NBT11216-2023智能变电站数字信号试验装置校准规范

国家能源局发布INB/T11216—2023前言 Ⅱ 1 1 14校准条件 2 26校准结果的表达 7复校时间间隔 附录A(规范性)数字信号校准算法 附录B(资料性)数字信号试验装置校准不确定度评定方法 20参考文献 因本四中点出股社 本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则一第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国电器工业协会提出。本文件由全国量度继电器和保护设备标准化技术委员会(SAC/TC154)归口。本文件起草单位：许昌开普电气研究院有限公司、珠海开普检测技术有限公司、许昌开普检测研究院股份有限公司、南方电网科学研究院有限责任公司、上海乐耘电气技术有限公司、国网湖北省电力有限公司电力科学研究院、中国电力科学研究院有限公司、国网浙江省电力有限公司电力科学研究院、南京合智电力科技有限公司、国电南京自动化股份有限公司、北京四方继保工程技术有限公司、国电南瑞科技股份有限公司、南京南瑞继保电气有限公司、许继电气股份有限公司、长园深瑞继保自动化有限公司、广东昂立电气自动化有限公司、长沙永程科技有限公司、江苏凌创电气自动化股份有限公司、国网河南省电力公司电力科学研究院、国网江苏省电力有限公司电力科学研究院、许昌学院、华北水利水电大学、重庆电力高等专科学校、南方电网数字电网研究院有限公司、国网电力科学研究院有限公司、武汉凯默电气有限公司、武汉市豪迈电力自动化技术有限责任公司、哈尔滨光宇电气自动化有限公司、中国南方电网有限责任公司超高压输电公司梧州局、中国南方电网有限责任公司超高压输电公司贵阳局、国网新疆电力有限公司电力科学研究院、国网重庆市电力公司电力科学研究院、国网甘肃省电力公司电力科学研究院、云南电网有限责任公司电力科学研究院、国网山东省电力公司电力科学研究院、广西电网有限责任公司电力科学研究院、国网河北省电力有限公司电力科学研究院、国网安徽省电力有限公司电力科学研究院、国网浙江省电力有限公司宁波供电公司、国网浙江省电力有限公司台州供电公司、许昌豫盛昌电气股份有限公司。本文件主要起草人：张杨、陈光华、李书勇、唐翼、林海鹰、李鹏、方芳、朱继红、程成、贺志刚、侯喆、戴光武、尹明、宁涛、吴悦胜、姚程、张炜、韩伟、陈实、殷志锋、谭联、徐明、林跃欢、刘杨、周坤、石旭刚、张立峰、吴志宇、冯文昕、朱啸天、南东亮、王洪彬、王永年、许守东、王宏、王晓明、何白冰、陈天英、陈洪波、吕世斌、黄镇、李伟霞。本文件为首次发布。1智能变电站数字信号试验装置校准规范本文件规定了智能变电站数字信号试验装置(以下简称“数字信号试验装置”)的校准条件、校准模式、校准项目、校准方法、校准结果的表达、复校时间间隔等要求。本文件适用于智能变电站数字信号试验装置，针对其收发的符合DL/T860.92、DL/T860.81、GB/T20840.7、GB/T20840.8协议的数字信号进行校准。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T20840.7互感器第7部分：电子式电压互感器GB/T20840.8互感器第8部分：电子式电流互感器DL/T860.81电力自动化通信网络和系统第8-1部分：特定通信服务映射(SCSM)—映射到DL/T1501数字化继电保护试验装置技术条件DL/T1944智能变电站手持式光数字信号试验装置技术规范JJF1059.1—2012测量不确定度评定与表示3术语和定义数字信号digitalsignal符合DL/T860.92、DL/T860.81、GB/T20840.7和GB/T20840.8的数字报文。数字信号试验装置digitalsignaltestdevice智能变电站建设、调试和维护过程中收发符合DL/T860.92、DL/T860.81、GB/T20840.7、GB/T20840.8等数字报文的试验装置。与数字信号试验装置(3.2)、标准信号源、授时设备相连，收发数字信号(3.1)或模拟信号、开关量信号，提取数字信号试验装置测试指标的算法与工具，是数字信号试验装置校准工作中的标准装置。2信号转换时间signalconversiontime数字信号试验装置获取一种信号后将其转换并发出所经过的时间。根据获取信号和转换信号类型的不同，可分为以下三种：a)数字信号转硬接点时间。数字信号转硬接点时间是指装置在接收到数字信号之后，经固定的或可控的延时将其转换为硬接点信号并发出所经过的时间b)数字信号转数字信号时间。数字信号转数字信号时间是指装置在接收到数字信号之后，经固定的或可控的延时将其转发或转换为另一个数字信号并发出所经过的时间。c)硬接点转数字信号时间。硬接点转数字信号时间是指装置在接收到硬接点信号之后，经固定的或可控的延时之后将其转换为数字信号并发出所经过的时间。4校准条件4.1环境条件数字信号试验装置的校准环境应满足如下条件：a)环境温度：20℃±5℃。b)相对湿度：45%～75%。c)大气压力：86kPa～106kPa。d)交流供电电压：偏差不超过电源额定值的±10%。e)交流供电频率：50Hz±0.5Hz。f)交流供电波形：正弦波，波形失真度不大于5%。g)直流供电电压：偏差不超过电源额定值的±2%。h)直流供电电压的纹波系数：不大于2%。i)周围无影响正常校准的电磁干扰和机械振动。当超出a)～i)规定的环境条件时，由用户与制造商商定。4.2标准装置要求数字信号试验装置校准工作中的标准装置(以下简称“标准装置”)应采用专用的整体标准装置或组合式标准装置。标准装置的模拟量精度指标(扩展不确定度、最大允许误差)不应大于被校准数字信号试验装置(以下简称“被校准装置”)相应功能精度指标的1/3,数字量精度指标(扩展不确定度、最大允许误差)应优于被校准装置的相应精度指标。标准装置的各个参量的读数分辨率应满足被校准装置相应功能的误差要求。5数字信号校准5.1校准模式5.1.1一般要求根据获取和发送数字信号工作原理的不同，数字信号试验装置可分为四种工作模式，每种工作模式3的校准原理和方法不同。四种工作模式如下：a)D模式：发送或接收相应数字信号。b)A/D模式：接收模拟信号或开关量信号，转换为相应数字信号并输出。c)D/D模式：接收一路或多路数字信号，将所接收的数字信号进行输出。d)D/B模式：接收数字信号，转换为相应的开关量信号并输出。实际应用中，数字信号试验装置可能会兼具以上多种工作模式，在校准过程中应将其功能按以上工作模式进行分解。在校准工作中，涉及端口间数字信号同步性指标参量的校准时，宜针对数字信号试验装置的全部数字信号收发端口进行校准。数字信号校准的各种算法按照附录A的规定，在满足校准需求的情况下进行选用。若实际校准中所选用算法与附录A不同，应在校准证书中予以说明。5.1.2D模式数字信号试验装置校准5.1.2.1直接校准由被校准装置收发的信号指标为X,由标准装置收发的信号指标为A。通过分别获取标准装置和被校准装置的数字信号指标进行校准。校准原理见图1。图1D模式智能变电站数字信号试验装置直接校准方法示意图5.1.2.2比对校准选择固定的数字信号收发装置作为信号源，用标准装置和被校准装置同时对信号源进行测试。以标准装置获取的数字信号指标×与被校准装置获取的数字信号指标X进行比对实现校准。校准原理见图2。图2D模式智能变电站数字信号试验装置比对方法校准示意图5.1.3A/D模式数字信号试验装置校准在进行A/D模式数字信号试验装置的校准时，标准装置需要具有模拟量输出和数字信号接收功能，发出的模拟信号X和接收的数字信号文用自动或手动方法进行比较。校准时，由标准装置的模4准原理见图3。模拟信号输出源模拟信号输出源模拟信号A/D模式数字信号分析算法与工具标准装置被校准装置计数字信号图3A/D模式智能变电站数字信号试验装置校准示意图数字信号输出源数字信号分析算法与工具x-x|数字信号数字信号被校准装置标准装置图4D/D模式智能变电站数字信号试验装置校准示意图D/B模式数字信号的被校准装置，其D/B转换是指开关量信号的转换，在涉及采样值数字信号校准5.2校准项目智能变电站数字信号试验装置的校准项目见表1。5校准类型校准项目12采样间隔34额定延迟时间5直流信号电压幅值6电流幅值7交流信号电压幅值8电流幅值9时间指标数字信号转硬接点时间数字信号转数字信号时间硬接点转数字信号时间数字信号状态持续时间将被校准装置输出的数字位与接入标准装置，设定被校准装置输出数字信号的采样率为f,利用数字信号分析算法与工具分析得到被校准装置输出数字信号的实际采样率f。采样率误差定义见公式(1)。△——采样率误差；以1min内的固定帧数为基准，对f,进行测量，固定帧数N计算见公式(2)。N=1×60×f₄ (2)采样帧数为N的采样时刻说明见图5,T;时刻为被校准装置第一帧数据发出的时刻，T,为第N帧数据发出的时刻，所以时间T为N-1个采样点的时间，可以得到真实采样周期时间T,见公式(3)。6图5采样示意图采样率测量值ʃ,为采样间隔倒数，见公式(4)。在此基础上计算采样率误差，见公式(1)。设置被校准装置按照设定的采样率6发送预定格式的采样报文，利用标准装置接收采样报文，统计采样间隔误差。采样间隔的校准通常采用采样间隔误差表示，采样间隔误差见公式(5)、公式(6)。 (5) (6)T——采样间隔测量值；₀——采样率基准值。通过统计采样间隔误差，从而得到采样间隔的最大正偏差和最大负偏差，计算过程见公式(7)。N₇——采样间隔的最大负偏差；T;——试验时间段内的所有采样间隔序列。5.3.3额定延时校准根据GB/T20840.8的规定，额定延时是指数字数据处理和传输所需时间的额定值。对于D模式被校准装置，不存在A/D和D/D采样过程，其额定延时为预定发送时刻与实际发送时刻的差值，见图6。校a)被校准装置和标准装置接收同一个授时设备的时间同步信号，完成时间同步。b)将被校准装置输出的数字报文接入标准装置。c)设置被校准装置的额定延迟时间为Ta,并设定其在整秒T₀时刻发出数字报文。d)标准装置接收到第一帧采样序号为0的数字报文的时刻记为T。e)额定延迟时间的测量值计算见公式(8)。7步信号周期(1s)。4)设置被校准装置的额定延迟时间为Tao,并设定其在整秒T₀时刻发出数字报文。5)标准装置接收到第一帧采样序号为0的数字报文的时刻记为T₁。额定延迟时间的测量值的计算见公式(8),额定延迟时间的误差的计算见公式(9)。8频周期(20ms)。2)将模拟信号源与被校准装置输出的数字报文同时接入标准装置，计算两组采样信号同一时额定延迟时间测量值计算见公式(10)。T₄=(q-Q₂)/2πf (10) q——模拟信号源的基波相位；2——输出数字报文的基波相位；额定延迟时间误差计算见公式(9)。图8非同步运行A/D模式智能变电站数字信号试验装置额定延迟时间校准示意图c)非同步运行(直流数字信号，校准原理见图8)。通过暂态延迟测试法(按照附录A中A.1的规定)测试额定延迟时间误差。额定延迟时间的误差计算见公式(9)。对于D/D模式数字信号被校准装置，当装置处于同步运行和非同步运行模式时，额定延迟时间的校a)同步运行(交流/直流数字信号，校准原理见图9)。1)被校准装置和标准装置接收同一个授时设备的时间同步信号，完成时间同步。2)将被校准装置输出的数字报文接入标准装置。3)通过暂态延迟测试法(按照附录A中A.1的规定)确认被校准装置的额定延迟时间小于同步信号周期(1s)。4)设置被校准装置的额定延迟时间为T,并设定其在整秒T₀时刻发出数字报文。5)标准装置接收到第一帧采样序号为0的数字报文的时刻记为T₁。额定延迟时间的测量值计算见公式(8),额定延迟时间的误差计算见公式(9)。b)非同步运行(交流数字信号，校准原理见图9)。1)通过暂态延迟测试法(按照附录A中A.1的规定)确认被校准装置的采样延迟小于工频周期(20ms)。2)将信号源与被校准装置输出的数字报文同时接入标准装置，记录一个采样周期内的两组采输出信号：t₂,923)额定延迟时间测量值计算见公式(11)。T₄=(q₂-q)/2πf-(t₂-t) (11)92—输出数字报文的基波相位；f——输入信号源频率。额定延迟时间的误差计算见公式(9)。数字信号源被校准装置算法与工具图9D/D模式数字信号试验装置同步运行额定延时校准示意图(非同步时无授时装置)c)非同步运行(直流信号)装置校准。通过暂态延迟测试法(按照附录A中A.1的规定)测试额定延迟时间误差。额定延迟时间的误差计算见公式(9)。5.3.4采样同步准确度校准5.3.4.1单光口采样同步准确度校准在进行单光口采样同步准确度的校准时，需要对被校准装置输出数字报文通道的相位差进行设定。被校准装置，设定被校准装置输入信号各模拟量通道或数字量通道之间的相位差：a)对于被校准装置输出的数字报文(含n个采样值通道),取其中第个通道(除采样延时通道外)作为相位基准，设定其他通道的相位差，如公式(12)和公式(13)所示。 Ao△9…,△Q。(报文通道不包含采样延时)……(12) 2Q△,…,△Q。(报文通道包含采样延时)……(13)△9,—第n个采样通道相对于通道i的相位差，可以是0值，也可以是非0值。b)利用标准装置记录被校准装置输出的数字抵文，计其一采样间隔内的采样值相位差，见公式…(报文通道包含采样延时)A。—第n个采样通道的相位相对于通道i的计算相位差。采样同步的误差见公式(15)。e)选择各光口输出报文中第一个采样序号为0的报文，对于n光口间的采样同步误差见公式(16)、公式(17)、公式(18): ,T,)…… (18)出的数字报文，计算得出幅值估计的最优值A,有效值误差W计算见公式(19)。的发送参数为采样率、幅值、频率、初始相角(交流系统)以及采样率、幅值(直流系统)。对于A/D间不小于1s。瞬时值误差计算见公式(21)、公式(22)、公式(23)。 (23)△X——第n个采样点的瞬时值误差；D模式数字信号试验装置的相位校准步骤如下：a)设定被校准装置按照其支持的最大数字报文通道数量输出数字报文，选定其中一个数字通道I,b)将被校准装置输出的数字报文接入标准装置，被校准装置和标准装置处于时钟同步状态。c)利用数字信号分析算法与工具分析得到数字通d)相位误差△φ计算见公式(24)。A/D和D/D模式数字信号试验装置的相位校准步骤如下：a)将被校准装置的数字报文(按照其支持的最大数字报文通道数量输出数字报文)及模拟/数字信号源的输出信号同时接入标准装置。b)选定被校准装置输出数字报文中的数字通道I,通过标准装置记录其相位θ,同时记录相应模拟/数字信号源输出信号的相位θ。c)相位误差△θ计算见公式(25)。频率误差计算见公式(26)。Af=(f₆-)1j×100% (26)被校准装置的工作模式不同，校准时需要设定的谐波参数不同。对于D模式被校准装置，需要设定NB/T11216—2023输出数字报文的基波幅值、基波相位及谐波次数、谐波幅值和谐波相位；对于A/D和D/D模式被校准装置，需要设定模拟/数字信号源输出信号的基波幅值、基波相位以及谐波次数、谐波幅值和谐波相位：a)利用标准装置记录被校准装置输出的数字报文，记录时间不小于10s。b)利用附录A中A.5的谐波分解算法对被校准装置输出的数字报文进行谐波分解。各阶谐波幅值谐波幅值误差计算见公式(27)。波形畸变率△S计算见公式(28)。 (28)直流分量占比S₀计算见公式(29)。5.3.10数字信号转硬接点时间校准对于D/B模式的装置，数字信号转硬接点时间控制功能校准，由标准装置发送数字信号给被校准装置，被校准装置在接收到数字信号之后，在固定的或可控的延迟时间t之后发出硬接点信号给标准装置。标准装置在接收到硬接点信号之后读取由数字信号发出到硬接点信号输入之间的时间to,校准原理见图10。起l₀正图10数字信号转硬接点时间控制精度校准示意图对装置的数字信号转硬接点时间测量功能进行校准时，以标准装置接收被校准装置发由标准装置在设定的延迟时间φ之后发出硬接点信号(快速开出)给被校准装置，由被校准装置完成从发出数字信号到接收硬接点信号的时间测量，读取测量结果t₁,校准原理见图11。f图11数字信号转硬接点时间测量精度校准示意图数字信号转硬接点时间的误差计算见公式(30)。Wo=(4-t₀)/t₀×100% (30)Won—数字信号转硬接点时间相对误差；t₀——标准装置的时间；t₁——被校准装置的时间。5.3.11数字信号转数字信号时间校准对D/D模式的装置，数字信号转数字信号控制功能校准，由标准装置发送数字信号0给被校准装置。标准装置在接收到数字信号1之后读取由数字信号0发出到数字信号1输入之间的时间to,校准原理见图12。被校准装置(时间控制)图12数字信号转数字信号时间控制精度校准示意图对装置的数字信号转数字信号测量功能进行校准时，以标准装置接收被校准装置发出的数字信号0,由标准装置在设定的延迟时间t₀之后发出数字信号1给被到接收标准装置输入数字信号1的时间测量，读取测量结果t,校准原理见图13。起4止间测量)%图13数字信号转数字信号时间测量精度校准示意图数字信号转数字信号时间的误差计算见公式(31)Wop=(t-t₀)/t₀×100% Wop——数字信号转数字信号时间相对误差；t₀——标准装置的时间；t₁——被校准装置的时间。5.3.12硬接点转数字信号时间校准对A/D工作模式的装置，硬接点转数字信号时间控制功能校准，由标准装置发送硬接点信号(快速开出)给被校准装置，被校准装置在接收到硬接点信号之后，在固定的或可控的延迟时间t之后发出数起t₀正起4止硬接点转数字信号时间的误差计算见公式(32)。 (32) (33)如需用U表示，应按照JF1059.1的规定进行评定，测量不确定度的有效位数为1位～2位。(规范性)As=|[s()-s(-T)]-[s(t-T)-s(t-2T)]|…………当检测到信号突变时，记录信号源突变时刻，获取信号t₁时刻的基波相位φ,同时记录数字报文突△t=(Q₂-q)/2πf…………(A.2)b)交流采样延迟测量。当检测到信号突变时，记录信号源突变时刻4,获取信号t时刻的基波相采样延迟T计算见公式(A.3)。采样延迟7计算见公式(A.4)。T=t₂-tx(t)=Acos(ot+φ)R=A分别利用公式(A.17)与公式(A.18)、公式(A.19)与公式(A.20),令公式(A.23)与公式(A.24)f=f₀±|Af|…………(A.27)和次大幅值的谱线；存在ξ≤k₂≤k₂(k₂=k₁+1),令这两条谱线的幅值分别为y₁=|X(A)|,A=(y₁+y₂)(3.06539676+0.965559979a²+0.163556a⁴+0.01985a⁶)/N……(A.35)(资料性)B.1分析不确定度来源评定不确定度时需要充分考虑校准过程中所有可能对校准结果产生影响的分量并进行综合评定。在测量工作中，可能存在许多导致不确定度的来源，包括但不限于：a)在相同测量条件下，被测量重复观测值的变化。b)标准装置技本身计量性能(如最大允许误差、分辨力、灵敏度、死区、稳定性)的局限性。e)环境因素对被测量的影响。测量不确定度的来源需要根据实际测量情况进行具体分析。对测量结果影响较大的不确定度来源，在数字信号试验装置收发的数字信号的校准工作中，可预见比较明显的不确定度来源包括重复观测的变化，标准装置最大允许误差、分辨力的局限性，引用的算法导致的不准确等。B.2确定测量模型测量中，当被测量由n个其他量通过函数来确定时，则测量模型可以表示为f——测量函数。在数字信号试验装置的比对法测量方法中，测量模型可以简化为在数字信号试验装置的直接测量方法中，测量模型可以简化为Y=XB.3计算各分量的标准不确定度测量不确定度一般由若干分量组成，每个分量用其概率分布的标准偏差估计值表征，称标准不确定度。在识别不确定度来源后对不确定度各个分量做一个预估是必要的，测量不确定度评定的重点应放在标准不确定度的评定分为基于统计方法的A类评定和基于先验概率分布得到标准差值的B类评定。a)A类评定的方法。对被测量进行n次独立重复观测，通过所得到的一系列观测值，用统计分析方法获得，通过贝塞尔公式计算试验标准偏差s(x),当最终以其中一次观测值x作为实验结果时(k=1,2,…,n),测试结果的A类标准不确定度按如下公式计算：当用n次测量结果的算术平均值工作为被测量的试验结果时，被测量的A类标准不确定度