任意波形发生器输出模拟电压信号，然后读取待测装置显示的频率、幅值和相位，与设定值做对比。这个流程默认任意波形发生器送到待测装置输入端的信号就是设定值本身。

2、但实际接线中不是这样。从任意波形发生器的输出端子到待测装置的输入引脚，中间经过了输出线缆、接插件、可能的转接板，这些环节在低频低压的小信号面前会引入一些分布参数。特别是测试频率超过1000hz以后，线缆的分布电容和分布电感开始起作用，波形发生器本身的输出阻抗也不是理想的零。到了0.05v这个量级的幅值，接触电势、地回路电流这些平时不太注意的因素都会让实际到达装置输入端的信号偏离设定值。幅值可能衰减了百分之几，相位可能滞后了几度。这种偏差在低压宽频段的某些频点上，和待测装置自身的识别误差处于同一个量级。

3、如果还是拿任意波形发生器的设定幅值和设定相位当作基准去评价待测装置的精度，结果就是把链路上引入的误差算到了装置头上，或者反过来，装置本身的缺陷被链路误差给盖住了。开环测试方式缺少一个能独立获取注入节点实际信号的手段，也没法判断当前注入到底算不算稳定。单次采集合格可能是偶然的，瞬时波动过去了就又偏了。所以需要一种能够在注入节点处直接回读实际信号、以回读值作为基准、并在确认信号稳定后再进行评价的闭环校验方式。

技术实现思路

1、本发明的目的之一为避免注入链路偏差误导待测装置识别精度的评价结果。

2、针对上述目的，在本发明的一个实施例中，提出了低压宽频电压监测装置的参考回读闭环校验系统，包括：任意波形发生器，用于向并联连接的待测低压宽频电压监测装置和参考采集通道注入模拟电压信号；所述参考采集通道，用于采集实际注入信号以获得参考参数，并将所述参考参数输出至处理模块；识别结果采集模块，用于获取所述待测低压宽频电压监测装置输出的识别结果，并将所述识别结果输出至所述处理模块；所述处理模块，与所述任意波形发生器连接，被配置为根据所述参考参数与目标参数之间的偏差调整所述任意波形发生器的输出参数，直至所述参考参数满足预设稳定条件，并以所述参考参数为基准，根据所述识别结果计算装置识别误差。

3、此处，所述参考采集通道在所述注入节点处并联采集实际信号，以所述参考参数作为校验基准，而非依赖所述任意波形发生器的设定值。所述处理模块根据所述参考参数与所述目标参数之间的所述偏差驱动闭环修正，并在所述预设稳定条件满足后才以所述参考参数为基准评价所述识别结果，从而将注入链路误差从装置评价体系中剥离。

4、可选地，一些实施例的系统中，所述参考采集通道的输入端与所述任意波形发生器的输出端以及所述待测低压宽频电压监测装置的输入端并联连接于同一注入节点；所述参考采集通道的采样率不低于50ks/s，测量精度不低于0.1%；所述参考参数包括参考频率、参考幅值和参考相位，所述参考参数由硬件快速傅里叶变换引擎对所述实际注入信号进行汉宁窗加窗插值快速傅里叶变换处理获得；所述硬件快速傅里叶变换引擎由现场可编程逻辑门阵列实现，包括流水线基四蝶形运算单元、汉宁窗系数只读存储器、谱峰搜索器和三点插值器，所述谱峰搜索器用于定位幅度最大的谱线及其左右邻线，所述三点插值器用于根据所述幅度最大的谱线及其左右邻线的幅值计算所述参考频率和所述参考幅值。

5、本实施例中，所述硬件快速傅里叶变换引擎以所述现场可编程逻辑门阵列的所述流水线基四蝶形运算单元在硬件层面完成所述实际注入信号的所述汉宁窗加窗插值快速傅里叶变换处理，所述谱峰搜索器与所述三点插值器协同从所述频谱中提取所述参考频率和所述参考幅值。所述参考参数的获取延迟由硬件确定，不依赖所述处理模块的软件调度，因此所述参考参数能够实时反馈至所述处理模块的所述闭环修正流程。

6、可选地，一些实施例的系统中，所述参考采集通道包括有源屏蔽探头、共模抑制单元和模数转换单元；所述有源屏蔽探头，具有信号探针、接地探针和屏蔽驱动输出端，所述屏蔽驱动输出端与同轴屏蔽层连接，以使得所述同轴屏蔽层的电位动态跟随所述信号探针的电位；所述共模抑制单元，包括宽带变压器，所述宽带变压器的初级中心抽头通过高阻值电阻连接至所述接地探针，所述宽带变压器的次级以差分方式连接至所述模数转换单元，以抑制所述实际注入信号中的共模噪声。

7、本方案中，所述有源屏蔽探头的所述屏蔽驱动输出端驱动所述同轴屏蔽层跟随所述信号探针的所述电位，所述同轴屏蔽层与所述信号探针之间因等电位而消除分布电容的旁路效应。所述共模抑制单元的所述宽带变压器通过所述初级中心抽头经所述高阻值电阻连接至所述接地探针，将所述实际注入信号中的所述共模噪声在所述宽带变压器的所述初级被抑制，再以所述差分方式送入所述模数转换单元，从而所述参考采集通道在物理层同时抑制了容性负载效应和共模干扰。

8、可选地，一些实施例的系统中，所述有源屏蔽探头还包括自校准基准源、模拟切换开关、内层屏蔽罩和外层屏蔽罩；所述自校准基准源，包括带隙基准电压芯片和精密电阻分压网络，用于产生至少两档标准校准电压；所述模拟切换开关，其公共端与所述有源屏蔽探头的缓冲放大器输入端连接，其常闭触点与所述信号探针连接，其常开触点与所述自校准基准源的输出端连接；所述内层屏蔽罩与所述屏蔽驱动输出端连接，所述外层屏蔽罩与系统参考地连接，所述内层屏蔽罩与所述外层屏蔽罩之间填充有绝缘介质层以形成双层屏蔽结构；所述处理模块还被配置为，在所述参考采集通道执行自检时，控制所述模拟切换开关切换至所述常开触点，以将所述自校准基准源接入所述缓冲放大器。

9、本实施例中，所述自校准基准源的所述带隙基准电压芯片与所述精密电阻分压网络产生所述至少两档标准校准电压，在所述自检时由所述模拟切换开关将所述标准校准电压接入所述缓冲放大器，使得所述有源屏蔽探头的所述缓冲放大器自身增益和偏移被标定。所述内层屏蔽罩与所述屏蔽驱动输出端连接而跟随所述信号探针的所述电位，所述外层屏蔽罩接所述系统参考地以屏蔽外部辐射，所述双层屏蔽结构将电场屏蔽与电磁屏蔽分离，因此所述有源屏蔽探头的等效输入噪声和容性负载均被降至极低水平。

10、可选地，一些实施例的系统中，所述共模抑制单元还包括斩波稳零运算放大器，所述斩波稳零运算放大器设置于所述宽带变压器的次级与所述模数转换单元之间；所述斩波稳零运算放大器，具有内部斩波调制器和解调器，用于将低频噪声和输入失调电压调制到斩波频率并进行滤除；所述处理模块还被配置为，根据所述参考参数中的幅值范围，控制所述斩波稳零运算放大器的增益挡位，以使得所述模数转换单元的输入信号幅度接近所述模数转换单元的量程；所述测试信号参考回读式闭环校验系统还包括隔离供电模块和多点温度传感网络，所述隔离供电模块包括隔离型直流-直流转换器和低压差线性稳压器，所述隔离型直流-直流转换器的输出端通过隔离变压器与次级电路耦合，所述低压差线性稳压器输出端向所述共模抑制单元和所述斩波稳零运算放大器供电；所述多点温度传感网络包括至少三个数字温度传感器，分别贴附于所述任意波形发生器、所述参考采集通道和注入节点处，所述处理模块获取各监测点的实时温度值，并在相邻测试工况之间检测到温度变化超过预设温度阈值时，触发所述参考采集通道执行自检。

11、此处，所述斩波稳零运算放大器的所述内部斩波调制器和所述解调器将所述低频噪声和所述输入失调电压搬移至所述斩波频率并滤除，所述处理模块根据所述参考参数的所述幅值范围调整所述增益挡位以匹配所述模数转换单元的所述量程。所述隔离供电模块的所述隔离变压器切断数字噪声通过所述电源回路的传导，所述低压差线性稳压器进一步抑制纹波后向所述共模抑制单元和所述斩波稳零运算放大器供电。所述多点温度传感网络的所述至少三个数字温度传感器监测各关键位置，在所述温度变化超过所述预设温度阈值时触发所述自检，从而所述参考采集通道的精度在器件级、电源级和环境级三个层面得到协同保障。

12、可选地，一些实施例的系统中，所述参考采集通道还包括自检开关和自检信号源；所述自检开关在所述处理模块的控制下，将所述模数转换单元的输入端选择性地连接至零伏参考电平或标准正弦信号源，以在正式测试前检测噪声底和幅值测量误差；所述处理模块还被配置为，利用自检阶段获得的所述幅值测量误差，对汉宁窗的相干增益进行修正，使得修正后的相干增益为零点五与所述幅值测量误差的乘积；当所述噪声底超过预设的低幅值噪声阈值时，所述处理模块对所述参考幅值施加多次采样平均后再执行相干增益补偿。

13、本方案中，所述自检开关在所述处理模块的所述控制下将所述模数转换单元的所述输入端连接至所述零伏参考电平以检测所述噪声底，或连接至所述标准正弦信号源以检测所述幅值测量误差。所述处理模块利用所述幅值测量误差对所述汉宁窗的所述相干增益进行修正，并在所述噪声底偏高时通过所述多次采样平均压制随机噪声后再补偿，因此所述参考幅值在低幅值工况下的测量准确度得以维持。

14、可选地，一些实施例的系统中，还包括注入节点缓冲隔离器和注入节点电压监测电路；所述注入节点缓冲隔离器串联于所述任意波形发生器的输出端与所述注入节点之间，包括单位增益缓冲放大器，所述单位增益缓冲放大器具有不低于十兆欧姆的输入阻抗和不高于零点一欧姆的输出阻抗，以隔离所述待测低压宽频电压监测装置的输入阻抗变化对所述任意波形发生器输出信号的影响；所述注入节点电压监测电路包括差分仪表放大器和窗口比较器，所述差分仪表放大器的输入端跨接于所述注入节点的信号端和参考地端，用于提取所述实际注入信号的直流偏置分量和交流有效值，所述窗口比较器用于将所述直流偏置分量和交流有效值分别与预设阈值比较；所述处理模块还被配置为，在所述窗口比较器输出越限信号时，判定所述注入节点存在连接异常或所述注入节点缓冲隔离器故障并触发保护动作。

15、此处，所述注入节点缓冲隔离器的所述单位增益缓冲放大器以所述高输入阻抗和所述低输出阻抗将所述待测低压宽频电压监测装置的所述输入阻抗变化与所述任意波形发生器解耦。所述注入节点电压监测电路的所述差分仪表放大器提取所述直流偏置分量和所述交流有效值，所述窗口比较器与所述预设阈值比较，一旦越限即由所述处理模块判定异常并触发所述保护动作，因此所述注入节点的信号完整性和硬件健康状态同时处于监控之下。

16、可选地，一些实施例的系统中，还包括精密时钟同步网络，所述精密时钟同步网络包括恒温晶振、时钟扇出缓冲器和可编程延迟线；所述恒温晶振，用于产生全局主时钟信号；所述时钟扇出缓冲器，输入端与所述恒温晶振的输出端连接，多路输出端分别连接至所述任意波形发生器的时钟输入端、所述参考采集通道的采样时钟输入端和所述处理模块的时钟输入端；所述可编程延迟线，串联于至少一路所述时钟扇出缓冲器的输出路径上，用于补偿各所述时钟输入端之间的路径延迟差异；所述处理模块与所述任意波形发生器之间通过硬件实时控制总线连接，所述硬件实时控制总线包括至少一路串行外设接口总线和至少一路通用输入输出信号线，所述串行外设接口总线用于在所述全局主时钟信号的节拍下传输增益控制字和相位控制字，所述通用输入输出信号线用于传输波形重载触发信号；所述处理模块还被配置为，在检测到所述参考参数中的频率误差超过频率阈值时，通过所述通用输入输出信号线向所述任意波形发生器发送所述波形重载触发信号。

17、本实施例中，所述精密时钟同步网络的所述恒温晶振产生所述全局主时钟信号，经所述时钟扇出缓冲器分配至所述任意波形发生器、所述参考采集通道和所述处理模块，所述可编程延迟线补偿各所述时钟输入端之间的所述路径延迟差异。所述硬件实时控制总线的所述串行外设接口总线在所述全局主时钟信号的所述节拍下传输所述增益控制字和所述相位控制字，所述通用输入输出信号线传输所述波形重载触发信号，因此所述闭环修正的指令时序与采样时序被统一在同一个时钟域内确定性执行。

18、可选地，一些实施例的系统中，还包括可编程负载模拟器，所述可编程负载模拟器并联于所述注入节点；所述可编程负载模拟器，包括数控电阻网络和数控电容阵列；所述处理模块还被配置为，根据所述待测低压宽频电压监测装置的标称输入阻抗，控制所述可编程负载模拟器的开关组合，以模拟所述待测低压宽频电压监测装置的输入阻抗特性。

19、可选地，一些实施例的系统中，还包括输出重构滤波器和系统自检切换矩阵；所述输出重构滤波器串联于所述任意波形发生器的数模转换器输出端，包括多个可切换的低通滤波器组；所述系统自检切换矩阵包括多个模拟开关，配置于所述任意波形发生器的输出端、所述参考采集通道的输入端和所述注入节点之间，在第二切换状态下将所述任意波形发生器与所述参考采集通道直接连接形成内部环回通路；所述处理模块还被配置为，在正式测试前控制所述系统自检切换矩阵切换至所述第二切换状态，通过所述内部环回通路和所述输出重构滤波器评估联合传输特性。

20、可选地，一些实施例的系统中，所述处理模块还被配置为：当参考幅值与目标幅值之间的偏差不满足所述预设稳定条件时，根据所述目标幅值与所述参考幅值之间的比例关系，调整所述任意波形发生器的输出幅值命令；当参考相位与目标相位之间的偏差不满足所述预设稳定条件时，根据所述目标相位与所述参考相位之间的差值以及相位补偿系数，调整所述任意波形发生器的输出相位命令；所述预设稳定条件包括：连续两次获得的所述参考参数中，参考频率与目标频率之间的频率误差不大于0.5hz、所述参考幅值与所述目标幅值之间的幅值相对误差不大于2%、所述参考相位与所述目标相位之间的相位误差不大于2°，且所述连续两次获得的所述参考参数之间，幅值相对偏差小于0.1%、相位偏差小于0.5°；每个测试工况的调整总次数不超过五次，初始注入不计入所述总次数，当所述调整的次数超过五次而所述参考参数仍未满足所述预设稳定条件时，所述处理模块将所述测试工况标记为注入异常工况，不计算所述装置识别误差，并记录异常类型。

21、此处，所述处理模块以所述比例关系调整所述输出幅值命令，以所述差值和所述相位补偿系数调整所述输出相位命令。所述预设稳定条件要求所述连续两次获得的所述参考参数的所述频率误差、所述幅值相对误差和所述相位误差均低于各自阈值，且相邻所述参考参数之间的所述幅值相对偏差和所述相位偏差分别受限，同时所述调整总次数被上限约束以阻断无限循环。因此所述实际注入信号在评价所述装置识别误差前既被精确逼近所述目标参数，又在时间和幅度维度上被验证为确实稳定。

22、可选地，一些实施例的系统中，所述任意波形发生器的输出路径上串联有模拟预补偿网络，所述模拟预补偿网络包括增益调节级和相位调节级；所述增益调节级，包括乘法型数模转换器，所述乘法型数模转换器的参考电压输入端接收所述任意波形发生器输出的原始波形信号，其数字输入端接收来自所述处理模块的增益控制字；所述相位调节级，包括数控全通滤波器，其输入端与所述增益调节级的输出端连接，其相移量由来自所述处理模块的相位控制字确定；所述处理模块还被配置为执行所述相位补偿系数的自整定：在首次注入前，控制所述任意波形发生器输出相位校准脉冲，所述相位校准脉冲包括已知的相位跳变沿，接收所述参考采集通道对所述相位校准脉冲进行参数估计后返回的参考相位跳变时刻，计算发送相位跳变时刻与接收相位跳变时刻之间的相位延迟，根据所述相位延迟与目标相位调整步长的比值确定所述相位补偿系数，当所述相位延迟大于预设滞后阈值时将所述相位补偿系数设置为大于一的值以加速相位收敛。

23、本方案中，所述模拟预补偿网络的所述乘法型数模转换器在所述增益控制字作用下缩放所述原始波形信号的幅度，所述数控全通滤波器在所述相位控制字作用下调节相位。所述处理模块通过所述相位校准脉冲实测所述相位延迟，据此自整定所述相位补偿系数，使得所述模拟预补偿网络的参数与所述注入链路的实际特性匹配，因此所述闭环修正能够在前馈通道中快速收敛。

24、可选地，一些实施例的系统中，所述处理模块还被配置为：在所述连续两次获得的所述参考参数满足所述预设稳定条件之后，继续监测后续多次所述参考参数的变化趋势；当所述变化趋势表明所述参考参数呈单调漂移且漂移量在预设漂移预警阈值以内时，判定所述实际注入信号为准稳定状态，并在所述准稳定状态下缩短所述待测低压宽频电压监测装置的识别结果采集窗口；在判定所述实际注入信号稳定后，所述处理模块对所述参考参数对应的时域数据进行时域加窗分段，对每个分段分别执行汉宁窗加窗插值快速傅里叶变换，得到多个分段频谱，对所述多个分段频谱的基波幅值和基波相位进行统计分析，计算分段间幅值标准差和分段间相位标准差；当所述分段间幅值标准差超过0.1%或所述分段间相位标准差超过0.5°时，所述处理模块生成幅相漂移报警信号并将该测试工况标记为稳定性可疑，优先提示检查所述任意波形发生器的输出放大器热漂移或所述参考采集通道的时基抖动。

25、此处，所述处理模块在所述预设稳定条件满足后继续监测所述变化趋势，在所述单调漂移但尚未超限时缩短所述采集窗口以抢出有效数据。稳定后通过所述时域加窗分段与所述汉宁窗加窗插值快速傅里叶变换获得所述多个分段频谱，统计所述分段间幅值标准差和所述分段间相位标准差，超标时生成所述幅相漂移报警信号并指示可能的物理根源，因此系统对稳定性的管理从单点判断扩展为全时段的趋势预判与根因提示。

26、可选地，一些实施例的系统中，所述处理模块还被配置为：在正式测试前，控制所述任意波形发生器在预定频带内以预设步长发送多个导频信号，并通过所述参考采集通道获取各所述导频信号对应的参考参数，根据所述多个导频信号的设定参数与对应的所述参考参数，构建注入链路的频域传递函数模型；对于任一测试工况，所述处理模块根据所述频域传递函数模型计算逆补偿参数，以调整所述任意波形发生器的输出参数；在执行后续修正时，所述处理模块根据连续多次注入的所述任意波形发生器的输出命令参数与对应的所述参考参数，采用递推最小二乘算法对所述频域传递函数模型的幅值增益系数和相位延迟系数进行在线辨识，得到所述频域传递函数模型的实时估计；所述处理模块利用所述实时估计的所述频域传递函数模型，对下一次注入所需的输出命令参数进行前馈预补偿，使得修正后的所述输出命令参数经所述频域传递函数模型作用后得到的预测回读参数逼近所述目标参数。

27、本实施例中，所述频域传递函数模型由所述多个导频信号扫频构建，为所述逆补偿参数提供初始值。所述递推最小二乘算法在后续修正中持续在线辨识所述幅值增益系数和所述相位延迟系数，使所述频域传递函数模型跟踪所述注入链路的实时变化，所述前馈预补偿据此直接生成接近所述目标参数的所述输出命令参数，因此所述闭环修正的迭代次数被大幅压缩。

28、可选地，一些实施例的系统中，所述处理模块还被配置为：在正式测试前，控制所述任意波形发生器在目标频率的预定频带内以预设步长发送多个导频信号，并通过所述参考采集通道获取各所述导频信号对应的参考参数；根据所述多个导频信号的设定参数与对应的所述参考参数，构建注入链路的频域传递函数模型；对于后续的每个测试工况，计算使所述参考参数逼近所述目标参数的逆补偿参数，以调整所述任意波形发生器的输出参数。

29、可选地，一些实施例的系统中，所述处理模块还被配置为：构建与物理测试链路对应的数字孪生模型，所述数字孪生模型包括所述任意波形发生器、注入线缆和所述参考采集通道的参数化模型；利用所述数字孪生模型对测试工况进行仿真预演，以预估所需修正次数；并在测试出现异常时，通过调整所述数字孪生模型中元件的参数来复现异常现象以定位故障源。

30、此处，所述数字孪生模型包含所述任意波形发生器、所述注入线缆和所述参考采集通道的所述参数化模型，在物理测试前通过所述仿真预演评估所述测试工况的修正难度。异常发生后，所述数字孪生模型中所述元件的所述参数被调整以复现所述异常现象，从而在不拆解物理链路的情况下推断故障源。

31、可选地，一些实施例的系统中，所述处理模块还被配置为：在正式测试过程中，将所述参考参数、所述任意波形发生器的所述输出参数以及环境温度值，实时同步至所述数字孪生模型，以使得所述数字孪生模型与所述物理测试链路保持状态一致；当所述参考参数在连续多个测试工况中出现趋势性漂移时，利用所述数字孪生模型仿真分析所述趋势性漂移的潜在原因，所述潜在原因包括线缆老化、接插件氧化和元器件温漂中的至少一种。

32、可选地，一些实施例的系统中，所述处理模块还被配置为：在构建所述数字孪生模型时，将所述任意波形发生器的输出级模型参数、所述注入线缆的散射参数模型参数和所述参考采集通道的输入级模型参数，作为所述数字孪生模型的初始参数；在每轮测试工况完成后，计算所述参考参数与所述数字孪生模型的仿真输出之间的残差；将所述数字孪生模型的参数作为候选解，以所述残差最小化为目标，通过群体搜索与个体经验相结合的迭代寻优方式，对所述数字孪生模型的参数进行在线校准。

33、可选地，一些实施例的系统中，所述处理模块还被配置为：构建知识图谱，所述知识图谱包括硬件状态节点、故障类型节点和处置建议节点以及各节点之间的关联关系，所述硬件状态节点包括参考采集通道的噪声底节点、任意波形发生器的输出阻抗节点和注入节点直流偏置节点，所述故障类型节点包括幅值衰减异常节点、相位偏移异常节点和信号畸变异常节点；当所述测试工况被标记为所述注入异常工况时，将所述参考采集通道的噪声底、所述任意波形发生器的输出状态和所述注入节点的直流偏置作为输入特征，利用所述知识图谱中的所述关联关系进行多跳推理，以定位所述注入异常工况的根本原因并输出排故指令。

34、可选地，一些实施例的系统中，所述处理模块还被配置为：将调整所述任意波形发生器的输出参数的过程中的当前频率、幅值误差和相位误差的离散化组合定义为状态，将多个预定义的修正动作定义为动作集合；在离线仿真环境中，对每个所述状态评估执行不同所述修正动作所获得的累积奖励，所述累积奖励以所述参考参数与所述目标参数之间的偏差缩小为正向激励、以修正次数增加为负向激励；迭代更新每个所述状态下各所述修正动作的期望累积奖励值，直至收敛，得到使所述期望累积奖励值最大的所述修正动作与所述状态的对应关系；在正式测试时，根据当前所述状态查询所述对应关系，以确定并执行对应的所述修正动作。

35、本方案中，所述处理模块将所述当前频率、所述幅值误差和所述相位误差的所述离散化组合作为所述状态，在离线仿真中通过所述累积奖励的迭代更新学习所述状态与所述修正动作之间的最优对应关系。在线测试时直接查表决策，无需在线试错，因此所述闭环修正在复杂链路条件下也能以最小次数收敛。