CN101900799A - 一种基于模拟溯源法的数字电能表校验装置 - Google Patents

Abstract

一种基于模拟溯源法的数字电能表校验装置，用于对基于IEC61850标准的电能表进行精度测试，装置包括：交流信号调理板、中央控制板和工控机，以及给装置供电的线性电源板；交流信号调理板将外接的标准功率源提供的三相电压、三相电流进行前端低失真转换，转换为满足后面中央控制板的AD模数转换器量限的电压信号；中央控制板完成功能包括交流信号采样、电能累积、IEC61850标准通信、误差计算和与工控机的数据交换；工控机用于开发人机界面，完成命令下达、数据通信和结果显示功能，与中央控制板通过串口交换命令和数据。本校验装置的自身精度达到0.05级，量值可以直接向上溯源至更高等级的现有国家标准。

Description

一种基于模拟溯源法的数字电能表校验装置 

技术领域

本发明涉及一种电能表校验装置，尤其涉及一种基于模拟溯源法的数字电能表校验装置，用于对数字化变电站中应用的基于IEC61850标准的电能表误差测试。 

背景技术

作为电能计量设备，基于IEC61850标准的数字电能表还没有大规模用于变电站或电厂，其很重要的原因是缺失对数字电能表进行误差测试的有效手段，所谓有效的手段必须具备两个条件：一是校验装置能够输出符合IEC61850标准的数据给被测电能表，并且接收被测电能表的电能脉冲，测出被测电能表的误差；二是校验装置的精度等级至少为0.05级，且精度具有可溯源性。 

国内的电能表厂家和部分科研院所开展了基于数字溯源的校验技术研究，这种技术的基本原理是：校验装置内部模拟一个数字信号发生器，信号发生器的基准是一组数学模型，校验装置将信号发生器的输出按IEC61850标准组帧发送给被测电能表，同时接收被测电能表输出的电能脉冲，比较电能脉冲代表的电能量与基准电能量，即得到了被测电能表的误差。这个技术的主要问题是信号发生器的基准本身的精度无法通过国家标准进行量传，也就是说校验装置的精度只能依靠设计方的保证，而无法使用第三方的手段进行检定。 

发明内容

本发明的目的，就在于提供一种基于模拟溯源法的数字电能表校验装置，校验装置的量值可以直接向上溯源至更高等级的现有国家标准，如精度为0.01级的 COM3000标准电能表。 

为实现上述发明目的，本发明提供一种数字电能表校验装置(见附图1的虚线框部分)，包括依次有数据线连接的交流信号调理板2、中央控制板3、工控机4以及给装置供电的线性电源板5。其特征是： 

所述的交流信号调理板2作用是将外接的标准功率源1提供的量值溯源和虚负荷测试时所需要的三相电压、三相电流进行前端低失真转换，转换为满足后面中央控制板中的交流采样单元量限的电压信号，交流信号调理板2包括电流调理回路、电流量程切换控制回路和电压调理回路： 

在电流调理回路，中央控制板根据输入电流的幅值大小动态改变零磁通电流互感器的一次安匝数。由于继电器的开关通断容量有限，因此以两个开关并联、共用一个控制信号组成一组继电器，每相输入的交流电流信号经三组继电器，进入零磁通电流互感器，零磁通电流互感器一次匝数分四个档位，具有四个抽头和一个公共端；第一组继电器在前，其输出端口A与第二组继电器的输入端连接、输出端口B与第三组继电器的输入端连接，第二、第三组继电器的四个输出端口连接零磁通互感器的抽头；零磁通互感器的二次输出接入一个电流/电压变换电路，变换电路设有一个高精度运算放大器，负输入端与输出端之间连接有一个高精度电阻； 

电流量程切换控制回路含两块驱动芯片，用于驱动三相电流回路的共9组继电器，其中第一驱动芯片用于驱动A相和B相电流量程切换的继电器，第二驱动芯片用于驱动C相电流量程切换的继电器；两块驱动芯片的控制输入均为来自中央控制板并经过光电隔离的控制信号； 

电压调理回路的作用为将标准功率源输出的交流电压低失真地转换为5V以内的低电压信号，再送到中央控制板中的交流采样单元；输入的电压信号首先经过一个电 阻分压网络，分压网络由三个精密电阻组成，经分压后的电压信号接至一个可编程增益仪表放大器，放大器的控制信号来自中央控制板，放大器的输出电压信号送到中央控制板的交流采样单元。 

所述的中央控制板3完成功能包括交流采样、电能累积、IEC61850标准通信、误差计算和与工控机的数据交换；中央控制板按照功能可划分为如下几个部分： 

1)电源单元 

电源单元的输入电压为5V，取自线性电源板，电源单元含电源管理芯片进行电压转换，分别转换为3.3V、1.25V和1.8V电压供中央控制板的各单元； 

2)交流采样单元 

交流采样单元的作用是将模拟的交流信号(表征三相电压、电流)同步转换为数字信号，然后将数字信号送入数字信号处理器DSP芯片(下面介绍)；模数转换器(AD)采用具有八通道同步转换的转换芯片，信号在送到模数转换器之前经过共模转换和抗混叠滤波处理；采用高精度差分放大器，将输入交流信号乘一个系数后叠加一个输入的共模电压，处理后的差分信号送到模数转换器；模数转换器的共模电压输出经过一个同相跟随器后送给差分放大器，作为差分放大器的共模电压输入； 

三相电流信号送到模数转换器的第1到第3输入通道，三相电压信号送到模数转换器的第4到第6输入通道，模数转换器的参考电压来自电压参考芯片；模数转换器与DSP芯片间的通信采用帧同步串口方式； 

3)数字信号处理器DSP单元 

数字信号处理器DSP单元主要包括一个数字信号处理器DSP芯片和外围时钟电路，作为中央控制板的核心部分，本单元实现数据采集、数据处理和数据传输的功能，其内部具有运算单元、控制单元、存储单元、数据总线和I/O接口；DSP芯片通过数 据线与其他单元连接； 

4)存储单元 

存储单元含存储器和闪存芯片，存储器用于在DSP芯片运行时存储程序代码和实时数据；闪存芯片用于掉电后存储程序代码和参数数据； 

5)I/O单元 

I/O单元主要实现DSP芯片外部总线复用，以及DSP芯片与工控机之间的RS232通信接口；总线复用机制采用译码器、或非门和锁存器，串口通信控制器采用光藕隔离器进行电平转换； 

6)电能脉冲单元 

中央控制板包含两路电能脉冲输入口(一个为有功电能输入、一个为无功电能输入)和两路电能脉冲输出口(一个为有功电能输出、一个为无功电能输出)。输入的电能脉冲经过光藕隔离器进行脉冲电平转换，再经两级驱动器转换最后送至DSP；来自DSP的电能脉冲输出经一级驱动后，送入光藕隔离器输入端，其输出经一级驱动后，作为输出脉冲； 

7)通信单元 

通信单元的作用是在虚负荷测试时将标准功率源输出的三相电压、电流以符合IEC61850-9-1标准的帧发送给被测电能表；或在实负荷测试时，从电子式互感器的合并单元接收实时电压、电流信号；本单元具有两个以太网RJ45接口(电口)和两个以太网光纤SC接口(光口)，电口和光口由以太网控制器控制，共享一个MAC地址，构成通信单元；电口和光口由以太网控制器控制，共享一个MAC地址，构成通信单元，以太网控制器命令接口和数据接口与DSP芯片连接。 

3、根据权利要求2所述的数字电能表校验装置，其特征是：所述的线性电源板的 作用是将输入的220V交流电压转换为电子器件使用的直流电压，信号调理板和中央控制板的交流采样单元中的放大器均为±15V供电，继电器和光电隔离器件的驱动电源为+12V，模数转换器需要三个电压源供电，模拟部分用5V，数字信号处理内核用1.8V，I/O接口用3.3V，±15V、+12V和+5V电源取自线性电源板；线性电源板采用一个具有多个抽头的、220V交流电压输入的变压器和三个桥式整流电路。 

4、所述的工控机用于开发人机界面，完成命令下达、数据通信和结果显示功能，与中央控制板通过串口交换命令和数据。工控机的配件参数表为： 

有益效果：本发明的校验装置电能测量精度达到了0.05级，并且精度可以通过传统标准电能表进行检定，确保了测试数据的有效性。 

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步阐述。 

图1校验装置原理框图； 

图2A信号调理板电路中的电流调理回路的原理图； 

图2B信号调理板电路中的电流量程切换控制回路的原理图； 

图2C信号调理板电路中的电压调理回路的原理图； 

图3中央控制板的结构框图； 

图4中央控制板中的电源单元电路原理图； 

图5A中央控制板中交流采样电路的模数转换器的原理图； 

图5B中央控制板中交流采样电路的差分放大器的原理图； 

图6中央控制板中的存储单元电路原理图； 

图7中央控制板中的I/O单元电路原理图； 

图8中央控制板中的电能脉冲单元电路原理图； 

图9中央控制板中的通信单元1电路原理图； 

图10中央控制板中的通信单元2电路原理图； 

图11线性电源板电路原理图； 

图12：量值溯源原理图； 

图13：虚负荷测试原理图； 

图14：实负荷测试原理图。 

具体实施方式

本发明为校验装置，适用于对基于IEC61850标准的数字电能表进行误差测试，以确定作为电能计量设备的电能表精度是否满足标称等级。 

如图1所示，本发明的数字电能表校验装置(见附图1的虚线框部分)，包括依次有数据线连接的交流信号调理板2、中央控制板3、工控机4以及给装置供电的线性电源板5。 

参见图2A至图2C，所述的交流信号调理板作用是将外接的标准功率源提供的量值溯源和虚负荷测试时所需要的三相电压、三相电流进行前端低失真转换，转换为满足后面中央控制板中的交流采样单元量限的电压信号，交流信号调理板包括电流调理回路、电流量程切换控制回路和电压调理回路： 

在电流调理回路，中央控制板根据输入电流的幅值大小动态改变零磁通电流互感器的一次安匝数。由于继电器的开关通断容量有限，因此以两个开关并联、共用一个控制信号组成一组继电器，A、B、C三相每相输入的交流电流信号(0.2A～10A)经三组继电器，进入零磁通电流互感器，零磁通电流互感器一次匝数分四个档位，具有四个抽头和一个公共端。电流量程与互感器一次匝数的对应关系为：0.2A对应100匝、1A对应20匝、5A对应4匝、10A对应2匝。设每组继电器具有一个输入端和 两个输出端口A和B。第一组继电器在前，其输出端口A与第二组继电器的输入端连接、输出端口B与第三组继电器的输入端连接，第二、第三组继电器的四个输出端口连接零磁通互感器的抽头。每一相电流量程切换用的继电器状态与互感器一次匝数的对应关系为： 

零磁通互感器的二次输出接入一个电流/电压变换电路，变换电路涉及一个高精度运算放大器，型号为OPA2277U，负输入端与输出端之间连接一个精度为0.01％的500欧姆。根据其说明书的应用方案，各个档位电流信号变换为量程为5V的电压信号。 

电流量程切换控制回路含两块驱动芯片，型号为LN2803，用于驱动三相电流回路的共9组继电器，其中第一驱动芯片用于驱动A相和B相电流量程切换的继电器，第二驱动芯片用于驱动C相电流量程切换的继电器；两块驱动芯片的控制输入均为来自中央控制板并经过光电隔离的控制信号，光电隔离器件型号为PC817。 

电压调理回路的作用为将标准功率源输出的20～100V交流电压低失真地转换为5V内的低电压信号，再送到中央控制板中的交流采样单元；输入的电压信号首先经过一个电阻分压网络，分压网络由三个精密电阻组成，分压网络由三个精度为5ppm的精密电阻组成，分压比为5/405。经分压后的电压信号接至一个可编程增益仪用放大器，仪用放大器型号为PGA205AU，放大器的控制信号来自中央控制板，放大器的 输出电压信号送到中央控制板的交流采样单元。 

参见图3，所述的中央控制板完成功能包括交流信号采样、电能累积、IEC61850标准通信、误差计算和与工控机的数据交换。DSP芯片采用美国AD公司的Blackfin531。中央控制板按照功能可划分为如下几个部分： 

1、电源单元(见图4) 

电源单元为中央控制板提供三个电源，分别为3.3V，1.25V和1.8V，电源单元的输入电压为5V，取自线性电源板，电源单元含电源管理芯片ADP3339、REG1117和TPS73018进行电压转换，分别转换为3.3V、1.25V和1.8V电压。 

2、采样单元(见图5A和图5B) 

交流采样单元的作用是将模拟的交流信号(三相电压、电流)同步转换为数字信号，然后将数字信号发送入DSP。模数转换器(AD)采用具有八通道同步转换的转换芯片，型号为ADS1278。信号在送到模数转换器之前根据模数转换器的要求经过共模转换和抗混叠滤波，采用的器件是高精度差分放大器OPA1632，将输入交流信号乘系数0.25后叠加一个2.5V电平的共模电压，输出差分信号送到模数转换器。模数转换器的2.5V共模电压输出经过一个同相跟随器后送给OPA1632，作为差分放大器的共模电压输入。OPA1632的外围电路参考其说明书。三相电流信号送到模数转换器的第1到第3输入通道，三相电压信号送到模数转换器的第4到第6输入通道。模数转换器的参考电压来自一个2.5V的电压参考芯片，型号为ADR441。模数转换器的外围电路参考其说明书。模数转换器与DSP间的通信采用帧同步串口方式，参考模数转换器芯片和DSP芯片的说明书。 

3、存储单元(见图6) 

存储单元含SDRAM存储器和闪存芯片。SDRAM用于在DSP运行时存储程序 代码和运行数据，芯片型号为MT48LC4M16A2TG-75IT。闪存芯片用于掉电后存储程序代码和数据，芯片型号为SST39VF6401B-70-4C-EK。存储芯片与DSP的连接方法参考器件说明书。 

4、I/O单元(见图7) 

I/O单元主要实现DSP外部总线复用，以及DSP与工控机之间的RS232通信接口。总线复用机制采用译码器SN74HC138D、或非门SN74HC02D和锁存器SN74AHCT573PWR。串口通信控制器为MAX232ESE，采用光藕隔离器6N137进行电平转换，DSP侧高电平为3.3V，工控机侧高电平为12V。 

5、电能脉冲单元(见图8) 

中央控制板包含两路电能脉冲输入口(一个为有功电能输入、一个为无功电能输入)和两路电能脉冲输出口(一个为有功电能输出、一个为无功电能输出)。校验装置在量值溯源模式时，中央控制板输出有功电能脉冲或者无功电能脉冲至更高精度的电能标准表，如COM3000；而在虚负荷测试和实负荷测试时，中央控制板接收被测电能表的有功电能脉冲和无功电能脉冲。本单元包含两路电能脉冲输入通道和两路电能脉冲输出通道，输入的电能脉冲经过光藕隔离器6N137，脉冲电平转换为+5V，再经两级驱动器SN74AHC1G14DBVR，脉冲电平转换为+3.3V，最后送至DSP。电能脉冲输出经一级驱动后，送入光藕隔离器PC817输入端，其输出经一级驱动后，作为输出脉冲。 

6、通信单元(见图9和图10) 

通信单元的作用是在虚负荷测试时将标准功率源输出的三相电压、电流以IEC61850-9-1或-9-2标准的帧格式发送给被测电能表；或在实负荷测试时，从电子式互感器的合并单元接收实时电压、电流信号。本单元具有两个以太网RJ45接口(电 口)，接口芯片为16ST8515；两个以太网光纤SC接口(光口)，接口芯片为RTL8201BL。电口和光口由以太网控制器(型号为AX88796L)控制，共享一个MAC地址，构成通信单元1(图9)。电口和光口由以太网控制器(型号为AX88796L)控制，共享一个MAC地址，构成通信单元2(图10)。以太网控制器的命令接口和数据接口与DSP芯片连接。 

所述的工控机用于开发人机界面，完成命令下达、数据通信、结果显示功能，与DSP通过串口交换命令和数据。工控机的配件参数表为： 

参见图11，线性电源板的作用是将输入的220交流电压转换为装置电子器件使用的直流电压。信号调理板和中央控制板的交流采样单元中的放大器均为±15V供电，继电器和光电隔离器件的驱动电源为+12V，AD转换器需要三个电压源供电，模拟部分用5V，数字内核用1.8V，I/O接口用3.3V。±15V、+12V和+5V电源取自线性电源板，自己设计。线性电源板采用一个具有多个抽头的、220V交流电压输入的变压器和三个桥式整流电路，线性电源转换芯片有LM78H05、78H12、LM7815C和LM7915。1.8V电压取自中央控制板的电源单元。 

校验装置有三种工作模式：一、校验装置自身的量值溯源；二、校验装置在实验室对电能表进行虚负荷测试；三、校验装置在运行现场对电能表进行实负荷测试。一、量值溯源模式(见图12) 

量值溯源是为了确定本校验装置的误差是否达到了0.05级。COM3000是0.01级的标准电能表，电压与校验装置并联，电流与校验装置串联。采用部分标准功率源(如 深圳星龙公司的XL803)，工控机可以对标准功率源的输出进行控制，实现自动检定。工作原理图如图12所示。 

二、虚负荷测试模式(见图13) 

在实验室进行虚负荷测试，是为了检测被测数字电能表的误差是否符合标定值。校验装置从标准功率源采集电压、电流信号后，组成IEC61850标准帧内容，通过光纤线传给被检电能表，并且接收被检表的电能脉冲，与校验装置的内部标准电能表累积的电能比较，从而得到被检表的误差。采用部分标准功率源(如深圳星龙公司的XL803)，工控机可以对标准功率源的输出进行控制，实现自动检定。工作原理图如图13所示。 

三、实负荷测试模式(见图14) 

实负荷测试是在变电站或者电厂对电能表进行误差测试，从合并单元输出的同步电压、电流数据同时送到被检电能表和校验装置，被检电能表的电能脉冲也送到校验装置，由校验装置计算得到被检电能表的误差。 

Claims (4)

1.一种数字电能表校验装置，包括依次有数据线连接的交流信号调理板(2)、中央控制板(3)、工控机(4)以及给装置供电的线性电源板(5)，其特征是：

所述的交流信号调理板(2)作用是将外接的标准功率源(1)提供的量值溯源和虚负荷测试时所需要的三相电压、三相电流进行前端低失真转换，转换为满足后面中央控制板中的交流采样单元量限的电压信号，交流信号调理板(2)包括电流调理回路、电流量程切换控制回路和电压调理回路：

在电流调理回路，中央控制板根据输入电流的幅值大小动态改变零磁通电流互感器的一次安匝数，由于继电器的开关通断容量有限，因此以两个开关并联、共用一个控制信号组成一组继电器，每相输入的交流电流信号经三组继电器，进入零磁通电流互感器，零磁通电流互感器一次匝数分四个档位，具有四个抽头和一个公共端；第一组继电器在前，其输出端口A与第二组继电器的输入端连接、输出端口B与第三组继电器的输入端连接，第二、第三组继电器的四个输出端口连接零磁通互感器的抽头；零磁通互感器的二次输出接入一个电流/电压变换电路，变换电路设有一个高精度运算放大器，负输入端与输出端之间连接有一个高精度电阻；

电流量程切换控制回路含两块驱动芯片，用于驱动三相电流回路的共9组继电器，其中第一驱动芯片用于驱动A相和B相电流量程切换的继电器，第二驱动芯片用于驱动C相电流量程切换的继电器；两块驱动芯片的控制输入均为来自中央控制板并经过光电隔离的控制信号；

电压调理回路的作用为将标准功率源输出的交流电压低失真地转换为5V以内的低电压信号，再送到中央控制板中的交流采样单元；输入的电压信号首先经过一个电阻分压网络，分压网络由三个精密电阻组成，经分压后的电压信号接至一个可编程增益仪用放大器，放大器的控制信号来自中央控制板，放大器的输出电压信号送到中央控制板的交流采样单元。

2.根据权利要求1所述的数字电能表校验装置，其特征是：所述的中央控制板(3)完成功能包括交流采样、电能累积、IEC61850标准通信、误差计算和与工控机的数据交换；中央控制板按照功能可划分为如下几个部分：

1)电源单元

电源单元的输入电压为5V，取自线性电源板，电源单元含电源管理芯片进行电压转换，分别转换为3.3V、1.25V和1.8V电压供中央控制板的各单元；

2)交流采样单元

交流采样单元的作用是将模拟的表征三相电压、电流交流信号同步转换为数字信号，然后将数字信号送入数字信号处理器DSP芯片；模数转换器采用具有八通道同步转换的转换芯片，信号在送到模数转换器之前经过共模转换和抗混叠滤波处理；采用高精度差分放大器，将输入交流信号乘一个系数后叠加一个输入的共模电压，处理后的差分信号送到模数转换器；模数转换器的共模电压输出经过一个同相跟随器后送给差分放大器，作为差分放大器的共模电压输入；

三相电流信号送到模数转换器的第1到第3输入通道，三相电压信号送到模数转换器的第4到第6输入通道，模数转换器的参考电压来自电压参考芯片；模数转换器与DSP芯片间的通信采用帧同步串口方式；

3)数字信号处理器DSP单元

数字信号处理器DSP单元主要包括一个数字信号处理器DSP芯片和外围时钟电路，作为中央控制板的核心部分，本单元实现数据采集、数据处理和数据传输的功能，其内部具有运算单元、控制单元、存储单元、数据总线和I/O接口；DSP芯片通过数据线与其他单元连接；

4)存储单元

存储单元含存储器和闪存芯片，存储器用于在DSP芯片运行时存储程序代码和实时数据；闪存芯片用于掉电后存储程序代码和参数数据；

5)I/O单元

I/O单元主要实现DSP芯片外部总线复用，以及DSP芯片与工控机之间的RS232通信接口；总线复用机制采用译码器、或非门和锁存器，串口通信控制器采用光藕隔离器进行电平转换；

6)电能脉冲单元

中央控制板包含两路电能脉冲输入口：一个为有功电能输入、一个为无功电能输入，以及两路电能脉冲输出口：一个为有功电能输出、一个为无功电能输出；输入的电能脉冲经过光藕隔离器进行脉冲电平转换，再经两级驱动器转换最后送至DSP；来自DSP的电能脉冲输出经一级驱动后，送入光藕隔离器输入端，其输出经一级驱动后，作为输出脉冲；

7)通信单元

通信单元的作用是在虚负荷测试时将标准功率源输出的三相电压、电流以符合IEC61850-9-1标准的帧发送给被测电能表；或在实负荷测试时，从电子式互感器的合并单元接收实时电压、电流信号；本单元具有两个以太网RJ45电接口和两个以太网光纤SC光接口，电接口和光接口由以太网控制器控制，共享一个MAC地址，构成通信单元；电接口和光接口由以太网控制器控制，共享一个MAC地址，构成通信单元，以太网控制器命令接口和数据接口与DSP芯片连接。

3.根据权利要求2所述的数字电能表校验装置，其特征是：所述的线性电源板的作用是将输入的220V交流电压转换为电子器件使用的直流电压，信号调理板和中央控制板的交流采样单元中的放大器均为±15V供电，继电器和光电隔离器件的驱动电源为+12V，模数转换器需要三个电压源供电，模拟部分用5V，数字信号处理内核用1.8V，I/O接口用3.3V，±15V、+12V和+5V电源取自线性电源板；线性电源板采用一个具有多个抽头的、220V交流电压输入的变压器和三个桥式整流电路。

4.根据权利要求3所述的数字电能表校验装置，其特征是：所述的工控机用于开发人机界面，完成命令下达、数据通信和结果显示功能，与中央控制板通过串口交换命令和数据。

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