一种用于直流互感器校验仪校准的标准误差装置的制作方法

1.本实用新型涉及互感器校验技术领域，并且更具体地，涉及一种用于直流互感器校验仪校准的标准误差装置。


背景技术：

2.随着国内直流输电工程的快速发展及直流换流站属地化运维管理的实现，作为直流互感器校准测试的重要设备，直流互感器校验仪也得到了大量应用，然后直流互感器校验仪的校准检测的问题也愈加凸显。在直流互感器校验仪的校准中，标准误差及标准数字协议报文的实现是需要解决的两大关键问题。目前国内外主要针对交流领域的互感器校验仪的校准技术研究开展研究，对直流互感器校验仪校准技术及设备方面的研究则较少。
3.一种用于对直流互感器校验仪进行整检的方法及系统(201811277781.3)提出一种直流互感器校验仪的校准方案，采用模拟微差叠加单元在输入信号上叠加
±
0.01％
‑±
1％可调的模拟标准误差。中国电力科学研究院申请的实用新型专利-一种基于数字源的电子式互感器校验仪校验装置及方法(专利号：zl201210436816.x)采用基于数学方法生成标准iec61850数据帧的标准数字源来实现电子式互感器校验仪的数字量溯源，标准数字源信号可叠加比差和角差后与标准模拟源同步输出；江苏电力公司和中国电力科学研究院联合申请的实用新型专利-电子式互感器谐波校验仪校验装置及校验方法(专利号：zl201410187562.1)同样基于数学公式方法实现输出iec61850数据帧的标准数字源，配合可溯源至国家谐波标准的谐波发生器实现电子式互感器谐波校验仪的整体校验；上述专利中的标准误差大多是基于数学公式生成的数字标准误差，而模拟的标准误差并未给出具体的技术实现方案。


技术实现要素：

4.本实用新型提出一种用于直流互感器校验仪校准的标准误差装置，以解决如何解决直流互感器校验仪的误差校准的问题。
5.为了解决上述问题，根据本实用新型的一个方面，提供了一种用于直流互感器校验仪校准的标准误差装置，所述装置包括：依次串联连接的第一级运算放大器单元、第二级运算放大器单元和第三级运算放大器单元；其中，
6.所述第一级运算放大器单元用于实现阻抗匹配；所述第二级运算放大器单元用于进行电压比例转换，实现电压匹配；所述第三级运算放大器单元用于对电压比例系数进行微调；输入的模拟电压信号依次经过第一级运算放大器单元、第二级运算放大器单元和第三级运算放大器单元实现电压微调后输出；
7.其中，所述第一级运算放大器单元采用电压跟随器电路结构；所述第二级运算放大器单元采用反相放大器电路结构；第三级运算放大器单元采用反相放大器电路结构。
8.优选地，其中所述第一级运算放大器单元包括：第一运算放大器a1；所述第二级运算放大器单元包括：第二运算放大器a2、第一电阻r1和第二电阻r2；所述第三级运算放大器
单元包括：第三运算放大器a3、第三电阻r3、第四电阻r4和第五电阻r5；其中，a1的同相输入端和电压输入端相连接，a1的反相输入端和输出端均与r1的一端相连接；r1的另一端分别与r2的一端和a2的反相输入端相连接；a2的输出端分别与r2的另一端和r3的一端相连接；r3的另一端分别与r4的一端和a3的反相输入端相连接；r4的另一端与r5的一端相连接；a3的输出端分别与r5的另一端和电压输出端相连接；a3的同相输入端和a2的同相输入端均接地。
9.优选地，其中所述第一级运算放大器单元的电压转换系数为1；
10.所述第二级运算放大器单元的电压比例系数为：k1＝r2/r1；电压比例系数k1为0.1、1或10，通过调节r2的阻值实现；
11.所述第三级运算放大器单元的电压比例系数为：k2＝(r4 r5)/r3；所述第三级运算放大器单元的微差系数为：ε0＝(r4 r5)/r
3-1。
12.优选地，其中所述第四电阻r4，包括：第一子电阻r
4a
、第二子电阻r
4b
和第一极性开关s1；所述第五电阻r5包括：第一微差电阻r6、第二微差电阻r7、第三微差电阻r8、第二极性开关s2、第三极性开关s3、第四极性开关s4、第一微差调节开关sa、第二微差调节开关sb和第三微差调节开关sc；
13.其中，r
4a
的一端与r3的另一端相连接，r
4a
的另一端分别与r
4b
的一端和s1的一端相连接；r
4b
的另一端与s1的一端相连接；s1的另一端、sa、r6、s2、r7、s3、r8和s4依次连接，所述s4的输出端分别与a3的输出端和电压输出端相连接；
14.第四电阻r4的大小调节通过控制开关s1实现；第五电阻r5的大小调节通过控制s2、s3、s4、sa、sb、sc实现；所述第三级运算放大器单元的微差系数ε0的值和极性调节通过调节r4和r5实现。
15.优选地，其中所述第一微差电阻r6，包括：串联连接的第一预设数量的第一电阻单元；所述第二微差电阻r7，包括：串联连接的第二预设数量的第二电阻单元，所述第三微差电阻r8，包括：串联连接的第三预设数量的第三电阻单元。
16.优选地，其中第一预设数量为9，第二预设数量为9，第三预设数量为10，第一电阻单元、第二电阻单元和第三电阻单元的阻值比为：100:10:1,通过s2、s3、s4和sa、sb、sc对电阻r5的值进行调节，实现r5的调节范围为0-1000r0，r0为第三电阻单元的阻值。
17.优选地，其中所述第五电阻r5采用三级十进制结构，分别通过控制sa、sb和sc实现电阻r5的三级分辨率调节控制。
18.优选地，其中三个微差调节开关sa、sb和sc的有效触点分别为10个、10个和11个，触点编号分别为0-9、0-9和0-10，sa能够实现电阻r5调节分辨率为100r0；sb能够实现电阻r5调节分辨率为10r0；sc能够实现电阻r5调节分辨率为r0。
19.优选地，其中设置r
4a
的阻值为99000r0，r
4b
的阻值为1000r0，r3的阻值为100000r0，控制微差调节开关sa、sb和sc分别切换到触点n1、n2和n3，其中n1、n2∈{0、1、2、3
……
9}，n3∈{0、1、2、3
……
10}，
20.当控制极性开关s1、s2、s3和s4同时切换到触点a时，有电阻r4＝100000r0，电阻r5＝100n1r0 10n2r0 n3r0，根据微差系数公式ε0＝(r4 r5)/r
3-1，能够计算出微差系数为：
21.ε0＝0.1％n1 0.01％n2 0.001％n3，
22.当控制极性开关s1、s2、s3和s4同时切换到触点b时，有电阻r4＝99000r0，r5＝1000r
0-(100n1r0 10n2r0 n3r0)，能够计算出微差系数为：
23.ε0＝-(0.1％n1 0.01％n2 0.001％n3)，
24.通过控制s1、s2、s3和s4调节微差的极性，控制sa、sb和sc调节微差的值，调节范围为
±
1％，实现三级调节分辨率，分别为0.1％、0.01％和0.001％。
25.优选地，其中sa、sb和sc为机械旋转开关或可编程的数字开关，sa与r6、sb与r7以及sc与r8之间均采用环形分布，r6、r7和r8中各电阻均匀分布于开关的触点中间位置，使电阻与触点呈环形交错的紧凑型分布。
26.本实用新型提供了一种用于直流互感器校验仪校准的标准误差装置，包括：第一运算放大器单元用于实现阻抗匹配；第二级运算放大器单元用于进行电压比例转换，实现电压匹配；第三级运算放大器单元用于对电压比例系数进行微调；输入的模拟电压信号依次经过第一级运算放大器单元、第二级运算放大器单元和第三级运算放大器单元实现电压微调后输出；基于有源运放的多级串联比例技术，通过有源运放的电压比例电路和三级十进制结构的精密串联电阻网络结合，能够实现可微调的高准确度高稳定度的电压比例输出，能够输出
±
0％
‑±
1％范围的模拟标准误差，标准误差的最小调节分辨率为0.001％，可用于直流互感器校验仪的校准中，作为校准装置中标准误差的输出装置，解决直流互感器校验仪的标准误差量值溯源问题。
附图说明
27.通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本实用新型的示例性实施方式：
28.图1为根据本实用新型实施方式的用于直流互感器校验仪校准的标准误差装置100的结果示意图；
29.图2为根据本实用新型实施方式的用于直流互感器校验仪校准的标准误差装置的示例图；
30.图3为根据本实用新型实施方式的三级十进制串联电阻网络的示意图；
31.图4为根据本实用新型实施方式的电阻与开关触电的环形交错紧凑型分布结构的示意图。
具体实施方式
32.现在参考附图介绍本实用新型的示例性实施方式，然而，本实用新型可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本实用新型，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本实用新型的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本实用新型的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
33.除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
34.图1为根据本实用新型实施方式的用于直流互感器校验仪校准的标准误差装置100的结果示意图。如图1所示，本实用新型实施方式提供的用于直流互感器校验仪校准的标准误差装置，基于有源运放的多级串联比例技术，通过有源运放的电压比例电路和三级十进制结构的精密串联电阻网络结合，能够实现可微调的高准确度高稳定度的电压比例输
出，能够输出
±
0.01％
‑±
1％范围的模拟标准误差，标准误差的最小调节分辨率为0.001％，可用于直流互感器校验仪的校准中，作为校准装置中标准误差的输出装置，解决直流互感器校验仪的标准误差量值溯源问题。本实用新型实施方式提供的用于直流互感器校验仪校准的标准误差装置100，包括：依次串联连接的第一级运算放大器单元101、第二级运算放大器单元102和第三级运算放大器单元103。
35.优选地，所述第一级运算放大器单101用于实现阻抗匹配；所述第二级运算放大器单元102用于进行电压比例转换，实现电压匹配；所述第三级运算放大器单元103用于对电压比例系数进行微调；输入的模拟电压信号依次经过第一级运算放大器单元、第二级运算放大器单元和第三级运算放大器单元实现电压微调后输出。
36.优选地，其中所述第一级运算放大器单元采用电压跟随器电路结构；所述第二级运算放大器单元采用反相放大器电路结构；第三级运算放大器单元采用反相放大器电路结构。
37.具体地，结合图2所示，本实用新型的用于直流互感器校验仪校准的标准误差装置主要由三个运算放大器单元组成，三个运运算放大器单元采用串联形式连接。第一级运算放大器单元的主要功能是阻抗匹配；第二级运算放大器单元的主要功能是电压比例转换，达到电压匹配的作用；第三级运算放大器单元的主要功能是电压比例系数微调，电压比例系数的微调是通过调节微差系数实现的。第一级运算放大器单元采用电压跟随器电路结构，第二级和第三级运算放大器单元采用反相放大器电路结构。
38.用于直流互感器校验仪校准的标准误差装置的主要功能是对输入的模拟电压信号依次经过第一级运算放大器单元的电压跟随、第二级运算放大器单元的电压比例转换和第三级运算放大器单元的电压比例微调后输出。假设标准误差装置输入的模拟电压信号幅值为un，第二级运算放大器单元的电压比例转换系数为k1，第三级运算放大器单元的电压比例系数为k2＝1 ε0，ε0为微差系数，则标准误差装置输出为u0＝k1×
(1 ε0)
×
un，微差系数为：
[0039][0040]
优选地，其中所述第一级运算放大器单元包括：第一运算放大器a1；所述第二级运算放大器单元包括：第二运算放大器a2、第一电阻r1和第二电阻r2；所述第三级运算放大器单元包括：第三运算放大器a3、第三电阻r3、第四电阻r4和第五电阻r5；其中，a1的同相输入端和电压输入端相连接，a1的反相输入端和输出端均与r1的一端相连接；r1的另一端分别与r2的一端和a2的反相输入端相连接；a2的输出端分别与r2的另一端和r3的一端相连接；r3的另一端分别与r4的一端和a3的反相输入端相连接；r4的另一端与r5的一端相连接；a3的输出端分别与r5的另一端和电压输出端相连接；a3的同相输入端和a2的同相输入端均接地。
[0041]
优选地，其中所述第一级运算放大器单元的电压转换系数为1；
[0042]
所述第二级运算放大器单元的电压比例系数为：k1＝r2/r1；电压比例系数k1为0.1、1或10，通过调节r2的阻值实现；
[0043]
所述第三级运算放大器单元的电压比例系数为：k2＝(r4 r5)/r3；所述第三级运算放大器单元的微差系数为：ε0＝(r4 r5)/r
3-1。
[0044]
结合图2所示，在本实用新型中，第一级运算放大器单元主要由运算放大器芯片
(第一运算放大器)a1组成，其电压转换系数为1；第二级运算放大器单元主要由运算放大器芯片(第二运算放大器)a2、电阻r1和r2组成，其电压比例系数k1＝r2/r1；第三级运算放大器单元主要由运算放大器芯片(第三运算放大器)a3、电阻r3、r4和r5组成，其电压比例系数k2＝(r4 r5)/r3，其中电阻r1、r2、r3、r4和r5可以是单个电阻，也可以是多个电阻组成。
[0045]
第二级运算放大器单元的电压比例系数可以通过调节电阻r2的阻值实现，其电压比例系数k1可调节为0.1、1或10。第三级运算放大器单元的微差系数ε0＝(r4 r5)/r
3-1，其调节范围为
±
1％，则其电压比例系数调节范围为1
±
1％，其微差系数采用三级调节，三级微差系数调节的调节分辨率分别为0.1％、0.01％和0.001％。
[0046]
优选地，其中所述第四电阻r4，包括：第一子电阻r
4a
、第二子电阻r
4b
和第一极性开关s1；所述第五电阻r5包括：第一微差电阻r6、第二微差电阻r7、第三微差电阻r8、第二极性开关s2、第三极性开关s3、第四极性开关s4、第一微差调节开关sa、第二微差调节开关sb和第三微差调节开关sc；
[0047]
其中，r
4a
的一端与r3的另一端相连接，r
4a
的另一端分别与r
4b
的一端和s1的一端相连接；r
4b
的另一端与s1的一端相连接；s1的另一端、sa、r6、s2、r7、s3、r8和s4依次连接，所述s4的输出端分别与a3的输出端和电压输出端相连接；
[0048]
第四电阻r4的大小调节通过控制开关s1实现；第五电阻r5的大小调节通过控制s2、s3、s4、sa、sb、sc实现；所述第三级运算放大器单元的微差系数ε0的值和极性调节通过调节r4和r5实现。
[0049]
优选地，其中所述第一微差电阻r6，包括：串联连接的第一预设数量的第一电阻单元；所述第二微差电阻r7，包括：串联连接的第二预设数量的第二电阻单元，所述第三微差电阻r8，包括：串联连接的第三预设数量的第三电阻单元。
[0050]
优选地，其中第一预设数量为9，第二预设数量为9，第三预设数量为10，第一电阻单元、第二电阻单元和第三电阻单元的阻值比为：100:10:1,通过s2、s3、s4和sa、sb、sc对电阻r5的值进行调节，实现r5的调节范围为0-1000r0，r0为第三电阻单元的阻值。
[0051]
优选地，其中所述第五电阻r5采用三级十进制结构，分别通过控制sa、sb和sc实现电阻r5的三级分辨率调节控制，微差调节开关sa、sb和sc的有效触点分别为10个、10个和11个，触点编号分别为0-9、0-9和0-10，sa能够实现电阻r5调节分辨率为100r0；sb能够实现电阻r5调节分辨率为10r0；sc能够实现电阻r5调节分辨率为r0。
[0052]
优选地，其中设置r
4a
的阻值为99000r0，r
4b
的阻值为1000r0，r3的阻值为100000r0，控制微差调节开关sa、sb和sc分别切换到触点n1、n2和n3，其中n1、n2∈{0、1、2、3
……
9}，n3∈{0、1、2、3
……
10}，
[0053]
当控制极性开关s1、s2、s3和s4同时切换到触点a时，有电阻r4＝100000r0，电阻r5＝100n1r0 10n2r0 n3r0，根据微差系数公式ε0＝(r4 r5)/r
3-1，能够计算出微差系数为：
[0054]
ε0＝0.1％n1 0.01％n2 0.001％n3，
[0055]
当控制极性开关s1、s2、s3和s4同时切换到触点b时，有电阻r4＝99000r0，r5＝1000r
0-(100n1r0 10n2r0 n3r0)，能够计算出微差系数为：
[0056]
ε0＝-(0.1％n1 0.01％n2 0.001％n3)，
[0057]
通过控制s1、s2、s3和s4调节微差的极性，控制sa、sb和sc调节微差的值，调节范围为
±
1％，实现三级调节分辨率，分别为0.1％、0.01％和0.001％。
[0058]
在本实用新型中，第三级运算放大器单元的微差系数ε0的值和极性调节是通过调节电阻r4和电阻r5实现的。如图3所示，电阻r4由电阻r
4a
、r
4b
和开关s1组成，电阻r5由电阻r6、r7、r8和开关s2、s3、s4、sa、sb、sc组成。电阻r4的调节是通过控制开关s1实现的；电阻r5的调节是通过控制开关s2、s3、s4、sa、sb、sc实现的。其中开关s1、s2、s3和s4为极性开关，开关sa、sb和sc为微差调节开关，电阻r6、r7、r8为微差电阻。
[0059]
微差系数ε0的极性调节是通过控制四个极性开关s1、s2、s3和s4实现的。四个极性开关是联动控制的，可同时切换到触点a或触点b。调节微差系数为正极性时，控制四个极性开关同时切换到触点a，此时电阻r4＝r
4a
r
4b
；调节微差系数为负极性时，控制四个极性开关同时切换到触点b，此时电阻r4＝r
4a
。
[0060]
微差系数ε0的值调节是通过调节电阻r5的值实现的。通过控制三个微差调节开关sa、sb和sc的触点位置来调节电阻r5的值，从而实现微差系数的调节。
[0061]
在电阻r5中，微差电阻r8是由10个阻值为r0的电阻串联组成，微差电阻r7是由9个阻值为10r0的电阻串联组成，微差电阻r6是由9个阻值为100r0的电阻串联组成。通过控制极性控制开关s2、s3、s4和三个微差调节开关sa、sb、sc对电阻r5的值进行调节，电阻r5的调节范围为0-1000r0。
[0062]
电阻r5采用三级十进制结构，分别通过控制三个微差调节开关sa、sb和sc实现电阻r5的三级分辨率调节控制。微差调节开关sa、sb和sc的有效触点分别为10个、10个和11个，其触点编号分别为0-9、0-9和0-10。控制开关sa可实现电阻r5调节分辨率为100r0；控制开关sb可实现电阻r5调节分辨率为10r0；控制开关sc可实现电阻r5调节分辨率为r0。
[0063]
用于直流互感器校验仪校准的标准误差装置的微差调节原理为：配置电阻r
4a
的阻值为99000r0，r
4b
的阻值为1000r0，r3的阻值为100000r0。控制微差调节开关sa、sb和sc分别切换到触点n1、n2和n3时，其中n1、n2∈{0、1、2、3
……
9}，n3∈{0、1、2、3
……
10}，当控制极性开关s1、s2、s3和s4同时切换到触点a，则有电阻r4＝100000r0，电阻r5＝100n1r0 10n2r0 n3r0，根据微差系数公式ε0＝(r4 r5)/r
3-1，可计算出微差系数：
[0064]
ε0＝0.1％n1 0.01％n2 0.001％n3ꢀꢀ
(1)
[0065]
当控制极性开关s1、s2、s3和s4同时切换到触点b，则有电阻r4＝99000r0，r5＝1000r
0-(100n1r0 10n2r0 n3r0)，可计算出微差系数：
[0066]
ε0＝-(0.1％n1 0.01％n2 0.001％n3)
ꢀꢀ
(2)
[0067]
通过控制极性开关s1、s2、s3和s4调节微差的极性；控制微差调节开关sa、sb和sc调节微差的值，调节范围为
±
1％，具有三级调节分辨率，分别为0.1％、0.01％和0.001％。通过优化设计各电阻的温度系数及精度，可获得高准确度和高稳定度的微差系数。
[0068]
优选地，其中sa、sb和sc为机械旋转开关或可编程的数字开关，sa与r6、sb与r7以及sc与r8之间均采用环形分布，r6、r7和r8中各电阻均匀分布于开关的触点中间位置，使电阻与触点呈环形交错的紧凑型分布。
[0069]
如图4所示，在本实用新型中，在电阻r5中，微差调节开关sa、sb和sc为机械旋转开关或可编程的数字开关，开关sa与微差电阻r6、开关sb与微差电阻r7、开关sc与微差电阻r8采用环形分布(类似附图3，附图3为sc与r8的分布示意图)，微差电阻r6、r7、r8中各电阻分别分布于开关的触点中间位置，使电阻与触点呈环形交错的紧凑型分布，减小引线电阻的影响。
[0070]
本实用新型的用于直流互感器校验仪校准的标准误差装置，基于有源运放的多级
串联比例技术，实现了范围为
±
1％、最小调节分辨率为0.001％的标准微差输出，可用于直流互感器校验仪的校准中，作为校准装置中标准误差的输出装置，解决直流互感器校验仪的标准误差量值溯源问题。
[0071]
本专利的用于直流互感器校验仪校准的标准误差装置一般应用于直流互感器校验仪的校准中，作为校准装置中标准模拟微差输出的标准装置，解决直流互感器校验仪的标准误差量值溯源问题。标准误差装置也适用于现场模拟量输出直流互感器的误差补偿以及误差调节装置，可对误差异常的直流互感器进行误差补偿或误差指示，方便现场直流互感器的运维工作。
[0072]
已经通过参考少量实施方式描述了本实用新型。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本实用新型以上公开的其他的实施例等同地落在本实用新型的范围内。
[0073]
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
[0074]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0075]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0076]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0077]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0078]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求保护范围之内。