CN102928805B - 多表位数字化电能表校验仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多表位数字化电能表校验仪，包括后台系统和前台系统，其特征在于：后台系统包括FPGA1，FPGA1分别与AD转换芯片、SRAM存储器、多路以太网接口、SPI？FLASH芯片、脉冲输入相连接，前台系统包括FPGA2，FPGA2分别与以太网接口、DDR2？RAM存储芯片、高精度RTC芯片、液晶显示显示器、键盘、文件系统相连接，前台系统的FPGA1与后台系统的FPGA2通过高速串口相连。本发明可以实现多个数字化电能表同时校验，提高实际检定工作中的效率。

Description

多表位数字化电能表校验仪

技术领域

本发明涉及一种数字化电能表校验仪，尤其是涉及一种可实现批量检定的数字化电能表校验仪，属于电能仪表技术领域。

背景技术

多表位同步检验的问题：传统电能表校验仪不能适应数字化电能表校验。传统电能表校验仪通过电压并联、电流串联方式一次检定多块传统电能表，数字化电能表采用数字信号输入，不同的电能表具有不同的配置，只能一对一连接。现有数字化电能校验仪每次只能校验一块数字化电能表，效率低下，不能大批量进行检定，无法适应大规模生产需要。

传统电能表校验台进行数字化改造的问题：对于需要数字化电能表校验台的用户，一般都有传统电能表校验台，数字化电能表校验台和传统电能表校验台之间，主要是量值传递方式不一，其他测试硬件和台体部件都大同小异，出于节约用户资金的目的，可以通过开发兼容性接口，与传统电能表校验台组合，改造其为数字化电能表校验台；

输出功率稳定度的问题：对于现有的数字化电能表校验仪，其输出数字化采样值报文发送间隔波动大，输出功率稳定度不高，测试结果不能如实反映被测数字化电能表的准确度水平。

数字化电能表是应用于数字化智能变电站的计量装置，与传统模拟式电能表不同，其输入信号为符合IEC61850(-9-1、-9-2、-9-2LE)采样值传输规范的数字报文，其采样环节在电子式互感器部分或合并单元部分完成。因此数字化电能表的溯源和检定方式与传统电能表不同。

传统电能表检定输入是电压电流模拟量，这些电参量非常容易通过串联或并联实现级联，输入给多个电能表，而数字化电能表需要输入的是数字化信号，是一对一的，并且每个传输链路的报文都不一定相同，因此数字化电能表不能通过类似传统电能表检定方法进行批量检定。

目前，国内对数字式校验仪正处于探索阶段，校验仪通常只有一个输出链路和一个脉冲输入接口，这种校验仪每次只能检定一块电能表，效率非常低，不能适应数字化电能表的大规模检定。

针对多表位数字化电能表校验，有以下两种方法：

1)采用数字化电能表校验仪+交换机的方式，输出多路报文，这种方式虽然能同时检定多个数字化电能表，但检定前需要更改电能表配置，检定完成后再将配置还原，这样不但增加了工作量，而且容易出错,导致现场配置混乱。

2)采用传统电能表校验仪+模拟式合并单元(MU)+三相模拟源方式，三相模拟源产生三相电压和三相电流，分别输出到传统电能表校验仪和合并单元，合并单元将模拟量转换为数字量，发送到数字化电能表，传统电能表对比模拟量电能和接收到的脉冲频率，确定电能误差。这种方式接线非常复杂，而且模拟式合并单元存在转换误差，测得的误差不真实。

综上所述，目前国内尚没有用于工程实践的大规模检定数字电能表的方式方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现可以同步并行检定多个数字化电能表，以提高检定效率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种多表位数字化电能表校验仪，包括后台系统和前台系统，其特征在于：后台系统包括FPGA1，FPGA1分别与AD转换芯片、SRAM存储器、多路以太网接口、SPIFLASH芯片、脉冲输入相连接，前台系统包括FPGA2，FPGA2分别与以太网接口、DDR2RAM存储芯片、高精度RTC芯片、液晶显示显示器、键盘、文件系统相连接，前台系统的FPGA1与后台系统的FPGA2通过高速串口相连。

后台系统还包括RS232接口，RS232接口与FPGA1相连。

前台系统还包括RS232接口和RS485接口，RS232接口和RS485接口分别与FPGA2相连。

所述FPGA1运行以下各功能模块：

电量计算模块：根据采集到的电压电流计算出有功电能和无功电能；

报文转换模块：按照IEC61850采样值传输规范以及系统配置，将离散采样数据输入到相应数字通道，添加发送序号，生成初始报文；

发送模块：把初始报文添加MAC地址，从相应表位的物理层将报文通过光纤传输到被试电能表；

脉冲采集模块：实时采集电能表脉冲，计算两次脉冲间隔；

误差比较模块：通过比较两次脉冲间隔时间内积累的电能量，与理论值进行对比计算得出被试电能表计量电能误差；

通讯模块：负责与其他系统通讯，配置系统参数，传输误差结果、控制校验过程。

本发明所达到的有益效果：本发明由包括模拟量采样模块、电量计算模块、报文转换模块、报文发送模块、脉冲采集模块、误差对比模块等组成，其中针对每个表位的报文转换模块、报文发送模块、脉冲采集模块、误差对比模块均独立，可以同步并行进行多个数字化电能表有功精度检定、无功精度检定功能。由于每个报文发送、脉冲测量回路和误差比较模块独立，装置集成度高，可以实现多个数字化电能表同时校验，提高实际检定工作中的效率。

附图说明

图1为本发明的多表位数字化电能表校验仪的后台系统结构示意图。

图2为本发明的多表位数字化电能表校验仪的前台系统结构示意图。

具体实施方式

本发明采用前后台架构，后台系统负责实时性高的任务处理，比如采样、报文生成、报文发送、电量计算、误差对比等；前台系统负责实时性要求不高但功能复杂的任务，比如液晶显示界面、键盘扫描、对外通讯、时钟管理、文件系统等，前后台系统采用10Mbps的高速串口相连。

作为一种高精度仪器，后台系统采用0.1ppm的恒温晶振，减小采样间隔误差，提高脉冲测量精度；采用24位Δ-Σ高精度低噪声AD转换芯片，提高模拟量转换精度，减小系统误差；采用无Cache、单一中断结构，有效降低了程序执行的不确定性，降低了报文发送抖动离散性。

后台系统实现方式如图1所示：

1)FPGA芯片采用xilinx公司的Spartan6系列芯片中的XS6SLX75，内部配置该公司的microblaze软核处理器。

2)AD芯片采用TI公司的AD1762，该芯片为24位Δ-Σ高精度低噪声AD转换芯片。

3)SRAM存储FPGA运行时的数据和软核程序，采用ISSI公司的IS61LPS25632A。

4)多路以太网接口采用PHY芯片为LXT971，光纤接口芯片为HFBR5961。

5)SPIFLASH芯片用于存储FPGA启动程序，选用spansion公司的S25FL064A。

6)脉冲输入通过光耦TLP114隔离输入FPGA1。

前台系统也采用FPGA芯片实现，采用软核处理器，可以灵活配置系统。前台系统拥有128M字节的DDR2RAM作为系统内存，采用320x240点阵液晶，可以显示丰富的信息，提供42个键盘接口，提供与上位机连接的以太网接口，提供文件系统，用于存储字库和系统配置文件，采用高精度RTC作为系统后备时钟，提供RS232接口和RS485接口对外通讯。

前台系统实现如图2所示，包括

1)FPGA芯片采用xilinx公司的Spartan6系列芯片中的XS6SLX25，内部配置该公司的microblaze软核处理器。

2)DDR2RAM采用Micron公司的MT47H64M16，该芯片具有128M字节的存储容量，最高可运行在400Mhz，数据宽度16位。

3)以太网接口采用PHY芯片为LXT971，通过RJ45接口对外相连。

4)RS232芯片采用TI公司的MAX3221，该芯片提供最高1Mbps的串行通讯速率；RS485芯片采用TI公司的SN75LBC184。

5)高精度RTC采用美信公司的DS3231，该芯片时钟精度可达2ppm，具有掉电保持功能。

6)液晶采用320x240点阵液晶，可以显示丰富的功能，键盘采用薄膜开关键盘，最多支持42个键。

7)文件系统采用NorFlash实现。

本发明中模拟量采集模块采用高精度AD转换器，把模拟功率源输出的模拟信号转换成离散数字量，并经过系数调整转换为合适的数据。

电量计算模块根据采集到的电压电流计算出有功电能和无功电能；

报文转换模块将这些数据按照IEC61850（-9-1、-9-2、-9-2LE）采样值传输规范把数据按照系统配置输入到相应数字通道，添加发送序号，生成初始报文；

发送模块把初始报文添加MAC地址，从相应表位的物理层将报文通过光纤传输到被试电能表；

脉冲采集模块实时采集电能表脉冲，计算两次脉冲间隔；

误差比较模块通过比较两次脉冲间隔时间内积累的电能量，与理论值进行对比计算得出被试电能表计量电能误差；

通讯模块负责与其他系统通讯，配置系统参数，传输误差结果、控制校验过程等。

所述信息均在FPGA内部实现，其中模拟量采样模块脉冲采集采用硬件实现，精度达0.05级。FPGA内部采用软核处理器，用于处理更加复杂的逻辑处理，如报文发送、误差对比、通讯等。

本发明具有以下特点：

1）采用FPGA实现多网口并行输出和多脉冲并行输入检测。

2）系统包含模拟量采样模块、电量计算模块、报文转换模块、报文发送模块、脉冲采集模块、误差对比模块，其中每个表位的报文转换模块、报文发送模块、脉冲采集模块、误差对比模块均独立并行运算。

3）模拟量采样模块可直接接入传统电能表校验台的功率源输出信号，替代校验台中的传统标准表和电流电压信号发送单元，方便传统电能表校验台进行数字化改造。

4）发明采用前后台系统架构方式实现，前后台系统之间采用高速串口通讯。

6）采用硬件测量脉冲输入宽度，精度高，实时性好。

7）后台系统采用单一中断、无cache的CPU处理方式，有效降低了数字采样报文发送离散性，时间抖动性低于100ns，有效防止出现报文乱序和丢帧等情况，提高校验仪输出功率稳定度，提高了数字化电能表的检定精度。

FPGA：大规模可编程门阵列。

Cache：高速缓冲存储器，比主存储器体积小但速度快，用于保有从主存储器得到指令的副本（很可能在下一步为处理器所需）的专用缓冲器。

ppm：温度系数，表征标称值受温度变化影响的程度，单位是ppm/°C。如电阻的阻值，基准电压源的电压值等。温度系数通常非常小，采用百万分比(ppm)表示更容易。

NorFlash：Flash：非易失存储器，NORFlash的特点是芯片内执行（XIP，eXecuteInPlace）。

Claims (3)

1.一种多表位数字化电能表校验仪，包括后台系统和前台系统，其特征在于：后台系统包括FPGA1，FPGA1分别与AD转换芯片、SRAM存储器、多路以太网接口、SPIFLASH芯片、脉冲输入相连接，前台系统包括FPGA2，FPGA2分别与以太网接口、DDR2RAM存储芯片、高精度RTC芯片、液晶显示器、键盘、文件系统相连接，前台系统的FPGA1与后台系统的FPGA2通过高速串口相连，FPGA1采用XS6SLX75芯片，FPGA2采用XS6SLX25芯片，所述FPGA1并发运行以下各功能模块：

电量计算模块：根据采集到的电压电流计算出有功电能和无功电能；

报文转换模块：将离散采样数据按照IEC61850采样值传输规范把数据按照系统配置输入到相应数字通道，添加发送序号，生成初始报文；

发送模块：把初始报文添加MAC地址，从相应表位的物理层将添加MAC地址后的报文通过光纤传输到被试电能表；

脉冲采集模块：实时采集电能表脉冲，计算两次脉冲间隔；

误差比较模块：通过比较两次脉冲间隔时间内积累的电能，与理论值进行对比计算得出被试电能表计量电能误差；

通讯模块：负责与其他系统通讯，配置系统参数，传输误差结果、控制校验过程。

2.根据权利要求1所述的多表位数字化电能表校验仪，其特征在于：后台系统还包括RS232接口，RS232接口与FPGA1相连。

3.根据权利要求1所述的多表位数字化电能表校验仪，其特征在于：前台系统还包括RS232接口和RS485接口，RS232接口和RS485接口分别与FPGA2相连。