CN101707018A - 电能计量检定仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电能计量检定仿真系统，特别适用于电力部门对员工的培训考核，属于仿真系统结构技术领域。电能计量检定仿真系统，其特征在于包括电能表及校验装置，电能表及校验装置内部分别设有用于进行无线通讯的射频模块；电能表具有计量、显示功能并能利用射频传输参数；校验装置用于向电能表发送启动信号、指令信号和接收电能表回传数据，并完成相关数据存储、具有与电能表同时显示功能，能够完成仿真系统自动校验控制功能以及考核比武功能。本发明能够提高电能检定仿真培训装置的技术水平，充分保证电能计量的准确、可靠、统一，结构简捷，价格低廉，大幅度提高用电稽查计量技术人员工作质量。

Description

电能计量检定仿真系统

技术领域

本发明涉及一种电能计量检定仿真系统，特别适用于电力部门对员工的培训考核，属于仿真系统技术领域。

背景技术

随着电网改革的深入，电能贸易结算的方式发生了根本的改变，电力部门对电能计量越来越重视，特别是对用电稽查计量方面的技术人员提出了更高的岗位技术要求。因此，电能表接线检查培训工作也越来越重要。然而，一方面电工式培训设备一般都是手动接线，技术落后，具有危险性，已趋于淘汰；另一方面，随着我国电力事业的迅速发展，工业和民用电能表日益增多，出现了一户一表、甚至一户多表的情况，为了促进均衡用电，很多地方采用分时计费策略，这种发展趋势致使抄取电能表数据成为一个庞大的工程，越来越多的电力部门开始采用数据采集终端来代替原有的传统手工抄表模式，并通过系统接口为电力营销系统实现了数字化数据采集，提高了抄表的工作效率，保证了抄表数据的准确性，由于电力管理的严格化、具体化，电表种类的多样化，通信协议的不兼容性对数据采集终端的开发也提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于解决上述已有技术存在的不足之处，提供一种能够提高电能计量检定仿真培训装置的技术水平，充分保证电能计量的准确、可靠、统一，结构简捷，价格低廉，能够大幅度提高用电稽查计量技术人员工作质量的电能计量检定仿真系统。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

电能计量检定仿真系统，其特殊之处在于包括电能表1、校验装置2，电能表1及校验装置2内部分别设有用于进行无线通讯的射频模块13、射频模块3；

电能表1具有计量、显示功能并能利用射频传输参数；

校验装置2用于向电能表1发送启动信号、指令信号和接收电能表1回传数据，并完成相关数据存储、具有与电能表1同时显示功能，能够完成仿真系统自动校验控制功能以及考核比武功能。

电能表1设有核心电路板22及与其相连接的底板，

核心电路板22用于实现电能表最小系统的功能，并完成整个仿真系统的数据处理、用来存储数据和程序代码以保证系统正确快速运算处理、保护体统安全、向cpu输入程序代码和调试、在外部电源断电后向系统时钟电路和晶振供电功能；

底板用于实现电能表1模拟电能计量、模拟出操作人员是否错接线或接线没有压紧、能根据校验装置2所发送的命令发出相应的模拟信号、接收用户设置或翻阅数据功能并能显示各种计量参数及辅助参数；

所述核心电路板22包括CPU模块20，CPU模块20外接电源模块16、存储器模块17、处理器调试接口、保障系统在掉电后能够继续计时的RTC电池18、看门狗/复位/电压监控芯片19；

所述底板设有与CPU模块20相连接的用于显示电能表1计量参数的主显示屏8、用于实现对主显示屏8显示内容进行设置操作的操作键、用于接收校验装置2所发送的控制参数及将电能表1的工作状态发送给校验装置2的射频模块13、用于设置电能表1工作状态以及读取电能表参数的通讯接口RS485模块21及模拟三相电能表电流电压的电路部分接线线序错接线判断功能的测量控制电路15；

所述底板还设有与CPU模块20相连接的用于显示电能表1生产厂家或产品型号等辅助参数的辅助显示屏9、用于实现辅助显示屏9开启或关闭的控制开关10，用于设置主显示屏8及辅助显示屏9显示方式的红外收发器14；

上述操作键包括菜单上翻键11及菜单下翻键12；

所述CPU模块20包括ARM7处理器S3C44B0、与S3C44B0相连接的晶振、用于连接下载以及调试应用程序的20针双排接口JTAG仿真器；

所述CPU模块20外接用于检测电能表1接线正确与否及进线是否压紧的单片机；

所述存储器模块17包括SDRAM存储器、NOR Flash存储器、NAND Flash存储器以及FRAM存储器；

所述主显示屏8与辅助显示屏9采用LCD液晶显示屏；

所述核心电路板22通过其上所设的四排插针接口与底板相连接；

所述电能表1为单相或者三相电能表，电能表1内部安装有用于给辅助显示屏9供电的大容量锂电池。

校验装置2包括通过内部软件系统对电能表1的工作方式进行设置、实时显示各测量参数以及设有存储题库用于完成培训考核比武功能的主计算机4，与主计算机4相连接的显示器5及射频模块3，显示器5连接有用于设置参数标准表的每度电脉冲和电源的电压电流功率因数的键盘6；

所述校验装置2能同时控制6-12台及以上电能表1。

本发明的电能计量检定仿真系统，利用射频模块实现电能表与校验装置之间的无线通信，方便快捷，电能表根据校验装置的控制信号以及模拟电压电流误差信号运行，完成计量功能、显示功能以及将各参数通过射频传输到上位机校验系统的功能，同时上位机校验装置依靠主计算机能够独立运行，完成设置电能表工作方式，实时显示各测量参数，培训考核比武等功能，从而使大幅度提高了电能检定仿真培训装置的技术水平，保证电能计量的准确、可靠、统一，并且学员动手接的是模拟三相线，不带强电，提高了工作的安全性。

附图说明

图1：本发明电能计量检定仿真系统的原理图；

图2：校验装置2原理图；

图3：核心电路板原理图；

图4：底板原理图；

图5：电能表结构布局示意图；

图6：模拟错接线原理图；

图7：光耦输出电路原理图；

图8：显示屏接口原理图。

图中：1、电能表，2、校验装置，3、射频模块，4、主计算机，5、显示器，6、键盘，7、壳体，8、主显示屏，9、辅助显示屏，10、控制开关，11、菜单上翻键，12、菜单下翻键，13、射频模块，14、红外收发器，15、测量控制电路，16、电源模块，17、存储器模块，18、RTC电池，19、看门狗/复位/电压监控芯片，20、CPU模块，21、RS485模块，22、核心电路板。

具体实施方式

以下参考附图给出本的具体实施方式，用来对本发明的构成做进一步的说明。

实施例1

电能计量检定仿真系统参考附图1-5，包括具有计量、模拟错接线、误差模拟及输出功、参数设置与显示功能并能利用射频传输参数的电能表1及用于向电能表1发送启动信号、指令信号和接收电能表1回传数据并完成相关数据存储、具有与电能表1同时显示功能、能够完成培训装置自动校验控制功能以及考核比武功能的校验装置2；电能表1内部安装有用于给辅助显示屏9供电的大容量锂电池，电能表1及校验装置2内部分别设有用于进行无线通讯的射频模块3；电能表1包括壳体7，壳体7内部设有构成最小系统的核心电路板22及用于实现电能表1模拟电能计量、模拟出操作人员是否错接线或接线有没有压紧、能根据校验装置2所发送的命令发出相应的模拟信号、接收用户设置或翻阅数据功能并能显示各种计量参数及显示电能表1生产厂家或产品型号等辅助参数的底板，核心电路板22通过其上所设的四排插针接口与底板相连接。

核心电路板包括以下四个子模块：电源部分包括5V到3.3V以及5V到2.5V的转换，CPU模块20包括ARM7处理器S3C44B0、晶振以及JTAG调试接口，存储器模块17包括四种存储器：SDRAM存储器、NOR Flash存储器、NAND Flash存储器以及FRAM存储器；第四个子模块包括RTC电池18和看门狗/复位/电压监控芯片19；CPU模块20外接一片用于检测电能表1接线正确与否及进线是否压紧的单片机，存储器模块17包括SDRAM存储器、NOR Flash存储器、NAND Flash存储器以及FRAM存储器；因为S3C44B0的内核电压分为3.3V和2.5V，所以需要从底板提供的5V转换成3.3V和2.5V，JTAG调试接口用于连接下载以及调试应用程序的JTAG仿真器，该仿真器采用20针的双排接口，CPU自带RTC实时时钟，为了在掉电后系统能够继续计时，这里外接了一块RTC电池，PLL接口连接无源晶振在内部倍频后产生系统需要的主频，S3C44B0自带NOR Flash控制器，所以可以方便地扩展大容量的NOR Flash存储器，这里扩展了一片2M字节容量的NOR Flash芯片AM29LV160用于存储可执行二进制文件。同时S3C44B0自带SDRAM控制器，这里扩展了一片8M字节容量的SDRAM芯片HY57V641620用于当系统启动后运行可执行程序(可执行文件在SDRAM中运行的速度要远远大于在NOR Flash中运行的速度，所以需要扩展SDRAM存储器)。考虑到将来系统升级的可能性，本系统扩展了一片16M字节容量的NAND Flash存储器用来保存海量数据。为了在系统掉电以后保存配置信息，本系统通过IIC总线扩展了一片128K字节容量的铁电存储器。

底板包括与CPU模块20相连接的用于显示电能表1计量参数的主显示屏8、用于显示电能表1生产厂家或产品型号等辅助参数的辅助显示屏9、主显示屏8与辅助显示屏9采用LCD液晶显示屏，用于实现辅助显示屏9开启或关闭的控制开关10、用于实现对主显示屏8显示内容进行设置的菜单上翻键11及菜单下翻键12、用于接收校验装置2所发送的控制参数及将电能表1的工作状态发送给校验装置2的射频模块13、用于设置主显示屏8及辅助显示屏9显示方式的红外收发器14、用于设置电能表1工作状态以及读取电能表参数的RS485模块21.

本电能表1的三种通信方式，分别为：RS485、红外及射频，RS485和红外通过S3C44B0的两个UART接入，射频模块通过S3C44B0的SPI接口接入。

校验装置2包括利用内部软件系统对电能表1的工作方式进行设置、实时显示各测量参数以及设有存储题库用于完成培训考核比武功能的主计算机4，与主计算机4以有线通信方式相互连接的显示器5(显示器用于方便给领导观看培训考生的答题情况，没有此显示器该仿真系统正常工作)及射频模块13，主计算机4连接有设置软件所模拟的标准表的电量参数的键盘6，键盘6是连接在主计算机4上的用于设置软件所模拟的标准表的电量参数和其他的设置。

真实的校验台中有一个标准表，用于作为校验被测电能表的标准，但在本模拟仿真系统中，并不需要真正的标准表，而是采用纯软件来模拟标准表的每度电要发的脉冲数等物理特性，而键盘6的作用就是用来方便调整所模拟的标准表以及调整设置电源电压电流和功率因数等参数。

底板具有以下几种功能：

1、计量功能

由于仿真电能表与真实电能表的区别之一是没有真正的三相线接入，电压以及电流数据是校验装置2通过射频信号传输给电能表1，所以电压、电流、频率信号为数字信号而不是真正的模拟信号。仿真电能表不用测量电压和电流信号，电能表1利用发送过来的电压、电流和频率数值进行计量和计算，表1为需要计量和计算的信号。

表1需要计量和计算的参数列表

计量功能在真实三相电能表中的很大一部分工作是由专用的芯片来完成的，由于仿真电能表不接入三相电，所以原来的硬件包括电压互感器、电流互感器、前端信号处理电路以及计量芯片等都省去了。仿真表只接受来自校验台的电压、电流、频率、误差、故障以及要模拟的状态等信号，依据控制命令进行工作，所以计量功能涉及到的硬件为CPU与射频模块的接口，其它功能都需要CPU通过软件来模拟真实表的计量功能。

2、模拟错接线功能及进线是否压紧

模拟错接功能是指通过硬件和软件设计能够让电能表检测到操作人员在仿真表上错接了A，B，C中的任意两相，同时还能够检测出进线是否压紧。

1)模拟错接线功能的硬件实现

模拟错接线的硬件实现原理为“信号连接”检测，参考附图6，A、B、C和A’、B’、C’接到CPU模块的GPIO上。正确的接线为A接A’，B接B’，C接C’，当正确连接后如果给A一个测试脉冲(某个频率的脉冲)则A’应该收到对应的脉冲信号而B’和C’则不会收到，同理B和C也可以通过发这样的检测信号来检测是否连接好(A、B和C的测试脉冲不应该相同)。如果发生了错接线例如A错接到C’，则A发出的测试脉冲则由C’所接受而不是A’，由此可以判断出A线错接到了C’上，检测出后可以通过CPU将错误信息发送给校验台显示。

2)检测进线是否压紧功能的硬件实现

是否压紧的检测可以利用上面模拟错接线的实现原理，如果A、B、C和A’、B’、C’的端子都压紧的话那么A’、B’、C’能够收到A、B、C发出的测试脉冲，如果某一个端子没有压紧(例如A’)那么A’的电平将保持不变即收不到任何的测试脉冲，由此可以判断出A’进线没有压紧。判断之后可以通过射频通信将这一状态发送给校验台。

3、脉冲及数字量输出功能

接线端子与单相多费率电能表相同，辅助端子至少10个，含有功脉冲输出两个，无功脉冲输出两个，时段切换信号输出两个，时钟检测端子两个，RS485端子两个。有功脉冲和无功脉冲输出采用光耦隔离输出，这两路脉冲以及时段切换信号、时钟检测信号利用CPU的内部定时器和GPIO来实现，光耦输出电路原理如附图7所示。

4、显示功能

本电能表1布置两块显示屏，分别为主显示屏8和辅助显示屏9。按照要求主显示屏8具有单相多费率电能表的显示内容，于当前电能表技术要求相符；可以轮显，可以按键显示，轮显和键显内容可以通过RS485设置；辅助显示屏显示部分电能表名牌参数，含额定电压、电流、常数、厂家信息等，可以通过RS485和红外进行修改；停电时主显示屏8可以不显示，辅助显示屏9由开关控制显示。两种液晶屏的编程接口为并行总线接口，参考原理图如附图8所示。

5、键盘接口

按照现有表的设计，仿真电能表应有以下几个按键：辅助显示屏9的控制开关10，菜单上翻键11和菜单下翻键12.控制开关10控制锂电池的供电，开关打开辅助显示屏9正常显示，主显示屏8不显示，停电时主显示屏8可以不显示，辅助显示屏9由控制开关10显示.菜单上翻键11和菜单下翻键12实现对主显示屏8的显示内容的设置.根据功能要求可以有以下两种设计方案：第一种为采用CPU模块的通用IO扩展两个按键，两个按键的信号线通过逻辑与接到CPU模块的一个外部I/O中断引脚上，当有键按下是触发中断CPU去读两个键的信号线来判断那个键按下，这个方案的特点是实现容易编程简单且易于安装；第二种方案为采用专门的键盘管理芯片ZLG7289，该芯片可以管理多达64个按键，在软件上省去了去抖处理但编程接口较为复杂.如果不考虑升级空间的推荐使用第一种方案，因为它的突出特点是成本比较低.

6、红外通信模块

红外通信接口CPU的通用UART，红外收发器选择安捷伦公司的HSDL-3602。该收发器具有以下特点：完全兼容IrDA1.1规范，通信速率为9.6kbps～4Mbps；典型连接距离大于1.5m；低电压供电，功耗低。

7、射频通信模块

射频通信模块实现两个功能：一是接收校验装置2发送过来的控制参数，包括电电压、电流、电能表的工作状态、误差参数、要模拟的功能等；二是将目前电能表1的工作状态传给校验装置2，校验装置2通过显示器显示电能表的工作参数等。

射频模块的设计包括两个方面，第一个是电能表1端和校验装置2端射频模块的型号选择，在型号选择的过程中尽量给编程留出方便的接口；第二个方面是射频模块的安装位置。这里选择杭州飞拓电子公司生产的两个射频模块：RS24L01SE和NetUSB-24L01。RS24L01SE为要安装在电能表内的射频收发模块，该模块的特点如下：无线通信采用2.4G射频技术；最高工作速率2Mbps；125频道，满足多点网络通信需要；编程接口为SPI；双通道数据接收，内置环行天线，开阔无干扰条件通信距离在50米左右；不含天线尺寸29mm*16mm。

NetUSB-24L01为要安装在校验装置2内的射频收发模块，NetUSB-24L01模块可进行本机地址和发送地址的配置，可以选择频道(0-127)从而实现频率的设置，实现多点PC和PC，PC和电子系统的数据传输。只要PC上都配有NetUSB-24L01无线USB模块和相应的应用软件，即可实现PC和电子系统的数据传输。该模块最高工作速率2Mbps。

8、RS485模块

本电能表1扩展两个半双工RS485通信接口用来设置电能表1的工作状态或者读取电能表1的参数等。其中第一个接口的控制使用CPU自带的UART，RS485芯片选择半双工收发器MAX485，与CPU之间通过高速光耦进行隔离。由于CPU只有两个UART，所以第二个RS485接口需要外扩一个SPI接口转UART芯片SC16IS750，再接一片MAX485收发芯片。

电能表1的整体结构为：

1.所设计的核心电路板以及底板要能放在现有的表壳内，考虑射频模块的安装位置以及天线的开孔位置；

2.要使用现有表上的发光二极管、红外通讯、按键的位置；

3.要在现有表壳的主显示屏8下面开槽放置辅助显示屏9；

4.电池组放在原来电能表放互感器的位置。

本发明电能计量检定仿真系统，具有电能计量功能、模拟错接线功能、误差模拟及输出功能、参数设置与显示功能、与校验台及其他设备的通信功能、上位机系统显示输出控制功能、校验功能、误差处理功能、考核比武功能，可将电能表的通讯、计量功能和计算机强大的存储、管理功能结合起来，设计并实现能仿真多种协议的电能表，为数据采集终端研发提供强大的测试和仿真工具，在提高工作效率的同时降低开发成本，具有很广阔的市场前景.

Claims (9)

1.电能计量检定仿真系统，其特征在于包括电能表(1)及校验装置(2)，电能表及校验装置内部分别设有用于进行无线通讯的射频模块(13、3)；

电能表(1)具有计量、显示功能并能利用射频传输参数；

校验装置(2)用于向电能表(1)发送启动信号、指令信号和接收电能表(1)回传数据，并完成相关数据存储、具有与电能表(1)同时显示功能，能够完成仿真系统自动校验控制功能以及考核比武功能。

2.按照权利要求1所述的电能计量检定仿真系统，其特征在于校验装置(2)包括通过内部软件系统对电能表(1)的工作方式进行设置、实时显示各测量参数以及设有存储题库用于完成培训考核比武功能的主计算机(4)，与主计算机(4)相连接的显示器(5)及射频模块(3)，显示器(5)连接有用于设置参数标准表的每度电脉冲和电源的电压电流功率因数的键盘(6)。

3.按照权利要求1所述的电能计量检定仿真系统，其特征在于电能表(1)设有核心电路板(22)及与其相连接的底板；

核心电路板(22)用于实现电能表最小系统的功能，并完成整个仿真系统的数据处理、用来存储数据和程序代码以保证系统正确快速运算处理、保护体统安全、向cpu输入程序代码和调试、在外部电源断电后向系统时钟电路和晶振供电功能；

底板用于实现电能表(1)模拟电能计量、模拟出操作人员是否错接线或接线没有压紧、能根据校验装置(2)所发送的命令发出相应的模拟信号、接收用户设置或翻阅数据功能并能显示各种计量参数及辅助参数；

所述核心电路板(22)包括CPU模块(20)，CPU模块(20)外接电源模块(16)、存储器模块(17)、处理器调试接口、保障系统在掉电后能够继续计时的RTC电池(18)、看门狗/复位/电压监控芯片(19)；

所述底板设有与CPU模块(20)相连接的用于显示电能表(1)计量参数的主显示屏(8)、用于实现对主显示屏(8)显示内容进行设置操作的操作键、用于接收校验装置(2)所发送的控制参数及将电能表(1)的工作状态发送给校验装置(2)的射频模块(13)、用于设置电能表(1)工作状态以及读取电能表参数的RS485模块(21)及模拟三相电能表电流电压的电路部分接线线序错接线判断功能的测量控制电路(15)。

4.按照权利要求1所述的电能计量检定仿真系统，其特征在于所述校验装置(2)能同时控制6-12台电能表(1)。

5.按照权利要求3所述的电能计量检定仿真系统，其特征在于

所述底板还设有与CPU模块(20)相连接的用于显示电能表(1)生产厂家或产品型号等辅助参数的辅助显示屏(9)、用于实现辅助显示屏(9)开启或关闭的控制开关(10)、用于设置主显示屏(8)及辅助显示屏(9)显示方式的红外收发器(14)。

6.按照权利要求3所述的电能计量检定仿真系统，其特征在于

所述操作键包括菜单上翻键(11)及菜单下翻键(12)，所述CPU模块(20)包括ARM7处理器S3C44B0、与S3C44B0相连接的晶振、用于连接下载以及调试应用程序的20针双排接口JTAG仿真器，所述存储器模块(17)包括SDRAM存储器、NOR Flash存储器、NAND Flash存储器以及FRAM存储器。

7.按照权利要求3所述的电能计量检定仿真系统，其特征在于

所述CPU模块(20)外接用于检测电能表(1)接线正确与否及进线是否压紧的单片机。

8.按照权利要求3所述的电能计量检定仿真系统，其特征在于所述核心电路板(22)通过其上所设的四排插针接口与底板相连接。

9.按照权利要求3所述的电能计量检定仿真系统，其特征在于所述电能表(1)为单相或者三相电能表，电能表(1)内部安装有用于给辅助显示屏(9)供电的大容量锂电池。

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